CN104637949B

CN104637949B - 非破坏性读出铁电存储器及其制备方法和操作方法

Info

Publication number: CN104637949B
Application number: CN201510036586.1A
Authority: CN
Inventors: 江安全; 耿文平; 江钧
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2015-01-24
Filing date: 2015-01-24
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2035-01-24
Also published as: CN104637949A

Abstract

本发明属于铁电存储技术领域，具体为一种非破坏性读出铁电存储器及其制备方法和操作方法。该非破坏性读出铁电存储器包括第一电极层、第二电极层和设置在第一电极层与第二电极层之间的铁电薄膜层，其中，第一电极层中设置有将其分为至少两个部分的间隙，铁电薄膜层的电畴的极化方向基本不垂直且基本不平行第一电极层的法线方向；其中，在第一电极层中的邻接间隙的两个部分之间偏置某一方向的读信号时，对应间隙的部分铁电薄膜层的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道。本发明的铁电存储器可以实现电流方式的非破坏性读出，适合于高密度应用，并且制备简单、成本低。

Description

非破坏性读出铁电存储器及其制备方法和操作方法

技术领域

本发明属于铁电存储技术领域，具体涉及非破坏性读出铁电存储器，尤其涉及一种基于具有间隙的电极进行非破坏性读出操作的铁电存储器以及该铁电存储器的制备方法和操作方法。

背景技术

铁电随机存储器FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) 是利用铁电畴（或称为“电畴”）在电场中两种不同极化取向作为逻辑信息（“0”或“1”）来存储数据的非易失性存储器（Non-volatile Memory），其也可以称为“铁电存储器”。

铁电存储器的存储介质层即为具有可反转（或称为“翻转”）的铁电畴的铁电薄膜层，目前，实验室内可测出的电畴反转的最快速度可达到0.2 ns，实际上它还可以更快。通常地，电畴的反转速度决定了存储器的读写时间，电畴反转的矫顽电压决定了器件的读写电压，它会随着薄膜厚度的降低而几乎呈等比例地减小。因此，铁电存储器具有数据读速度快、驱动电压低和存储密度高等优点，近年来得到了广泛的关注和较快的发展。

目前，铁电存储器按基本工作或操作模式主要可分为：破坏性读出(DRO)的FRAM和非破坏性读出(NDRO)的FeFET两大类。

破坏性读出(DRO)铁电存储器是以铁电电容（以铁电薄膜层作为介质层形成的电容）取代常规的存储电荷电容,并利用它的极化反转来实现数据的写入与读取。迄今为止，市场上应用的所有铁电存储器都是采用这种工作模式，其中以1个晶体管T和一个铁电电容C（即1T1C）构建存储单元，并以该1T1C存储单元作为电路设计为基础，在读取操作过程中，采用电荷积分的方法，通过对与1T1C存储单元串联的参考电容进行电压读取来判断铁电薄膜层的电畴是否反转，从而识别存储单元中的逻辑信息。这种铁电存储器在读取操作中，电压读取会导致铁电薄膜层的电畴反转，因此，它的缺点是信息读取是破坏性的，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。另外，随着器件集成密度的提高，存储单元的铁电电容C的面积不断缩小，而读出电荷是与铁电电容C的面积成正比的，因此可读出电荷也越来越少；当器件存储单元尺寸小于130nm时，目前读出电路基本无法识别存储单元中所存储的逻辑信息，严重地阻碍了铁电存储器向高密度方向发展。

非破坏性读出(NDRO)铁电存储器则是利用铁电薄膜层取代常规MOSFET的栅介质层而构成MFS结构的铁电场效应晶体管(FeFET)。通过极化方向的控制可以改变漏电流I_ds大小，差距可以达几个数量级，存储信息可以在很小的电压下实现非破坏读取。它具有高密度集成、高读写速度、非破坏读取和低功耗等特点，但是由于该器件的逻辑信息保持性能差，一般只能达到数天，而存储器市场一般要求不小于10年。因此这一结构目前还处于实验室研究阶段，未能实际运用到存储器产品中。

因此，当前商业化应用的破坏性读出(DRO)铁电存储器主要是以对铁电电容以电荷积分方式读出的，如以上所总结，其具有破坏性读取的缺点，读出后需要重新写入数据，从而伴随着大量的擦除和重写的操作，导致器件的可靠性降低，影响了数据读取速度；并且，这种读取原理限制了铁电电容C按比例缩小，存储密度低，例如，目前商业化应用的铁电存储器最大只有8MB。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能以电流读取方式实现非破坏性读出的、存储性能好的铁电存储器及其制备方法与操作方法。

为实现以上目的，本发明提供以下技术方案。

本发明的一方面提供一种非破坏性读出铁电存储器，包括第一电极层107、第二电极层103和设置在所述第一电极层107与第二电极层103之间的铁电薄膜层105，所述第一电极层107中设置有将其分为至少两个部分的间隙109，所述铁电薄膜层105的电畴1051、1053的极化方向基本不垂直且基本不平行所述第一电极层107的法线方向；

其中，在所述第一电极层107中的邻接所述间隙109的两个部分之间偏置某一方向的读信号时，对应所述间隙109的部分所述铁电薄膜层105的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道。

根据本发明一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，所述第一电极层中107的至少两个部分包括第一读电极部分和第二读电极部分，所述第一读电极部分和第二读电极部分组成读电极对，所述读信号被偏置在所述读电极对上。

根据本发明又一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，在所述第一电极层107和第二电极层103之间可操作地偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。

根据本发明还一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，还包括第三电极层230，所述第三电极层230与所述第二电极层103相对地设置；

其中，在所述第三电极层230与所述第二电极层103之间可操作地偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。

具体地，在所述第三电极层230与所述第一电极层107之间设置绝缘介质层210。

可选地，所述间隙的间距（d）大于或等于2纳米且小于或等于500纳米，或者大于或等于5纳米且小于或等于100纳米。

可选地，所述间隙的宽度（w）大于或等于5纳米且小于或等于500纳米，。

可选地，所述间隙的间距（d）小于所述铁电薄膜层105的厚度或者所述铁电薄膜层105的厚度的二分之一。

具体地，所述非破坏性读出铁电存储器还包括基底100，所述第一电极层107或第二电极层103设置在所述基底100之上。

可选地，所述铁电薄膜层（105）为铁酸铋BiFeO₃、掺La的铁酸铋盐(Bi,La) FeO₃、锆钛酸铅盐(Pb,Zr)TiO₃或者铌酸锂盐LiNbO₃。

可选地，所述铁电薄膜层105的厚度大于或等于5纳米且小于或等于500纳米。

可选地，所述第一电极层107的厚度大于或等于5纳米且小于或等于100纳米。

可选地，通过控制所述铁电薄膜层107生长的晶向，以至于所述铁电薄膜层105的电畴1051、1053的极化方向基本不垂直且基本不平行所述第一电极层107的法线方向。

可选地，所述间隙109中被填入或部分填入绝缘介质材料。

按照本发明的又一方面，提供一种以上所述非破坏性读出铁电存储器的制备方法，包括步骤：

提供基底并在基底上形成第二电极层103；

形成铁电薄膜105；以及

在所述铁电薄膜层105上形成带有所述间隙109的第一电极层107。

根据本发明一实施例的制备方法，其中还包括步骤：

在所述第一电极层107上沉积绝缘介质层210；以及

在所述绝缘介质层210上形成第三电极层109。

按照本发明的还一方面，提供一种以上所述非破坏性读出铁电存储器的操作方法，其中，在读操作时，在所述第一电极层107中的邻接所述间隙109的两个部分之间偏置某一方向的读信号，通过读取该两个部分之间的电流大小以判断对应所述间隙109的部分所述铁电薄膜层105的电畴是否局部被反转而建立畴壁导电通道，从而读出存储的逻辑信息。

根据本发明一实施例的操作方法，其中，在写操作时，在所述第一电极层107和第二电极层103之间偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。

根据本发明又一实施例的操作方法，其中，所述非破坏性读出铁电存储器还包括第三电极层230，所述第三电极层230与所述第二电极层103相对地设置；

其中，在写操作时，在所述第三电极层230与所述第二电极层103之间偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。

其中，撤去所述读信号后，读操作过程中局部被反转的电畴基本回复至读操作前的极化方向，从而所述畴壁导电通道自动消除。

其中，在所述读信号的读电压固定的情况下，建立所述畴壁导电通道时的开态电流（I）随所述间隙的间距（d）的增加而减小。

其中，所述读信号的读电压越大，对应所述间隙109的部分所述铁电薄膜层105的电畴中被反转部分的占比越大。

其中，所述读信号的读电压越大，形成的所述畴壁导电通道相对间隙109的表面的深度越深。

本发明的技术效果是，本发明实施例的铁电存储器利用第一电极层中设置的间隙，在读操作时该间隙之间的电场可以使部分所述铁电薄膜层的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道，因此，可以实现电流方式的非破坏性读出；并且，建立畴壁导电通道时读出的开态电流可以随间隙的间距的减小而增大，因此，非常有利于小尺寸、高密度应用；同时制备简单、成本低。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本发明一实施例的非破坏性读出铁电存储器的截面结构示意图。

图2是图1所示非破坏性读出铁电存储器的上电极的俯视平面结构。

图3是图1非破坏性读出铁电存储器的上电极的又一俯视平面结构。

图4是图1所示实施例的铁电存储器的写“1”和读“1”操作过程以及操作原理示意图。

图5是图1所示实施例的铁电存储器的写“0”和读“0”操作过程以及操作原理示意图。

图6是对本发明一实施例的存储逻辑信息“1”的铁电存储器的读电极对上进行电压扫描操作时的I-V曲线图。

图7是对本发明一实施例的存储逻辑信息“0”的铁电存储器的读电极对上进行电压扫描时的I-V曲线图。

图8是本发明一实施例铁电存储器的读电极对的I-V曲线图示意图。

图9是在本发明实施例的铁电存储器的读电极对上偏置读信号时电场分布示意图。

图10是本发明一实施例的铁电存储器在4V的读信号下的开态读电流I与间隙距离d之间的关系示意图。

图11是本发明一实施例的铁电存储器在+/-4V和1kHz频率的读脉冲电压作用下开态电流和关态电流随读写次数N的关系。

图12是按照本发明按照本发明又一实施例的非破坏性读出铁电存储器的截面结构示意图。

图13是图12所示实施例铁电存储器的写操作原理示意图。

图14是本发明一实施例的铁电存储器的制备方法过程示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，图示中的各部分之间的尺寸比例关系并不反映实际的尺寸比例关系。

在以下实施例中，为了描述的清楚，示例性地给出了电畴方向或者极化方向，但是应当理解到，铁电存储器的电畴方向或极化方向并不限于如图所示实施例示出的方向。

图1所示为按照本发明一实施例的非破坏性读出铁电存储器的截面结构示意图；图2所示为图1所示非破坏性读出铁电存储器的上电极的俯视平面结构。如图1所示，其中示出了铁电存储器10的部分截面结构，其主要地包括基底101、下电极层103、铁电薄膜层105以及上电极层107，其中，上电极层107设置在铁电薄膜层105上并与其接触，上电极层107中设置有将其分割为若干部分的间隙109，在该示例中，间隙109将上电极层107分割为两个部分，即读电极部分1071和读电极部分1073，读电极部分1071和读电极部分1073组成读电极对，在该实施例中，该读电极对构成了该实施例的上电极层107，其也能用于该实施例的铁电存储器10的写操作。

基底101可以是铁电存储器中常用的各种基底材料，例如其可以为Si、SrTiO₃或LiNbO₃。通常地，基底100的材料选择主要由下电极层103和铁电薄膜层105共同决定。在该实施例中，基底101可以是Si衬底，其易于与半导体CMOS工艺兼容，有助于大规模生产。另外，根据下电极101和铁电薄膜层105的晶格常数要求来选择SrTiO₃或LiNbO₃等基底材料，以便得到性能优异的外延薄膜层。

下电极层103生长在基底101上，其可以是一种低电阻率的导电材料，例如，其可以选自于Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种或多种的组合。下电极层103的厚度可以为50~100nm，例如，80nm。下电极层103可以但不限于通过溅射、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积（PLD）等薄膜淀积方法制备形成。

铁电薄膜层105形成在下电极层103之上，可以是任一具有合适畴结构的铁电材料，其具体可以选自于以下材料：铁酸铋BiFeO₃、掺La的铁酸铋盐(Bi,La) FeO₃、锆钛酸铅盐(Pb,Zr)TiO₃或者铌酸锂盐LiNbO₃；但是，应当理解到，铁电薄膜层105具体铁电材料类型不是限制的，本领域技术人员能够选用任何一种的铁电材料类型。铁电薄膜层105的制备方法也不是限制性的，例如，可以通过溅射、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。铁电薄膜层105的厚度范围可以大于或等于5纳米且小于或等于500纳米，例如，其可以为20nm、30nm或50nm。

读电极部分1071和读电极部分1073在该实施例中可以是通过连续的金属薄膜层通过构图刻蚀间隙109来形成，当然，在其他实施例中，它们也可以分别地构图形成。在本文中，读电极部分1071和读电极部分1073组成读电极对，在此处“读”反映它们至少具有读出操作的功能，但是，该读电极部分1071和读电极部分1073的功能不限于此，例如，在该实施例中，读电极部分1071和读电极部分1073构成了本发明实施例的铁电存储器的上电极107。上电极层107位于铁电薄膜层105之上并且与铁电薄膜层105接触，其与铁电薄膜层105的另一侧的下电极层102构成用于对该存储器进行写操作的电极对。

读电极部分1071和/或读电极部分1073其可以是一种低电阻率的导电材料，例如，其可以选自于Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种或多种的组合。读电极部分1071和/或读电极部分1073的厚度可以为5~100nm，例如，20nm。读电极部分1071和/或读电极部分1073可以但不限于通过溅射、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。

间隙109用于将读电极部分1071和读电极部分1073实现相对电隔离（该电隔离不包括以下通过读操作过程中建立的畴壁导电通道的情形），间隙109可以通过对金属平层电子束加工、纳米压印或其他光刻方法获得，但是间隙109的形成方法并不限于本发明实施例。间隙109的间距d的范围可以大于或等于2纳米且小于或等于500纳米，更优地大于或等于5纳米且小于或等于100纳米，例如可以为10纳米、135纳米、125纳米等，间距d越小，越有利于提高铁电存储器的存储密度，并且越有利于减小读电压和增大读电流，并且读功耗越小，因此，间隙109可以为各种纳米尺寸的间隙105。间隙109的形状并不限于如图2所示形状，在其他实施例中，间隙109甚至还可以为锯齿形等。读电极部分1071和读电极部分1073在垂直间隙方向上的宽度w尺寸（也即间隙的宽度尺寸）可以大于或等于5纳米且小于或等于500纳米，例如50纳米。

图3所示为图1非破坏性读出铁电存储器的上电极的又一俯视平面结构。在该实施例中，间隙109将上电极层107分割为4部分，即读电极部分1071、读电极部分1073、读电极部分1075和读电极部分1077，间隙109两侧相邻的任何两个读电极部分都可以组成一组读电极对，例如，读电极部分1073和读电极部分1077，读电极部分1075和读电极部分1077；当然，也可以将四个如图3所示的读电极部分组成读电极对。

继续如图1所示，在本发明中，铁电薄膜层105要求满足其铁电畴在面内和面外均有分量的条件, 也即具有面内分量（铁电电畴的自发极化在膜面上的方向的投影）和面外分量（铁电电畴的自发极化在垂直膜面上的方向的投影），铁电薄膜层105可以形成如图1所示两个方向的电畴1051和1053，电畴1051的极化方向与电畴1053的极化方向完全相反，在偏置大于矫顽电压后，电畴会沿电场方向取向，因此，在偏置电场方向与原电畴方向相反的电压且大于矫顽电压时，电畴1051或1053会发生反转。在该实施例中，铁电薄膜层107的电畴的极化方向基本不垂直且基本不平行上电极层107的法线（如图所示垂直于上电极层107的虚线）方向，具体如图1所示，上电极层107的法线与电畴的极化方向的夹角α为不等于0 、90^o 、180^o和270^o，例如α=45^o，这样电畴具有面内分量和面外分量。具体地，可以通过控制铁电薄膜层107生长的晶向来实现，示例地，可以在晶面为(001)的SrTiO₃下电极层103上外延生长100纳米厚的BiFeO₃铁电薄膜层107，其中BiFeO₃铁电薄膜层107的电畴的极化方向是沿<111>方向。

需要理解的是，在又一实施例中，间隙109可以基于以上置于上电极层107的方式来对应地置于下电极层103中，在本申请中的权利要求1的“第一电极层”既可以理解为“上电极层”，也可以理解为“下电极层”，由于在“第一电极层”中设置有间隙，本申请仅通过“第一电极层”可以实现非破坏性的读出操作。

图4所示为图1所示实施例的铁电存储器的写“1”和读“1”操作过程以及操作原理示意图；图5所示为图1所示实施例的铁电存储器的写“0”和读“0”操作过程以及操作原理示意图。

在该实施例中，在写操作过程中，在上电极层107和下电极层103之间施加一至少大于该铁电薄膜层105的矫顽电场的电压V_write，使电畴翻转，从而实现对该铁电存储器10的逻辑信息“1”或“0”的写入。首先，如图4（a）所示，以图中所示电畴1051的极化方向表示存储信息“1”，在写“1”的操作过程中，在上电极层107和下电极层103之间施加一大于该铁电薄膜层105的矫顽场的写信号V_write1，使上电极层107偏置正电压、下电极层103偏置负电压，从而在铁电薄膜层105中形成如图所示方向的电场E1（此时定义为“+”写电压），电畴统一翻转形成如图所示极化方向的电畴1051，从而来实现存储器逻辑信息“1”的写入。相反地，如图5（a）所示，以图中所示电畴1053的极化方向表示存储信息“0”，在写“0”的操作过程中，在上电极层107和下电极层103之间施加一大于该铁电薄膜层105的矫顽场的写信号V_write2，使上电极层107偏置负电压、下电极层103偏置正电压，从而在铁电薄膜层105中形成如图所示方向的电场E2（此时定义为“-”写电压），电畴统一翻转形成如图所示极化方向的电畴1053，从而来实现存储器逻辑信息“0”的写入。

写信号V_write1和V_write2具体信号形式不是限制性的，例如其可以为一定频率的电压脉冲信号等。

在该实施例中，读操作原理完全不同于传统的铁电存储器的读操作原理，其中，在读操作时，下电极层103不需要偏置信号，其可以悬空，读信号V_read是偏置在读电极对之间。以偏置在读电极部分1071、读电极部分1073为例，如图4（b）所示，在读“1”操作过程中，读电极部分1071、读电极部分1073之间偏置读电压V_read1，读电极部分1073偏置正向、读电极部分1071偏置负向，从而在读电极部分1073与读电极部分1071之间形成如图所示方向的电场E3（此时定义为“+”读电压），由于间隙109的存在，电场E3可以局部地对间隙109所对应的部分铁电薄膜层的电畴产生影响，随着电场E3的增大，如图所示，间隙109的下方的对应的部分铁电薄膜层105中，也即暴露于间隙109的表层部分的局部，其中的电畴发生反转，也即对应间隙109的电畴1051局部被反转形成如图4（b）所示的电畴1051b，铁电薄膜层105的其他部分的电畴由于基本不受电场E3影响（或者电场E3对其影响不足使其电畴生反转），电畴未反转，对应形成如图所示的电畴1051a，电畴1051b的极化方向基本与电畴1051a的极化方向相反。其中，电畴1051b是利用电场E3在与电畴1051a的极化方向相反的方向上的电场分量来实现翻转的，因此，在铁电薄膜层的矫顽电压已知的情况下，可以计算出形成电畴1051b的最小读电压V_read1。

此时，具有电畴1051a的铁电薄膜层部分与具有电畴1051b的铁电薄膜层部分的邻接处，也即电畴1051a和电畴1051b之间的界壁或界面，从而会产生带电的畴壁或畴界1051c，从而，主要基于畴壁导电机理，在读电极部分1073与读电极部分1071之间产生导电通道，即“畴壁导电通道”，对应产生读电流信号I_read1，此时表示读出了逻辑信号“1”。因此，其读操作过程，完全不同于传统的电容结构的铁电存储器的电荷读出方法，在本申请的实施例中实现了电流读取逻辑信号的方式。

进一步地，在读出电流信号I_read1后，读电极部分1073与读电极部分1071之间的读电压信号V_read1撤去，如图4（b）所示，电场E3消失，此时，在去极化场的作用下，电畴1051b会受电畴1051a影响会反转为大致原来的极化方向，也即电畴1051b瞬间消失，基本恢复到初始状态（读操作之前的状态）的电畴1051，畴壁1051c也基本消失，之前所产生的导电通道也消失。因此，铁电存储器10在读操作之前所存储的逻辑信息“1”在读操作后并没有发生变化，实现了非破坏性读取。在该实施例中，具有电畴1051b的铁电薄膜层部分相对具有电畴1051a的铁电薄膜层部分的体积越小可能越好，也即在读过程中发生局部反转的电畴的铁电薄膜层部分（例如电畴1051b）的占比越小越好，通过设计铁电薄膜层105的厚度、面积参数和/或间隙109的间距d，可以优化该铁电存储器的读操作性能，例如，间隙109的间距d小于或等于铁电薄膜层105的厚度的二分之一，或者间距d为铁电薄膜层105的厚度的四分之一。

作为对照，如图5（b）所示，在读“0”操作过程中，读电极部分1071、读电极部分1073之间偏置读电压V_read2，读电极部分1073偏置负向、读电极部分1071偏置正向，从而在读电极部分1071与读电极部分1073之间形成如图所示方向的电场E4（此时定义为“-”读电压），由于间隙109的存在，电场E4可以局部地对间隙109所对应的部分铁电薄膜层的电畴产生影响，随着电场E4的增大，如图所示，间隙109的下方的对应的部分铁电薄膜层105中，也即暴露于间隙109的表层部分的局部，电畴会发生反转，也即对应间隙109的电畴1053局部被反转反转形成如图5（b）所示的电畴1053b，铁电薄膜层105的其他部分的电畴由于基本不受电场E4影响（或者电场E4对其影响不足使其电畴生反转），电畴未反转，对应形成如图所示的电畴1053a，电畴1053b的极化方向基本与电畴1053a的极化方向相反。其中，电畴1053b是利用电场E4在与电畴1053a极化方向相反的方向上的电场分量来实现翻转的，因此，在铁电薄膜层的矫顽电压已知的情况下，可以计算出形成电畴1053b的最小读电压V_read2。

此时，具有电畴1053a的铁电薄膜层部分与具有电畴1053b的铁电薄膜层部分的邻接处，也即电畴1053a和电畴1053b之间的界壁或界面，会产生带电的畴壁或畴界1053c，从而，主要基于畴壁导电机理，在读电极部分1071与读电极部分1073之间产生导电通道即“畴壁导电通道”，对应产生读电流信号I_read2，此时表示读出了逻辑信号“0”。

在读出电流信号I_read2后，撤去读电极部分1071与读电极部分1073之间的读电压信号V_read2，如图5（b）所示，电场E4消失，此时，在去极化场的作用下，电畴1053b会受电畴1053a影响会反转为大致原来的极化方向，也即电畴1053b瞬间消失，基本恢复到初始状态（读操作之前的状态）的电畴1053，畴壁1053c也基本消失，之前所产生的导电通道也消失。因此，铁电存储器10在读操作之前所存储的逻辑信息“0”在读操作后并没有发生变化，实现了非破坏性读取。

以上图4（b）所示的读“1”操作原理与图5（b）所示的读“0”操作原理是基本相同的。应当理解到，在读“1”操作中，读电极部分1071与读电极部分1073之间也可以偏置如图5（b）所示的读电压信号V_read2，从而读电极部分1071与读电极部分1073之间并不会产生畴壁导电通道，读电流基本为0，此时表示读出逻辑信息“1”；类似地，在读“0”操作中，读电极部分1071与读电极部分1073之间也可以偏置如图4（b）所示的读电压信号V_read1，从而读电极部分1071与读电极部分1073之间并不会产生畴壁导电通道，读电流基本为0，此时表示读出逻辑信息“0”。因此，本领域技术人员将理解到，使用任意一个方向的读电压信号，都可实现对本发明的铁电存储器的读“1”和读“0”操作过程。

图6所示为对本发明一实施例的存储逻辑信息“1”的铁电存储器的读电极对上进行电压扫描操作时的I-V曲线图。结合图4（a）所示存储的逻辑信息“1”的铁电存储器，以间隙d=136nm、读电极部分的宽度w=52nm为例，首先“+”向扫描，在读电极对之间形成类似如图4（b）所示的电场E3，随着电场的增大，暴露于间隙109的表层部分的局部电畴发生反转，逐步形成与原电畴成109^o或180^o夹角的电畴如图4(a)所示1051b电畴等，带电的畴壁或畴界逐渐扩大，在电压增加至+2.4V左右时，读电极对之间的电流陡增，表面此时铁电薄膜层中形成连通读电极对的畴壁导电通道，读电流处于“开态（on）”；当读电场逐渐减小或消失时，发生反转的电畴会瞬间恢复到初始状态，畴壁导电通道关闭。反之，当往“-”向扫描施加电压时，在读电极对之间形成类似如图5（b）所示的电场E4，铁电薄膜层中无法形成导电的畴壁或畴界，表示铁电薄膜层中未形成畴壁导电通道，读电流始终非常小，处于“关态”。

图7所示为对本发明一实施例的存储逻辑信息“0”的铁电存储器的读电极对上进行电压扫描时的I-V曲线图。结合图5（a）所示存储的逻辑信息“0”的铁电存储器，以间隙d=138nm、读电极部分的宽度w=51nm为例，首先“-”向扫描，在读电极对之间形成类似如图5（b）所示的电场E4，在电压增加至-1.8V左右时，读电极对之间的电流陡增，表面此时铁电薄膜层中形成连通读电极对的畴壁导电通道，读电流处于“开态（on）”；当读电场逐渐减小或消失时，发生反转的电畴会瞬间恢复到初始状态，畴壁导电通道关闭。然后， “+”向扫描，在读电极对之间形成类似如图4（b）所示的电场E4，读电极对之间的电流非常小，表示铁电薄膜层中未形成畴壁导电通道，处于“关态（off）”。

图8所示为本发明一实施例铁电存储器的读电极对的I-V曲线图示意图。在该实施例中，从图中可以看出，开态电压（也即形成畴壁导电通道的电压）约为-2.5V, 关态电压（也即形成畴壁导电通道关断的电压）约为-1V；当施加“+”向电压时，无法形成导电的畴壁或畴界，读电流始终处于关态。

以上图6至图8所示实施例的I-V曲线均可以证明本发明实施例的铁电存储器10可以实现非破坏性的读出操作，也即，在去极化场的作用下，畴壁导电通道会消失，可以由“开态”返回至“关态”。

图9所示为在本发明实施例的铁电存储器的读电极对上偏置读信号时电场分布示意图；其中，示出了间隙对应的铁电薄膜层的电场深度分布随读信号的电压的变化。在该实施例中，读电极对为两个Au读电极部分，读信号施加在读电极对上，铁电薄膜层为BiFeO₃，其矫顽电场为13.45MV/m，读电极对、间隙、铁电薄膜层的尺寸参数如图9所示；如图9所示，间隙处的铁电薄膜层中的电场深度分布随外加读电压而变化，在读电极对上偏置一定电压的读信号时，越接近间隙表面（即深度越小），电场强度越大，反之越小，间隙处电场深度分布随外加电压的变化而变化。当距离间隙表面的某一深度的电场达到电畴发生反转所需的矫顽场E_c时，该深度以上的局部铁电薄膜层的电畴都会发生类似如图4（b）或图5（b）所示的反转。因此，读信号的电压越大，畴壁导电通道越深，图9中示出了在1V、2.5V和4V的三个不同读信号电压偏置下形成的畴壁导电通道在铁电薄膜层中的分布情形。因此，本发明实施例的铁电存储器可以在相对较小的电压下进行读操作，读操作的功耗小。

图10所示为本发明一实施例的铁电存储器在4V的读信号下的开态读电流I与间隙距离d之间的关系示意图；其中，点表示实验结果值，实线示意理论模拟结果。可以发现，在读电压V_read=4V的情况下，开态读电流I正比与d^-2.5，也即间隙d越小、开态读电流I可以急剧增大，这样，即使铁电存储器在等比例缩小的情况下，铁电存储器的间隙也可以相应地缩小，而且，开态读电流并不会减小，逻辑信息读取识别度高。因此，非常有利于小尺寸、高密度应用

本发明实施例的铁电存储器利用第一电极层中设置的间隙，在读操作时该间隙之间的电场可以使部分所述铁电薄膜层的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道，因此，可以实现电流方式的非破坏性读出；并且，建立畴壁导电通道时读出的开态电流可以随间隙的间距的减小而增大，因此，本发明实施例的铁电存储器非常有利于小尺寸、高密度应用。

图11所示为本发明一实施例的铁电存储器在+/-4V和1kHz频率的读脉冲电压作用下开态电流和关态电流随读写次数N的关系。其中，示例地，以间隙d=125nm、读电极部分的宽度w=50nm，因此，该实施例的铁电存储器可以进行不断循环地读写操作。

图12所示为按照本发明按照本发明又一实施例的非破坏性读出铁电存储器的截面结构示意图。在该实施例中，读电极部分1071和读电极部分1073并不构成该铁电存储器20的上电极层，因此，在该实施例中，铁电存储器20包括在读电极部分1071和读电极部分1073之上形成的绝缘介质层210、以及在该绝缘介质层210上形成的上电极层230。铁电存储器20同样地包括如图1所示的铁电存储器的基底101、下电极层103、铁电薄膜层105以及间隙109等，在此不再一一赘述。因此，铁电存储器20相对图1所示的铁电存储器10的读出操作过程以及原理基本相同。

图13所示为图12所示实施例铁电存储器的写操作原理示意图。在该实施例中，在上电极层230和下电极层103之间施加一至少大于该铁电薄膜层105的矫顽电场的电压V_write，使电畴1051或1053发生翻转，从而实现对该铁电存储器20的逻辑信息“1”或“0”的写入。

需要说明的是，以上实施例的铁电存储器中，间隙109中可以填入或部分填入绝缘介质层，也可以不填入绝缘介质层。

图14所示为本发明一实施例的铁电存储器的制备方法过程示意图。结合图1、图12和图14所示，首先，步骤S910，提供如图1或如图12所示的基底100，基底100的材料选择主要由下电极层103和铁电薄膜层105共同决定，在该实施例中，基底101可以是Si衬底，其易于与半导体CMOS工艺兼容。

进一步，步骤S920，在基底100上形成下电极层103。在该实施例中，下电极层10可以选自于Pt、SrRuO₃、LaNbO₃中的一种或多种的组合；下电极层103的厚度可以为5~100nm，例如，80nm；下电极层103可以但不限于通过溅射、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积（PLD）等薄膜淀积方法制备形成。

进一步，步骤S930，形成铁电薄膜层105。在该实施例中，铁电薄膜层105可以但不限于选自于以下材料：铁酸铋BiFeO₃、掺La的铁酸铋盐(Bi,La) FeO₃、锆钛酸铅盐(Pb,Zr)TiO₃或者铌酸锂盐LiNbO₃；铁电薄膜层105可以通过溅射、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。

进一步，步骤S940，在铁电薄膜层105上形成读电极对。在该实施例中，读电极对由读电极部分1071和读电极部分1073构成，读电极部分1071和读电极部分1073之间形成有纳米尺寸的间隙109；读电极对可以选自于Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种或多种的组合；读电极部分1071和/或读电极部分1073的厚度可以为5~100nm，例如，20nm；读电极部分1071和/或读电极部分1073可以但不限于通过溅射、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。间隙109可以但不限于通过电子束加工、纳米压印或其他光刻方法获得。

这样，基本形成如图1所示实施例的铁电存储器，在该实施例中，读电极部分1071和读电极部分1073同时用于形成该存储器的上电极层。

进一步，步骤S950，在读电极对上覆盖如图12所示的绝缘介质层210。

进一步，步骤S960，沉积形成如图12所示的上电极层230，上电极层230可以是连续的金属层，其用于形成如图12所示实施例的铁电存储器20的上电极层，用于写操作过程。

至此，图12所示实施例的铁电存储器20基本形成。

因此，本发明实施例的铁电存储器相对传统的铁电电容结构的FRAM的制备过程来说，增加的工艺步骤少，制备过程并不复杂。

在以上描述中，使用方向性术语（例如“上”、“下”等）以及类似术语描述的各种实施方式的部件表示附图中示出的方向或者能被本领域技术人员理解的方向。这些方向性术语用于相对的描述和澄清，而不是要将任何实施例的定向限定到具体的方向或定向。

以上例子主要说明了本发明的铁电存储器及其操作方法和制备方法，尤其说明了读操作方法及原理。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种非破坏性读出铁电存储器，包括第一电极层（107）、第二电极层（103）和设置在所述第一电极层（107）与第二电极层（103）之间的铁电薄膜层（105），其特征在于，所述第一电极层（107）中设置有将其分为至少两个部分的间隙（109），所述铁电薄膜层（105）的电畴（1051，1053）的极化方向不垂直且不平行所述第一电极层（107）的法线方向；

其中，在所述第一电极层（107）中的邻接所述间隙（109）的两个部分之间偏置某一方向的读信号时，对应所述间隙（109）的部分所述铁电薄膜层（105）的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道。

2.如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，所述第一电极层中（107）的至少两个部分包括第一读电极部分和第二读电极部分，所述第一读电极部分和第二读电极部分组成读电极对，所述读信号被偏置在所述读电极对上。

3.如权利要求1或2所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，在所述第一电极层（107）和第二电极层（103）之间可操作地偏置写信号以使所述铁电薄膜层（105）中的电畴（1051，1053）的极化方向发生统一地翻转。

4.如权利要求1或2所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，还包括第三电极层（230），所述第三电极层（230）与所述第二电极层（103）相对地设置；

其中，在所述第三电极层（230）与所述第二电极层（103）之间可操作地偏置写信号以使所述铁电薄膜层（105）中的电畴（1051，1053）的极化方向发生统一地翻转；

在所述第三电极层（230）与所述第一电极层（107）之间设置有绝缘介质层（210）。

5.如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，所述间隙的间距（d）大于或等于2纳米且小于或等于500纳米；

所述间隙的宽度（w）大于或等于5纳米且小于或等于500纳米。

6.如权利要求1或2或5所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，所述间隙的间距（d）小于所述铁电薄膜层（105）的厚度。

7.如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，还包括基底（100），所述第一电极层（107）或第二电极层（103）设置在所述基底（100）之上。

8. 如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，所述铁电薄膜层（105）为铁酸铋BiFeO₃、掺La的铁酸铋盐(Bi,La) FeO₃、锆钛酸铅盐(Pb,Zr)TiO₃或者铌酸锂盐LiNbO₃。

9.如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，所述铁电薄膜层（105）的厚度大于或等于5纳米且小于或等于500纳米。

10.如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，所述第一电极层（107）的厚度大于或等于5纳米且小于或等于100纳米。

11.如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，通过控制所述铁电薄膜层（107）生长的晶向，以至于所述铁电薄膜层（105）的电畴（1051，1053）的极化方向不垂直且不平行所述第一电极层（107）的法线方向。

12.如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器，其特征在于，所述间隙（109）中被填入或部分填入绝缘介质材料。

13.一种如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器的制备方法，其特征在于具体步骤包括：

提供基底并在基底上形成第二电极层（103）；

形成铁电薄膜（105）；以及

在所述铁电薄膜层（105）上形成带有所述间隙（109）的第一电极层（107）。

14. 如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤：

在所述第一电极层（107）上沉积绝缘介质层（210）；以及

在所述绝缘介质层（210）上形成第三电极层（109）。

15.一种如权利要求1所述的非破坏性读出铁电存储器的操作方法，其特征在于，在读操作时，在所述第一电极层（107）中的邻接所述间隙（109）的两个部分之间偏置某一方向的读信号，通过读取该两个部分之间的电流大小以判断对应所述间隙（109）的部分所述铁电薄膜层（105）的电畴是否局部被反转而建立畴壁导电通道，从而读出存储的逻辑信息；

在写操作时，在所述第一电极层（107）和第二电极层（103）之间偏置写信号以使所述铁电薄膜层（105）中的电畴（1051，1053）的极化方向发生统一地翻转。

16.如权利要求15所述的操作方法，其特征在于，所述非破坏性读出铁电存储器还包括第三电极层（230），所述第三电极层（230）与所述第二电极层（103）相对地设置；

其中，在写操作时，在所述第三电极层（230）与所述第二电极层（103）之间偏置写信号以使所述铁电薄膜层（105）中的电畴（1051，1053）的极化方向发生统一地翻转。

17.如权利要求16所述的操作方法，其特征在于，撤去所述读信号后，读操作过程中局部被反转的电畴回复至读操作前的极化方向，从而所述畴壁导电通道自动消除；

在所述读信号的读电压固定的情况下，建立所述畴壁导电通道时的开态电流（I）随所述间隙的间距（d）的减小而增大；

所述读信号的读电压越大，对应所述间隙（109）的部分所述铁电薄膜层（105）的电畴中被反转部分的占比越大；

所述读信号的读电压越大，形成的所述畴壁导电通道相对间隙（109）的表面的深度越深。