非破坏性读出铁电存储器及其制备方法和读/写操作方法

摘要

本发明属于铁电存储技术领域，具体为一种非破坏性读出铁电存储器及其制备方法和读/写操作方法。该铁电存储器包括铁电薄膜层和设置在铁电薄膜层上的读写电极层，读写电极层中设置有将其分为至少两个部分的间隙，铁电薄膜层的电畴的极化方向基本不平行所述读写电极层的法线方向；其中，读操作和写操作都可以通过读写电极层完成。本发明的铁电存储器结构简单、制备简单、成本低，可以实现电流方式的非破坏性读出，适合于高密度应用。

说明书

技术领域

本发明属于铁电存储技术领域，具体涉及非破坏性读出铁电存储器，尤其涉及一种基于具有间隙的电极进行非破坏性读出操作的铁电存储器以及该铁电存储器的制备方法和读/写操作方法。

背景技术

铁电随机存储器FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) 是利用铁电畴（或称为“电畴”）在电场中两种不同极化取向作为逻辑信息（“0”或“1”）来存储数据的非易失性存储器（Non-volatile Memory），其也可以称为“铁电存储器”。

铁电存储器的存储介质层即为具有可反转（或称为“翻转”）的铁电畴的铁电薄膜层，目前，实验室内可测出的电畴反转的最快速度可达到0.2 ns，实际上它还可以更快。通常地，电畴的反转速度决定了存储器的读写时间，电畴反转的矫顽电压决定了器件的读写电压，它会随着薄膜厚度的降低而几乎呈等比例地减小。因此，铁电存储器具有数据读写速度快、驱动电压低和存储密度高等优点，近年来得到了广泛的关注和较快的发展。

目前，铁电存储器按基本工作或操作模式主要可分为：破坏性读出(DRO)的FRAM和非破坏性读出(NDRO)的FeFET两大类。

破坏性读出(DRO)铁电存储器是以铁电电容（以铁电薄膜层作为介质层形成的电容）取代常规的存储电荷电容,并利用它的极化反转来实现数据的写入与读取。迄今为止，市场上应用的所有铁电存储器都是采用这种工作模式，其中以1个晶体管T和一个铁电电容C（即1T1C）构建存储单元，并以该1T1C存储单元作为电路设计为基础，在读取操作过程中，采用电荷积分的方法，通过对与1T1C存储单元串联的参考电容进行电压读取来判断铁电薄膜层的电畴是否反转，从而识别存储单元中的逻辑信息。这种铁电存储器在读取操作中，电压读取会导致铁电薄膜层的电畴反转，因此，它的缺点是信息读取是破坏性的，可靠性差，在读取操作后需要重新写回原来的逻辑信息状态。另外，随着器件集成密度的提高，存储单元的铁电电容C的面积不断缩小，而读出电荷是与铁电电容C的面积成正比的，因此可读出电荷也越来越少；当器件存储单元尺寸小于130nm时，目前读出电路基本无法识别存储单元中所存储的逻辑信息，严重地阻碍了铁电存储器向高密度方向发展。

非破坏性读出(NDRO)铁电存储器则是利用铁电薄膜层取代常规MOSFET的栅介质层而构成MFS结构的铁电场效应晶体管(FeFET)。通过极化方向的控制可以改变漏电流I_ds大小，差距可以达几个数量级，存储信息可以在很小的电压下实现非破坏读取。它具有高密度集成、高读写速度、非破坏读取和低功耗等特点，但是由于该器件的逻辑信息保持性能差，一般只能达到数天，而存储器市场一般要求不小于10年。因此这一结构目前还处于实验室研究阶段，未能实际运用到存储器产品中。

因此，当前商业化应用的破坏性读出(DRO)铁电存储器主要是以对铁电电容以电荷积分方式读出的，如以上所总结，其具有破坏性读取的缺点，读出后需要重新写入数据，从而伴随着大量的擦除和重写的操作，导致器件的可靠性降低，影响了数据读取速度；并且，这种读取原理限制了铁电电容C按比例缩小，存储密度低，例如，目前商业化应用的铁电存储器最大只有8MB。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够以电流读取方式实现非破坏性读出的、存储性能好的铁电存储器，铁电存储器的读操作和写操作均通过同一电极层来完成。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案。

按照本发明的一方面，提供一种非破坏性读出铁电存储器，包括铁电薄膜层（305）和设置在所述铁电薄膜层（305）上的读写电极层（307），所述读写电极层（307）中设置有将其分为至少两个部分的间隙（309），所述铁电薄膜层（305）的电畴（3051或3053）的极化方向基本不平行所述读写电极层（307）的法线方向；

其中，在所述读写电极层（307）中的邻接所述间隙（309）的两个部分之间偏置第一方向的写信号时，对应所述间隙（309）的部分所述铁电薄膜层（305）的电畴以纵向地贯穿所述铁电薄膜层（305）的方式被反转；

其中，在所述读写电极层（307）中的邻接所述间隙（309）的两个部分之间偏置第一方向的读信号时，对应所述间隙（309）的部分所述铁电薄膜层（305）的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道（3058）。

根据本发明一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，在所述读写电极层（307）中的邻接所述间隙（309）的两个部分之间偏置与所述第一方向相反的第二方向的写信号时，使以纵向地贯穿所述铁电薄膜层（305）的方式被反转的所述电畴（3053a）反转回到初始极化方向。

根据本发明又一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，所述读写电极层中（307）的至少两个部分包括第一读写电极部分和第二读写电极部分，所述第一读写电极部分和第二读写电极部分组成读写电极对，所述写信号或读信号被偏置在所述读写电极对上。

在之前所述任一实施例的非破坏性读出铁电存储器中，配置所述铁电薄膜层（305）的厚度和/或所述间隙的间距（d）以使在偏置预定大小的写电压作用下对应所述间隙（309）的部分所述铁电薄膜层（305）的电畴能够以纵向地贯穿所述铁电薄膜层（305）的方式被反转。

在之前所述任一实施例的非破坏性读出铁电存储器中，配置所述铁电薄膜层（305）的厚度和/或所述间隙的间距（d）以使在偏置预定大小的读电压作用下对应所述间隙（309）的部分所述铁电薄膜层（305）的电畴局部能够被反转而建立畴壁导电通道（3058）。

可选地，所述间隙的间距（d）大于或等于2纳米且小于或等于500纳米，或者大于或等于5纳米且小于或等于100纳米。

可选地，所述间隙的宽度（w）大于或等于5纳米且小于或等于500纳米。

可选地，所述间隙的间距（d）可以小于或大于所述铁电薄膜层（305）的厚度。

具体地，所述非破坏性读出铁电存储器还包括基底（100），所述铁电薄膜层（305）设置在所述基底（100）之上。

优选地，所述基底（100）为绝缘基底。

可选地，所述铁电薄膜层（305）为铁酸铋BiFeO₃、掺La的铁酸铋盐(Bi,La) FeO₃、锆钛酸铅盐(Pb,Zr)TiO₃或者铌酸锂盐LiNbO₃。

可选地，所述铁电薄膜层（305）的厚度大于或等于5纳米且小于或等于500纳米。

可选地，所述读写电极层（307）的厚度大于或等于5纳米且小于或等于100纳米。

可选地，通过控制所述铁电薄膜层（307）生长的晶向，以至于所述铁电薄膜层（305）的电畴（3051，3053）的极化方向基本不平行所述读写电极层（307）的法线方向。

可选地，所述间隙（309）中被填入或部分填入绝缘介质材料。

按照本发明的又一方面，提供一种以上所述非破坏性读出铁电存储器的制备方法，包括步骤：

提供基底（301）；

形成铁电薄膜（305）；以及

在所述铁电薄膜层（305）上形成带有所述间隙（309）的读写电极层（307）。

根据本发明一实施例的制备方法，其中，所述间隙（309）通过对形成读写电极层（307）的金属平层进行电子束加工或者纳米压印形成。

按照本发明的还一方面，提供一种以上所述非破坏性读出铁电存储器的写操作方法，其中，在所述读写电极层（307）中的邻接所述间隙（309）的两个部分之间偏置第一方向的写信号（V_write1），对应所述间隙（309）的部分所述铁电薄膜层（305）的电畴以纵向地贯穿所述铁电薄膜层（305）的方式被反转，从而写入第一逻辑信息（“1”）。

进一步，在所述读写电极层（307）中的邻接所述间隙（309）的两个部分之间偏置与所述第一方向相反的第二方向的写信号（V_write2），使以纵向地贯穿所述铁电薄膜层（305）的方式被反转的所述电畴（3053a）反转回到初始极化方向，从而写入第二逻辑信息（“0”）。

其中，在所述铁电薄膜层（305）中，以纵向地贯穿所述铁电薄膜层（305）的方式被反转的所述电畴（3053a）与未被反转的所述电畴（3051a）之间形成畴壁（3054），该畴壁（3054）贯通所述铁电薄膜层（305）的上表面和下表面。

按照本发明的再一方面，提供一种以上所述非破坏性读出铁电存储器的读操作方法，其中，在所述读写电极层（307）中的邻接所述间隙（309）的两个部分之间偏置第一方向的读信号，通过读取该两个部分之间的电流大小以判断对应所述间隙（309）的部分所述铁电薄膜层（305）的电畴是否局部被反转而建立畴壁导电通道，从而读出存储的逻辑信息。

根据本发明一实施例的读操作方法，其中，撤去所述读信号后，读操作过程中局部被反转的电畴基本回复至读操作前的极化方向，从而所述畴壁导电通道自动消除。

如果撤去所述读信号后，读操作过程中局部被反转的电畴没有回复至读操作前的极化方向，所述畴壁导电通道在下一次写操作之前始终打开，不会影响下一次读操作。

其中，在所述读信号的读电压固定的情况下，建立所述畴壁导电通道时的开态电流（I）随所述间隙的间距（d）的增加而减小。

其中，所述读信号的读电压越大，对应所述间隙（309）的部分所述铁电薄膜层（305）的电畴中被反转部分的占比越大。

其中，所述读信号的读电压越大，形成的所述畴壁导电通道相对间隙（309）的表面的深度越深，设置所述读电压以使所述畴壁导电通道的深度小于所述铁电薄膜层的厚度。

其中，所述读信号的读电压小于所述写信号的写电压。

本发明的技术效果是，本发明实施例的铁电存储器利用读写电极层中设置的间隙，对应间隙对应的部分铁电薄膜层可以在读写电极对之间的电场作用下发生局部或全部地反转；其中读操作时该间隙之间的电场可以使部分所述铁电薄膜层的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道，读信号撤去后，不管该反转的电畴是否可以恢复反转或不恢复反转，都可以实现电流方式的非破坏性读出；其中，写操作时对应间隙的部分所述铁电薄膜层的电畴以纵向地贯穿所述铁电薄膜层的方式被反转，写信号撤去后，该反转的电畴可以保持，因此，写操作简单，并且数据保持特性好；并且，建立畴壁导电通道时读出的开态电流可以随间隙的间距的减小而增大，因此，非常有利于小尺寸、高密度应用；同时结构简单、制备简单、成本低。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本发明一实施例的非破坏性读出铁电存储器的截面结构示意图。

图2是图1所示非破坏性读出铁电存储器的上电极的俯视平面结构。

图3是图1非破坏性读出铁电存储器的上电极的又一俯视平面结构。

图4是图1所示实施例的铁电存储器的写“1”和写“0”操作原理示意图。

图5是图1所示实施例的铁电存储器的读“1”和读“0”操作过程以及操作原理示意图。

图6是对本发明一实施例的存储逻辑信息“0”的铁电存储器的读写电极对上进行电压扫描操作时的I-V曲线图。

图7是本发明一实施例的铁电存储器在3V的读信号下的开态读电流I与间隙距离d之间的关系示意图。

图8是本发明一实施例的铁电存储器在+/-4V的写“1”/“0”操作后读电流随时间的变化关系。

图9是本发明一实施例的铁电存储器的制备方法过程示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，图示中的各部分之间的尺寸比例关系并不反映实际的尺寸比例关系。

在以下实施例中，为了描述的清楚，示例性地给出了电畴方向或者极化方向，但是应当理解到，铁电存储器的电畴方向或极化方向并不限于如图所示实施例示出的方向。

图1所示为按照本发明一实施例的非破坏性读出铁电存储器的截面结构示意图；图2所示为图1所示非破坏性读出铁电存储器的上电极的俯视平面结构。如图1所示，其中示出了铁电存储器10的部分截面结构，其主要地包括基底301、铁电薄膜层305以及读写电极层307，其中，读写电极层307设置在铁电薄膜层305上并与其接触。本发明实施例的铁电存储器10区别于传统铁电存储器，其不需要设置在读写电极层307相对侧的下电极层，读写电极层307在该铁电存储器10中既可以用来实现读操作，也可以用来实现写操作，读写电极层307因此也称为读写电极层307。

继续如图1和图2所示，读写电极层307中设置有将其分割为若干部分的间隙309，在该示例中，间隙309将读写电极层307分割为至少两个部分，即读写电极部分3071和读写电极部分3073，读写电极部分3071和读写电极部分3073组成读写电极对，在该实施例中，该读写电极对主要地构成了该实施例的读写电极层307。

继续如图1所示，基底301可以是铁电存储器中常用的各种基底材料，例如其可以为Si、SrTiO₃或LiNbO₃。通常地，基底100的材料选择主要由基底301和铁电薄膜层305共同决定。在该实施例中，基底301可以是Si衬底，其易于与半导体CMOS工艺兼容，有助于大规模生产。另外，根据铁电薄膜层305的晶格常数要求来选择SrTiO₃或LiNbO₃等基底材料，以便得到性能优异的外延薄膜层。

铁电薄膜层305形成在基底301之上，可以是任一具有合适畴结构的铁电材料，其具体可以选自于以下材料：铁酸铋BiFeO₃、掺La的铁酸铋盐(Bi,La) FeO₃、锆钛酸铅盐(Pb,Zr)TiO₃或者铌酸锂盐LiNbO₃；但是，应当理解到，铁电薄膜层305具体铁电材料类型不是限制的，本领域技术人员能够选用任何一种的铁电材料类型。铁电薄膜层305的制备方法也不是限制性的，例如，可以通过溶胶凝胶、溅射、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。铁电薄膜层305的厚度范围可以大于或等于5纳米且小于或等于500纳米，例如，其可以为20nm、30nm、50nm或100nm。

读写电极部分3071和读写电极部分3073在该实施例中可以是通过连续的金属薄膜层通过构图刻蚀间隙309来形成，当然，在其他实施例中，它们也可以分别地构图形成。在本文中，读写电极部分3071和读写电极部分3073组成读写电极对，在此处“读”反映它们至少具有读出操作的功能，在此处“写”反映它们至少具有写操作的功能。

读写电极部分3071和/或读写电极部分3073其可以是一种低电阻率的导电材料，例如，其可以选自于Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种或多种的组合。读写电极部分3071和/或读写电极部分3073的厚度可以为5~100nm，例如，20nm。读写电极部分3071和/或读写电极部分3073可以但不限于通过溅射、蒸发、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。

间隙309用于将读写电极部分3071和读写电极部分3073实现相对电隔离（该电隔离不包括以下通过读操作过程中建立的畴壁导电通道的情形），间隙309可以通过对金属平层电子束加工、纳米压印或其他光刻方法获得，但是间隙309的形成方法并不限于本发明实施例。间隙309的间距d的范围可以大于或等于2纳米且小于或等于500纳米，更优地大于或等于5纳米且小于或等于100纳米，例如可以为10纳米、135纳米、125纳米等，间距d越小，越有利于提高铁电存储器的存储密度，并且越有利于减小读电压和增大读电流，并且读功耗越小，因此，间隙309可以为各种纳米尺寸的间隙305。间隙309的形状并不限于如图2所示形状，在其他实施例中，间隙309甚至还可以为锯齿形等。读写电极部分3071和读写电极部分3073在垂直间隙方向上的宽度w尺寸（也即间隙的宽度尺寸）可以大于或等于5纳米且小于或等于500纳米，例如50纳米。

图3所示为图1非破坏性读出铁电存储器的上电极的又一俯视平面结构。在该实施例中，间隙309将读写电极层307分割为4部分，即读写电极部分3071、读写电极部分3073、读写电极部分3075和读写电极部分3077，间隙309两侧相邻的任何两个读写电极部分都可以组成一组读写电极对，例如，读写电极部分3073和读写电极部分3077，读写电极部分3075和读写电极部分3077；当然，也可以将四个如图3所示的读写电极部分组成读写电极对。

继续如图1所示，在本发明中，铁电薄膜层305要求满足其铁电畴在面内有分量的条件, 也即具有面内分量（铁电电畴的自发极化在膜面上的方向的投影），铁电薄膜层305可以形成如图1所示两个方向的电畴3051或3053，电畴3051的极化方向与电畴3053的极化方向完全相反，在偏置大于矫顽电压后，电畴会沿电场方向取向，因此，在偏置电场方向与原电畴方向相反的电压且大于矫顽电压时，电畴3051或3053会发生反转。在该实施例中，铁电薄膜层307的电畴的极化方向基本不平行读写电极层307的法线（如图所示垂直于读写电极层307的虚线）方向，或者基本不垂直于读写电极层307，具体如图1所示，读写电极层307的法线与电畴的极化方向的夹角α为不等于0和180^o，例如α=45^o，这样电畴具有面内分量。具体地，可以通过控制铁电薄膜层307生长的晶向来实现，示例地，可以在晶面为(001)的SrTiO₃基底301上外延生长100纳米厚的BiFeO_-3铁电薄膜层307，其中BiFeO_-3铁电薄膜层307的电畴的极化方向是沿<111>方向。

图4所示为图1所示实施例的铁电存储器的写“1”和写“0”操作原理示意图。

在该实施例中，以铁电薄膜层305的电畴3051所在极化方向存储逻辑信息“0”为示意进行说明。如图4（a）所示，在写“1”操作过程中，在读写电极层307的读写电极部分3073和读写电极部分3071之间偏置写信号V_write1，也即在读写电极部分3073和读写电极部分3071构成读写电极对上偏置写信号V_write1，写信号的方向为读写电极部分3073偏置正向、读写电极部分3071偏置负向，从而它们形成大致如图4（a）所示方向的电场E1。由于间隙309的存在，电场E1可以对间隙309所对应的部分铁电薄膜层的电畴产生影响，电场E1在与电畴3051a的极化方向相反的方向上的电场分量大于使该电畴发生翻转的矫顽电压时，该电畴3051发生反转形成电畴3053a（电畴3053a与图1中所示的电畴3053的极化方向基本相同）。基于铁电薄膜层305在写信号V_write1该作用下的电场强度分布可知，V_write1的写电压越大，发生反转的电畴3053a的深度越深。因此，可以通过控制写信号的电压大小和/或者通过铁电薄膜层305的厚度，使发生反转的电畴3053a纵向（垂直铁电薄膜层305的方向）贯穿该铁电薄膜层305；示例如图4（a）所示，在具有一定大小的写电压（例如+4V）的写信号V_write1作用下，对应间隙309的部分铁电薄膜层305的电畴（即大致在间隙309下方的铁电薄膜层305中的电畴）基本完全被反转形成电畴3053a。

铁电薄膜层305的其他部分的电畴由于基本不受电场E1影响（或者电场E1对其影响不足使其电畴生反转），电畴未反转，对应形成如图4（a）所示的电畴3051a，也即电畴3051的发生反转之外的部分电畴构成电畴3051a。电畴3053a的极化方向基本与电畴3051a的极化方向完全相反，因此，电畴3051a和电畴3053a之间的界壁或界面，从而会产生带电的畴壁或畴界3054，但是畴壁3054对应的导电通道会在接近衬底的地方关断，不会影响其中读出过程的读电流。因此，优选地，基底301可以为各种绝缘材料形成的绝缘基底。在本发明实施例中，写“1”操作后形成畴壁3054是贯穿铁电薄膜层305的，也即可以贯通铁电薄膜层305的上表面和下表面，这样，电畴3053a并不是被电畴3051a四面地包围，电畴3053a并不会在去极化作用下自动回复至写“1”之前的状态，被写入的逻辑信息得到保存；畴壁3054的具体形状也不受本发明实施例限制的图示形状限制，例如，两个畴壁3054可以形成大致柱形。

其中，由于电畴3053a是利用电场E1在与电畴3051a的极化方向相反的方向上的电场分量来实现翻转的，因此，在铁电薄膜层的矫顽电压、铁电薄膜层的厚度已知的情况下，可以计算出形成电畴3053a的最小写电压V_write1。

如图4（b）所示，在写“0”操作过程中，在读写电极部分3073和读写电极部分3071构成读写电极对上偏置写信号V_write2，写信号V_write2与写信号V_write1的方向相反，其中读写电极部分3073偏置负向、读写电极部分3071偏置正向，从而它们形成大致如图4（b）所示方向的电场E2。由于间隙309的存在，电场E2可以对间隙309所对应的部分铁电薄膜层的电畴产生影响，也即可以对如图4（a）所示电畴3053a产生影响，电场E2在与电畴3053a的极化方向相反的方向上的电场分量大于使该电畴发生翻转的矫顽电压时，该电畴3053a发生反转，回复到原来的或初始的极化方向，统一形成电畴3051。此时，逻辑信息被写为“0”。

同样地，基于铁电薄膜层305在写信号V_write2该作用下的电场强度分布可知，V_write2的写电压越大，使电畴3053a回复反转的深度越深。因此，可以通过控制写信号的电压大小，使电畴3053a全部回复反转为电畴3051；示例如图4（b）所示，在具有一定大小的写电压（例如-4V）的写信号V_write2作用下，对应间隙309的部分铁电薄膜层305的电畴3053a（即大致在间隙309下方的铁电薄膜层305中的电畴3053a）完全被回转形成电畴3051，畴壁3054消失。

其中，写信号V_write1和V_write2具体信号形式不是限制性的，例如其可以为一定频率的电压脉冲信号等。

图5所示为图1所示实施例的铁电存储器的读“1”和读“0”操作过程以及操作原理示意图。

在该实施例中，读操作原理完全不同于传统的铁电存储器的读操作原理，其中，在读操作时，基底301不需要偏置信号，其可以悬空，读信号V_read是偏置在读写电极对之间，以下以偏置在读写电极部分3071、读写电极部分3073为示例进行说明。

如图5（a）所示，在读“1”操作过程中，读写电极部分3071、读写电极部分3073之间偏置读信号V_read，读写电极部分3073偏置正向、读写电极部分3071偏置负向，从而在读写电极部分3073与读写电极部分3071之间形成如图所示方向的电场E3（此时定义为“+”读电压），由于间隙309的存在，电场E3可以局部地对间隙309所对应的部分铁电薄膜层的电畴产生影响，由于电场E3不存在使电畴3053a反转的电场分量，因此，不管读信号V_read的读电压如何增大，电畴3053a完全保持不变，读写电极部分3073偏置正向、读写电极部分3071之间并不能形成导电通道，此时读电流I_read=0，读电流I_read为Off态（即关态)，表示读出逻辑信息“1”。

需要理解的是，读信号V_read的读电压最好小于写信号V_write1的写电压，这样，避免在读操作时产生“过”写操作。

继续如图5（a）所示，在读信号V_read撤去以后，由于以上读操作过程中铁电薄膜层中的电畴不发生变化，因此，读信号V_read撤去以后铁电薄膜层中的电畴也不发生变化。

如图5（b）所示，在读“0”操作过程中，读电极部分3071、读电极部分3073之间偏置读信号V_read，形成如图所示方向的电场E3，由于间隙109的存在，电场E3可以局部地对间隙109所对应的部分铁电薄膜层的电畴产生影响，随着电场E3的增大，如图5（b）所示，间隙309的下方的对应的部分铁电薄膜层305中，也即暴露于间隙309的表层部分的局部，其中的电畴发生反转，也即电畴3051部分反转形成如图5（b）所示的电畴3053b，铁电薄膜层305的其他部分的电畴由于基本不受电场E3影响（或者电场E3对其影响不足使其电畴生反转），电畴未反转，对应形成如图所示的电畴3051b，电畴3053b的极化方向基本与电畴3051b的极化方向相反。其中，电畴3053b是利用电场E3在与电畴3051的极化方向相反的方向上的电场分量来实现翻转的，因此，在铁电薄膜层的矫顽电压已知的情况下，可以计算出形成电畴3053b的最小读电压V_read。

此时，具有电畴3051b的铁电薄膜层部分与具有电畴3053b的铁电薄膜层部分的邻接处，也即电畴3051b和电畴3053b之间的界壁或界面，从而会产生带电的畴壁或畴界3058，从而，主要基于畴壁导电机理，在读写电极部分3073与读写电极部分3071之间产生导电通道3058，即“畴壁导电通道”，对应产生读电流信号I_read，此时读电流I_read为On态（即开态)，表示读出了逻辑信号“0”。

因此，以上读操作过程，完全不同于传统的电容结构的铁电存储器的电荷读出方法，在本申请的实施例中实现了电流读取逻辑信号的方式。

进一步地，在读出电流信号I_read后，读写电极部分3073与读写电极部分3071之间的读电压信号V_read撤去，如图5（b）所示，电场E3消失，此时，在去极化场的作用下，电畴3053b会受电畴3051b影响会反转为大致原来的极化方向，也即电畴3053b瞬间消失，基本恢复到读操作之前的状态的电畴3051，畴壁3058也基本消失，之前所产生的导电通道也消失。因此，铁电存储器10在读操作之前所存储的逻辑信息“0”在读操作后并没有发生变化，实现了非破坏性读取。

同时，还需要理解的是，在又一实施例中，即使可能存在电场E3消失而电畴3053b并没有反转回读操作前的极化方向，也即导电通道在读信号撤去后始终打开，由于读信号V_read的方向是相对固定的，电畴3053b不会影响存储的逻辑信息，并且导电通道的存在也不会影响其后读出的逻辑信息。并且，可以理解到，其该读操作过程后进行写操作时，电畴3053b肯定会被重新极化，导电通道被擦除。

继续如图5（b）所示，在该实施例中，具有电畴3053b的铁电薄膜层部分相对具有电畴3051b的铁电薄膜层部分的体积越小可能越好，也即在读过程中发生局部反转的电畴的铁电薄膜层部分（例如电畴3053b）的占比越小越好，通过设计铁电薄膜层305的厚度、面积参数、读电压和/或间隙309的间距d，可以优化该铁电存储器的读操作性能。可选地，间隙309的间距d小于或大于铁电薄膜层305的厚度。

需要理解的是，尽管以上是以铁电薄膜层305的电畴3051所在极化方向存储逻辑信息“0”为示例进行说明的，本领域技术人员将理解到，铁电薄膜层305的电畴3051/3053所在极化方向也可以表示存储逻辑信息“1”/"0"，相应的写操作和读操作中的电压信号方向也可以进行适用性地变化，以实现类似如图4和图5所示的读写过程。

图6所示为对本发明一实施例的存储逻辑信息“0”的铁电存储器的读写电极对上进行电压扫描操作时的I-V曲线图。结合图5（b）所示存储的逻辑信息“0”的铁电存储器，以间隙d=55.6nm、读写电极部分的宽度w=62.5nm为例，首先“+”向扫描，在读写电极对之间形成类似如图5（b）所示的电场E3，随着电场的增大，暴露于间隙309的表层部分的局部电畴发生反转，逐步形成例如[1,1,1]方向或[-1,-1,-1]方向电畴等，带电的畴壁或畴界逐渐扩大，在电压增加至+2.1V左右时，读写电极对之间的电流陡增，表面此时铁电薄膜层中形成连通读写电极对的畴壁导电通道，读电流处于“开态（On）”；当读写电极对之间的电场继续增大，在电压V增加至+3.1V左右时，电流I急剧减小；当读写电极对之间的电场继续增大，在电压V增加至+4V左右时，间隙309与基底301之间的铁电薄膜层部分全部反转，也即由如图5（b）所示的电畴3053b扩大形成如图4（a）所示的电畴3053a，实现了逻辑信息“1”的反向写入，此时，畴壁3054在基底101处间断，因此，电流I基本减小为0，其处于“关态（Off）。

继续由+4V左右向0V扫描时，由于对应所述间隙309的部分铁电薄膜层305的电畴纵向地贯穿铁电薄膜层305，也即间隙309与基底301之间的铁电薄膜层部分的电畴3053a全部反转，如图4（a）所示，电畴3051a难以对电畴3053a 产生去极化场的作用下，电畴3053a的极化方向保持不变，导电通道也不存在，因此，电流I基本减为0。

需要说明的是，不管在读写电极对上偏置读信号还是写信号， 间隙处的铁电薄膜层中的电场深度分布随外加读电压而变化，在读写电极对上偏置一定电压的读信号或写信号时，越接近间隙表面（即深度越小），电场强度越大，反之越小，间隙处电场深度分布随外加电压的变化而变化。当距离间隙表面的某一深度的电场达到电畴发生反转所需的矫顽场E_c时，该深度以上的局部铁电薄膜层的电畴都会发生类似如图4（a）或图5（b）所示的反转。因此，读信号的电压越大，畴壁导电通道越深，写信号的电压越大，畴壁3054越垂直于基底301的表面。

基于以上写操作和读操作原理的揭示可知，读信号V_read的读电压应当使形成的畴壁导电通道的深度小于铁电薄膜层的厚度，例如，应当小于类似于如图6所示的3.1V的电压点。因此，读信号V_read的读电压小于写信号的写电压。

图7所示为本发明一实施例的铁电存储器在3V的读信号下的开态读电流I与间隙距离d之间的关系示意图；其中，点表示实验结果值，实线示意理论模拟结果。可以发现，在读电压V_read=3V的情况下，开态读电流I正比与d^-2.5，也即间隙d越小、开态读电流I可以急剧增大，这样，即使铁电存储器在等比例缩小的情况下，铁电存储器的间隙也可以相应地缩小，而且，开态读电流并不会减小，逻辑信息读取识别度高。因此，非常有利于小尺寸、高密度应用。

本发明实施例的铁电存储器利用读写电极层中设置的间隙，在读操作时该间隙之间的电场可以使部分所述铁电薄膜层的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道，因此，可以实现电流方式的非破坏性读出；并且，建立畴壁导电通道时读出的开态电流可以随间隙的间距的减小而增大；同时，在写操作时，间隙的间距越小，铁电薄膜层的厚度越小，写信号的写电压也可以越低。因此，本发明实施例的铁电存储器非常有利于小尺寸、高密度应用，容易使用器件尺寸不断按比例缩小的要求。

图8所示为本发明一实施例的铁电存储器在+/-4V的写“1”/“0”操作后读电流随时间的变化关系。其中，读电压为+3V，读电流大小与写信号的方向有关，也即与电畴写入方向有关，并且，不管是在“1”状态还是在“0”状态，读电流随时间能够基本保持稳定，表明基于如图4所述原理写入的电畴具有良好的保持特性，该铁电存储器30具有良好的逻辑信息保持特性。

需要说明的是，以上实施例的铁电存储器中，间隙309中可以填入或部分填入绝缘介质层，也可以不填入绝缘介质层。

图9所示为本发明一实施例的铁电存储器的制备方法过程示意图。结合图1和图9所示，首先，步骤S810，提供如图1所示的基底100，基底100的材料选择主要由铁电薄膜层305共同决定，在该实施例中，基底301可以是Si衬底，其易于与半导体CMOS工艺兼容。

进一步，步骤S820，形成铁电薄膜层305。在该实施例中，铁电薄膜层305可以但不限于选自于以下材料：铁酸铋BiFeO₃、掺La的铁酸铋盐(Bi,La) FeO₃、锆钛酸铅盐(Pb,Zr)TiO₃或者铌酸锂盐LiNbO₃；铁电薄膜层305可以通过溅射、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。

在其他实施例中，也可以在基底上形成铁电薄膜层305之前，在基底上先形成一层介质层。

进一步，步骤S830，在铁电薄膜层305上形成读写电极对。在该实施例中，读写电极对由读写电极部分3071和读写电极部分3073构成，读写电极部分3071和读写电极部分3073之间形成有纳米尺寸的间隙309；读写电极对可以选自于Pt、SrRuO₃、LaNiO₃中的一种或多种的组合；读写电极部分3071和/或读写电极部分3073的厚度可以为5~100nm，例如，20nm；读写电极部分3071和/或读写电极部分3073可以但不限于通过溅射、CVD、PLD等薄膜淀积方法制备形成。间隙309可以但不限于通过电子束加工、纳米压印或其他光刻方法获得。

在其他实施例中，也可以在间隙309中可以填入绝缘介质层。

这样，基本形成如图1所示实施例的铁电存储器，在该实施例中，读写电极部分3071和读写电极部分3073同时用于形成该存储器的上电极层307。

因此，本发明实施例的铁电存储器相对传统的铁电电容结构的FRAM过程来说，不需要形成下电极层，结构非常简单，并且制备过程非常简单，成本低。

在以上描述中，使用方向性术语（例如“上”、“下”等）以及类似术语描述的各种实施方式的部件表示附图中示出的方向或者能被本领域技术人员理解的方向。这些方向性术语用于相对的描述和澄清，而不是要将任何实施例的定向限定到具体的方向或定向。

以上例子主要说明了本发明的铁电存储器及其操作方法和制备方法，尤其说明了读操作方法及原理。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。