基于电流读取的铁电存储器阵列结构及其规模计算方法

本发明属于半导体存储器设计，具体涉及一种基于电流读取的铁电存储器阵列结构及其规模计算方法。

背景技术：

1、在基于冯诺依曼结构的计算机体系中，存储器是必不可少的一部分，并且存储器性能在过去的半个世纪里，随半导体技术的发展而持续进步。近年来，随着后摩尔时代的到来，对传统存储器从尺寸微缩、存储器容量、速度以及功耗等性能指标上提出了更高要求；并且，在未来存算一体的架构下，传统存储器难以满足未来需求。而1t铁电存储器阵列具有非易失性、低功耗、存储密度高以及快速读取等特点，可提高系统的整体性能，因此铁电存储器阵列在近年来是新一代存储器的研究热点。

2、1t铁电存储单元用于存储信息，通过将铁电层材料嵌入到传统的mosfet栅极中，以这种方式构建一个单晶体管(1-t)存储单元。通常，铁电材料表现出极化特性，它们具有两个不同但等效的极化态，即pr+和pr-通常称为剩余极化，这两个pr值的微观起源与铁电材料的非中心对称晶体结构以及由此产生的单元晶胞内永久电偶极子的存在有关。偶极子可以具有两种稳定的结构，通常被称为极化“上”和“下”(即“lvt”和“hvt”状态)，将1t铁电存储单元集成到阵列中，并按照特定的方式串联起来，加上控制电路和检测电路就可以形成非易失性的铁电存储阵列，通过相关阵列控制操作，就能实现低功耗、高速度的存储操作。

3、但是随着铁电存储器进一步的发展，铁电阵列规模的进一步增大，读取干扰电流会影响铁电的阵列规模，因此考虑读干扰来计算铁电阵列大小是先进亟待解决的问题。公开号为cn117037871a的中国专利申请提供了一种存内计算结果的读出电路、读出方法及存储器，设计了铁电存储器阵列的读出方法和读取电路，利用固定钳位电压的方式进行读取，能够保证输出端电压不受影响，提高了读取精度，但是该专利技术并未提供此阵列结构所能容纳阵列的大小，在此方案下阵列位线上的单元可以进行持续扩展，并未进一步考虑位线上的单元随着阵列的规模带来的串扰问题。此外，公开号为cn117672288a的中国专利申请提供了一种铁电随机存取存储器阵列及其控制方法，设计了一种铁电存储器结构，其存储单元的面积较小，存储密度高，并且能够在不牺牲读取窗口和读取时间的前提下增大阵列规模，但该专利技术并没有考虑读取时的干扰电流，并未能够给出此阵列结构所能驱动的阵列大小，没有考虑阵列增大带来的串扰问题。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提供了一种基于电流读取的铁电存储器阵列结构及其规模计算方法，能够在考虑读取干扰的情况下，根据读取电压点计算存储阵列大小并预估无串扰的边界条件。

2、一种基于电流读取的铁电存储器阵列结构，包括1t的铁电存储器单元、字线、位线、选择线以及电流模式的读取感应放大器；

3、对于nor构型，所有铁电存储器单元呈矩形排列，同一行内的m个铁电存储单元的栅极通过字线相连接，同一列内的n个铁电存储单元的源极和漏极分别通过位线和选择线相连接，每一条位线上连接读取感应放大器，从而组成具有m×n个铁电存储器单元的nor型1t铁电存储器阵列；

4、对于nand构型，所有铁电存储器单元分布呈m列，每一列由n个铁电存储器单元通过源极与漏极串联而成，每一列的两端对应两个选通控制端，这两个选通控制端分别接选择线和位线，每一条位线上连接读取感应放大器，不同列中同一行位置的铁电存储器单元栅极通过字线连接在一起，从而组成具有m×n个铁电存储器单元的nand型1t铁电存储器阵列，m和n均为大于1的自然数。

5、进一步地，在读取过程中，同一位线上非读取的铁电存储器单元会产生干扰电流，即被读取的铁电存储器单元在hvt(high threshold voltage，高阈值电压)状态下会在非读取的铁电存储器单元源极产生干扰电流ileakage1，在lvt(low threshold voltage，低阈值电压)状态下会在非读取的铁电存储器单元源极产生干扰电流ileakage2；nor构型的铁电存储器阵列是由于位线上的电压产生干扰电流，nand构型的铁电存储器阵列是由于字线上的电压产生干扰电流。

6、进一步地，所述铁电存储器阵列的列数m根据晶圆的面积决定，不受阵列中电流的制约。

7、上述铁电存储器阵列结构的阵列大小计算方法，包括如下步骤：

8、(1)测量铁电存储器单元的各项电学性能；

9、(2)确定铁电存储器单元的读取电压vread；

10、(3)测量用vread读取时铁电存储器单元分别在lvt和hvt状态下源极产生的电流ilvt和ihvt；

11、(4)测量被读取的铁电存储器单元分别在lvt和hvt状态下其同一位线上其他非读取的铁电存储器单元源极产生的干扰电流ileakage2和ileakage2；

12、(5)计算两种状态下该位线上的总电流isense1和isense2以及对应读取感应放大器的参考电流iref；

13、(6)根据关系式isense1≤iref≤isense2选定铁电存储器阵列的行数n，从而确定铁电存储器阵列的大小。

14、进一步地，所述步骤(1)中测量铁电存储器单元的各项电学性能，包括检查单元能否写入和擦除，其次判断存储窗口是否稳定，标定电流大小，确定单元有足够的读取窗口可供存储。

15、进一步地，所述步骤(2)中确定铁电存储器单元的读取电压，即在选定的读取窗口内，选取读取电压时应考虑铁电存储器单元的极化特性，读取电压应选择相对较小以避免读取时极化；所选取的读取电压vread应确保两个状态下ilvt与ihvt的电流差别要达到3个数量级以上。

16、进一步地，所述步骤(5)中电流isense1、isense2、iref的计算表达式如下：

17、

18、isense1＝ihvt+(n-1)ileakage1

19、isense2＝ilvt+(n-1)ileakage2

20、进一步地，计算得到行数n后，对铁电存储器单元的状态电流进行统计，判断ilvt、ihvt和iref之间是否会有串扰导致读取失效；如果存在串扰，则要适当增大或减小n来满足阵列的读取要求；如果调整后的n不合理，则返回步骤(2)重新选取读取电压vread进行计算。

21、本发明提供了一种基于电流读取的铁电存储器阵列结构并能够在考虑干扰电流的前提下计算阵列的规模，且能够根据选取的读取电压点合理的调整相应的阵列大小。采用本发明计算方法，能够通过的测量典型的铁电存储单元的电学特性就可以进行计算，并且进一步考虑了增大阵列规模所带来的串扰影响，通过此方式可以合理的选择所需要的阵列规模。

技术特征：

1.一种基于电流读取的铁电存储器阵列结构，其特征在于，包括1t的铁电存储器单元、字线、位线、选择线以及电流模式的读取感应放大器；

2.根据权利要求1所述的铁电存储器阵列结构，其特征在于：在读取过程中，同一位线上非读取的铁电存储器单元会产生干扰电流，即被读取的铁电存储器单元在hvt状态下会在非读取的铁电存储器单元源极产生干扰电流ileakage1，在lvt状态下会在非读取的铁电存储器单元源极产生干扰电流ileakage2；nor构型的铁电存储器阵列是由于位线上的电压产生干扰电流，nand构型的铁电存储器阵列是由于字线上的电压产生干扰电流。

3.根据权利要求1所述的铁电存储器阵列结构，其特征在于：该铁电存储器阵列的列数m根据晶圆的面积决定，不受阵列中电流的制约。

4.一种如权利要求1～3任一权利要求所述铁电存储器阵列结构的阵列大小计算方法，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的阵列大小计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中测量铁电存储器单元的各项电学性能，包括检查单元能否写入和擦除，其次判断存储窗口是否稳定，标定电流大小，确定单元有足够的读取窗口可供存储。

6.根据权利要求4所述的阵列大小计算方法，其特征在于：所述步骤(2)中确定铁电存储器单元的读取电压，即在选定的读取窗口内，选取读取电压时应考虑铁电存储器单元的极化特性，读取电压应选择相对较小以避免读取时极化；所选取的读取电压vread应确保两个状态下ilvt与ihvt的电流差别要达到3个数量级以上。

7.根据权利要求4所述的阵列大小计算方法，其特征在于：所述步骤(5)中电流isense1、isense2、iref的计算表达式如下：

8.根据权利要求4所述的阵列大小计算方法，其特征在于：计算得到行数n后，对铁电存储器单元的状态电流进行统计，判断ilvt、ihvt和iref之间是否会有串扰导致读取失效；如果存在串扰，则要适当增大或减小n来满足阵列的读取要求；如果调整后的n不合理，则返回步骤(2)重新选取读取电压vread进行计算。

技术总结本发明公开了一种基于电流读取的铁电存储器阵列结构及其规模计算方法，能够在考虑读取干扰的情况下，根据读取电压点计算存储阵列大小并预估无串扰的边界条件。同时，本发明能够根据选取的读取电压点合理的调整相应的阵列大小；采用本发明计算方法，能够通过的测量典型的铁电存储单元的电学特性就可以进行计算，并且进一步考虑了增大阵列规模所带来的串扰影响，通过此方式可以合理的选择所需要的阵列规模。技术研发人员：程然,吴宇轩,李欣泽,李雪阳,丁哲韬受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9