[发明专利]铁电存储器和逻辑单元及操作方法

说明书

本发明涉及铁电存储器和逻辑单元及操作方法。一个示例提供了存储单元，该存储单元包括：节点；层堆叠，其包括第一电极、连接到节点的第二电极以及设置在第一电极与第二电极之间并具有至少两种极化状态的可极化材料层。第一晶体管包括源极端子、漏极端子和栅极端子，其中栅极端子连接到节点。选择器元件至少包括第一端子和第二端子，其中第二端子连接到节点。

相关申请的交叉引用

该非临时申请要求2019年5月9日提交的标题为“FERROLECTRIC MEMORY ANDLOGIC CELL AND OPERATION METHOD”的临时申请第62/845,464号的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及铁电存储单元、铁电逻辑单元、存储单元中的铁电逻辑以及用于神经形态计算的铁电加权单元。

背景技术

许多电子装置和系统具有在存储器结构中存储和检索信息的能力。在通常用于现代电子装置中的冯诺依曼体系结构中，信息在中央处理单元(CPU)中处理，而信息存储在单独的存储器中。因此，信息必须在CPU与存储器之间传输以进行处理和存储，从而产生所谓的冯诺依曼瓶颈。“存储器中的逻辑”(LiM)和神经形态电路通过使用用于信息处理的非易失性存储器(NVM)元件和直接与处理单元中的存储元件细粒度地实现逻辑电路来减少信息的传输时间，从而解决了冯诺依曼体系结构瓶颈。在这样的概念中已经证明了许多不同的非易失性存储装置，包括闪存、电阻RAM(ReRAM)、磁阻RAM(MRAM)和相变存储器(PCM)。

关于铁电(FE)结构体，非易失性存储器(NVM)元件可以实现为电容器型(例如，铁电随机存取存储器(FeRAM)、铁电隧道结型(FTJ))和晶体管型(例如，铁电场效应晶体管(FeFET))解决方案，其中，信息被存储为结构体内的铁电材料层的某种极化状态。所使用的铁电材料可以是二氧化铪(HfO₂)、二氧化锆或两种过渡金属氧化物的固溶体。在纯氧化铪的情况下，可以通过在沉积期间将掺杂剂种类掺入HfO₂层中来改善残余极化。

铁电材料旨在部分或完全替代晶体管的栅极氧化物或电容器的介电质。切换是通过经由晶体管栅极与晶体管沟道之间的电压施加电场而引起的。具体地，对于n沟道晶体管，在施加足够高的正电压脉冲之后的铁电切换导致阈值电压向更低或更多负值的偏移，而施加足够高的负电压脉冲导致阈值电压向更高或更多正值的偏移。对于p沟道晶体管，在施加足够高的正电压脉冲之后的铁电切换导致阈值电压向更高的绝对值或更多的负值的偏移，而施加足够高的负电压脉冲导致阈值电压向更低的绝对值或更多的正值的偏移。

通常，由于特定的物理存储机制，基于铪/氧化锆的存储装置在编程操作期间提供快速的感测和编程访问时间以及较低的功耗。此外，由于FeFET、FeRAM和FTJ存储装置所采用的材料已经用作栅极氧化物或DRAM介电材料，因此这些存储装置易于集成到高k金属栅极CMOS技术中。这些优点和其他优点促进了用于嵌入式存储以及用于在诸如存储卡、USB闪存驱动器、移动电话、数码相机、大容量存储装置、MP3播放器、智能手表等装置中采用的独立应用的基于铪/氧化锆的存储装置的日益普及。

图1是根据一个示例的FeFET存储单元的示意图。在FeFET存储单元中，通过感测晶体管的阈值电压来确定铁电层的极化状态。在一个示例中，进一步参考图2a，通过对连接到FeFET的源极端子或漏极端子的位线进行充电或放电，并在一定时间后通过采用合适的感测放大器(SA)感测流过FeFET的电流来感测位线处的电压变化来执行这种感测。电路元件T1表示FeFET装置。在图1所示的示例中，晶体管T1的栅极(g)连接到字线WL，而源极端子(s)和漏极端子(d)分别连接到位线BL和源极线SL。晶体管的体触点(b)连接到p阱PW端子，该p阱PW端子由存储器阵列(未示出)中的许多存储器晶体管共享。感测操作通常确定在特定读取条件下FeFET的阈值电压或导通电流。在读取操作期间保持FeFET的极化状态。因此，它是一个非破坏性的读取操作。