CN1101747A - 一种铁电存储单元和读写其极化状态的方法 - Google Patents

Abstract

一种包含一个铁电电容器的存储单元，其状态通 过从零经由一个上面的电场点而返回零来循环电容 器两端电位而被读出。如果单元驻留在上面的永久 剩余极化点，就发生电荷流的少量变化，而若该单元 驻留在下面的永久剩余极化点，就发生电荷流的更少 量(接近于零)变化。这种电荷流从接近零值到一个 大数量的变化使一个非常准确的参考电容器能用于 比较或读出过程。

Description

本发明涉及铁电存储单元，更具体地说涉及读出铁电存储单元极化状态的改进的方法。

一个基本的铁电非易失存储单元包括一个作为主要存储元件的以铁电材料为电介质的电容器。根据定义，铁电材料有一个永久的极化状态，即：没有施加电场的一个非零的内部极化状态。在下文中，零电场这个词包含没有施加电场、一个施加零的电场，或铁电材料上所产生的外电场为零的任何其他情况。

在一些现有技术的铁电存储单元中，使用了铁电电容器对和开关晶体三极管对。在这些器件中，电容器对通常处于互补极化状态，因而通过比较电容器对中的一个电容器的状态与另一个电容器的状态来测定这种极化状态。这种存储单元的缺点是需要很多的元件，这就增加了装置的尺寸和成本。

读出一个单个电容器存储单元中铁电电容器极化状态的一个主要难题是：一个铁电电容器的电场/极化特性回线（磁滞曲线）随时间变化，这种变化是由于使用引起的老化或由于处于极化状态一段持续时间引起的老化造成的。通常，这种极化特性随时间变化造成磁滞曲线的压缩。这是一种基本的材料现象，它是由于电场/极化循环工作下，至少一部分体积的铁电材料的非可逆性。铁电材料的这种变化使得难于采用常规的参考单元方案来测定铁电存储单元的极化状态。

本发明的一个目的是提供一种读出存储单元中铁电电容器极化状态的改进的新方法。

本发明的另一个目的是提供一种读出存储单元中铁电电容器极化状态的改进的新方法，该方法在随时间变化过程中能保持其准确性。

下面的方法解决了上述问题和其他问题并实现了上述的目的，即一种读出铁电存储单元极化状态的方法，该铁电存储单元包括一个铁电电容器，该电容器有一条有上和下电场点及上和下永久剩余极化点的磁滞曲线，该方法包括施加一个电场到铁电电容器上的步骤，使电场从零基本上到上和下电场点中的一个又返回零进行循环;以及测定极化强度的净变化。这种方法的主要优点为，可安装在测量期间所用的任何参考单元。

图1示出一个铁电电容器的磁滞曲线。

图2示出一个循环工作的铁电电容器的磁滞曲线。

图3示出一个简化的有参考单元的电容器铁电存储单元。

图4示出图3所示电路的各种电压波形。

已知有各种各样的铁电材料，例如相Ⅲ（PHASE  Ⅲ）硝酸钾、钛酸铋以及锆钛酸铅化合物的PZT族。铁电材料的一种特性是磁滞曲线，就是示于图1的那种型式的回线。图中横坐标表示外电场，它与施加于材料的电压成正比例，而纵坐标表示铁电材料的极化状态。也就是说，由于磁滞曲线的缘故，如果一个电容器在其极板之间使用铁电材料而组成，流过电容器的电流取决于施加于电容器的电压的早先历程。如果一个铁电电容器处在施加零伏电压的初始状态的话，电容器可以有一个图1点A表示的极化状态。当一个足够大的正电压施加在电容器两端时，电容器内部电荷流动，极化状态移到由C点表示的新极化状态。在所加的电压减少到零时，电容器的铁电材料极化状态移到由点D表示的极化状态（而不是回到点A），正如磁滞曲线中箭头指示的那样。任何附加的正电压会引起极化强度比较小的变化，只使极化强度移回到点C或超过点C。然而，一个足够大的负电压会使极化状态移到状态F，在去掉负电压时，结果极化状态就移到状态A。因此，点A和D分别是两个稳定的状态，即下面的和上面的永久剩余极化强度点P（A）和P（D），它们各分别出现在施加零伏特电压处，并且还取决于施加于电容器的电压历程。点C和点F表示上面和下面的电场点E（C）和E（F）。

为了使用铁电电容器作为存储单元的存储元件，需要有一种能明显区分电容器两个稳定状态A和D点电路。要将极化强度状态转换成电可测定量，常规技术分两步进行。第一，通过采用一个外电路来改变电容器两端的电压，使电容器两端的电场从零变化到接近E（C）。第二，测量电荷△Q，该△Q是由于电场变化△E而流过外电路的电荷。这一电荷流动引起外电路中一个电容上电压变化，这变化由一个电压放大器读出。

高斯定律表朝：△Q正比于极化强度的净变化△P。参照图1，可看出对于从状态A到状态C的转移，其△P比从状态D到状态C的转移大，这就是说，△Q（AC）也比△Q（DC）大。因此，问题是要明显地区分△Q（AC）和△Q（DC）。

读出单个电容器存储单元中铁电电容器的极化状态的一个主要问题是，由于老化或疲劳，一个铁电电容器的电场/极化强度的特性回线（磁滞曲线）随时间变化。通常，在铁电电容器重复循环工作情况下，这种使用造成的老化结果产生了图2所示的磁滞曲线的压缩。正如从图1和图2比较能看出的那样，△Q（AC）和△Q（DC）两者的幅度明显减小了。需要说明的是，幅度一般不按固定的比例减小。一般在循环工作情况下，磁滞回线的变形或压缩取决于铁电薄膜细致的物理和结构因素，而不一定取决于准确的可预示性或可重复性。此外，由于大多数铁电存储单元的随机存取性质，不同的存储单元循环不同的次数。因此，任何用于区分△Q（AC）和△Q（DC）的最佳参考电压或参考单元，不但存储单元与存储单元各不相同，而且循环与循环也各不相同。由于老化或疲劳引起的铁电材料的这种变化，使得难于采用一个参考单元来测定铁电存储单元的极化状态。

具体参照图3，说明了一个简化的有一个关联的参考单元12的电容铁电存储元件10。存储单元10包括一个单一开关晶体三极管15和一个铁电电容器20。通常，为了组成一个存储单元阵列，需要有更多的存储单元设置在包含存储单元10的第一水平行上。包含存储单元10的第一行有一条字线22和一个与此关联的极板线23。还可设置更多的与第一行平行的水平行（未标出），而每一行包括一条字线和一条极板线。另外，存储单元10还安排在带有更多存储单元（未示出）的第一垂直列中，该垂直列有一个与读出放大器即锁存器30连接的共用位线对24、25。在阵列中还设置了更多的列，这些列各有一些共用位线对和读出放大器。位线24与存储单元10和第一列中的所有其他的存储单元连接，而位线25与参考单元12连接。

字线22与开关晶体三极管的栅极以及第一行中各个其他存储单元内开关晶体三极管的栅极连接。极板线23与铁电电容器20的一个极板连接，铁电电容器的另一极板连接到开关晶体三极管15的漏极。板极线23也同样地与第一行中其他存储单元连接。开关晶体三极管15的源极连接到位线24，并且第一列中所有其他存储单元内的开关晶体三极管源极也连接到位线24。

参考单元12与第一列中所有存储单元关联。本发明的一个优点是，一个单一参考单元可跟任意一个存储单元一起使用，这样就能使单一参考单元跟每列一起使用。参考单元12包括一个第一开关晶体三极管35、一个第二开关晶体三极管37和一个参考电容器39。开关晶体三极管35的栅极连接到参考字线40、而其源极连接到位线25。参考电容器39的一个极板接地，另外一个极板连接到开关晶体三极管35的漏极及开关晶体三极管37的源极。开关晶体三极管37的漏极连接到一个参考电位，连接其栅极以接收参考预置信号。

读出放大器30连接到两根位线24和25上，它被设计成用于读出铁电电容器20（当存储单元10被存取时）和参考电容器39上的电压差。通常，任何差动放大器或在两条位线（例如24和25）之间建立起“竟争”（race）条件的放大器或是能在两条位线中的一条读出较大电压或电流的其他类型放大器都能用作读出放大器30。

为了理解本发明的铁电存储单元工作情况，这里给出了图3所示存储单元的说明，以及参考图4表示的各种电压波形。存储单元10以逻辑高或逻辑低信号的形式把数据存储在铁电电容器20中。位线24和25耦合到读出放大器30的互补（conplimentary）输出端。如果所存储的二进制数据是逻辑“1”（逻辑高），则铁电电容器20处在一种极化状态（图1中的A或D），而如果所存储的二进制数据是逻辑“零”（一个逻辑低），那么，铁电电容器20处在相反的状态。假定所存储的数据是逻辑零，且铁电电容器20处在状态A。

为了存取存储单元10，并读出它的存储数据，一个正信号施加到字线22及参考字线40（见图4中的波形A）。在极板线23上的初始电压为低。在取样放大器30上的一个取样放大器（SA）锁存信号有一个施加到其上的正常高信号（如图4波形C所示），而位线24和25处于一个正常高的状态（如图4波形D所示）。通过这些信号，晶体三极管15接通，一个正电压从高的位线24到低的极板线23施加于铁电电容器20的两端。因为铁电电容器20处在状态A，当铁电材料从状态A改变到状态C时，一个比较大的电荷流流动。位线24通过开关晶体三极管15的源漏极通路耦合到铁电电容器20，随状态的变化位线24被拉到较低的电平。同时，在参考字线40上的正信号接通晶体三极管35，这样，位线25移到与存储在参考电容器39中的电荷成正比的较低的电平。

在以后的某个时间（一般经过一个内部计时时钟周期之后），一个正的信号施加于极板线23（见图4波形B）。极板线23和位线24上的正信号形成基本上为零的电压施加在铁电电容器20的两端，铁电材料降回到D状态。由铁电电容器20从C状态移到D状态产生的电荷移动增加了位线24上的电位，如图4波形D所示。

在更后的时间（一个时钟脉冲之后），一个低的信号（见图4的波形C）施加于读出放大器30的锁存端，形成一个通过读出放大器30中互补连接的晶体管对的电流通路，使其导通。由于来自参考单元12的越正的信号加在位线25上，读出放大器30中互补对的左边晶体三极管的栅极将是越正，从而使左边晶体三极管传导更多的电流，最后截止右边晶体管（见图4波形D）。由此，位线25将被锁在一个高的状态，而位线24锁在一个低的状态。

在读出操作期间，铁电电容器充电到D状态而现在必须回到它的原始状态A。当低信号施加到读出放大器30的锁存端而位线24变低时，这过程是自动完成的。在这些条件下，一个正电压以相反的方向施加在铁电电容器20两端，铁电材料被驱向状态F（见图1）。接着，正信号从极板线23消除，随之电压也从铁电电容器20消除，从而使其降回到状态A。该注意的是，铁电电容器20的这种状态变化对位线24和25的状态没有影响，位线24和25仍被锁出读出状态，直至正信号从字线22和参考字线40消去之后。

假设铁电电容器20原来处在状态D，由于字线22和参考字线40上的正信号，晶体三极管15接通，一个正电压从高的位线24到低的极板线23施加在铁电电容器两端。因为铁电电容器处在状态D，在铁电材料从状态D改变到状态C时有一个比较小的电荷流动。板极线23被接通，基本上移去铁电电容器20两端的电荷并使铁电电容器20恢复到D状态。也像前面所述那样存取参考单元，这样位线25改变到低电压。参考单元是这样设置的，即在铁电电容器20的这种状态下，位线25处在比位线24更低的电压。读出放大器30被接通并检测位线24和25之间的压差，该压差将读出放大器锁在两种可能状态的另一种。与此同时，位线24上的高电位和极板线23上的高电位施加在铁电电容器20两端，这样就能保持铁电电容器在其原来的D状态。在字线22上的电压降到零之后，读出放大器30被释放，位线24和25也被释放。

因此，简单说来，在测量△Q之前，铁电电容器20两端的电场从零到E（C）又返回到零进行循环。这样，当铁电单元20的铁电材料在状态A时，这种循环使铁电材料从状态A改变到状态C而后到状态D。这些状态变化的结果是P（D）-P（A）的极化强度的净变化。然而，当铁电单元20的铁电材料原来在状态D时，这种循环使铁电材料从状态D改变到状态C而后返回到D状态。对于这些状态变化，极化强度的净变化名义上为零。实际上，由于电位的非理想状态以及与时间有关的衰减效应，这种净变化接近于零，而非真正为零。

从本文说明中可知道，这种方法提供了只需要区分一个实（substantial）信号（A>C>D）和一个接近于零的信号（D>C>D）的好处，而不是区分两个不同且可变大小的非零信号，这些非零信号彼此互不相关地变化，并且如像在许多其他的存储单元中必然发生的那样，基于先前的历程变化，单元与单元间的非零信号不同。这种方法使读出放大器30的基准电平（并且考虑到单元衰减效应）能更准确地设置，并根据铁电材料特性实现读出系统的最佳化。此外，参考单元12可以是一个线性的或铁电的单元，其设计成能在位线25上提供信号，该信号等于最大要求的D>C>D极化强度变化加上一个为读出放大30的最差情况不平衡所需的余量。作为一个例子，对于CMOS，这个不平衡（在16）是几十毫伏，而对于双极型，该不平衡是一位数的毫伏数。作为一个一般规则，但不是一个绝对的限制，对于一个A>C>D的极化强度变化，只要从铁电单元来的最小信号大于从参考单元来的信号量的两倍，读出系统将保持准确性。

尽管本公开限于这种说明，即铁电电容器按照A＞C＞D或D＞C＞D＞进行循环，但那些本领域的技术人员会明白，能这样设计（一般通过变换电压极性）一个系统，其中铁电电容器按照D>F>A或A>F>A循环工作。对于这种系统，净的极化强度变化通常保持与所述的系统相同，而且操作也是相似的。

到此为止，已公开了一个读出一个存储单元中铁电电容器极化状态的改进的新方法。这个改进的新方法在铁电材料老化或疲劳过程中仍维持其准确性，并允许使用不同的和简单的参考单元（线性或铁电单元设计）。也就是说，由于采用新的方法，可以利用一个单一的存储单元，它可较精确地调正，而且能根据铁电材料特性优化读出系统。因此，也公开了一个新的更准确的存储单元。

Claims (10)

1、一种读出一个铁电存储单元极化状态的方法，该铁电存储单元包括一个有一条磁滞曲线的铁电电容器，该磁滞曲线有上和下电场点及上和下永久剩余极化点，该方法的特征在于下列步骤：

向铁电电容器施加一个电场，该电场基本上从零到上和下电场点中的一个点，再返回到零进行循环；以及

测定极化强度变化。

2、一种读出一个铁电存储单元极化状态的方法，其特征在于以下步骤：

在存储单元中提供一个铁电电容器，该铁电电容器有一条磁滞曲线，该磁滞曲线有上和下电场点及上和下永久剩余极化点;

向铁电电容器施加一个电场，该电场基本上从零到上和下电场点中的一个点再返回到零进行循环;以及

测定极化强度变化。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于测定极化强度变化的步骤包括测定由于电场循环的结果流入铁电电容器的电荷变化。

4、根据权利要求3的方法，其特征在于测定极化强度变化的步骤包括把所测定的电荷变化与一个参考电容器上的电荷进行比较。

5、根据权利要求4的方法，其特征在于测定极化强度变化的步骤包括在一个所安装的参考电容器上提供电荷。

6、一种读出一个铁电存储单元极化状态的方法，其特征在于下列步骤：

提供一个包括一个开关元件和一个铁电电容器的铁电存储单元，该铁电电容器具有一条有上、下电场点以及上、下永久剩余极化强度点的磁滞曲线，该单元包括位线，以及与铁电电容器和开关元件互连的一条字线和一条极板线，以提供一个可寻址的存储单元;

提供一个有一个参考电容器并在其内存储参考电荷的参考单元;

向铁电电容器施加一个电场，并使电场大体上从零到上、下电场点中的一个点再基本上返回到零进行循环，以产生一个电荷流，当铁电电容器处于上面的永久剩余极化点时，该电荷流为第一个量，当铁电电容器处于下面的永久剩余极化点时，该电荷流为第二个量;以及

把循环电场产生的电荷流跟存储在参考电容器中的参考电荷进行比较，以确定电荷流是第一个量还是第二个量。

7、根据权利要求6的读出一个铁电存储单元极化状态的方法，其特征在于，将参考电荷存贮在参考电容器中的步骤，包括以下步骤，近似地测定可能出现的最大的第二个电荷流的量，测定在比较步骤中可能出现的最大误差，以及设定存储的参考电荷使其大于所测定的最大的第二个量与最大误差的合成量。

8、根据权利要求6的读出一个铁电存储单元极化状态的方法，其特征在于向参考单元提供一个参考电容器的步骤，包括向参考单元提供一种铁电电容器和一种线性电容器中的一种。

9、一种铁电存储单元和关联的参考单元，其特征在于：

一个铁电存储单元，其包括一个铁电电容器，所述铁电电容器具有一条有上、下电场点和上、下永久剩余极化强度点的磁滞曲线并总是驻留在该上、下永久剩余极化强度点中的一个点;

一个有一个参考电容器的参考单元;

与所述存储单元相连的装置，用于使所述铁电电容器在其两端的基本上为零的电位和一个足于将极化状态移到上、下电场点中的一个点而又返回到基本上为零电位的电位之间循环;以及

与所述存储单元和参考单元相连的装置，用于将在循环期间流入铁电电容器的电荷与参考电容器中的电荷进行比较。

10、根据权利要求9的铁电存储单元和关联的参考单元，其特征在于参考电容器被设计成能提供电荷，该电荷等于铁电电容器的最大要求的极化强度变化加上一个用于比较装置的最坏情况不平衡的余量。

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