CN1681042A - 使用铁电存储器作数据存储的方法、电路及生产方法 - Google Patents

使用铁电存储器作数据存储的方法、电路及生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明是有关于一种的铁电存储器的使用方法、集成电路，以及生产方法，本方法是利用一个状态引擎控制铁电存储器，从多个数据值中接收一个数据值，其中不同的数据值对应到不同的特定持续时间。藉由在特定持续时间中提供电压给铁电记忆胞，将对应于此选定的特定持续时间的数据值储存于此铁电记忆胞中。

Description

使用铁电存储器作数据存储的方法、电路及生产方法
技术领域
本发明是有关于一种集成电路存储器，且特别是有关于一种使用铁电记忆胞的集成电路存储器。
背景技术
铁电存储器集成电路藉由提供不同的电压级别给铁电记忆胞以程式化多个位元，其中每个铁电记忆胞皆可储存多个位元，而提供不同的电压级别给铁电记忆胞将改变其铁电材料的极值。然而，如果提供给铁电记忆胞的电压级别仅是决定储存在铁电记忆胞中的多个位元状态的唯一输入变数，则将限制此控制电路系统的设计。举例来说，不管设定在铁电记忆胞中的多个位元值为何，一个特定存储器应用也许较不适合用来程式化铁电记忆胞，或者一个特定存储器应用也许不需要其中的铁电记忆胞在同一个期间内被程式化。因此，除了改变提供给铁电记忆胞的电压之外，所需要的是能够在铁电记忆胞中程式化多个不同位元的替代品。
发明内容
本发明的目的就是在提供一种使用铁电存储器作数据储存的方法，藉由在不同的特定持续时间内提供不同的电压给铁电记忆胞，而能够将不同的数据值储存于此铁电记忆胞。
本发明的再一目的是提供一种使用铁电存储器作储存数据的集成电路，包括采用一电路系统在一特定持续时间内将一电压连接至铁电记忆胞阵列其中之一胞体，而将一数据值储存于此铁电记忆胞。
本发明的又一目的是提供一种生产数据储存的铁电存储器的方法，包括将一个铁电记忆胞阵列及一个电路系统建构于一个半导体基底上，而能够藉由此铁电记忆胞储存数据值。
本发明提出一种使用铁电存储器作数据储存的方法，以一个状态引擎控制铁电存储器从多个数据值中接收一个数据值，其中不同数据值对应于不同特定持续时间，例如第一数据值对应于第一，较短的特定持续时间，以及第二数据值对应于第二，较长的特定持续时间。在此对应特定持续时间的数据值是藉由在此对应特定持续时间内提供电压给铁电记忆胞的方式，储存于此铁电记忆胞中，例如，藉由在对应于第一数据值的第一特定持续时间内提供电压给铁电记忆胞，以储存此第一数据值于铁电记忆胞中，以及藉由在对应于第二数据值的第二特定持续时间内提供电压给铁电记忆胞，以储存此第二数据值于铁电记忆胞中。
本发明提出一种使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其中包括一个半导体基底、一个耦接至此半导体基底的铁电记忆胞阵列，以及一个耦接至此铁电记忆胞阵列的电路系统。此电路系统适用于在一特定持续时间将电压连接至此铁电记忆胞阵列的胞体，而其中每一个特定持续时间皆对应于一数据值。
依照本发明的较佳实施例所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，上述连接至铁电记忆胞阵列用以程式化此铁电记忆胞阵列的电压，在特定持续时间内为一固定电压。举例来说，选自多个特定持续时间其中的每一个特定持续时间是介于一毫秒及一秒的范围之内，而此电压值大小介于1.5V及5V的范围之内，以及此铁电记忆胞阵列的铁电材料包含PZT。
依照本发明的较佳实施例所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其中铁电记忆胞的感应窗口的宽度足够允许多个位元的数据值储存于此铁电记忆胞，而储存此数据值的铁电记忆胞具有一矫顽电压值(例如介于0.9V及1.5V的范围内)，其中数据值是藉由提供电压使铁电记忆胞产生极化的方式来储存在铁电记忆胞中。铁电记忆胞的极化值具有一极性及一大小，两者或其中之一可用以表示此数据值。将数据值依极化值的极性而不依大小来储存时，可以加宽每一个位元的感应窗口大小而能简化设计，另外将数据值依极化值大小来储存时，则允许在每个铁电记忆胞内储存多个位元。
依照本发明的较佳实施例所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其中储存在铁电记忆胞的每个数据值皆对应于程式化的特定时间及特定电压。
本发明提出一种生产数据储存的铁电存储器的方法，其中包括提供一个半导体基底，并建构一个耦接至此半导体基底的一个铁电记忆胞阵列，以及建构一个耦接至此铁电记忆胞阵列的电路系统。此电路系统适用于在一特定持续时间内将电压连接至此铁电记忆胞阵列，而其中每一个特定持续时间皆对应于一数据值。
本发明因采用铁电记忆胞作数据储存的结构，因此可以藉由在不同持续时间内提供不同的电压值给铁电记忆胞，而将数据值储存于此铁电记忆胞中，以改进现有习知的技术中仅利用提供不同的电压值储存数据值，而造成储存在铁电记忆胞内的位元数有限的缺点。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明较佳实施例所示为的铁电存储器极化的从属关系图。
图2是依照本发明较佳实施例所示为的电压波形图。
图3是依照本发明较佳实施例所示为的铁电记忆胞磁滞曲线示意图。
图4A及4B是依照本发明较佳实施例所示为的一个使用铁电记忆胞作数据储存的替代电路排列方式图。
图5是依照本发明较佳实施例所示为的数据写入铁电记忆胞的一个范例的时脉图。
图6是依照本发明较佳实施例所示为的由铁电记忆胞读出数据的一个范例的时脉图。
图7是依照本发明较佳实施例所示为的铁电记忆胞集成电路的简化方块图。
110：一个固定-5V的程式化电压与铁电存储器极化的关系曲线
120：一个固定-3V的程式化电压与铁电存储器极化的关系曲线
130：一个固定-2V的程式化电压与铁电存储器极化的关系曲线
210：先极化脉冲
220：程式化脉冲
231：第一测量脉冲
232：第二测量脉冲
410、460、570、682：位元线
420、470、550、680：字元线
430、490、560、684：阳极线
440、481、483：晶体管
450、482、484：铁电记忆胞电容
465：补数位元线
510、520、530、540、610、620、630、640、650、660、670：时段
700：铁电记忆胞阵列
701：列解码器
702、704、705：汇流排
703：行解码器
706：感应放大器/数据输入结构
707：位址讯号
708：偏移调整
709：程式化、消除及读取偏移调整状态引擎(在不同持续时间供给电压)
711：数据输入
712：数据输出
750：集成电路
具体实施方式
图1是依照本发明较佳实施例所示为的铁电存储器极化的从属关系图，其中一个从属因子是提供给铁电记忆胞的程式化脉冲持续时间，而另一个从属因子则是在程式化脉冲期间提供给铁电记忆胞的电压大小。图中的趋势线110对应于一个固定-5V的程式化电压，趋势线120对应于一个固定-3V的程式化电压，趋势线130对应于一个固定-2V的程式化电压。即使感应窗口缩小了程式化电压值，而较大的极化值在程式化电压值介于7V～10V之间时仍趋于饱和，使得较大的电压值也可作用。趋势线130的斜率比趋势线120的斜率更为陡峭，而趋势线120的斜率比趋势线110的斜率更为陡峭，此斜率关连显示出感应窗口随着程式化电压值的降低而扩大。在其他因素不变的情况下，较低的程式化电压值会导致较合适的条件使每个铁电记忆胞得以储存较多的位元，而此低电压操作适用于高阶互补金氧半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)、SoC应用，以及下世代的存储器。具有固定的程式化脉冲电压的铁电记忆胞不需要高成本的充电泵电路，因而得以拥有较高密度，而铁电记忆胞的高电压是程式化电压值能降到多低的限制因素之一。
趋势线110、趋势线120，以及趋势线130其中每一个皆包含7个对应于程式化脉冲宽度介于约一毫微秒及一秒之间的特定持续时间的数据点，这些数据保持在每个铁电记忆胞中使用至少七个离散值作为储存，或者是说几乎每个胞体使用三个位元。每个胞体的三个或更多个位元被储存而形成本实施例中沿着趋势线排列的不同数据点，而在具有相对敏感的感应放大器中，每个胞体可以储存更多的位元。
图2所示为是被用以取得图1数据的电压波形200。此先极化脉冲210持续了一秒且具有5V的电压，而在其他的实施例中，此先极化脉冲只持续了1～50毫秒。增加此先极化脉冲电压值将会减少其用以将此铁电记忆胞的极化值达到一给定值所花费的时间，而降低此先极化脉冲电压值将会增加其用以将该铁电记忆胞的极化值达到一给定值所花费的时间，而此先极化脉冲210会在每次测量前先设定此铁电记忆胞的启始极化值为一个普通的极性及大小。
此程式化脉冲220具有一对应储存于铁电记忆胞的数据值的特定持续时间，而此程式化脉冲220的电压具有如图1所示的预先定义的固定电压值，而在其他的实施例中此程式化脉冲220的电压是不固定且随时间而变化的。假如此程式化电压随时间而变化，用以程式化此记忆胞的某一程度的自由性将被附加用来控制多个数据值，因此，可减少此程式化脉冲的持续时间。举例来说，在一个记忆胞中的多个数据值可藉由固定此程式化脉冲的持续时间在10～100毫微秒之间作为特定值的函数来达成，而改变此程式化电压。因为使用一可变电压作为程式化脉冲，比使用一个改变脉冲持续时间的固定不变电压具有较高的程式化速度，而除了可藉由改变脉冲持续时间之外，并可藉由改变此程式化脉冲电压将程式化速度提升，其中此特定持续时间可为单一的持续时间或加上此特定时间的多个特定时间。此程式化脉冲220将导致铁电记忆胞的极化值具有一个极性或大小，而代表储存于此铁电记忆胞的数据值，为了能够测量感应窗口，在此程式化脉冲220中，此极化值被最大化。
一个第一测量脉冲231接续程式化脉冲220以测量铁电记忆胞的极化值，而一第二测量脉冲232则接续此第一测量脉冲231来测量此铁电记忆胞的极化值。此第一测量脉冲231的电压极性与之前的程式化脉冲220的电压极性相反，而第二测量脉冲232的电压极性则与先前第一测量脉冲231的电压极性相同，如此，此第一测量脉冲231将使得此铁电记忆胞的极化值转变极性，而第二测量脉冲232将不会使得此铁电记忆胞的极化值转变极性。在每一个第一测量脉冲231及第二测量脉冲232刚开始的时候做测量，接着将此两个测量值的差值取绝对值，以测量此铁电记忆胞的感应窗口。
为了获取图1所示的数据，此第一测量脉冲231及第二测量脉冲232具有2.5毫秒的上升时间、2.5毫秒的持平时间，以及2.5毫秒的下降时间。在许多实施例子中，此铁电记忆胞运作时的读取运算脉冲较短，而上升时间则约小于一毫微秒、持平时间约为1～20毫微秒，以及下降时间则约小于一毫微秒。
图3所示为是一个铁电记忆胞的磁滞现象曲线图，藉由在低频率时量测，而找到矫顽电压与程式化电压值间的关系，此铁电记忆胞的矫顽电压是此程式化电压值可减少至多低的限制因素，当此程式化电压值低于此矫顽电压(例如介于-1.5V至1.5V)，则此极性将不会转变或以非常慢的速度转变。
    矫顽电压(Vc)     程式化电压(|Vprog|)
    1.5V     5V
    1.2V     3V
    0.9V     2V
在此用来测量数据的铁电记忆胞使用包括PZT的铁电材料，而其他的铁电材料包括SBT、KNO3，以及ABO3等钙钛矿(Perovskite)构造，或者在其他外部电场存在的情况下，能藉由调整此外部电场以储存一电极化值的任何材料。
图4A及图4B所示为的是一个使用铁电记忆胞作数据储存的替代电路排列方式图。在图4A中，一个记忆胞包括一个晶体管440及一个铁电记忆电容450。这种记忆胞通常用来将测量电压与一个总体/区域的参考值做比较。在图4A中的记忆胞包括一位元线410、一字元线420，以及一阳极线430，其中晶体管440的闸极端被耦接至此字元线420，而其第一电流负载端则耦接至位元线410，以及其第二电流负载端耦接至铁电记忆胞电容450的一端，而此铁电记忆胞电容450的另一端则耦接至阳极线430。
在图4B中，一个铁电记忆胞包括两个晶体管481及483，以及两个铁电记忆电容482及484，此种记忆胞通常用来将其中一个铁电记忆电容与另一个作参考的铁电记忆电容的测量电压做比较。此图4B中的记忆胞包括一位元线460、一补数位元线465、一字元线470，以及一阳极线490，而第一晶体管481的闸极端耦接至字元线470，其第一电流负载端则耦接至位元线460，以及其第二电流负载端耦接至第一铁电记忆电容482的一端，而第一铁电记忆电容482的另一端则耦接至阳极线490。另外，第二晶体管483的闸极端耦接至字元线470，其第一电流负载端则耦接至补数位元线465，以及其第二电流负载端耦接至第二铁电记忆电容484的一端，而此第二铁电记忆电容484的另一端则耦接至阳极线490。
图5所示为的是将数据写入铁电记忆胞的一个范例的时脉图。在时段510中，字元线550、阳极线560，以及位元线570皆为低电位。在时段520中，字元线550将上升至高电位，而位元线570则先上升至高电位再下降至低电位。当字元线550及阳极线560为高电位时，此电位调整将规划出此铁电记忆胞的内容，且此电位调整的持续时间将决定储存在此铁电记忆胞内的数据值。
图6所示为的是将数据读出铁电记忆胞的一个范例的时脉图。在时段610中，字元线680、位元线682，以及阳极线684皆为低电位。在时段620中，位元线682将上升至高电位，在时段630中，字元线680将上升至高电位，而位元线682的结果落差将代表此铁电记忆胞中所储存的数据值。在时段640中，一个感应放大器将测量此位元线682的落差，而在时段650时，状态引擎将开始运作。此状态引擎是由逻辑闸所组成，用以决定写回过程。因为此种读取结构是属于破坏性的，所以在读取数据后，原本储存在铁电记忆胞中的数据将被消除。此状态引擎参考由感应放大器取得的数据值，来判断在图6的时段660中阳极线电压的大小及持续时间，而位元线682也先被提升再下降，以消除此铁电记忆胞使其转回为初始态。在时段660期间，从铁电记忆胞中读取的数据经由被程式化至铁电记忆胞，当字元线660保持高电位时，阳极线则被带至高电位然后回至低电位，藉由阳极线保持在高电位的持续时间来程式化铁电记忆胞回去储存之前读自铁电记忆胞的数据，在时段670中，此字元线680是被关闭的。
图7所示为的是本发明一较佳实施例的一种集成电路的简化方块图，其中集成电路750包括一个在半导体基底上使用铁电记忆胞的存储器阵列700，另外包括一个列解码器701耦接至多个排列在此存储器阵列700列间的字元线702，以及一个行解码器703耦接至多个排列在此存储器阵列700列间的字元线704。位址讯号则经由汇流排705提供给行解码器703及列解码器701，在方块706中的感应放大器及输入数据结构则经由汇流排705耦接至行解码器703，其中的数据则是从集成电路750的输入及输出端或从集成电路750内部或外部的其他数据来源经由数据输入线711提供给方块706中的数据输入结构。另外数据也从方块706中的感应放大器经由数据输出线712提供给集成电路750的输入/输出端，或者提供给其他集成电路750内部或外部的数据标的。而偏移调整状态引擎709则控制了偏移调整供应电压的应用，例如藉由在一选定持续时间提供电压给铁电记忆胞以在此储存铁电记忆胞内储存一特定数据。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (33)

1、一种使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其包括：
自多个数据值中接收一数据值，其中每一该些数据值具有多个特定持续时间其中之一特定持续时间；以及
藉由在该特定持续时间提供一电压给一铁电存储器胞，以储存该数据值于该铁电记忆胞。
2、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的电压在该特定持续时间中保持一固定电压。
3、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的电压的大小介于1.5伏特及5伏特之间。
4、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的该些数据值代表多个数据位元。
5、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值则代表该数据值。
6、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值的极性及大小则代表该数据值。
7、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值的大小则代表该数据值。
8、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的该些特定持续时间的范围介于一毫微秒及一秒之间。
9、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的储存该数据值的该铁电记忆胞具有一范围介于0.9伏特及1.5伏特之间的矫顽电压。
10、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的铁电记忆胞使用包括锆钛酸铅(Lead-Zirconate-Titanate，PZT)的铁电材料。
11、根据权利要求1所述的使用铁电存储器作数据储存的方法，其特征在于其中所述的每一该些数据值于该些特定持续时间中具有一对应特定持续时间，并于该些特定电压中具有一对应特定电压，而上述储存数据值的步骤为在该对应特定持续时间提供该特定电压给该铁电记忆胞。
12、一种使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其包括：
一半导体基底；
一铁电记忆胞阵列，耦接至该半导体基底；以及
一电路系统，耦接至该铁电记忆胞阵列，而该电路系统适用于在多个特定持续时间其中之一对应特定持续时间耦接电压至一个或更多个该铁电记忆胞阵列的胞体，其中在该些特定持续时间其中的每一该些对应特定持续时间内具有可储存在该铁电记忆胞上的该些数据值其中之一对应数据值。
13、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的电压在该特定持续时间中保持一固定电压。
14、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的电压的大小介于1.5伏特及5伏特之间。
15、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的该些数据值代表多个数据位元。
16、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值则代表该数据值。
17、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值的极性及大小则代表该数据值。
18、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值的大小则代表该数据值。
19、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的该些特定持续时间的范围介于一毫微秒及一秒之间。
20、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的储存该数据值的该铁电记忆胞具有一范围介于0.9伏特及1.5伏特之间的矫顽电压。
21、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的铁电记忆胞使用包括锆钛酸铅(Lead-Zirconate-Titanate，PZT)的铁电材料。
22、根据权利要求12所述的使用铁电存储器作储存数据的集成电路，其特征在于其中所述的每一该些数据值于该些特定持续时间中具有一对应特定持续时间，并于该些特定电压中具有一对应特定电压，而上述储存数据值的步骤为在该对应特定持续时间提供该特定电压给该铁电记忆胞。
23、一种生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其包括：
提供一半导体基底；
建构耦接至该半导体基底的一铁电记忆胞阵列；以及
建构耦接至该铁电记忆胞阵列的一电路系统，该电路系统适用于在多个特定持续时间其中之一对应特定持续时间耦接电压至一个或更多个该铁电记忆胞阵列的胞体，其中在该些特定持续时间其中的每一该些对应特定持续时间内具有可储存在该铁电记忆胞上的该些数据值其中之一对应数据值。
24、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的电压在该特定持续时间中保持一固定电压。
25、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的电压的大小介于1.5伏特及5伏特之间。
26、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的该些数据值代表多个数据位元。
27、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值则代表该数据值。
28、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值的极性及大小则代表该数据值。
29、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的电压会导致该铁电记忆胞产生一极化值，而该极化值的大小则代表该数据值。
30、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的该些特定持续时间的范围介于一毫微秒及一秒之间。
31、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的储存该数据值的该铁电记忆胞具有一范围介于0.9伏特及1.5伏特之间的矫顽电压。
32、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的铁电记忆胞使用包括锆钛酸铅(Lead-Zirconate-Titanate，PZT)的铁电材料。
33、根据权利要求23所述的生产数据储存的铁电存储器的方法，其特征在于其中所述的每一该些数据值于该些特定持续时间中具有一对应特定持续时间，并于该些特定电压中具有一对应特定电压，而上述储存数据值的步骤为在该对应特定持续时间提供该特定电压给该铁电记忆胞。
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