[发明专利]铁电存储器多位数据存储的操作方法

说明书

技术领域

本发明提供一种实现铁电存储器多位数据存储的操作方法，属于微电子技术领域。

背景技术

在半导体市场中，存储器占有极其重要地位。随着便携式电子设备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前Flash占不挥发存储器市场的90％。但随着半导体技术的进步，Flash遇到了越来越多的技术瓶颈，隧穿氧化层不能随着集成电路工艺的发展无限制地减薄。解决这个问题的思路是研发新一代不挥发存储器，主要有磁存储器(MRAM)，相变存储器(PCM)，电阻存储器(ReRAM)和铁电存储器(FeRAM)，其中铁电存储器最先实现商品化，具有很强商业潜质。

铁电存储器在的关键在于其铁电薄膜电容单元。它主要是利用铁电材料具有的自发极化特性，即自发极化方向可以在反向外电场作用下发生反转的性质而实现存储功能。一般铁电存储器采用钙钛矿结构系列的材料，例如锆钛酸铅(PZT)。此材料的主要特征是有铁电特性，即极化方向与外电场之间具有电滞回线的关系。这种特性使之非常适于做存储器，其剩余极化的正负两个状态分别对应着存储器的“0”和“1”态，并可通过改变外电场的方向来改变存储状态或通过外围电路来传感其极化状态，读取信息。

传统的铁电存储单元一般都只用一对绝对值相同的正负脉冲电压产生一对正负极化强度值，来定义“0”与“1”态，在一个铁电存储单元上只能获取单个状态值，即只可实现一位数据存储，资源利用率低，存储效率低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现铁电存储器多位数据存储的操作方法，提高存储密度，降低生产成本。

本发明的技术方案是：一种实现铁电存储器多位数据存储的操作方法，在铁电存储器的铁电薄膜电容存储单元上，通过外加n对电压值不等的正负写脉冲电压±V_i，i＝1、2、…、n，得到2n个剩余极化强度值，并相应定义出2n个存储态，再通过外加一个固定正读电压来读取2n个存储态；其读写操作方法如下：

写操作：以n＝2为例，n＞2时依此类推；2对电压值不等的外加正负写脉冲电压±V₁和±V₂，定义：V₂＞V₁＞0，可产生4个不同的剩余极化强度值P_rj，j＝0、1、2、3，对4个剩余极化强度值P_rj赋值定义，具体步骤如下：

步骤1：在铁电薄膜电容上外加一个大的正写脉冲电压V₂后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为P_r0，定义为存储态“00”；

步骤2：在铁电薄膜电容上外加一个小的正写脉冲电压V₁后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为P_r1，定义为存储态“01”；

步骤3：在铁电薄膜电容上外加一个小的负写脉冲电压-V₁后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为P_r2，定义为存储态“11”；

步骤4：在铁电薄膜电容上外加一个大的负写脉冲电压-V₂后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为P_r3，定义为存储态“10”；

读操作：通过外加一个固定正读电压，把不同存储态的铁电薄膜的剩余极化强度值P_r都极化到所述固定正读电压对应的饱和极化强度值P_sat，从而相应产生不同的差值P_sat-P_r，转换成具体电荷量被读操作系统所读取；对应于上述写操作中n＝2的例子，四个不同存储态读取信号如下：

存储态“00”对应的读取信号差值为P_sat-P_r0；

存储态“01”对应的读取信号差值为P_sat-P_r1；

存储态“11”对应的读取信号差值为P_sat-P_r2；

存储态“10”对应的读取信号差值为P_sat-P_r3。

在写操作中，所述外加写脉冲电压持续时铁电薄膜产生饱和极化强度值；所述外加写脉冲电压消除后铁电薄膜会由饱和极化强度值变为相应的剩余极化强度值P_r。所述铁电薄膜材料的饱和极化强度值和剩余极化强度值P_r与所述外加写脉冲电压值有关。