一种面向铁电随机存储器的数据读写方法与流程

本发明涉及半导体存储器领域，特别涉及一种面向铁电随机存储器的数据读写方法。

背景技术：

1、随着aiot、大数据与人工智能等电子信息技术的不断发展，对海量数据的高速且低功耗地存储与访问逐渐成为了业界的重要需求。而常规基于sram/dram/flash的三级存储架构存在高速访问与高密度存储的矛盾，严重阻碍了电子信息技术的进一步发展。

2、细化存储架构可以一定程度缓解这一问题。其中，存储类内存(storage classmemory,scm)作为一种兼具高密度与高访问速度的存储器，可以填补dram与flash之间的巨大性能鸿沟，可以在系统级的层面上提升数据的访问速度。常见的scm一般由新型非易失性存储器构造，包括阻变存储器(rram)、相变存储器(pcram)以及铁电基存储器(fecap、ftj、fediode等)。其中，铁电随机存储器(feram)由于其场致翻转的特性，其可以实现高速、低功耗的数据访问，且随着氧化铪基铁电材料的发现，使其具有更进一步的高密度3d堆叠潜力，是一种极具潜力的scm技术路线。

3、然而氧化铪基铁电材料具有多晶多畴的特性，实现铁电极化的翻转需要畴壁的扩张等行为，具有特定的翻转时间，因此其制备出的铁电电容在较快的脉冲电压作用下会出现动态翻转的现象，即在短时间内难以实现饱和反转；而接下来的操作脉冲还会在原有极化状态下对铁电电容进行操作，使其存储状态难以确定。以feram读写为例，在读写数据“0”时，在较短或较低的电压脉冲下，写入数据过程中铁电电容难以实现饱和翻转，因此在后续的读出过程中，铁电电容会进一步翻转，对信息的读出带来问题；而在读写数据“1”时，由于feram的操作脉冲特性，单向脉冲通常较多，这种特性会将铁电电容极化状态推高，从而产生较大的退极化场，带来读写数据“1”的退化现象，不仅会对数据的正常读出产生影响，也会严重降低存储器的读出窗口。因此，在feram中铁电动态翻转带来的问题成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种面向铁电随机存储器的数据读写方法。采用本发明对铁电随机存储器进行数据读写操作，能够使存储器具有更大的存储窗口与更低的误码率。

2、本发明具体的技术方案如下：

3、一种面向铁电随机存储器的数据读写方法，所述铁电随机存储器的每个存储单元包括相互连接的一个选择晶体管和一个铁电电容，字线和位线分别与选择晶体管相连，板线与铁电电容相连，其特征在于，所述数据读写方法分为写入数据操作与读出数据操作，在写入数据与读出数据操作过程中分别对字线、位线和板线施加电压脉冲；其中写入数据操作中的写入脉冲宽度大于读出数据操作中的读出脉冲宽度，为非对称脉冲操作；具体操作如下：

4、对于写入数据：第一个阶段使字线电压上升至vdd，使选择晶体管打开；同时位线与板线置于gnd；第二个阶段，字线保持在vdd，对于写入数据“0”，则对板线施加高度为vdd，脉冲宽度为tw0的脉冲，位线保持在gnd；对于写入数据“1”，则对位线施加高度为vdd，脉冲宽度为tw1的脉冲，板线保持在gnd。其中，tw0＝tw1为写入脉冲的脉冲宽度。

5、对于读出数据：第一个阶段中，使位线预充到gnd后浮空，字线与板线保持gnd；第二个阶段，字线提升至vdd；第三个阶段，板线置于vdd，读出铁电电容的电荷于位线中，这个阶段的时间对应为读出脉冲的脉冲宽度trd；第四个阶段中，存储器的外围电路将读出的位线电压放大至满摆幅，并完成数据的反向写入。其中脉冲宽度tw0、tw1大于读出脉冲的脉冲宽度trd。

6、其中，写入脉冲宽度选取为能够使铁电电容在当前电压下实现90％以上的极化翻转，根据不同的铁电材料与单元面积在1ns～10ms之间选取；读出脉冲宽度选取为能够正常将极化数据读取至位线中的时间，且小于写入脉冲宽度，根据不同的位线负载与单元设计在500ps～1ms之间选取。

7、本发明在写入数据过程中，相比读出数据阶段脉冲宽度较长使得数据写入时间能够使铁电电容置于更接近饱和极化的极化状态，在后续的读出“0”过程中能够减少额外的读出极化翻转，以及强化读出“1”过程中的读出极化翻转量，提升存储器的读出窗口；在读出数据过程中，相对短的读出脉冲宽度能够提升存储器整体的访问速度，并且能够降低feram单向脉冲过多带来的过强单向极化强度的现象，进一步避免了较强的退极化场形成，进而提升了后续读写数据“1”的稳定性，从而提升存储窗口以及降低误码率。

8、本发明的有益效果如下：

9、当按照本发明的非对称脉冲操作的数据读写方法对feram某存储单元进行访问时，写入过程中单元被施加了更长的电压脉冲，而读出过程中的时间相对短，使写入时的铁电极化趋于饱和，减少读出时影响存储窗口的额外翻转，并且减少读出脉冲对存储状态的破坏，使多次操作后的操作状态保持稳定。与传统的相同读写脉冲相比，采用本发明可以提升存储器的读出窗口，并同时降低存储器的误码率。

技术特征：

1.一种面向铁电随机存储器的数据读写方法，所述铁电随机存储器的每个存储单元包括相互连接的一个选择晶体管和一个铁电电容，字线、位线分别与选择晶体管相连，板线与铁电电容相连，其特征在于，所述数据读写方法分为写入数据操作与读出数据操作，在写入数据与读出数据操作过程中分别对字线、位线和板线施加电压脉冲；写入数据操作中的写入脉冲宽度大于读出数据操作中的读出脉冲宽度，为非对称脉冲操作。

2.如权利要求1所述面向铁电随机存储器的数据读写方法，其特征在于，写入数据的具体操作如下：

3.如权利要求1所述面向铁电随机存储器的数据读写方法，其特征在于，读出数据的具体操作如下：

4.如权利要求1所述面向铁电随机存储器的数据读写方法，其特征在于，写入脉冲宽度选取为能够使铁电电容在当前电压下实现90％以上的极化翻转，所述写入脉冲宽度范围在1ns～10ms之间选取。

5.如权利要求1所述面向铁电随机存储器的数据读写方法，其特征在于，所述读出脉冲宽度范围在500ps～1ms之间选取。

技术总结本发明公开了一种面向铁电随机存储器的数据读写方法，属于半导体存储器领域。该方法分为写入数据操作与读出数据操作，在写入数据与读出数据操作过程中分别对字线、位线和板线施加电压脉冲，其中写入数据操作中的写入脉冲宽度大于读出数据操作中的读出脉冲宽度，为非对称脉冲操作。本发明实现了写入数据时，器件的铁电极化趋于饱和，同时读出数据时，减少了读脉冲对存储状态的破坏，提升存储数据的稳定性。采用本发明能够提升FeRAM的读出窗口，并降低FeRAM的误码率。技术研发人员：黄芊芊,符芷源,黄如受保护的技术使用者：北京超弦存储器研究院技术研发日：技术公布日：2024/1/15