[发明专利]铁电存储集成电路及其操作方法和制备方法

说明书

本发明属于铁电存储技术领域，本发明提供的铁电存储集成电路，包括：铁电存储器阵列，其具有在铁电单晶层上形成的存储单元阵列；其中，所述铁电存储器阵列的每个铁电存储器单元主要由存储单元阵列中的一个存储单元形成、或者主要由存储单元阵列中的一个存储单元以及该存储单元电连接的形成于所述硅基读写电路的硅基上的一个晶体管形成。

技术领域

本发明属于铁电存储技术领域，涉及基于电畴壁导电的铁电存储器阵列、铁电存储集成电路及其操作方法和制备方法。尤其涉及交叉棒（Crossbar）结构和一个开关晶体管和一个铁电存储器单元（1T1R）结构的铁电存储集成电路设计及其制造方法。

背景技术

传统的铁电存储器是利用铁电材料能够保持极化状态来非挥发性地存储信息。当对铁电电容器（C）施加一个足够大的电压时，铁电电容器的极化方向与电压方向一致，撤销电压后，铁电电容器的极化方向保持不变；当对电容器施加反向足够大电压时，电容器的极化方向反转，撤销电压后，其极化方向保持不变。这样，根据铁电电容器的极化方向不同存储布尔逻辑量“1”或者“0”。

此类铁电电容器具有高剩余极化、良好的矫顽场、高抗疲劳性和低漏电流等优点，早在20世纪50年代已开始用于铁电存储集成电路，参见1959年公布的J.R. Anderson等的美国专利US2876,436。此后，铁电存储技术领域主要致力于对存储单元结构和读写电路的改善，例如，1989年公布的S.Sheffield Eaton, Jr等的美国专利US4873,664，1989年公布的Kenneth J. Mobely等的美国专利US4888,733，1996年公布的L.D. McMillan等的美国专利US5523,964，1998年公布的D.R. Wilson等的美国专利US5572,459，2010年公布的X.H.Du等的美国专利US7652,909B2，它们涉及2T2C、1T1C、参考电路和寻址电路等。但是，在读电路原理上大体是相同的，主要是读取铁电电容器C中的电荷。

然而，随着铁电电容器C的尺寸的逐年减小，可读取的电荷量也在减少，这对电荷检测电路的要求很高，进而增加了电路的读写时间和复杂度，不利于集成度的提高。并且，每次读取都会破坏性的读出电容器中的电荷量，需要重新写入电荷，增加了电路的读写时间。

1998年公布的J. Moon等的美国专利US5744,374中，采用了金属-铁电-绝缘-半导体场效应晶体管结构（MFIS FET），此结构简单，只有一个晶体管T，并且与当前的CMOS工艺完全兼容，可以简化读写电路，并且，非破坏性的读取信息。但是，对栅极上的铁电单晶薄膜层及其界面质量要求非常高，这非常不利于尺寸的减小和成品率的提高。

近年来，铁电材料中的畴壁导电引起了学术界的广泛兴趣（例如参见Seidel J,Martin L W, He Q, et al. Conduction at domain walls in oxide multiferroics.Nature materials, 2009, 8(3): 229.）。本申请的发明人已经提出了基于畴壁导电的铁电存储器件（参见中国专利申请号CN201510036526.X、CN201510036586.1、CN201610098138.9和美国专利公开号US9685,216B2的专利）。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供一种铁电存储集成电路，包括：

铁电存储器阵列，其具有在铁电单晶层上形成的存储单元阵列；和

硅基读写电路；

其中，所述存储单元阵列中的每个存储单元相应地设置有第一电极和第二电极，所述铁电单晶层的电畴的极化方向基本不平行所述铁电单晶层的法线方向，在所述第一电极和第二电极之间施加电信号时，能够使大致位于所述第一电极和第二电极之间的用于形成所述存储单元的铁电单晶层的电畴发生反转，从而能够建立连接所述第一电极和第二电极的畴壁导电通道；