CN1620698A - 抑制存储器电容结构印记的系统和方法 - Google Patents

Abstract

通过偶尔将电容器(510)的充电状态变为互补的充电状态，来抑制存储单元(304)中使用的电容器结构的印记的一个系统(200)和一种方法。

Description

抑制存储器电容结构印记的系统和方法

技术领域

本发明一般性地涉及计算机存储器，更具体地说，涉及使用具有电容结构的存储单元的存储器。

发明背景

一种非易失性存储器，可通过改变器件内铁电电介质层的极化方向来存储信息。当能量从系统移开时，电介质的极化态被保留下来，从而提供了非易变性效果。这种器件与电容器结构相似，其中电容器的电介质层用铁电材料替代，铁电材料可被极化为两个方向中的一个。极化的方向用于存储信息，“1”对应一个极化方向，“0”对应另一个极化方向。

将铁电材料置于半导体基底上的电容器的金属板间，使电容器金属板间电荷极化，电容器呈现一种存储的状态。实质上，当给电容器充电，并且场线在一个方向穿过电容器时，在电荷从电容器金属板移开后，剩余电荷极化被保留下来。如果将相反电荷置于电容器金属板间，则相反剩余极化被保留。如图1所示，施加在电容器金属板间的电场电压(E)与电容器金属板间铁电材料的极化(P)之间的曲线图，显示为磁滞曲线。在半导体模板上生产的电容器的金属板之间铁电材料的磁滞响应，在现有技术中是公知的。

制造用于存储阵列单元中的电容器时使用铁电材料，也是为现有的技术所熟知的。通过在铁电电容金属板间施加强制电压以产生一种或另一种极化，剩余极化就在存储单元中存储了非易变性的1或0。如果在金属板间加零电压，铁电电容的极化可能位于A点或D点，如图1所示。假设极化在A点，如果给电容器加一个大于“强制电压”如线B所示的正电压，电容器将导电，并移向点C。当电容器的电压回到零时，极化态不变，极化点移到D点。当极化点位于D点时，若给电容器加一正电压，电容器不导电，但移到C点。可以看出，负电压可用来将电容器的极化点从D点移到A点。因此，当零电压加在电容器上时，点A和D代表两个逻辑状态，其所代表的逻辑状态依赖于原来加在电容器上的电压值。

通过给电容器加一个足够转换该电容器的极化态的电压就可读出极化方向。例如，假设所加电压差可以将电介质转换成对应于“1”的极化态。如果在未加读出电压前，电容器为存储“1”的极化态，那么读出电压就不会改变极化态。然而，如果在未加读出电压前，电容器为存储“0”的极化态，那么极化方向将会被转换。这种转换将引起从电容器一个金属板流向另一个金属板的电流。感应放大器测量响应于读出电压的电流，以决定电容器的状态。一旦电容器被读出后，如果读出电压转换了该电容的状态，就必须重写该电容器中的数据。

一段时间以来，虽然这种类型的存储器在本领域是公知的，但各种问题限制了这种存储器的商业实现。这其中的一个问题就是通常提及的“印记”(imprinting)。印记是铁电电容的一种趋向，这种趋向是由存储在其中的数据决定的其磁滞曲线沿电压轴的正方向或反方向移动。铁电材料中的电荷缺陷，如氧空穴，被认为趋向于在一定时间段内发生电子迁移并聚集在铁电材料和一个电容电极的界面上，由此导致了磁滞曲线的移动。这种趋向会由于下面两个原因中的一个而导致逻辑状态错误。第一，产生足够的移动后，对于读出放大器而言，两个状态似乎都是一样的。第二，强制电压过大而不能被原设计的电压所改变。若遇到其中任一种情况，基于电容的存储单元就会失效。

一些人试图通过改进铁电存储单元的制造过程来解决印记问题，例如，在美国专利号为6,121,648的Evans，Jr的专利中描述的工艺。然而，采用这种方法需要给现有过程的流程增加几个步骤。若要结合增加的几个步骤，就常常要求对已有的工艺做大量的修改，这就给已经很复杂的制造过程又增添了额外的复杂性。此外，附加的工艺步骤增加了制造存储器件所需的时间，从而降低了生产能力和生产效率。因此就需要另选一种方法用来解决与铁电存储单元相关的问题，如印记问题。

发明简述

本发明涉及一个系统和一种方法，用来抑制用于存储单元的电容结构的印记。给存储单元阵列加上具有适当极性的偏压，将存储器的状态变为互补的电荷状态。结果，电荷缺陷就被维持在或拖回到电容器铁电材料的表体内。

附图简述

图1是具有铁电电介质的电容器的磁滞曲线；

图2是根据本发明一个实施例的存储器的方框图；

图3是含有铁电存储单元的存储阵列的一部分的示意图；

图4是与访问图3所示存储阵列的铁电存储单元有关的各种信号的时序图；

图5a和5b是图2所示的本发明实施例的存储器的一部分的示意图。

发明详述

本发明的各实施例提供了一个系统和一种方法用于抑制存储单元所使用的电容结构的印记。下面列出了具体的细节以充分理解本发明。但是，本领域的技术人员会清楚，即没有这些具体细节本发明也是可以实施的。在其它的实施例中，公知的电路、控制信号、计时协议和软件操作都没有详细给出，以防止对本发明产生不必要的混淆。

图2是根据本发明一个实施例的存储器200。含有铁电存储单元的存储阵列202包含在该存储器中。存储器200包括一个命令译码器206，该译码器通过命令总线208接收存储器命令，并在存储器200中产生相应的控制信号以执行各种存储器操作。行和列地址通过多路地址总线220被加在存储器200上，并分别由行地址译码器224和列地址译码器228译码。存储阵列的读/写电路230与阵列202耦合以通过输入-输出数据总线240将读出数据提供给数据输出缓存234。写入数据通过数据输入缓存244和存储阵列读/写电路230加到存储阵列202上。读写电路230包括一个寄存器232和逻辑电路233，补码电路236与读写电路230相连。更详细的讨论如下，补码电路236解释由读/写电路230读出的数据，并提供互补的数据，互补的数据再写回被读出的存储单元。寄存器232用于存储与存储阵列202中存储单元的充电状态相应的“方向”信息，基于寄存器232所存信息，逻辑电路233用于纠正读出和写入存储阵列202的数据的充电状态。

命令控制器206对加在命令总线208上的存储命令做出响应，以在存储阵列202上执行不同的操作。具体地说，命令控制器206用于产生内部控制信号来向存储阵列202读出数据或写入数据。在这其中的一个访问操作中，在地址总线220上提供的地址由行译码器224解码，用来访问存储阵列202的一行。同样，在地址总线220上提供的输入由列译码器228解码，以访问存储阵列202中的至少一列。在读操作中，存储在一个或多个定址存储单元中的数据被转移到输出缓存234中，并提供给数据输出线。在写操作中，访问地址存储单元，将数据输入线上和数据输入缓存244所提供的数据存入该单元中。

图3显示了包含排列的铁电存储单元的存储阵列300，且它可用于替换图2中的存储阵列202。图3显示了常规的排列，本领域的普通技术人员都熟悉其中的操作和设计。例如，在授予Kinney专利权的专利号为5,852,571的美国专利和授予Seyyedy专利权的美国专利号为5,905,672的美国专利中介绍了包含铁电存储单元的存储器和其中的操作，这两个专利也通过参考而引入。为了方便读者，此处也对其操作进行了简要描述。

每一个存储单元包括一个铁电电容和一个存取晶体管(accesstransistor)。多个存储单元304排列成规则阵列，这样字线310a-310d和板线(plate line)314a、314b就可用来访问铁电电容单元的行。存储单元进一步沿着列320a、320b排列。列320a、320b的每一列都包含互补的位线，互补的位线与相应的读出放大器324a、324b相连。存取晶体管的作用是一个开关，它将各电容器与相应的位线连在一起。这个连接是响应于字线310上的信号而生成的。

虽然本领域的技术人员都知道这些操作，但此处仍给出了对存储阵列300读写操作的简要描述。另外，此处描述的铁电存储单元的设计和具体排列方式仅是示例性的，而非限制本发明的范围。本发明中的一部分或全部原理可用于其它含有电容结构的并出现相同的电荷缺陷迁移现象的存储单元，例如在诸如BST的电介质中的电阻退化。

图4显示了涉及从存储单元304中读出数据的各种信号。为了访问存储单元304，要对外部数据线113(图2)进行解码来确定要访问存储阵列300的哪一行。相对应的字线310上升到高电平，这样，栅极与字线310相连的所有存取晶体管都被激活。结果，所有与该字线310相关的存储单元304都被耦合到列320的位线上。为了访问存储单元中的数据，与该选定地址的行相关的板线314跳为高电平。正如本领域技术人员所知，如果铁电电介质的极化处于一种状态，且板线跳为高电平，则穿过存储单元304的电流会使于之偶合的位线上的电压增加。如果存储单元304极化为相反状态，存储单元304的电流被阻止，且相耦合的位线的电压不变。位线上电压的变化可由对应的读出放大器324读出。如本领域技术人员所知，读出放大器324检测位线电压和与其它位线相连的参考电压之间的差。读出放大器324驱动成对的位线达到适当的上限电压(voltage rail)。也就是说，如果该位线电压高于参考电压，位线会被驱动成正上限电压。相反的，如果位线电压低于参考电压，位线被接地。将会看到，在不脱离本发明本质的前提下，可使用不同的读出放大电路。

读取存储单元，可能会转换其极化状态，因此，存在该单元上的数据也会被转换。也就是说，假设电介质的极化态为在逻辑“一”时会对数字线上的电压产生一个变化量。为了提供位线上所须的电压变化，就得改变电介质的极化态。因此，为了读出逻辑“一”，存储单元的极化态在读此单元时被改变，且在该单元被读出后，极化态表示逻辑“零”。然而，当存储单元存储的是“零”时，位线上就没有电压变化，存储单元依旧保持在“零”的极化态上。可以看出，如果存储器存储的是“一”，那么仅仅读存储器会使数据丢失。在存储单元上执行一个回写操作以使存储单元恢复到被读取前的状态。

为了执行一个写操作，激活字线310来开启晶体管，并将铁电电容与各自的位线相连。然后将位线设定为高或低电平，之后给板线314进行脉冲调制。电容器的极化方向由位线的状态设定。例如，要将“一”写入存储单元304，与存储单元相连的位线必须升高到正上限电压，而板线必须为低电压。由于该板线脉冲调制为高电平，这就转换了铁电电介质的极化态。利用读出放大器324将逻辑“一”写回到读出“一”的存储单元。

如前所述，使用了铁电电容的存储单元存在印记效应的问题，这种效应导致电容的磁滞曲线移动。本发明各实施例通过偶尔将存储单元电容器的充电状态变为相反的或互补的充电状态来补偿该曲线的移动，从而解决印记问题。如前面所解释的，在存储和读出数据时，受加在电容金属板间偏压的影响，电容器中铁电材料的电荷缺陷趋向于迁移到铁电材料和一个电容电极的界面上。偶尔使用反向极化的偏压，电荷缺陷就被维持在或拖回到电容器铁电材料的表体内，该偏压将电容器的充电状态变为与其互补的充电状态。

在操作中，通过使用补码电路236，存储单元电容器的充电状态被变为各自的互补充电状态。命令译码器206产生的控制信号初始化该操作，通过将存储单元按顺序排列来改变所述充电状态，类似于在现有技术中熟知的对易变存储器的刷新操作。当读/写电路230读出存储单元中一行的充电状态时，补码电路236转换每一个读出放大器的状态，将互补的充电状态写回被访问的存储单元。存储元件的每一行都重复这个过程，直到存储阵列202的所有存储单元的充电状态都被改变。

需要注意的是，改变存储单元电容器的充电状态要求在数据从单元中读出时，能正确解释电容器的充电状态。同样，当数据写入该单元时，要将输入数据正确转换为合适的充电状态。例如，假设要将数据“1”写入存储单元，因而这个单元就要被设定为第一充电状态。正常的情况应当是，当从单元读出数据时，应读到的是第一充电状态，存储器提供的输出数据为值“1”。当该单元充电状态从第一充电状态变为互补的第二充电状态以抑制印记问题时，第二充电状态就需要被读出并解释，使得输出数据还应为“1”。同样的，当“1”被写入该单元时，该电容器现在设定为第二充电状态。本发明的实施例使用寄存器232和逻辑电路233(图2)处理前面提到的问题。如前面简要提到的，寄存器232用来存储表示阵列202中存储单元的电流数据状态的信息。这些信息提供给了逻辑电路233，反过来，逻辑电路233又提供了包含基于存储单元的充电状态的正确信息的存储阵列202的输出数据，和寄存器232存储的信息。

图5a所示是逻辑电路500，它可用来替代图2中的逻辑电路233。逻辑电路500是用两输入布尔异或(XOR)门502代表的。将认识到，使用XOR功能是现有技术所熟知的，在不脱离本发明范围的前提下，一个适合的XOR门的具体设计细节是可以修改的。逻辑电路500还包括一个电路(图中未显示)，这个电路根据寄存器232所存储的信息把要写入存储单元的输入数据转化为适当的充电状态。这样的电路与图5所示电路相似，所以，关于这个具体电路的详细描述就不在这里单独给出了。将读出的被访问的存储单元的充电状态提供给XOR门502的第一输入，而把存储在寄存器232中的信息提供给XOR门502的第二输入。

下面以实例的形式描述本发明实施例的操作。因此，下例的具体操作细节不应被视为对本发明范围的限制。如前面描述的，寄存器232存储表示存储阵列202的数据状态的信息。在一个实施例中，该信息由一个标记代表，该标记可被设定为表示存储阵列202处于“非”的数据状态，也就是说，由读出放大器324读出的存储单元的充电状态需要进行转换以提供正确的输出数据值。相反，当没有设置该标记时，存储阵列202为“真”的数据状态，所以，不需要转换读出的存储单元的充电状态以提供正确的输出数据值。因此，只要相应地设定了标记，且每当存储单元充电状态变为互补的充电状态时，标记都随之更新，则就输出的数据值就是正确的。

寄存器232和逻辑电路233的另一可选实施例显示在图5b中。将专用铁电电容510的充电状态设定为与存储阵列的数据状态相符合，而不是将标记存储在寄存器中。用读出电路512读出专用铁电电容510的充电状态，该读出电路具有将一个输出耦合到异或门502的一个输入终端上，并将读出的充电状态转换成提供给异或门502的数据值。例如，专用铁电电容510存储的第一充电状态以代表存储阵列中存储单元的“真”的数据状态。在异或门502中，当专用铁电电容510的充电状态对应于输入异或门502的低逻辑电平时，就代表了“真”数据状态。结果，使得异或门502输出的数据值与输入的数据值相同。当与第一充电状态互补的第二充电状态被存储到专用铁电电容510中时，就代表了存储阵列中存储单元的“非”的充电状态。对于异或门502，第二充电状态对应于高逻辑电平。因而由异或门502输出的数据值是输入数据值的补码。

将会认识到，另外的寄存器的设置和逻辑电路能用于提供具有正确数值的输出数据。本领域普通的技术人员就可以设计该另外的设置方案。因此，此处提供的对本发明的描述足以使具有这些技术的人实现本发明。还可以进一步认识到，可以周期性改变存储单元中铁电电容的充电状态，这类似于与传统的动态随机存储器相关的刷新操作。另外，存储单元的充电状态也可在磁滞曲线移动到门限时来设置。也就是说，在检测到足够的移动量后，将阵列中存储单元的充电状态转变为它们的互补的充电状态。可以看到，存储单元的充电状态转变为互补充电状态的频率是一个具体的细节，在不脱离本发明范围的前提下，这是可以更改的。

还可以进一步认识到，存储阵列中存储单元的充电状态的改变，可以由该器件自身自动进行，类似于本领域中熟知的对易失性存储单元的自动刷新操作。该操作也可以根据外部提供的施加在存储器上的命令而开始。本领域的技术人员能充分理解此处所给出的对本发明的描述以改变已知的存储电路，从而实现这样的操作。

从前述的内容中可以认识到，虽然此处为了说明问题而给出了本发明的具体实施例，但只要不背离本发明的本质和范围，可做各种修改。因而，例如，除了所附权力要求所限外，本发明不受其它限制。

Claims (37)

1、在含有存储单元阵列的存储器中，一种方法，包括：

在该阵列的一个存储单元中存储与第一状态相应的电荷；并且

在该存储单元中周期性存储与第二状态相应的电荷，所述第二状

态与第一状态互补。

2、如权利要求1所述的方法，还包括在所述存储单元中恢复与第一状态相应的电荷。

3、如权利要求1所述的方法中，其中根据存储单元的存储地址对该阵列的每个存储单元顺次执行如下操作，在阵列的存储单元中存储与第一状态相应的电荷，和在该存储单元中周期性存储与第一状态互补的第二状态相应的电荷。

4、如权利要求3所述的方法，还包括按顺序存储下一个存储单元的存储地址。

5、如权利要求1所述的方法中，其中对阵列中每个存储单元执行如下操作，在阵列的存储单元中存储与第一状态相应的电荷，和在存储单元中周期性存储与第一状态互补的第二状态相应的电荷，该方法进一步包括存储一个指示器来指示所述存储单元的电荷对应于原始状态或互补状态。

6、如权利要求1所述的方法中，其中在阵列的存储单元中存储与第一状态相应的电荷，该步骤包括给存储单元施加第一偏压；在存储单元中周期性存储与第一状态互补的第二状态相应的电荷，该步骤包括给所述存储单元施加第二偏压。

7、如权利要求6所述的方法中，第一和第二偏压极性相反。

8、如权利要求1所述的方法中，其中所述存储单元包括一个含有电介质的电容器，该电介质由铁电材料生成。

9、在含有存储单元阵列的存储器中，一种方法，包括：

决定至少一个存储单元的充电状态；并且

在每一个确定了充电状态的存储单元中存储互补的充电状态。

10、如权利要求9所述的方法中，其中所述确定和存储步骤均周期性执行。

11、如权利要求9所述的方法中，其中所述确定和存储步骤对所述阵列的每一个存储单元执行。

12、如权利要求11所述的方法，还包括在寄存器中存储一个值，该值表示所述存储单元的充电状态是否对应于已确定的充电状态或互补充电状态。

13、如权利要求11所述的方法，还包括在专用电容器上存储一个充电状态，用来表示所述存储单元的充电状态对应于已确定的充电状态或互补的充电状态。

14、如权利要求9所述的方法中，确定和存储步骤对该阵列的每一个存储单元执行，且对所有的存储单元都周期性重复。

15、如权利要求9所述的方法中，所述确定步骤包括从所述存储单元中读出充电状态，所述存储步骤包括给存储单元加一个偏压来存储互补的充电状态。

16、如权利要求9所述的方法中，所述阵列的每一个存储单元都包括一个含有电介质的存储器，该电介质由钙钛矿氧化物生成。

17、减少铁电存储单元印记的方法，包括：

周期性地对铁电存储单元施加偏压来将铁电存储单元置于互补的充电状态。

18、如权利要求17所述的方法中，其中施加周期性偏压的步骤包括施加一个与原来偏压极化相反的偏压，原来的偏压将铁电存储单元置于原始充电状态。

19、如权利要求17所述的方法，还包括存储一个指示器，指示器指示该存储单元处于互补的充电状态还是原始充电状态。

20、如权利要求17所述的方法，还包括在铁电电容中存储一个充电状态，该充电状态表示该存储单元处于互补的充电状态还是原始充电状态。

21、如权利要求17所述的方法中，其中给铁电存储单元周期性施加偏压包括确定存储单元的原始充电状态。

22、减少铁电存储单元阵列印记的方法，包括：

给所述阵列中的铁电存储单元周期性施加偏压，将每一个铁电存储单元置于互补的充电状态。

23、如权利要求22所述的方法，还包括存储一个指示器，该指示器表示该铁电存储单元处于互补的充电状态还是原始充电状态。

24、如权利要求23所述的方法中，其中存储一个指示器包括将一个充电状态存储到铁电电容中，该充电状态表示所述铁电存储单元处于互补的充电状态还是原始充电状态。

25、在含有存储单元阵列的存储器中，一种方法，包括：

确定该存储单元阵列的充电状态；和

应于互补充电状态将数据写入该存储单元。

26、如权利要求25所述的方法，其中确定存储单元的充电状态包括读出由该存储单元存储的数据。

27、如权利要求25所述的方法中，确定充电状态包括：

给存储单元加一个读出脉冲；

将所述存储单元响应于读出脉冲而提供的电压和预定的电压进行比较；并且

基于存储器所提供的相对于预定电压的电压来确定所述存储单元的充电状态。

28、如权利要求25所述的方法，还包括在专用电容器中存储一个充电状态，该充电状态表示所述存储单元处于互补的充电状态或已确定的充电状态。

29、减少含有由铁电材料生成的电介质的电容器印记的方法，包括：

给该电容器施加一个偏压以将电容器的充电状态变换为互补的充电状态。

30、如权利要求29所述的方法中，其中给电容器施加一个偏压包括施加一个与原来偏压极化相反的偏压，原来的偏压将所述电容置于原始充电状态。

31、如权利要求29所述的方法，还包括：

给所述电容器的第一终端施加一个读出脉冲；

比较所述电容器第二节点的电压和预定电压；

基于与相对于该预定电压的第二节点的电压，来确定所述电容器的充电状态。

32、一种存储器，包括：

一个存储单元阵列；

耦合到该存储单元阵列的读/写电路，用于从所述存储单元中读出和写入数据；

耦合到该读/写电路的互补充电状态电路，用于读出所述存储单元的原始充电状态并给该读/写电路提供用于写入各自存储单元的互补充电状态；

耦合到互补充电状态电路的寄存器和存储了一个指示器的读/写电路，该指示器指示该阵列中的所述存储单元的充电状态是原始充电状态或互补的充电状态；和

耦合到所述读/写电路的逻辑电路，基于该存储单元的数据和所述指示器，该逻辑电路提供所述存储单元中的输出数据。

33、如权利要求32所述的存储器中，其中该阵列的所述存储单元包括铁电存储单元。

34、如权利要求32所述的存储器中，其中所述寄存器包括一个铁电存储单元，该铁电存储单元的充电状态对应于所述存储单元充电状态。

35、如权利要求32所述的存储器，其中逻辑电路包括布尔异或功能。

36、含有铁电存储单元阵列的存储器，包括：

耦合到该铁电存储单元阵列的读/写电路，用于在铁电存储单元中读出或写入数据；

耦合到所述读/写电路的互补充电状态电路，用于读出该铁电存储单元的原始充电状态，并给该读/写电路提供用于写入各自存储单元的互补的充电状态；

耦合到该互补充电状态电路和读/写电路的专用铁电电容，用于存储一个充电状态，该充电状态对应于所述阵列存储单元存储的是原始充电状态或互补的充电状态；以及

偶合到所述读/写电路和专用铁电电容的逻辑电路，用于根据所述铁电存储单元的数据和所述专用铁电电容的充电状态来提供一个铁电存储单元的输出数据。

37、如权利要求36所述的存储器，其中逻辑电路包括布尔异或功能。

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