CN107230676A - 高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铁电存储技术领域，具体为一种高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法。该非挥发铁电存储器的每个存储单元为面内电容器结构或上下电容器结构；铁电材料的极化方向都分别垂直于电极；当在两个电极上施加与体铁电的电畴极化方向相反的足够大的写电压时，电极所对应区域的铁电畴自极化方向沿电场方向发生反转，电极间电畴极化方向与周边体电畴极化方向相反，在两电畴间形成畴壁，该畴壁通常是导电通道；读取信息时通过导电通道的读电流与导电畴壁周长成正比，导电畴壁周长越长，读电流越大。本发明的铁电存储器可以提高存储单元中的读出电流，有利于提高数据的读取速度和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于铁电存储技术领域，具体涉及一种非挥发铁电存储器及其操作方法。
背景技术
铁电材料具有较高的自发极化强度可应用于铁电随机存储器FRAM(Ferroelectric Random Access Memory),铁电非挥发存储器是利用铁电电畴是否翻转，是否与体材料形成导电通道来存储逻辑信息（“1”和“0”），通过是否有导电通道来读取存储的逻辑信息是“1”还是“0”，有导电通道为逻辑信息“1”，没有导电通道为逻辑信息“0”。
非挥发铁电存储器是根据铁电畴的反转来存储信息，铁电畴的反转速度可高达0.2ns，因此非挥发铁电存储器的存储速度也可以非常高，写的速度可以接近读的速度，这就使非挥发铁电存储器的整个读写速度非常高。电畴反转的电压由面内结构的刻蚀的线条宽度或者上下结构的薄膜的厚度决定，面内结构的刻蚀的线条宽度窄或者上下结构的薄膜的厚度薄都会降低存储器的写电压和读电压，也会提高存储器的存储密度。因此，非挥发铁电存储器具有读写速度高、驱动电压低和存储密度高等优点。有望成为新一代广泛使用的存储器。
目前市场上的1T1C铁电存储器也是利用电畴的极化方向来存储信息，在读取的过程中采用电荷积分的方法，对串联的参考电容的电压进行读取，电压读取之后会使铁电电容的电畴极化方向发生反转，因此是破坏性的读取，读取之后，需要把信息重新写入，因此读取的速度降低，而且功耗增大。另外，1T1C电路的读取参考电容的电压必须大于20mv，如果电压太小，读取信息的可靠性就不高，因此要求铁电电容器的面积大，存储电荷多，或者参考电容的尺寸要小，参考电容的尺寸是由MOS器件的尺寸决定，所以很难变小，因此存储密度就很难提高。
而市场上已有的非破坏性读出铁电存储器是用铁电薄膜层替代MOSFET里的栅介质层，这种存储器成为FEFET。它是通过铁电材料的极化来控制源漏沟道电流，他可以在非常小的电压下实现非破坏性的读取。读写速度非常快，功耗较低，集成密度较高，而且是非破坏性读出。但是作为栅介质层的铁电材料保持性能很差，而一般存储器要求至少保存时间为10年，因此很难作为存储器被大量推广使用。
因此，综上所述，对于铁电存储器需要寻找非破坏性读取以降低功耗和提高读取速度，存储器的读取信息要可靠，而且需要保持性能久的铁电存储器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种读写速度高、读出电流大、保持时间久的非挥发铁电存储器。
本发明提供的非挥发铁电存储器，包括面内电容器结构和上下电容器结构两种，即该非挥发铁电存储器的每个存储单元既可以做成一个面内电容器结构，又可以用于面外上下电容器结构；两种结构中，铁电材料的极化方向都分别垂直于电容器面内左右电极或面外上下电极。当在两个电极上施加与体铁电的电畴极化方向相反的足够大的写电压时，电极所对区域的铁电畴自发极化方向会沿电场方向发生反转，电极间电畴极化方向会与周边体电畴极化方向相反，在两电畴间形成畴壁，该畴壁通常是导电通道。实验发现，读取信息时通过导电通道的读电流与导电畴壁周长成正比，导电畴壁周长越长，读电流越大。本发明基于此原理增加导电畴壁周长以提高非挥发铁电存储器导电畴壁的读出电流。
本发明提供的这两种非挥发铁电存储器具有读写速度高，读出电流大，保持时间久等特点，高的读电流会提高读取信息的速度和可靠性，这种存储器有望成为新一代商业化的非挥发铁电存储器。
本发明提供的面内电容器结构的非挥发铁电存储器，如图1所示，包括：基底材料（100），铁电薄膜层（104），铁电薄膜层（104）表面刻蚀的长条形铁电单元（103），以及左电极（101）和右电极（102）；其中，铁电薄膜层（104）是面内极化的薄膜，铁电极化有两个方向，这两种极化方向平行于薄膜表面并且相互反平行（如图1的黑色实箭头或黑色虚箭头方向），长条铁电单元（103）垂直于面内极化方向；左电极（101）和右电极（102）为读写电极对，左电极（101）和右电极（102）分别由N个叉指电极组成，称为左电极（101）的分支电极（1011-101N）和右电极（102）的分支电极（1021-102N）,两组分支电极一一对应，形成小的电极对，N大于等于1小于等于100；所述左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N的N个分支连接在一起组成一个存储bit，N个分支对所对应的存储单元（105）在长条形铁电单元（103）上。
本发明提供的上下电容器结构的非挥发铁电存储器，如图2所示，包括:基底材料（201）；下电极（2031）和上电极（2032）；在两层电极中间的铁电薄膜层（202）；铁电薄膜层（202）是面外极化的薄膜，铁电极化有两个方向，这两种极化方向相互反平行且垂直于薄膜表面（如图2的黑色实箭头或黑色虚箭头方向）；所述下电极（2031）和上电极（2032）为读写电极对，下电极（2031）和上电极（2032）分别由m行、n列叉指电极组成，称为下电极（2031）的分支电极和上电极（2032）的分支电极；下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极所对应的铁电材料构成存储单元（204），总的存储单元个数为m*n个，组成m行，n列的存储器阵列；m和n均为大于等于1小于等于100。
本发明中，以上两种结构的铁电存储器的基底材料可选自Si、SiO2或LiNbO3、SrTiO3等等。
本发明中，以上两种结构的铁电存储器的铁电薄膜层材料可选自离子掺杂改性的铁酸铋BiFeO3、锆钛酸铅(Pb,Zr)TiO3、铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3等单晶薄膜或外延薄膜。
实验制作一，面内电容器结构的非挥发铁电存储器单元，结构与图1的示意图相似，是面内电容器结构非挥发存储器，但是左电极的分支电极只有（1011）和右电极的分支电极只有（1021），即N为1。图3是实验结果的扫描电镜(SEM)图，左分支电极（1011）和右分支电极（1021）对分别与中间刻蚀出来的铁电存储单元（103）两侧接触，形成一个存储器单元，存储器单元（103）刻蚀的宽度是150nm，高度是65nm，左右两个分支电极的宽度是150nm。在该存储单元左右电极上加12V电压，用原子力显微镜（PFM）测量加电压不同时间的振幅成像图（图4a-d）和相位成像图（图4e-h），在相位图4e-h中，存储单元被极化的部分相位为180o，周边未极化的相位为0o，对应的振幅图4a-d中被极化部分与周边未被极化部分形成黑色的畴壁导电通道，每一个被反转的电畴与周边未被反转的电畴形成3个畴壁导电通道，1个是与底面未反转的电畴形成的畴壁导电通道，被反转电畴的2个侧面会与侧边未被反转电畴形成另2个畴壁导电通道。图4a没有加电压，所以没有电畴被反转，从4b-4d加电压的时间逐渐增加，加电压使极化反转的时间越长，被反转的电畴面积就越大，并且可能会形成多畴。图5是测量图4a-d对应的存储单元的电流-电压（I-V）曲线，读电压设置为0-5V，当没有电畴被反转形成畴壁导电通道时，测量的图5a所对应的电流为零，随着被反转的电畴的面积增大和畴的数量增多，测量的电流-电压（I-V）曲线中电流越大，设电极和被反转电畴的接触面的畴壁导电通道的周长为导电畴壁周长，经计算，畴壁导电流与导电畴壁周长成正比，即导电畴壁周长越大，导电通道流过的电流就越大。可基于此原理，提出本发明的非挥发铁电存储器。
本发明提出的非挥发铁电存储器，有较高的读写速度，较大的读电流，可靠的读取信息。无论是上下电容器结构还是面内电容器结构都可以实现，制作简单，成本低。
下面对本发明的非挥发铁电存储器，在进一步具体描述。
面内电容器结构的非挥发铁电存储器，如图1，该面内结构存储器包括：
基底材料（100）。
铁电薄膜层（104）和在薄膜表面刻蚀出的长条形铁电存储单元（103）；以及设置在所述长条形铁电单元（103）两侧的左电极（101）和右电极（102），所述左电极（101）和右电极（102）为读写电极对，因为对于同样宽度的电极，用多个分支电极代替单个宽度的电极，当存储器存入信息形成畴壁导电通道后，每一对分支电极都会形成3个畴壁导电通道，因此电极分支越多，形成的畴壁导电通道就越多，导电畴壁周长就越大，当读取存入的信息时的读电流就越大，所以左电极（101）和右电极（102）是用叉指状多分支结构，左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N一一对应，形成小的电极对，这样会使读电流增大。
所述铁电薄膜层为面内极化的薄膜，刻蚀的长条铁电单元（103）垂直于薄膜极化方向，所述长条铁电单元（103）的极化方向与体铁电薄膜一样。
在所述的左电极（101）和右电极（102）之间对应的存储单元（103）设置宽度（d），使得在所述的左电极（101）和右电极（102）上加的写电压可以使存储单元（103）的极化方向完全反转。
可选的，所述铁电长条形存储单元（103）的宽度（d）大于或等于5nm小于或等于1um。
在所述的左电极（101）和右电极（102）以及左电极（101）和右电极（102）所对应的中间的铁电长条形单元的高度相同，都为h。
可选的，所述左电极（101）和右电极（102）以及铁电长条形存储单元（103）的高（h）大于或等于5nm小于或等于300nm。
在所述的左电极（101）和右电极（102）都有N个分支，左电极（101）的分支1011-101N和右电极（102）的分支1021-102N一一对应，每一个分支的宽度为w，相邻分支之间的距离为g。
可选的，所述的左电极（101）和右电极（102）有N个分支，N可以为任意正整数。
可选的，所述的左电极（101）的分支1011-101N和右电极（102）的分支1021-102N的电极宽度为w，w大于或等于5nm小于或等于1um。
可选的，所述的左电极（101）的分支1011-101N和右电极（102）的分支1021-102N的相邻分支之间的间距为g，g大于或等于10nm小于或等于500nm。
本发明还提供该非挥发铁电存储器的写/读操作方法：
所述长条铁电单元（103）两侧设置一对电极，左电极（101）和右电极（102）。在所述的左电极（101）和右电极（102）之间偏置一写信号，该信号电压大于或等于铁电存储单元的矫顽电压，所述左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N对应的铁电存储单元（105）的极化方向被反转或未被反转（如图6（a），当在左电极（101）和右电极（102）之间所加电压形成的电场与体铁电薄膜层（104）的极化方向相反时，所述左电极（101）的分支1011-101N和右电极（102）的分支1021-102N对应的铁电存储单元（105）的极化方向发生反转；反之，如图6(b)，当在左电极（101）和右电极（102）之间所加电压形成的电场与体铁电薄膜层（104）的极化方向一致时，所述左电极（101）的分支1011-101N和右电极（102）的分支1021-102N对应的铁电存储单元（105）的极化方向不会发生反转），所述左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N对应的铁电存储单元（105）与铁电薄膜层（104）接触底面以及与刻蚀的长条形铁电存储单元（103）的接触侧面（除去铁电存储单元（105）部分）形成或未形成的畴壁导电通道（106）（如图6（a）虚线所示），当形成畴壁导电通道的时候，存储信息“1”，当未形成畴壁导电通道的时候，存储信息“0”。另外，这个写电压信号也有另一个作用，因为写电压大于铁电存储单元（105）的矫顽电压，所以可以把原来存储的信息擦除，不用再另外加一个擦除电压，不需要先把信息擦除，再写入，操作简单，提高了存储器的操作速度。
在所述左电极（101）和右电极（102）之间偏置一读信号时（偏置的读电压信号小于铁电存储单元（105）的矫顽电压），如果左电极（101）和右电极（102）对应的存储单元（105）与体铁电薄膜层（104）以及长条形铁电单元（103）（除去铁电单元（105）部分）之间的极化方向相反，则在存储单元（105）与体铁电薄膜层（104）以及长条形铁电单元（103）（除去铁电单元（105）部分）之间形成了畴壁导电通道（106），因此在畴壁导电通道（106）上加上读电压会有大电流流过，实验发现，读电流与导电畴壁周长成正比，导电畴壁周长越大，读取信号时的读电流就越大，读取信息的速度就越高，可靠性也越高，因此分支越多，畴壁导电通道数量也越多，导电畴壁周长就越大，读取信息的速度就越快，可靠性就越高。
本发明的另一结构是上下电容器结构的非挥发铁电存储器，如图2，该上下电容器结构的非挥发铁电存储器包括：
基底材料（201）。
铁电薄膜层（202）以及设置在铁电薄膜层上下面的下电极（2031）和上电极（2032），所述下电极（2031）和上电极（2032）形成电极对，对于一个上下电容器结构的非挥发铁电存储器单元，上下电极所对的铁电存储单元电畴被反转后与4个侧面周边未被反转的电畴形成4个畴壁导电通道，畴壁导电通道越多，导电畴壁周长越大，读取信息的读电流就越大，因此用m行n列个电容器结构的单元连接组成一个bit的存储器，下电极（2031）和上电极（2032）分别有m行n列分支电极连接组成，这样会增加导电畴壁周长，提高读电流的大小。
所述的铁电薄膜层（202）是面外极化的薄膜，极化方向垂直于薄膜表面。
所述的铁电薄膜层厚度设置为h1，在下电极（2031）和上电极（2032）之间偏置写电压时，能使存储单元（204）的极化方向发生反转。
可选的，所述的铁电薄膜层的厚度h1大于等于5nm小于等于300nm。
所述的下电极（2031）和上电极（2032）的厚度设置为h2。
可选的，所述的下电极（2031）和上电极（2032）厚度均为h2，h2大于等于1nm，小于h1；
所述的下电极（2031）和上电极（2032）的分支所对应的存储器阵列有m行，n列。
可选的，下电极（2031）和上电极（2032）的分支所对应的存储器阵列m和n均大于等于1小于等于100，总的单元个数为m*n个。
所述的下电极（2031）和上电极（2032）的分支以及下电极（2031）分支和上电极（2032）分支所对应的铁电存储单元（204）的边长设置为a。
可选的，下电极（2031）和上电极（2032）的分支以及下电极（2031）分支和上电极（2032）分支所对应的铁电存储单元（204）的边长a大于等于5nm小于等于300nm。
所述的下电极（2031）分支和上电极（2032）分支所对应的铁电存储单元（204）存储单元的高度是h2-h1。
所述的相邻铁电存储单元（204）或者相邻的下电极（2031）分支或上电极（2032）分支之间的距离为L。
可选的，相邻铁电存储单元（204）或者相邻的下电极（2031）分支或上电极（2032）分支之间的距离为L，L大于等于10nm小于等于500nm。
本发明还提供该非挥发铁电存储器的写/读操作方法：
所述的铁电薄膜层（202）上下两侧设置一对电极，下电极（2031）和上电极（2032）。在所述的下电极（2031）和上电极（2032）上偏置一写信号，该信号电压大于或等于铁电存储单元（204）的矫顽电压，所述的下电极（2031）分支电极和上电极（2032）的分支电极所对应的铁电存储单元（204）的极化方向被反转或未被反转（如图7（a），当在下电极（2031）和上电极（2032）之间所加电压形成的电场与体铁电薄膜层（202）的极化方向相反时，所述下电极（2031）的分支电极和上电极（2032）的分支电极对应的铁电存储单元（204）的极化方向发生反转；反之，如图7（b），当在下电极（2031）和上电极（2032）之间所加电压形成的电场与体铁电薄膜层（202）的极化方向一致时，所述下电极（2031）的分支电极和上电极（2032）的分支电极对应的铁电存储单元（204）的极化方向不会发生反转），所述的下电极（2031）的分支电极和上电极（2032）的分支电极所对应的铁电存储单元（204）与体铁电薄膜层（202）（除去下电极（2031）的分支电极和上电极（2032）的分支电极所对应的铁电存储单元（204）部分）接触侧面上形成或未形成如图7（a）虚线所示的畴壁导电通道（205），当形成畴壁导电通道的时候，存储信息“1”，当未形成畴壁导电通道的时候，存储信息“0”。另外，这个写电压信号也有另一个作用，因为写电压大于铁电存储单元（204）的矫顽电压，所以可以把原来存储的信息擦除，不用再另外加一个擦除电压，不需要先把信息擦除了，再写入，操作简单，提高了存储器的操作速度。
在所述的下电极（2031）和上电极（2032）之间偏置一读信号时（偏置的读电压信号小于铁电存储器单元（204）的矫顽电压），如果下电极（2031）的分支电极和上电极（2032）的分支电极对应的存储单元（204）与体铁电薄膜层（202）（除去存储单元（204）部分）之间的极化方向相反，则在存储单元（204）与体铁电薄膜层（202）（除去存储单元（204）部分）之间形成了畴壁导电通道（205），因此在导电通道（205）上会有大电流流过，实验发现，导电畴壁周长越大，读取信号时的读电流就越大，读取信息的速度就越高，可靠性也越高，因此分支电极越多，畴壁数量也越多，读取信息的速度就越快，可靠性就越高。
本发明的读操作方法不会对存储信息有破坏，即当撤去读操作电压后，存储单元的极化方向保持加读电压信号之前的状态不变。
本发明中，所述的面内结构的非挥发铁电存储器，不限于如图1所述的结构类型，例如在体铁电薄膜层（104）上可以不刻蚀出长条形铁电存储器单元（103），而是在体铁电薄膜层（104）上刻蚀出凹槽左电极（101）和右电极（102），然后将金属层生长在左电极（101）和右电极（102）的凹槽里。
本发明中，所述的上下结构的非挥发铁电存储器，不限于如图2所述的结构类型，例如对于上下结构分支电极对，如果采用规则图形，对于相同的面积，正方形周长最大，所以对于规则图形，所述的分支对电极采用正方形畴壁导电通道的周长较大，因此读电流大。对于不规则封闭图形，可以采用多齿状结构，例如齿轮状结构，也可以有较大的畴壁导电通道，提高读电流。因为实验发现畴壁导电通道的周长越大，读电流越大，因此除了以上方法也可以通过其他方式增加畴壁导电通道的周长来提高读电流。
本发明的铁电存储器在读完存储信息后，不用重新写入，在重新写入信息时，不需要擦除原来的信息，可以直接写入，并且写入速度非常快，可以高达10-9s。而且这种存储器保持性能很好，保持时间可以超过十年。用多分支单元连接在一起，畴壁导电通道的周长增加，因此读电流增大，读取速度进而也提高，读取信息的可靠性增强。这两种结构的存储器制备简单、成本低，而且尺寸可以做到很小，适合高密度集成，适用于高密度信息存储器领域。
附图说明
图1是本发明的非挥发铁电存储器面内电容器结构示意图。
图2是本发明的非挥发铁电存储器上下电容器结构示意图。
图3是面内结构单个分支电极对的SEM图。
图4是如图3所示的存储单元在加12V电压不同时间的原子力显微镜（PFM）图。
图5是对应的图4a-4d的读电流的电流-电压（I-V）曲线图。
图6是图1所示的面内结构铁电非挥发存储器的一对左电极和右电极分支的 写“1”与读“1”和写“0”与读“0”的操作原理示意图。
图7是图2所示的上下结构铁电非挥发存储器的一对左电极和右电极分支的 写“1”与读“1”和写“0”与读“0”的操作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明，本发明是基于实验结果而提出的，下面将详细介绍。
本发明之一是面内电容器结构非挥发铁电存储器，结构如图1所示：
其主要包括基底材料（100），铁电薄膜材料（104），刻蚀形成的铁电存储单元（103）以及左电极（101）与其分支电极1011-101N和右电极（102）与其分支电极1021-102N。
继续如图1所示，基底材料（100）可以是常用材料，例如可以用Si、SiO2，或者LiNbO3、Gd2Ti2O7、SrTiO3等等，在该发明中，为了与CMOS工艺兼容，大规模生产，可优选Si基底。
继续如图1所示，铁电薄膜层（104）可以通过多种方法长在基底（100）上，例如通过溶胶凝胶法、PVD溅射、CVD、PLD或者离子键合剥离，铁电薄膜层可以是任何一种单晶铁电材料，例如铁酸铋BiFeO3、锆钛酸铅(Pb,Zr)TiO3、铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3。长条形铁电存储单元（103）是通过光学光刻或者电子束光刻将图形转移到体铁电薄膜（104）上，然后通过干法刻蚀或者湿法腐蚀形成长条形铁电存储单元（103），铁电存储单元（103）刻蚀的宽度d的范围可大于或等于5nm小于或等于1um，间距越小，在左电极（101）和右电极（102）上所加的写电压和读电压就越小，使功耗减小，而且也可以提高存储器的密度。铁电存储单元（103）刻蚀的深度h大于或等于5nm小于或等于300nm，深度越大，存储单元（105）与长条铁电存储单元（103）（除去左电极（101）分支电极1011-101N和右电极（102）分支电极1021-102N所对的存储单元（105）部分）接触面形成的畴壁导电通道就越长，读电流就越大，因此提高刻蚀高度也可以提高读电流，但是刻蚀高度不宜太高，如果刻蚀高度太高，刻蚀的垂直度就不是很理想，因此左电极（101）分支电极1011-101N和右电极（102）分支电极1021-102N与刻蚀的长条铁电单元接触会不紧密，会影响铁电存储单元的正常工作。
继续如图1所示，左电极（101）与其分支电极1011-101N和右电极（102）与其分支电极1021-102N通过光学光刻或电子束光刻将图形转移到铁电薄膜上，然后可以通过多种长金属的方法将金属长上去，例如可用PVD溅射、PLD、热蒸发、电子束蒸发或者电镀的方法，可以生长但不限于Pt、Au、Al、Cu和In等等金属。左电极（101）与其分支电极1011-101N和右电极（102）与其分支电极1021-102N的高度与长条铁电存储单元（103）的高度h相同，h大于或等于5nm小于或等于300nm。左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N的宽度w大于或等于5nm小于或等于1um，两个分支之间的间距g大于或等于10nm小于或等于500nm。
图6所示为图1所示的面内结构铁电非挥发存储器的一对左电极和右电极分支的写“1”与读“1”和写“0”与读“0”的操作原理示意图。
在该面内结构非挥发铁电存储器中，以如图6所示的体铁电材料（104）极化方向为例说明，另一个反方向的极化原理与此一样。如图6（a）所示，体铁电材料（104）和刻蚀的长条形铁电存储器（103）的极化方向一样都向右。在第一次写“1”操作时，在如图1所示的非挥发铁电存储器的左电极（101）和右电极（102）上加写电压信号Vwrite时，右电极（102）是高电位，左电极（101）是低电位，在左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N之间产生偏置电场，该偏置电场与存储单元（105）的极化方向相反，当该电场大于等于中间存储单元（105）的矫顽场时，如图6（a）所示的在左电极（101）和右电极（102）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（105）的极化方向发生反转，与体铁电薄膜材料（104）接触低面以及长条形铁电存储单元（103）（除去存储单元（105）部分）的接触侧面形成虚线所示的畴壁导电通道（106），即把信息“1”存入。在读“1”操作时，在左电极（101）和右电极（102）上加读电压信号Vread（读电压Vread小于铁电存储单元（105）的矫顽电压，即也小于写电压Vwrite，不能使铁电存储单元（105）的极化方向发生反转）时，因为畴壁导电通道（106）的存在，会有较大的读电流流过畴壁导电通道（106），因此读取信息“1”，分支电极越多，读电流也就会越大，读取的信息就越快，越可靠。
如图6（b）所示，体铁电材料（104）和刻蚀的长条形铁电存储器（103）的极化方向一样都向右。在第一次写“0”操作时，在如图1所示的非挥发铁电存储器的左电极（101）和右电极（102）上加写电压信号Vwrite时，左电极（102）是高电位，右电极（101）是低电位，在左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N之间产生偏置电场，电场的方向与存储单元（105）的极化方向一致，因此存储单元（105）的极化方向不改变，如图6（b）所示的在左电极（101）和右电极（102）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（105）的极化方向不发生反转，与体铁电薄膜材料（104）接触底面以及长条形铁电存储单元（103）（除去存储单元（105）部分）的接触侧面就不会形成畴壁导电通道（106），即写入信息“0”。在读“0”操作时，在左电极（101）和右电极（102）上加读电压信号Vread（读电压Vread小于铁电存储单元（105）的矫顽电压，即也小于写电压Vwrite，不能使铁电存储单元（105）的极化方向发生反转）时，因为没有畴壁导电通道（106），所以电路是断开的，读电流几乎为零，因此可读取信息为“0”。
当需要在该单元重新写入信息时，可直接写入，不需要擦除后再写入，比如，如图6（a）已存入信息“1”时，当需要重新写入信息“1”时，在如图1所示的非挥发铁电存储器的左电极（101）和右电极（102）上加写电压信号Vwrite时，右电极（102）是高电位，左电极（101）是低电位，在左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图6（a）所示的在左电极（101）和右电极（102）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（105）的极化方向一致，因此该存储单元（105）的极化方向不发生改变，仍存储信息“1”；当需要重新写入“0”时，在左电极（101）和右电极（102）上加写电压信号Vwrite，左电极（102）是高电位，右电极（101）是低电位，在左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图6（a）所示的在左电极（101）和右电极（102）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（105）的极化方向相反，则存储单元（105）的极化方向会被反转到初始状态，与体铁电薄膜材料（104）以及长条形铁电存储单元（103）（除去存储单元（105）部分）的极化方向一致，如图6（b）所示，未形成畴壁导电通道，则重新写入信息“0”。如图6（b）已存入信息“0”时，当需要重新写入信息“0”时，在如图1所示的非挥发铁电存储器的左电极（101）和右电极（102）上加写电压信号Vwrite时，右电极（102）是低电位，左电极（101）是高电位，在左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图6（b）所示的在左电极（101）和右电极（102）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（105）的极化方向一致，因此该存储单元（105）的极化方向不发生改变，仍存储信息“0”；当需要重新写入“1”时，在左电极（101）和右电极（102）上加写电压信号Vwrite，左电极（102）是低电位，右电极（101）是高电位，在左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图6（b）所示的在左电极（101）和右电极（102）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（105）的极化方向相反，则存储单元（105）的极化方向会被反转，与体铁电薄膜材料（104）以及长条形铁电存储单元（103）（除去存储单元（105）部分）的极化方向相反，如图6（a）所示，形成畴壁导电通道（106），则重新写入信息“1”。
具体实施步骤如下：
步骤1：提供如图1所示的基底（100），可以用Si、SiO2，或者LiNbO3、SrTiO3等等，为易于与半导体工艺兼容，可以采用Si衬底。
进一步，步骤2：生长铁电薄膜层（104），铁电薄膜层（104）可以选择但不限于铁酸铋BiFeO3、锆钛酸铅(Pb,Zr)TiO3、铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3。铁电薄膜层（104）可以通过但不限于溶胶凝胶法、PVD溅射、CVD、PLD或者离子键合剥离的方法制备形成。
进一步，步骤3：在体铁电薄膜（104）上刻蚀形成长条形铁电单元（103），铁电存储单元（103）可以通过光学光刻或者电子束光刻将图形转移到体铁电薄膜层（104）上，然后通过干法刻蚀或者湿法刻蚀形成长条形铁电存储单元（103）。
进一步，步骤4：在铁电薄膜（104）上形成左电极（101）与其分支电极1011-101N和右电极（102）与其分支电极1021-102N对电极。左电极（101）与其分支电极1011-101N和右电极（102）与其分支电极1021-102N对电极可以通过光学光刻或者电子束光刻将图形转移到体铁电薄膜层（104）上，通过多种长金属的方法将金属长上去，例如可用PVD溅射、PLD、热蒸发、电子束蒸发或者电镀的方法，可以生长但不限于Pt、Au、Al、Cu和In等等金属。
通过以上步骤，基本形成图1所示的面内结构铁电存储器。
本发明的其中之一是上下结构非挥发铁电存储器，结构如图2所示：
其主要包括基底材料（201），铁电薄膜材料（202）以及下电极（2031）与其分支电极和上电极（2032）与其分支电极。
继续如图2所示，基底材料（201）可以是常用材料，例如可以用Si、SiO2，或者LiNbO3、Gd2Ti2O7、SrTiO3等等，在该发明中，为了与CMOS工艺兼容，大规模生产，可优选Si基底。
继续如图2所示，铁电薄膜层（202）可以通过多种方法长在基底（201）上，例如通过溶胶凝胶法、PVD溅射、CVD、PLD或者离子键合剥离，铁电薄膜层可以是任何一种单晶铁电材料，例如铁酸铋BiFeO3、锆钛酸铅(Pb,Zr)TiO3、铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3。铁电薄膜层（202）的厚度为h1，h1大于等于5nm小于等于300nm，薄膜厚度越小，在下电极（2031）和上电极（2032）上所加的写电压和读电压就越小，功耗也随之缩小。
继续如图2所示，下电极（2031）以及与其分支电极是在长铁电薄膜层（202）之前形成的，通过光学光刻或电子束光刻将图形转移到铁电薄膜上，然后可以通过多种长金属的方法将金属长上去，例如可用PVD溅射、PLD、热蒸发、电子束蒸发或者电镀的方法，可以生长但不限于Pt、Au、Al、Cu和In等等金属。当生长完上电极之后，再将铁电薄膜层（202）上长在上面，再把上电极（2032）以及与其分支电极长在铁电薄膜层（202）上面。下电极以及其分支电极和上电极（2032）以及其分支电极的高度为h2，h2大于等于5nm小于等于300nm。下电极（2031）分支和上电极（2032）分支都为正方形，边长为a，a大于等于5nm小于等于300nm。下电极（2031）分支和上电极（2032）分支的相邻分支之间的间距为L，L大于等于10nm小于等于500nm。下电极（2031）分支和上电极（2032）分支所对应的铁电材料（204）是存储单元，存储单元（204）表面尺寸和下电极（2031）分支与上电极（2032）分支的尺寸是对应的，边长也为a，存储单元（204）的高度是h2-h1，相邻存储单元（204）的间距也为L。
图7所示为图2所示的上下结构铁电非挥发存储器的一对下电极和上电极分支的写“1”与读“1”和写“0”与读“0”的操作原理示意图。
在该上下结构非挥发铁电存储器中，以如图7所示的体铁电薄膜材料（202）的极化方向为例说明，另一个反方向的极化原理与此一样。如图7（a）所示，体铁电材料（202）极化方向向上。在第一次写“1”操作时，在如图2所示的非挥发铁电存储器的下电极（2031）和上电极（2032）上加写电压信号Vwrite时，上电极（2032）是高电位，下电极（2031）是低电位，在下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极之间产生偏置电场，该偏置电场的电场方向与存储单元（204）的极化方向相反，当该电场大于等于中间存储单元（204）的矫顽场时，如图7（a）所示的在下电极（2031）和上电极（2032）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（204）的极化方向发生反转，与体铁电薄膜材料（202）（除去存储单元（204）部分）的接触侧面形成如图7（a）虚线所示的畴壁导电通道（205），即把信息“1”存入。在读“1”操作时，在下电极（2031）和上电极（2032）上加读电压信号Vread（读电压Vread小于铁电存储单元（204）的矫顽电压，即也小于写电压Vwrite，不能使铁电存储单元（204）的极化方向发生反转）时，因为畴壁导电通道（205）的存在，会有较大的读电流流过畴壁导电通道（205），因此读取信息“1”，分支电极越多，读电流也就会越大，读取的信息就越快，越可靠。
如图7（b）所示，体铁电材料（202）极化方向向右。在第一次写“0”操作时，在如图12所示的非挥发铁电存储器的下电极（2031）和上电极（2032）上加写电压信号Vwrite时，下电极（2031）是高电位，上电极（2032）是低电位，在下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极之间产生偏置电场，电场的方向与存储单元（204）的极化方向一致，因此存储单元（204）的极化方向不改变，如图7（b）所示下电极（2031）和上电极（2032）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（204）的极化方向不发生反转，与体铁电薄膜材料（202）（除去存储单元（204）部分）的接触侧面就不会形成畴壁导电通道（205），即写入信息“0”。在读“0”操作时，在下电极（2031）和上电极（2032）上加读电压信号Vread（读电压Vread小于铁电存储单元（204）的矫顽电压，即也小于写电压Vwrite，不能使铁电存储单元（204）的极化方向发生反转）时，因为没有畴壁导电通道（205），所以电路是断开的，读电流几乎为零，因此可读取信息为“0”。
当需要在该单元重新写入信息时，可直接写入，不需要擦除后再写入，比如，如图7（a）已存入信息“1”时，当需要重新写入信息“1”时，在如图2所示的非挥发铁电存储器的下电极（2031）和上电极（2032）上加写电压信号Vwrite时，上电极（2032）是高电位，下电极（2031）是低电位，在下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图7（a）所示下电极（2031）和上电极（2032）分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（204）的极化方向一致，因此该存储单元（204）的极化方向不发生改变，仍存储信息“1”；当需要重新写入“0”时，在下电极（2031）和上电极（2032）上加写电压信号Vwrite时，下电极（2032）是高电位，上电极（2031）是低电位，在下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图7（a）所示的在下电极（2031）和上电极（2032）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（204）的极化方向相反，则存储单元（204）的极化方向会被反转到初始状态，与体铁电薄膜材料（202）（除去存储单元（105）部分）的极化方向一致，如图7（b）所示，未形成畴壁导电通道，则重新写入信息“0”。如图7（b）已存入信息“0”时，当需要重新写入信息“0”时，在如图2所示的非挥发铁电存储器的下电极（2031）和上电极（2032）上加写电压信号Vwrite时，上电极（2032）是低电位，下电极（2031）是高电位，在下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图7（b）所示的在下电极（2031）和上电极（2032）分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（204）的极化方向一致，因此该存储单元（204）的极化方向不发生改变，仍存储信息“0”；当需要重新写入“1”时，在下电极（2031）和上电极（2032）上加写电压信号Vwrite，下电极（2031）是低电位，上电极（2032）是高电位，在下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支之间产生偏置电场，该偏置电场的方向与如图7（b）所示下电极（2031）和上电极（2032）的分支电极对所对的铁电非挥发存储单元（204）的极化方向相反，则存储单元（204）的极化方向会被反转，与体铁电薄膜材料（202）（除去存储单元（204）部分）的极化方向相反，如图7（a）所示，形成畴壁导电通道（205），则重新写入信息“1”。
具体实施步骤如下：
步骤1：提供如图2所示的基底（201），可以用Si、SiO2，或者LiNbO3、SrTiO3等等，为易于与半导体工艺兼容，可以采用Si衬底。
进一步，步骤2：在基底材料（201）上形成下电极（2031）以及其分支电极，通过光学光刻或电子束光刻的方法将图形转移到基底（201）上，然后可以通过多种长金属的方法将金属长上去，例如可用PVD溅射、PLD、热蒸发、电子束蒸发或者电镀的方法，可以生长但不限于Pt、Au、Al、Cu和In等等金属。
进一步，步骤3：生长铁电薄膜层（202），铁电薄膜层（202）可以选择但不限于铁酸铋BiFeO3、锆钛酸铅(Pb,Zr)TiO3、铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3。铁电薄膜层（202）可以通过但不限于溶胶凝胶法、PVD溅射、CVD、PLD或者离子键合剥离的方法制备形成。
进一步，步骤4：在铁电薄膜（202）上形成上电极（2032）以及其分支电极。与下电极操作方法一样，上电极（2032）以及其分支电极可以通过光学光刻或电子束光刻的方法将图形转移到铁电薄膜（202）上，可以通过多种长金属的方法将金属长上去，例如可用PVD溅射、PLD、热蒸发、电子束蒸发或者电镀的方法，可以生长但不限于Pt、Au、Al、Cu和In等等金属。
通过以上步骤，基本形成图2所示的面内结构铁电存储器。
本发明的这两种非挥发铁电存储器结构简单，制作简单，成本低，性能优，有望在市场中大规模应用。
Claims (10)
1.一种面内电容器结构的非挥发铁电存储器，其特征在于，包括:基底材料（100）；铁电薄膜层（104）；铁电薄膜层（104）表面刻蚀的长条形铁电单元（103）；以及左电极（101）和右电极（102）；所述铁电薄膜层（104）是面内极化的薄膜，铁电极化有两个方向，这两种极化方向平行于薄膜表面并且方向相反，刻蚀的长条铁电单元（103）垂直于面内极化方向；左电极（101）和右电极（102）为读写电极对，左电极（101）和右电极（102）分别由N个叉指电极组成，称为左电极（101）的分支电极（1011-101N）和右电极（102）的分支电极（1021-102N）,两组分支电极一一对应，形成小的电极对，N大于等于1小于等于100；所述左电极（101）的分支电极1011-101N和右电极（102）的分支电极1021-102N的N个分支连接在一起组成一个存储bit，N个分支对所对应的存储单元（105）在长条形铁电单元（103）上。
2.如权利要求1所述的面内电容器结构的非挥发铁电存储器，其特征在于，所述长条铁电单元（103）的宽度为d，d大于或等于5nm，小于或等于1um，长条铁电单元（103）的高度为h，h大于或等于5nm，小于或等于300nm。
3.如权利要求1所述的面内电容器结构的非挥发铁电存储器，其特征在于，每一个分支的电极宽度为w，w大于或等于5nm，小于或等于1um，两个分支之间的间距g大于或等于10nm，小于或等于500nm，左电极（101）和右电极（102）的厚度与所述的长条铁电单元（103）高度相同，均为h，h大于或等于5nm，小于或等于300nm。
4.一种上下电容器结构的非挥发铁电存储器，其特征在于，包括:
基底材料（201）；
下电极（2031）和上电极（2032）；
在两层电极中间的铁电薄膜层（202）；
所述铁电薄膜层（202）是面外极化的薄膜，铁电极化有两个方向，这两种极化方向平行、方向相反且垂直于薄膜表面；所述下电极（2031）和上电极（2032）为读写电极对，下电极（2031）和上电极（2032）分别由m行、n列叉指电极组成，称为下电极（2031）的分支电极和上电极（2032）的分支电极；下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极所对应的铁电材料构成存储单元（204），总的存储单元个数为m*n个，组成m行，n列的存储器阵列；m和n均为大于等于1小于等于100。
5.如权利要求4所述的上下电容器结构的非挥发铁电存储器，其特征在于，两层电极中间的铁电薄膜层（202）厚度为h1，h1大于等于5nm小于等于300nm。
6.如权利要求4所述的上下电容器结构的非挥发铁电存储器，其特征在于，所述下电极（2031）和上电极（2032）厚度均为h2，h2大于等于1nm，小于h1；下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极边长为a，a大于等于5nm，小于等于300nm；下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极的相邻分支之间的间距为L，L大于等于10nm，小于等于500nm；下电极（2031）分支电极和上电极（2032）分支电极所对应的铁电材料是存储单元（204），其表面尺寸和下电极（2031）分支电极与上电极（2032）分支电极的尺寸是对应的，边长也为a，存储单元（204）的高度是h2-h1，相邻存储单元（204）的间距也为L。
7.如权利要求1或4所述的非挥发铁电存储器，其特征在于，所述铁电薄膜层材料选自离子掺杂改性的铁酸铋BiFeO3、锆钛酸铅(Pb,Zr)TiO3、铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3。
8.如权利要求1或4所述的非挥发铁电存储器，其特征在于，所述基底材料选自Si、SiO2或LiNbO3、SrTiO3。
9.一种如权利要求1所述的面内电容器结构的非挥发铁电存储器的操作方法，其特征在于：
在写操作时，在所述左电极（101）和右电极（102）之间偏置一写电压信号，使所述左电极（101）分支电极和右电极（102）分支电极所对的铁电存储单元（105）极化方向发生反转或不反转，去除写电压后并保持加电压时的极化状态，从而存储信息“1”或“0”；所述写电压的大小随所述的长条铁电单元（103）的宽度d的增大而增大；
在读操作时，在所述左电极（101）和右电极（102）之间偏置一读电压信号，读电压信号小于铁电材料的矫顽电压，也小于所述写电压，即不能使铁电材料发生反转，可根据每一个存储单元（105）的极化方向是否与铁电薄膜层（104）以及刻蚀的长条铁电单元（103）（除去存储单元（105）部分）的极化方向相反，是否在存储单元（105）与铁电薄膜层（104）以及刻蚀的长条铁电单元（103）（除去存储单元（105）部分）的接触面上形成导电通道（106），加一读电压是否读到电流信号来判断存储信息。
10.一种如权利要求5所述的上下电容器结构的非挥发铁电存储器的操作方法，其特征在于：
在写操作时，在所述下电极（2031）和上电极（2032）之间偏置一写电压信号，使所述下电极（2031）单元阵列和上电极（2032）单元阵列所对应的存储单元（204）极化发生反转或不反转，去除写电压后并保持加电压时的极化状态，从而存储信息“1”或“0”；所述写电压的大小随所述的铁电薄膜层（202）厚度h1的增大而增大；
在读操作时，在所述下电极（2031）和上电极（2032）之间偏置一读电压信号，读电压信号小于铁电材料的矫顽电压，也小于所述写电压，即不能使铁电材料发生反转，可根据每一个存储单元（204）的极化方向是否与铁电薄膜层（202）（除去存储单元（204）部分）的极化方向相反，是否在存储单元（204）与铁电薄膜层（202）（除去存储单元（204）部分）的接触面上形成导电通道（205），加一读电压是否读到电流信号来判断存储信息。
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