[发明专利]具有非破坏性读取的铁电随机存取存储器

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技术领域

背景技术

目前许多现代电子设备和系统都包含强大的计算能力，用来控制和管理广泛的功能和有用的应用。目前许多这些电子设备和系统是便携的或手持的设备。例如，目前在市场中可以得到许多具有大量计算能力的移动设备，包括例如那些一般被称为“智能电话”的现代移动电话手机、个人数字助理（PAD）、移动互联网设备、平板个人电脑、手持扫描仪和数据收集器、个人导航设备、植入性医疗设备等。

近期开发的用于实现非易失性固态存储器设备的技术涉及到电容器的构造，其中电介质材料是可极化的铁电材料，例如锆钛酸铅（PZT）或者钽酸锶铋（SBT）。基于铁电材料的极化状态，电荷-电压（Q-V）特性中的迟滞使得能够将二进制状态非易失性存储在那些电容器中。与之相反，常规的MOS电容器在器件断电时丢失其存储的电荷。已经发现，能够用在很大程度上与现代CMOS集成电路兼容的工艺来构造铁电电容器，例如通过在晶体管级上方金属导体的覆层（overlying level）之间形成电容器来构建铁电电容器。

目前，铁电技术已经应用在非易失性固态读取/写入存储器件中。目前，这些通常被称为“铁电RAM”或者“FeRAM”或者“FRAM”器件的存储器件出现在许多电子系统中，特别是便携电子设备和系统中。FRAM存储器在植入性医疗设备中特别有吸引力，例如起搏器和去纤颤器。

如本技术领域中已知的那样，FRAM单元可以以各种形式来实施，包括实施为1晶体管1电容器（1-T、1-C）存储器单元，其类似于典型的DRAN单元。其它实施方式包括：2晶体管2电容器（2-T、2-C）单元，在其中两个电容器差分地定义所存储的数据状态；以及6晶体管（6-T）SRAM单元，其包括一个或两个铁电电容器，所述铁电电容器被编程以在电源被移除后保留SRAM数据状态。

图1a说明了如目前通常用在现代FRAM中的常规的1-T、1-C FRAM存储器单元4的构造。铁电电容器5用作非易失性存储器元件，并且被构造为平行板固态电容器，其中铁电电介质材料（例如PZT）作为电容器电介质。在该示例中，FRAM单元4位于类似构造的FRAM单元4阵列中的行j和列k。电容器5的一个极板连接到阵列的第j行的极板线PL_j。电容器5的另一个极板连接到n沟道金属氧化物半导体（MOS）晶体管6的源极/漏极路径的一端。晶体管6的源极/漏极路径的另一端连接到阵列的第k列的位线BL_k，并且晶体管6的栅极连接到阵列的第j行的字线WL_j。因此，在DRAM意义中，晶体管6作为传输晶体管，在根据指示字线WL_j激励的行地址而选择了行j后，将铁电电容器5连接到位线BL_k。

如上所述，FRAM单元的数据存储机制是铁电电容器电介质的电荷-电压迟滞。图1b说明常规的铁电电容器（例如图1a的单元4中的电容器5）的Q-V特性的示例。如图所示，存储在导电极板两端的电荷（Q）取决于施加到该极板的电压（V），并且还取决于该电压的近期历史。如果施加到电容器极板之间的电压超过“矫顽（coercive）”电压+V_α，则电容器极化到“+1”状态。根据该特性，一旦极化到“+1”状态，只要电压V保持在矫顽电压-V_β之上，则电容器表现出存储电荷+Q₁。相反地，如果所施加的电压比矫顽电压-V_β更负，则电容器被极化到“-1”状态并且将表现出存储电荷-Q₂。干扰电压（disturb voltage）V_disturb是施加到铁电电容器上的电压，其减小当前的极化但是改变当前的逻辑数据状态（例如从“+1”状态变化到“-1”状态或者“-1”状态变化到“+1”状态）。