| WO/2007/109046 | CROSS-POINT MEMORY ARRAY |
| WO/2004/084229 | PROGRAMMABLE RESISTANCE MEMORY DEVICE |
| JP2005311071 | SEMICONDUCTOR DEVICE AND ITS MANUFACTURING METHOD |
江安全 (中国上海市邯郸路220号, Shanghai 0, 200000, CN)
复旦大学 (中国上海市邯郸路220号, Shanghai 0, 200000, CN)
JIANG, Anquan (No. 220 Handan Road, Shanghai 0, 200000, CN)
| 权 利 要 求 1. 一种铁电阻变存储器， 包括上电极和下电极， 其特征在于， 还包括设置于所述上电极和所述下电极之间的用作存储功能层的铁 电半导体薄膜层； 其中， 所述铁电半导体薄膜层可被操作地通过电畴产生二极管导 通特性、 并可被操作地通过所述电畴的变化调制所述二极管导通特 性； 所述铁电阻变存储器根据所述二极管导通特性的调制变化存储信 息。 2. 如权利要求 1 所述的铁电阻变存储器， 其特征在于， 所述上 电极为 Pt、 Au、 Ir、 Ti或 TaN的金属层， 或者为以上所述金属层所组 成的金属复合层， 或者为 SrRu03、 Ir02、 LaNi03的金属氧化物电极。 3. 如权利要求 1 所述的铁电阻变存储器， 其特征在于， 所述下 电极为 Pt、 Au、 Ir、 Ti或 TaN的金属层， 或者为以上所述金属层所组 成的金属复合层， 或者为 SrRu03、 Ir02、 LaNi03的金属氧化物电极。 4. 如权利要求 1 所述的铁电阻变存储器， 其特征在于， 所述铁 电半导体薄膜层为 BiFe03、 BaTi03、 SrBi2Ta209、 （Ba,Sr)Ti03、 Pb(Zr,Ti)03或 Bi3 25La0.75TiO12。 5. 如权利要求 1 所述的铁电阻变存储器， 其特征在于， 所述铁 电半导体薄膜层为主要由铁电氧化物与半导体材料纳米晶所组成的 复合结构薄膜层。 6. 如权利要求 5 所述的铁电阻变存储器， 其特征在于， 所述铁 电氧化物为 BiFe03、 BaTi03、 SrBi2Ta209 ( Ba， Sr ) Ti03、 Pb(Zr,Ti)03 或 Bi3.25La。.75Ti012， 或者为以上所述及的铁电氧化物的组合； 所述半 导体纳米晶为所述铁电氧化物中的相应过量组分形成的金属氧化物 半导体， 或者为铟锡金属氧化物或氧化锌。 7. 如权利要求 1 所述的铁电阻变存储器， 其特征在于， 所述铁 电半导体薄膜层的厚度范围为 5纳米至 500纳米。 8. 一种如权利要求 1 所述的铁电阻变存储器的制备方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： ( 1 )构图形成所述下电极； ( 2 )在所述下电极上构图形成所述铁电半导体薄膜层； 以及 ( 3 )在所述铁电半导体薄膜层上构图形成所述上电极。 9. 如权利要求 8所述的制备方法， 其特征在于， 步骤 （2 ) 中， 通过脉沖激光淀积、 溶胶-凝胶、 分子束外延、 金属有机化学气相淀 积、 原子层淀积或者磁控溅射生长形成。 10. 一种如权利要求 1所述的铁电阻变存储器的操作方法， 其特 征在于， 在写 "0" I " 1 " 操作中， 在上电极和下电极之间偏置负向脉冲 电信号以实现在所述铁电半导体薄膜层中产生负向电畴、 进而产生负 向导通的二极管导通特性； 在写 " Γ I "0" 操作中， 在上电极和下电极之间偏置正向脉沖 电信号以实现在所述铁电半导体薄膜层中正向电畴、 进而产生正向导 通的二极管导通特性； 以及 /或者 在读操作中， 在上电极和下电极之间偏置读电压信号， 读取流经 所述铁电半导体薄膜层的电流大小以实现存储信息的读取。 1 1. 如权利要求 10 所述的操作方法， 其特征在于， 所述电信号 为电压脉冲信号。 12. 如权利要求 1 1 所述的操作方法， 其特征在于， 所述电压脉 冲信号的电压大于使电畴翻转的矫顽电压； 所述读电压信号的读电压 小于使电畴翻转的矫顽电压。 13. 如权利要求 11 所述的操作方法， 其特征在于， 所述电压脉 冲信号的电压正比于所迷铁电半导体薄膜层的厚度。 |
本发明属于存储器技术领域， 尤其涉及一种基于铁电半导体薄膜 层的铁电阻变存储器 ( Ferro-Resistive Random Access Memory , Ferro-RRAM ) 、 该铁电阻变存储器的操作方法和制备方法。 背景技术
非易失性 （nonvolatile ) 存储器是一种在断电情况仍可以保存信息 存储器， 其在便携式电子设备等中被广泛应用并在整个 存储器市场中的 份额也越来越大。 目前， 市场上的非易失性存储器仍以闪存 （FLASH ) 为主。 但是， 由于闪存的存储电荷的要求， FLASH的浮栅不能随技术代 发展无限制减薄，有报道预测 FLASH技术的极限在 32nm左右， 这就迫使 人们寻找性能更为优越的新型非易失性存储器 。
已经被提出的新型非易失性存储器中， 主要有铁电存储器
( Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM )、磁存储器 ( Magnetic Random Access Memory, MRAM )、相变存储器 ( Phase Change Random Access Memory , PRAM ) 以及阻变存者器 ( Resistive Random Access Memory, RRAM ) 等类型。 其中， 相变存储器和阻变存储器都是通过 偏置读电压时所读出的电流大小来区分信息状 态， 因此， 行业也通常将 二者统称为基于电阻的存储器。
其中， 传统的铁电存储器主要是利用铁电电容中的铁 电极化 ( polarization )来存储信息，例如，铁电存储单元有 1T1C和 2T2C结构（其 中， T为选通管、 C为铁电电容） 。 在该铁电电容中， 铁电材料是用作电 容的绝缘介质层， 并且铁电存储器中是基于该电容的电荷变化来 存储信 息。 因此， 传统铁电存储器的电容单元面积太大， 参考电容单元不能和 铁电电容按同样的速度缩小， 难以形成高密度存储器， 并且具有严重的 破坏性读出导致器件可靠性降低的缺点。 发明内容
本发明的目的在于提出一种新型的非破坏读取 的铁电阻变存储 器。
确认本 按照本发明的一方面，提供一种铁电阻变存储 器，其包括上电极、. 下电极、 以及设置于所述上电极和所述下电极之间的用 作存储功能层 的铁电半导体薄膜层；
其中， 所述铁电半导体薄膜层可被操作地通过电畴产 生二极管导 通特性、 并可被操作地通过所述电畴的变化调制所迷二 极管导通特 性； 所述铁电阻变存储器根据所述二极管导通特性 的调制变化存储信 息。
较佳地， 所述上电极为 Pt、 Au、 Ir、 Ti或 TaN的金属层， 或者为 以上所述金属层所组成的金属复合层， 或者为 SrRu0 3 、 Ir0 2 、 LaNi0 3 的金属氧化物电极。
较佳地， 所述下电极为 Pt、 Au、 Ir、 Ti或 TaN的金属层， 或者为 以上所述金属层所组成的金属复合层， 或者为 SrRu0 3 、 lrO 2 LaNi0 3 的金属氧化物电极。
按照本发明提供的铁电阻变存储器的一实施例 ， 其中， 所述铁电 半导体薄膜层为 BiFe0 3 、 BaTi0 3 、 SrBi 2 Ta 2 0 9 、（Ba,Sr)Ti0 3 、 Pb(Zr,Ti)0 3 或 Bi 3 . 25 La 0 .7 5 Ti 3 Oi2。
按照本发明提供的铁电阻变存储器的又一实施 例， 其中， 所述铁 复合结构薄膜层。
较佳地， 所述铁电氧化物为 BiFe0 3 、 BaTi0 3 、 SrBi 2 Ta 2 0 9 ^ ( Ba,
Sr ) Ti0 3 、 Pb(Zr,Ti)0 3 或 Bi 3 . 25 La。. 75 Ti 3 0 12 , 或者为以上所迷及的铁电 氧化物的組合； 所述半导体纳米晶为所迷铁电氧化物中的相应 过量組 分形成的金属氧化物半导体， 或者为 ITO或氧化锌。
较佳地，所述铁电半导体薄膜层的厚度范围为 5纳米至 500纳米。 按照本发明的又一方面， 提供一种以上所述及的铁电阻变存储器 的制备方法， 其包括以下步骤：
( 1 ) 构图形成所述下电极；
( 2 ) 在所述下电极上构图形成所述铁电半导体薄膜 层； 以及
( 3 )在所述铁电半导体薄膜层上构图形成所述上 极。
较佳地， 步骤 （2 ) 中， 通过脉沖激光淀积、 溶胶-凝胶、 分子 束外延、金属有机化学气相淀积、原子层淀积 或者磁控溅射生长形成。
按照本发明的再一方面， 提供一种以上所述及的铁电阻变存储器 的操作方法， 其中，
在写 "0" I " 1 " 操作中， 在上电极和下电极之间偏置负向脉冲 电信号以实现在所述铁电半导体薄膜层中产生 负向电畴、 进而产生负 向导通的二极管导通特性；
在写 " Γ I "0" 操作中， 在上电极和下电极之间偏置正向脉沖 电信号以实现在所述铁电半导体薄膜层中正向 电畴、 进而产生正向导 通的二极管导通特性； 以及 /或者
在读操作中， 在上电极和下电极之间偏置读电压信号， 读取流经 所述铁电半导体薄膜层的电流大小以实现存储 信息的读取。
较佳地， 所述电信号为电压脉冲信号。
较佳地， 所述电压脉冲信号的电压大于使电畴翻转的矫 顽电压； 所述读电压信号的读电压小于使电畴翻转的矫 顽电压。
按照本发明提供的操作方法， 其中， 所述电压脉冲信号的写电压 正比于所述铁电半导体薄膜层的厚度。
本发明的技术效果是， 本发明提供的铁电阻变存储器区别于传统 的 FeRAM的存储机理， 并且也不同于 RRAM的存储机理， 其具有结 构简单、 制备方法简单、 可非破坏性读出、 且非易失性存储的特点。 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它目的 及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要 素采用相同的标号表示。
图 1是按照本发明实施例提供的铁电阻变存储器 基本结构示意 图；
图 2是制备图 1所示铁电阻变存储器的方法流程实施例示意 ； 图 3是图 1所示铁电阻变存储器的电学特性示意图；
图 4是铁电阻变存储器的极化 -电压 （P-V ) 滞回曲线和二极管 电流的比对示意图；
图 5是铁电阻变存储器的数据保持特性示意图；
图 6是图 1所示铁电阻变存储器的等效电路图。 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， 并且， 由于 刻蚀引起的圓润等形状特征未在附图中示意出 。
在以下实施例中， "正向" 和 "负向，， 是相对于上电极定义的， 例如， 在上电极上偏置正电压时， 定义为 "正向" 电压， 极化的方向、 电畴的方向、 电流的方向等也依此来定义。
图 1所示为按照本发明实例提供的铁电阻变存储 的基本结构示 意图。 以下结合图 1所示对该发明实例的铁电阻变存储器 100进行具 体说明。
如图 1所示， 铁电阻变存储器 100包括下电极 103、 铁电半导体 薄膜层 102以及上电极 101。 下电极 103具体地可以选择为铂（ Pt ) 、 金 Au、 铱（Ir ) 、 钛（Ti ) 、 TaN等金属层， 或者可以选择为以上金 属层所组成的金属复合层， 还可以选择为 Ir0 2 、 LaNi0 3 或钌酸锶 ( SrRu0 3 ) ； 在该实例中， 下电极 103为单晶钌酸锶（SrRu0 3 ) 。 另 外， 下电极可以在衬底上生长形成， 例如对于单晶钌酸锶 （SrRu0 3 ) 作为下电极的情形， 优选地， 下电极 103 的生长衬底为晶向 （ 100 ) 钛酸锶 （ SrTi0 3 ) 。 下电极 103还可以在 Si衬底或者 Si/Si0 2 复合层 的村底上生长形成。
上电极 101具体地可以选择为铂（Pt )、金 Au、铱（Ir )、钛（ Ti )、
TaN等金属层， 或者可以选择为以上金属层所组成的金属复合 层， 还 可以选择为 Ir0 2 、 LaNiO 3 或钌酸锶（ SrRu0 3 )； 在该实例中， 上电极 101为 Pt的金属层。
铁电半导体薄膜层 102被置于上电极 101和下电极 103之间， 铁 电半导体薄膜层 102可以为铁酸铋（BiFe0 3 ) 、 钛酸钡 （ BaTi0 3 ) 、 SrBi 2 Ta 2 0 9 、 Pb(Zr,Ti)0 3 、 （Ba,Sr ) Ti0 3 、 或 Bi 3 . 25 La。. 75 Ti 3 0 12 等钙钛 矿结构半导体铁电材料的单层薄膜。 需要说明的是， 以上铁电材料的 单层薄膜中， 可以掺入一定的功能微量元素 （掺杂） ， 在此不对所掺 入的微量元素的种类进行列举。 另外， 电半导体薄膜层 102的厚度范 围可以为 5-500纳米， 其厚度大小的具体选择因素将在以下揭示。
与其它铁电材料类型一样， 铁电半导体薄膜层 102首先具有铁电 极化特性。 另外， 其同时又具有半导体特性， 因此， 在上电极和下电 极之间偏置电压信号 （例如电压脉冲信号）使铁电半导体薄膜层 102 极化后， 铁电半导体薄膜层 102表面感生的电荷将使铁电半导体薄膜 层 102体内的载流子重新分布， 载流子的在铁电半导体薄膜层 102内 的区域集聚使其可能在体内产生势垒差， 从而形成二极管导通特性， 也即电畴 （domain ) 使铁电半导体薄膜层 102产生二极管导通特性。 此时， 铁电半导体薄膜层 102可以等效为某一方向导通的二极管。
并且， 随着在上电极和下电极之间偏置电压的方向变 化（也即电 压脉冲信号的正负方向变化） , 铁电半导体薄膜层 102的极化方向发 生变化， 也即电畴发生变化， 铁电半导体薄膜层 102体内的载流子再 次重新分布， 铁电半导体薄膜层 102体内的势垒分布也发生变化， 从 而使二极管的导通方向发生变化， 此时， 铁电半导体薄膜层 102可以 等效为另一方向导通的二极管。 该铁电阻变存储器 100的具体存储机 理将在其后实例中进一步详细描述。
图 2所示为制备图 1所示铁电阻变存储器的方法流程实施例示意 图。 结合图 1和图 2所示对该制备方法实施例进行详细说明。
首先， 步骤 S110, 提供单晶钛酸锶用作下电极的村底。
在该实施例中， 单晶钛酸锶的晶向为 （ 100 ) ， 在单晶钛酸锶上 可以另外生长薄膜层 （例如钌酸锶） ， 从而可以形成铁电阻变存储器 的下电极 103 , 因此， 单晶钛酸锶是用作下电极的村底。 在其它实施 例中， 也可以选择其它材料用作下电极的衬底， 例如， Si、 或者在 Si 上生长 Si0 2 的复合结构衬底 ( Si/Si0 2 ) 。
进一步， 步骤 S120, 外延生长钌酸锶以形成下电极。
在该实施例中， 在单晶钛酸锶上外延生长钌酸锶薄膜层从而形 成 下电极 103 ,钌酸锶薄膜层的具体厚度可以在 50-150纳米的厚度范围， 但是， 这不是限制性的。 钌酸锶薄膜层的生长方法也不限于外延生长 法， 在其它实例中， 其还可以为脉冲激光淀积、 溶胶-凝胶法、 MBE (分子束外延） 、 MOCVD (金属有机化学气相淀积） 、 ALD (原子 层淀积）或者磁控溅射等适合生长氧化物的物 理和化学薄膜制备方法 生长。 下电极的材料种类也不限于钌酸锶， 在其它实施例中， 单晶钛 酸锶上生长的下电极材料还可以为镍酸镧或金 属薄膜层。
进一步，步骤 S130,脉冲激光淀积（ Pulsed Laser Deposition, PLD ) 生长铁酸铋薄膜层作为存储功能层。 • 在该实施例中， 铁酸铋薄膜层为半导体薄膜层， 其厚度范围可以 为 5-500纳米。具体地， PLD生长的条件可以为：氧气压力为 10-30Pa, 激光量为 l-1.5J/cm 2 。 铁酸铋薄膜层的具体生长方法也不是限制性的 ， 例如， 在其它实例中， 可以用脉沖激光淀积、 溶胶-凝胶法、 MBE、 MOCVD, ALD或者磁控溅射等适合生长氧化物的物理和化 学薄膜制 备方法生长， 本领域技术人员可以通过控制具体的生长条件 ， 使铁酸 铋薄膜层具有半导体薄膜特性。 在此， 铁酸铋薄膜层为同时具有铁电 极化特性和半导体特性的铁电半导体薄膜层 102,并用作存储功能层。 但是， 铁电半导体薄膜层 102的具体材料种类并不受本实施例限制， 在其它实施例中， 铁电半导体薄膜层 102还可以为铁酸铋（BiFe0 3 ) 、 钛酸钡 （BaTi0 3 ) 或 SrBi 2 Ta 2 0 9 、 Pb(Zr,Ti)0 3 、 （ Ba。,Sr ) Ti0 3 、 或 Bi 3 . 25 La Q . 75 Ti 3 0 12 铁电半导体材料。
进一步， 步骤 S140, 溅射生长铂金属上电极。
在实施例中， 选择单层结构的铂金属作为上电极 101， 具体地， 通过直流磁控溅射生长铂金属层，铂金属的厚 度范围为 100-150纳米。 但是， 上电极的材料种类及其生长方法并不受本发明 实施例限制。 例 如， 在其他实例中， 上电极 101还可以为 Au、 Ir、 Ti或 TaN的金属 层， 或者为以上述及金属层所组成的金属复合层， 上电极 101还可以 为 SrRu0 3 、 Ir0 2 、 LaNi0 3 的金属氧化物电极。
至此， 图 1所示的铁电阻变存储器 100基本形成。 图 3所示为图 1所示铁电阻变存储器的电学特性示意图。 对图 2 所示方法制备形成的铁电阻变存储器进行了电 学特性测量。 如图 3所 示， 在该实例中， 在上电极 101和下电极 103之间偏置正向电压脉冲 (例如， 脉冲高度为 + 18V、 脉冲时间为 5微秒）时， 铁电半导体薄膜 层 102 (例如铁酸铋薄膜） 将被正向极化形成正畴， 铁电半导体薄膜 层 102中的载流子在其电畴的作用下形成正向导通 的二极管特性； 相 反地， 在上电极 101和下电极 103之间偏置负向电压脉冲 （例如， 脉 冲高度为 -18V、 脉冲时间为 5微秒） 时， 铁电半导体薄膜层 102 (例 如铁酸铋薄膜）将被负向极化形成负畴， 铁电半导体薄膜层 102中的 载流子在其电畴的作用下形成负向向导通的二 极管特性。 因此， 在正 向极化操作后和在负向极化操作后， 分别以同一电压偏置于上电极 101和下电极 103之间时， 可以读取出不同的电流， 在该发明中， 以 该电流信息作为存储信息， 例如， 上电极 101偏置 +4V作为读取电压 时， 正向极化后的电流密度为 ImA/cm 2 左右； 其可以定义为存储状态 " 1 " ( "on" ,低阻态）； 同时， 负向极化后的电流密度为 l(T 2 mA/cm 2 左右， 其可以定义为存储状态 "0" ( "off ， 高阻态）。 因此，在 +4V 处， 其存储状态 "0" 和 " Γ 的电阻比达到 100: 1。 进一步， 可以将 以上所迷的正向极化操作和负向极化操作分别 定义为写 " 1 " 操作和 写 "0" 操作， 在该实例中， 写 "0" 和写 " 的写电压分别为 -18V 和 +18V。 因此， 铁电阻变存储器 100可以通过电压脉冲信号改变铁电 双稳极化状态实现写操作， 并可以偏置读电压来读取电流信号实现信 息读取。 因此， 铁电阻变存储器 100是基于电阻的存储器， 并且是非 易失性存储， 其读取具有非破坏性 （nondestructive ) 。 在此， 写操作 的电压脉冲信号大于使电畴翻转的矫顽电压。 需要说明的是， 铁电阻变存储器 100的读电压大小并不受以上实 例限制。 本领域技术人员可以根据 " 1 " "0" 状态的电流比 （on/off ratio ) 、 读功 毛等因素选择读电压， 例如， 也可以在 -0.1—- 4V范围中 选取读电压， 此时， 负向极化后读取的电流大于正向极化后读取的 电 流， 因此， 分别定义为存储状态 " 1 " 和 "0" 。 为避免读取数据时出 现误写操作， 一般读电压相对小于使电畤翻转的矫顽电压。 并且， 在 该实施例中， 写操作电压是正比于铁酸铋薄膜的厚度， 例如， 写操作 电压随铁酸铋薄膜的厚度的减小而减小， 本领域技术人员可以根据这 个因素来具体选择铁酸铋薄膜的厚度尺寸。 图 4所示为铁电阻变存储器的极化-电压 （P-V ) 滞回曲线和二 极管电流的比对示意图。 其中， 图 4 ( a )为 P-V滞回（ hysteresis loop ) 曲线示意图， 图 4 ( b ) 为电流密度-电压 （J-V ) 滞回曲线示意图。 在该实施例中， P- V滞回曲线是基本对称的， 在 0伏时的剩余极化强 度 P r 基本在 ± 60 C/cm 2 。 对比图 4 ( a ) 和图 4 ( b ) 可以发现， 铁电 半导体薄膜层的电流随电压的变化基本上与电 畴随电压的变化的步 调一致， 反映出铁电半导体薄膜层的电畴的变化可以调 制二极管的电 流的变化， 也即， 以上所迷及的二极管导通特性的变化是由于电 畴的 变化所引起。 因此， 该发明的铁电阻变存储器 100的存储机理既完全 不同于常规的 RRAM的存储机理（例如， 氧空位的电迁移或者导通路 径的建立或断裂），也完全不同于其它铁电阻 变存储器的存储机理（在 其它铁电阻变存储器中， 铁电薄膜材料是用作介质层而不是半导体薄 膜层， 其读电流是通过介质层的遂穿效应实现， 通过势垒的变化来调 制读电流大小） ， 并且其它已有的铁电阻变存储器中， 由于是利用铁 电介质层的遂穿电流来实现信息读取， 通常其电流较小 （例如 3mA/cm 2 )， 存储信息难以被读出。 而在本发明的铁电阻变存储器中， 在通过降低铁酸铋薄膜的厚度（例如降至 270nm ) , 可以进一步提高 读电流的大小 (例如可以达到 5.4A/cm 2 , 但此时 on/off比减小） 。 图 5所示为铁电阻变存储器的数据保持特性示意 ，其中图 5( a ) 为 "on" 、 "off 状态的数据保持特性示意图， 图 5 ( b )对应为电 畴剩余极化随写操作次数的变化以及二极管电 流（J di 。 de ) 随写操作次 数的变化的示意图。 在该实例中， 写 "off" 的电压信号为 -lOV/l s的 电压脉沖， 写 "on" 的电压信号为 +10V/l s 的电压脉沖， 读电压为 -2.0V。 从图 5可见， 铁电阻变存储器 100具有良好的数据保持特性， 并从该图 5 ( b )进一步可以反映出以上所述及的电畴的变化 制二极 管导通特性。 图 6所示为图 1所示铁电阻变存储器的等效电路图。 将铁电半导 体薄膜层 102在剩余极化状态下可以等效为一个二极管， 二极管的导 通方向随极化方向变化， 也即随电畴的变化而变化。 因此， 在上电极 101 上偏置负电压脉冲后， 也即写 "0" 操作后， 铁电半导体薄膜层 102等效为反向导通的二极管； 在上电极 101上偏置正电压脉冲后， 也即写 " 1 " 操作后， 铁电半导体薄膜层 102 等效为正向导通的二极 管。 因此， 综上所述， 图 1所示的铁电阻变存储器与 RRAM—样， 其 为一个类似三明治的结构， 因此与 RRAIV [—样具有结构筒单的特点， 因此， 其制备方法也相对简单。 一个铁电阻变存储器 100与一个选通 管串联在一起可以形成一个存储单元， 多个存储单元按行和列的形式 排列可以形成存储阵列。 对于图 1所示的铁电阻变存储器 100, 可以采用以下方法进行操 作: 写 " 1 " 操作时， 在上电极 101上偏置 +18V/5 s的写电压， 铁电 半导体薄膜层 102中将发生正向极化， 产生正向电畴， 进而产生正向 导通的二极管导通特性； 写 "0" 操作时， 在上电极 101 上偏置 - 18V/5 s的写电压， 铁电 半导体薄膜层 102中将发生负向极化， 产生负向电畴， 进而产生负向 导通的二极管导通特性； 读操作时， 在上电极 101上偏置 IV左右的读电压， 在不同的二 极管导通特性的状态下，流经铁电半导体薄膜 层 102的电流大小不同； " 1 " 状态时， 铁电半导体薄膜层 102 等效为正向导通的二极管， 偏 置 IV 时的正向导通电流被读出； "0" 状态时， 铁电半导体薄膜层 102等效为负向导通的二极管， 偏置 IV时的反向电流被读出； 所读 出的电流与预定电流进行比较， 从而区分其存储状态。
在又一实施例中， 铁电半导体薄膜层 102可以为主要由铁电氧化 物与半导体纳米晶所组成的复合结构薄膜， 铁电氧化物可以为以下铁 电氧化物中的一种或两种以上铁电氧化物的组 合， 包括 BiFe0 3 、 BaTi0 3 、 SrBi 2 Ta 2 0 9 、 （Ba,Sr ) Ti0 3 、 Pb(Zr，Ti)0 3 或 Bi 3 . 25 0 75 TiO 12 等， 优选地， 所述半导体纳米晶为三氧化二铁等由构成铁电 氧化物中 的相应过量组分（例如， BiFe0 3 的相应过量组分为三氧化二铁， 钛酸 钡的相应过量组分为钡的氧化物， 所以钡的氧化物为其半导体纳米 晶）形成的金属氧化物半导体，这样半导体纳 米晶相对容易制备形成。 另外， 半导体纳米晶也可以为 ITO ( Indium Tin Oxide, 铟锡金属氧化 物） 、 氧化锌等非铁电氧化物組分元素所对应的半导 体。
具体实例中，复合结构薄膜可以为 BiFe0 3 /Fe 2 0 3 , Fe 2 0 3 纳米晶可 以在 BiFe0 3 纳米柱中垂直分布形成连接上下电极的纳米丝 。 BiFe0 3 /Fe 2 O 3 复合薄膜结构在不同的极化状态下， 类似于图 1 所示实 施例， 其中所夹杂的半导体纳米丝阻态发生可逆的转 化： 当写脉沖电压 大于电畴翻转的矫顽电压时， 电畴会沿电场方向取向； 这时沿着电畴的 方向施加一个较小的读电压 （小于铁电电畴的矫顽电压） ， 可以读出一 个电流信号， 所读出的电流的变化可达 100倍， 即表现出二极管的单向 导通特性。 该二极管的极性会随写电压或电畴的方向而发 生变化。 写电 压的大小和膜厚呈正比， 读电流的大小可通过单位体积内纳米丝的含量 进行调节。 通过改变铁电双稳极化状态， 记录 " 、 "0" 信息； 通 过利用以上二极管特性， 可以非破坏性读取所存储的逻辑信息。
需要说明的是， "0" 和 " 1 " 的数据状态的定义可以根据不同情况 进行变换。 备方法， 尽管只对其中一些本发明的实施方式进:了描 ， 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。