[发明专利]面内读写的铁电阻变存储器及其增强读/写信号的方法

说明书

本发明属于铁电存储技术领域，具体为一种面内读写的铁电阻变存储器及其增强读/写信号的方法。本发明首先提供一种新颖的面内读写的铁电阻变存储器件，包括在铁电薄膜材料表面制备纳米存储单元，并通过合理调整电极阵列实现增强读写信号；这种效果主要来自于带电畴壁的人工诱导，即通过有意识的将读写电极对与电畴取向呈一定夹角来构建带电畴壁。由于带电畴壁的导电率远高于普通畴壁，能形成带电畴壁的元器件在开态下的电流比常规开态电流高出两个数量级，使信息容易被存储器内高速电路识别。本发明的这种增大读写电流的方法只需要调整存储单元电极对与电畴的水平夹角，工艺简单，不会影响薄膜性能，并且适用于小尺寸、高密度器件的制备。

技术领域

本发明属于铁电存储技术领域，具体涉及一种基于畴壁导电的新型高密度存储器件，并涉及增强读/写信号的方法。

背景技术

非易失存储器作为大数据时代的信息载体，是移动互联网、物联网及人工智能时代的柱石，拥有每年千亿级人民币的市场份额。在行业代表快闪存储器（flash memory）的性能日益趋近瓶颈的背景下，下一代存储器件的研制蓬勃发展。铁电薄膜的自发极化特性及内部电畴皮秒级（40ps）的翻转速度完美的满足了行业对新式存储器“高速”、“稳定”的需求。然而传统的铁电电容存储器（ferroelectric capacitive memory）始终受存储密度的限制，因为这种存储器的工作模式需要采用1 个晶体管 T 和一个铁电电容 C（即 1T1C）作为存储单元，并以该单元作为电路设计为基础。在读取操作过程中，利用电荷积分的方法，通过对铁电电容和参考电容同时施加一个脉冲电压后得到的电荷值的对比来判断铁电薄膜层的电畴是否发生翻转，从而识别存储单元中的逻辑信息。为了让让电路能够识别，铁电电容的面积必须达到微米级才能保证有足够的翻转电流。由于存储单位无法进一步缩小，这种存储器的密度便难以提高，目前实验室能做出的最大容量也只有128M，而且能投入市场的产品容量则更小。而且，铁电电容存储器按基本工作或操作模式是破坏性读出，因为在识别存储单元的逻辑信息时需要电畴翻转，从而改变了其原本的存储状态。并且这种电荷积分对比的读取过程中，铁电电容和参考电容中得到的积分电荷比例很小，在2:1左右，故可靠性差，在读取操作后需要重新写回原来的逻辑信息状态，过频的电畴翻转也会降低器件的使用寿命。基于畴壁导电的铁电阻变存储器（ferro-resistive memory）由于不需要采用传统的1T1C结构作为存储单元，可以极大的提高存储密度，理论上按2纳米为一个存储单元计算，这种存储器的密度可达10Tb，从而可以在未来作为一种通用存储器应用于市场。

铁电阻变存储器是通过铁电薄膜内部畴壁的形成和消失，分别得到高低两个阻态，从而实现信息的存储与读取，在同一加载电压下，薄膜的两个阻态比（电流开关比）达1000:1，具有非常高的可靠性。由于信息读取时加载电压低，不会破坏薄膜内部电畴的状态，使这种存储器具有功耗低，非破坏读取，使用寿命长等一系列优点。目前报道的存储单元已达50纳米量级，并且还在不断缩小，能够满足高存储密度的需求。然而这种新型器件的存储单元，在开态下读出的畴壁电流只有pA-nA量级，难以被逻辑电路识别，会严重影响器件的存储速度。同时，国际上对畴壁导电的研究主要是通过压电力显微镜的导电针尖在薄膜微区施加电场造成局部电畴的翻转产生畴壁，这种方法明显无法与目前硅基的半导体工艺兼容，从而制约了这种新型存储器产业化的进程。

本发明采用面内电极读写存储单元结构，与半导体工艺完全兼容。在此前提下，通过合理制备纳米电极阵列，使正常情况下读出的nA量级畴壁电流增大两个数量级，达300nA量级，满足了被高速存储器电路识别的要求。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种面内读写的铁电阻变存储器及其增强读/写信号的方法。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案。