[发明专利]2T1C铁电随机存取存储器单元

说明书

本申请涉及2T1C铁电随机存取存储器单元。公开了一种存储器设备及其操作方法。总体上，该设备包括铁电随机存取存储器单元阵列。每个单元包括：第一晶体管，其耦合于位线和储存节点(SN)之间并由第一字线(WL1)控制；第二晶体管，其耦合于参考线和SN之间并由第二字线(WL2)控制；以及铁电容器，其耦合于SN和板线之间。该设备还包括：耦合到位线和参考线的感测放大器、以及被配置为向WL1、WL2、板线和感测放大器发出控制信号的处理元件。所述单元被构造成和操作用于生成位电平参考，其中，在数据脉冲的读取周期期间第一电压脉冲被施加到板线上，且第二电压脉冲用作参考脉冲和清除脉冲。

本申请是申请日为2018年5月11日，申请号为201880038757.6，发明名称为“2T1C铁电随机存取存储器单元”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是于2017年9月25日提交的第15/714,912号美国专利申请的国际申请，其根据35U.S.C.119(e)要求于2017年6月13日提交的第62/519,042号美国临时专利申请的优先权权益，以上所有申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开大体上涉及半导体存储器，且更具体地涉及包括两个晶体管、一个具有改善的信号裕度的电容器铁电随机存取存储器(F-RAM)单元的F-RAM及其操作方法。

背景

铁电随机存取存储器(F-RAM)或存储器设备通常包括储存元件或单元的栅格或阵列，每一个储存元件或单元包括至少一个铁电电容器或铁电容器和一个或更多个相关联的晶体管以选择该单元并控制到其的读或写。铁电容器包括铁电材料，例如锆钛酸铅(PZT)，其具有带有具有两个相等且稳定的极化状态的偶极子的晶体结构。当外部电场被施加在铁电容器上时，铁电材料中的偶极子将在电场方向上排列或极化。在电场被移除之后，偶极子保持它们的极化状态。这种极化状态是通过板线和最初被预充电到0V的释放的位线在铁电容器两端施加电压来进行读取的。生成的电荷量取决于所施加的电压产生的电场是否导致铁电材料的极化状态切换。例如，当极化未被切换时，铁电容器的响应(称为未切换或U期)是线性的或与施加的电压成比例的，并且当数据线连接到感测放大器的非反相侧并与参考电压相比较时，铁电容器的响应被转换为数据“0”。当极化被切换时，铁电容器的响应(被称为极化切换或P期)是非线性的，通常是U期的两倍或更多倍，并且当数据线连接到感测放大器的非反相侧并且与参考电压相比较时，铁电容器的响应被转换为数据“1”。

传统F-RAM设备的一个问题是，对于阵列中的每个单元，关于P期和U期的精确值可以由于设备制造中的工艺过程不同而不同。因此，使用全局参考电压的现行的F-RAM设计被编程并置于设备中任何F-RAM单元的最弱的U期(其具有最高电荷)和最弱的P期(其具有最低电荷)之间。此外，由于温度、电压和设备经历的读周期和/或写周期数的变化，最弱的U期和P期的这些值可能随着设备的使用寿命而变化。因此，传统F-RAM设备的有效F-RAM信号裕度通常较低，并且随着使用而降低，导致可靠性问题和降低的使用寿命问题。

因此，需要一种使用F-RAM单元的改进的存储器设备及其操作方法，以最大化信号裕度并延长设备的使用寿命。

概要

提供了一种半导体非易失性存储器设备及其操作方法。根据实施例，存储器设备包括铁电随机存取存储器(F-RAM)单元阵列。通常，每个F-RAM单元包括被耦合于位线和储存节点(SN)之间的第一或存取晶体管，被耦合于参考线和SN之间的第二或参考晶体管，以及被耦合于SN和板线之间的铁电电容器或铁电容器。该设备还包括被耦合到位线和参考线以将位线上的数据电压与参考线上的参考电压进行比较的感测放大器(SA)，以及被配置为向存取晶体管、参考晶体管和SA发出控制信号并向板线施加电压脉冲的处理元件。通常，根据位电平参考方案来配置F-RAM单元，其中，在读取周期期间将两个脉冲施加到所述板线，并且其中，两个脉冲中的第一个脉冲用作数据脉冲，而两个脉冲中的第二个脉冲用作参考脉冲和清除脉冲。