DE10250357A1 - Ferroelektrische Speicherzelle - Google Patents
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Abstract
Die erfindungsgemäße ferroelektrische Speicherzelle weist eine ferroelektrische Tunnelschicht (FeTL) auf, welche zusammen mit einem ersten elektrisch leitenden Bereich (1) und mit einem zweiten elektrisch leitenden Bereich (2) die ferroelektrische Speicherzelle bildet. Dabei ist die ferroelektrische Tunnelschicht (FeTL) zwischen den beiden elektrisch leitenden Bereichen (1, 2) angeordnet.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine ferroelektrische Speicherzelle. Ferroelektrische Speicherzellen sind, als funktionsbestimmende Bestandeile von integrierten Halbleiterspeichern, der Fachwelt mittlerweile hinreichend bekannt.
- Beispielsweise aus der
US 2002/0125523 A1 ist eine ferroelektrische Speicherzelle bekannt, welche aus einem Auswahltransistor und einem ferroelektrischen Kondensator aufgebaut ist. Dielektrikum eines solchen ferroelektrischen Kondensators ist dabei eine ferroelektrische Schicht. Zum Beschreiben einer solchen Speicherzelle wird an die ferroelektrische Schicht des ferroelektrischen Kondensators ein elektrisches Feld angelegt, welches größer ist als die Koerzitivfeldstärke der ferroelektrischen Schicht. Dadurch erfährt die ferroelektrische Schicht eine remanente Polarisation. Je nach Richtung des angelegten elektrischen Feldes entspricht die dadurch entstehende remanente Polarisation dem Einschreiben bzw. Speichern einer Information "log. 0" oder dem einer Information "log. 1". Zum Auslesen einer so gespeicherten Information wird an die ferroelektrische Schicht ein elektrisches Feld angelegt, welches größer ist als das Koerzitivfeld der ferroelektrischen Schicht. Der dabei auftretende transiente Strom wird aufintegriert. Das Ergebnis wird entsprechend ausgewertet. Bei diesem Auslesen wird jedoch der Zustand der ferroelektrischen Schicht, d. h., der "Inhalt" der ferroelektrischen Speicherzelle, verändert. Deshalb nennt man diese Art von Auslesen auch „destruktives Auslesen" (vgl. dazu auch J. F. Scott, „Ferroelectric Memories", Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2000, S. 34). - Folge eines destruktiven Auslesens ist, wie allgemein bekannt, dass nach erfolgtem Auslesen die ursprünglich in der Speicherzelle gespeicherte Information zerstört ist und des halb wieder in die Speicherzelle einzuschreiben ist. Dies ist jedoch von Nachteil, weil ein (erneutes) Einschreiben von Information sowohl Zeit benötigt wie auch Energie. Beides sind jedoch bei integrierten Halbleiterspeichern kostbare Güter, mit denen so sparsam wie möglich umgegangen werden sollte. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das ferroelektrische Material der Speicherzelle bei jedem Schreibvorgang gleichzeitig auch einem ferroelektrischen Ermüdungsvorgang unterliegt. Eine ferroelektrische Speicherzelle läßt sich aus diesem Grunde erfolgreich nur einer begrenzten Anzahl von Schreibvorgängen unterziehen (ca. 1012 bis 1015 mal). Wenn nun, wie dies bei herkömmlichen ferroelektrischen Speicherzellen mit destruktivem Lesevorgang der Fall ist, einem solchen Lesevorgang ein Wiedereinschreibvorgang folgt, so hat dies zur Folge, dass die oben genannte fortschreitende ferroelektrische Ermüdung nicht nur bei einem „echten" Einschreiben von Information in eine solche ferroelektrische Speicherzelle auftritt, sondern auch bei einem solchen Wiedereinschreibvorgang. Aus diesem Grund ist die Lebensdauer einer solchen ferroelektrischen Speicherzelle, d. h., der Zeitraum, über den hinweg sie funktionsfähig ist, nicht nur durch die Anzahl „echter" Schreibvorgänge (d. h., die Anzahl solcher Schreibvorgänge, bei denen Information erstmals oder neu in eine Speicherzelle eingeschrieben wird) begrenzt, sondern auch und vor allem durch die Anzahl destruktiver Lesevorgänge.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine ferroelektrische Speicherzelle zu schaffen, die schneller betreibbar ist als herkömmliche ferroelektrische Speicherzellen, die dabei weniger Energie benötigt und die eine höhere Lebensdauer aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch eine ferroelektrische Speicherzelle gelöst, die eine ferroelektrische Tunnelschicht aufweist, welche zwischen einem ersten elektrisch leitenden Bereich und einem zweiten elektrisch leitenden Bereich angeordnet ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzelle ist, dass der Lesevorgang nicht-destruktiv durchführbar ist mit der Folge, dass bei einem solchen nicht-destruktiven Lesezugriff die in die ferroelektrische Speicherzelle ursprünglich eingeschriebene Information beim Auslesen erhalten bleibt, so dass sie nach einem Lesezugriff nicht wieder eingeschrieben zu werden braucht. Somit kann Zeit eingespart werden. Und weil die ausgelesene Information nicht erneut in die ferroelektrische Speicherzelle eingeschrieben werden muss, kann diesbezüglich auch kein ferroelektrischer Ermüdungsvorgang eintreten. Nicht-destruktive Lesevorgänge können somit beliebig häufig durchgeführt werden, ohne dass eine (nennenswerte) ferroelektrische Ermüdungserscheidung auftritt. Weiterhin wird dieser nicht-destruktive Lesevorgang bei einer an die Speicherzelle anzulegenden Spannung durchgeführt, welche deutlich geringer ist als eine entsprechende Lesespannung beim bekannten destruktiven Auslesen. Somit lässt sich auch (elektrische) Energie einsparen.
- Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- Die
1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, - die
2 und3 vorteilhafte Weiterbildungen der ersten Ausführungsform, - die
4 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform, und - die
5 und6 vorteilhafte Weiterbildungen der zweiten Ausführungsform. - Die ferroelektrische Speicherzelle nach
1 , die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ist aus einer ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL, einem ersten elektrisch leitenden Bereich1 und einem zweiten elektrisch leitenden Bereich2 gebildet. Der erste elektrisch leitende Bereich1 mag dabei als Wortleitung oder Anschluss an eine Wortleitung eines integrierten Halbleiterspeichers dienen. Entsprechend mag der zweite elektrisch leitende Bereich2 als Bitleitung oder als Anschluss an eine Bitleitung des integrierten Halbleiterspeichers dienen. Ferroelektrische Tunnelschichten als solche sind bekannt. Dazu wird insbesondere auf den Artikel "Structural and Ferroelectric Properties of Epitaxial PbZr0.52Ti0.48O3 and BaTiO3 Thin Films Prepared on SrRuO3/SrTiO3(100) Substrates" von Contreras, Schubert, Poppe, Trithaveesak, Szot, Buchal, Kohlstedt und Waser verwiesen, der in Material Research Society Symposium Proceedings, Vol. 688, (2002) auf den Seiten 303 bis 308 veröffentlicht ist. In diesem Artikel werden Materialien und Schichtdicken diskutiert, bei denen der ferroelektrische Tunneleffekt eintritt. Auch ein Herstellprozess für ferroelektrische Tunnelschichten ist dort offenbart. - Bei Verwenden solcher ferroelektrischer Tunnelschichten im Rahmen von ferroelektrischen Speicherzellen ergeben sich mehrere Vorteile gegenüber traditionellen ferroelektrischen Speicherzellen, bei denen die ferroelektrischen Kondenstoren bekanntlich so dick dimensioniert sind, dass ferroelektrische Tunneleffekte nicht auftreten können: Beim Beschreiben und beim Auslesen von erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzellen treten große Tunnelstromdichten auf. Dies ermöglicht, dass zum Beschreiben nur eine relativ geringe Programmierspannung angelegt zu werden braucht, um das Ferroelektri kum in der gewünschten Richtung remanent zu polarisieren. Dadurch ergibt sich auch ein geringerer minimaler Platzbedarf für eine erfindungsgemäße Speicherzelle im Vergleich zu herkömmlichen ferroelektrischen Speicherzellen. Weiterhin kann zum Auslesen der Speicherzelle die anzulegende Lesespannung sehr gering gehalten werden. Da der Wert der Tunnelstromdichte, die sich beim Auslesen der Information einstellt, stark vom Polarisationszustand der ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL abhängig ist, lässt sich der Wert der ausgelesenen Information („log. 0" oder „log. 1") trotz niedriger Lesespannung zuverlässig bestimmen. Wegen des beim Auslesen auftretenden Tunneleffekts kann die Lesespannung geringer gehalten werden als eine Spannung, bei deren Anlegen sich der Polarisationszustand der Speicherzelle zu verändern beginnt, beispielsweise auf maximal die Hälfte dieser Spannung. Dies hat zur Folge, dass sich auch beim Auslesen Energie einsparen lässt. Es hat weiterhin zur Folge, dass sich beim Auslesen mittels einer derart niedrigen Spannung der Polarisationszustand der Speicherzelle nicht ändert, d. h., das Auslesen erfolgt zerstörungsfrei bezüglich der gespeicherten Information. Dies wiederum macht ein Zurückschreiben der ausgelesenen Information, im Gegensatz zum Auslesevorgang bei herkömmlichen ferroelektrischen Speicherzellen, überflüssig. Das Entfallen des Zurückschreibens wiederum hat zwei Vorteile: Zum einen entfällt der für ein Zurückschreiben erforderliche Energieaufwand. Zum Anderen entfällt aber auch der dafür notwendige Zeitaufwand, d. h., eine erfindungsgemäße ferroelektrische Speicherzelle ist schneller auslesbar als eine herkömmliche ferroelektrische Speicherzelle.
- Die ferroelektrische Speicherzelle nach
2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzelle nach1 : Zwischen den beiden elektrisch leitenden Bereichen1 ,2 und der ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL ist noch jeweils eine Elektrode el ange bracht. Diese dient einer verbesserten mechanischen und/oder elektrischen Verbindung der ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL und einem jeweiligen der beiden elektrisch leitenden Bereiche1 ,2 . Als Materialien für die Elektroden el eignen sich in der Regel alle auf dem Gebiet der Halbleitertechnik üblichen elektrisch leitenden Materialien wie Metalle, Metall-Legierungen und elektrisch leitende Halbleiter-Materialien wie Polysilizium oder Polysilizide. - Die in
3 dargestellte ferroelektrische Speicherzelle ist gegenüber der ferroelektrischen Speicherzelle nach2 nochmals weitergebildet: Zwischen dem zweiten elektrisch leitenden Bereich2 und der ihr zugeordneten Elektrode el ist eine Diode D angeordnet. Die Diode D kann als pn-Übergang, z. B. als sogenannter Schottky-Übergang, ausgebildet sein. Sie kann aber auch durch Übereinanderstapeln mehrerer ferroelektrischer Materialien gebildet sein, die voneinander verschiedene Werte für die Austrittsarbeit aufweisen. Ein Anbringen der Diode D verhindert ein ansonsten mögliches Auftreten von parasitären Leckströmen durch benachbarte ferroelektrische Speicherzellen hindurch: eine solche Diode D definiert die Durchlassrichtung (und somit auch die Sperrichtung) für einen Strom durch die Speicherzelle, so dass durch geeignete Wahl der Sperrichtung ansonsten gegebenenfalls auftretende Ströme durch aneinander angrenzende Speicherzellen verhindert werden können. - Den in den
1 ,2 und3 dargestellten Ausbildungen der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle ist gemeinsam, dass sich mehrere erfindungsgemäße Speicherzellen übereinander gestapelt anordnen lassen, so dass sich ein damit gebildeter integrierter Halbleiterspeicher entsprechend flächensparend aufbauen lässt. -
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzelle. Beispielsweise im Bereich eines Halbleitersubstrats SUB bzw. im Bereich von Isolierschichten Ox sind ein Transistor T und eine erfindungsgemäße ferroelektrische Speicherzelle angeordnet. Der Transistor T wirkt als Adressierelement für die Speicherzelle entsprechend dem Auswahltransistor einer üblichen, dynamischen Halbleiterspeicherzelle von 1-Transistor/1-Kondensator-Typ. Die ferroelektrische Speicherzelle ist, entsprechend der Ausführungsform nach2 , gebildet aus der ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL, den beiden elektrisch leitenden Bereichen1 und2 sowie zwei Elektroden el. Der eine elektrisch leitende Bereich1 ist im Betrieb mit einem gegebenen elektrischen Potential verbunden. Der andere elektrisch leitende Bereich2 ist gleichzeitig Source des Transistors T. Die Drain des Transistors T ist Teil einer z. B. als Diffusionsbahn ausgebildeten Bitleitung BL eines die ferroelektrische Speicherzelle enthaltenden integrierten Halbleiterspeichers. Entsprechend dient ein Abschnitt einer Wortleitung WL des integrierten Halbleiterspeichers als Gate des Transistors T. Die in4 dargestellten Bereiche des Substrats SUB und der Isolierschichten Ox und deren Ausführung und Anordnung sind als solche dem Fachmann auf dem Gebiet integrierter Schaltkreise, insbesondere auf dem Gebiet integrierter Halbleiterspeicher, bestens bekannt; sie sind deshalb nur rein schematisch angedeutet. Auch die Ausführungsformen bzw. Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Speicherzellen nach den1 bis3 sowie nach den noch zu beschreibenden5 und6 sind in Bereichen von Substrat und Isolierschichten angeordnet; aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dies jedoch dort nicht dargestellt bzw. lediglich durch entsprechende Bezugszeichen angedeutet. -
5 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der ferroelektrischen Speicherzelle nach4 : Dabei ist die Bitleitung BL des integrierten Halbleiterspeichers oberhalb von Transistor T und ferroelektrischer Speicherzelle geführt. Die Drain Dn des Transistors T ist dabei mit der Bitleitung BL über ein elektrisch kontaktierendes Element P1, üblicherweise als „Plug" bezeichnet, verbunden. - Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform der ferroelektrischen Speicherzelle zeigt
6 : Dabei ist zum Einen die Drain Dn des Transistors T, entsprechend der Ausgestaltung nach5 , über das elektrisch kontaktierende Element P1 mit der Bitleitung BL verbunden. Zum Anderen ist aber auch die Source des Transistors T als zweiter elektrisch leitender Bereich2 der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzelle über ein weiteres, ebenfalls elektrisch kontaktierendes Element P2 mit einer der Elektroden el der ferroelektrischen Speicherzelle verbunden. - Als ferroelektrische Tunnelschichten FeTL kommen die bekannten ferroelektrischen Materialien in Frage wie z. B. Oxide von Verbindungen aus Blei, Lanthan, Zirkon, Titan, Zink, Niob, Barium, Strontium, Germanium, Tantal und so weiter. Dem Fachmann auf dem Gebiet ferroelektrischer Materialien sind die entsprechenden Verbindungen als solche geläufig. Die elektrisch leitenden Bereiche
1 ,2 können aus Metall, aus Polysilizium oder, allgemein, auch aus Siliziden aufgebaut sein. Als Materialien für die Elektroden el kommen Schichten aus Strontium-Ruthenium-Oxid, Lanthan-Calzium-X-Oxid und Lanthan-Strontium-X-Oxid in Frage, wobei „X" für eines der Elemente Kupfer, Kobalt und Mangan steht. Es sind aber auch supraleitende Materialien wie Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid u. ä. möglich, die eine Perowskit-Struktur aufweisen, sowie Materialien wie Platin, Iridium, Ruthenium, oder deren Oxide oder Kombinationen davon. Es sind sogar halbleitende Materialien wie Polysilizium oder Silizide möglich. - Günstig ist es, wenn die ferroelektrische Tunnelschicht FeTL max. 15 nm dick ist.
Claims (11)
- Ferroelektrische Speicherzelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine ferroelektrische Tunnelschicht (FeTL) zusammen mit einem ersten elektrisch leitenden Bereich (
1 ) und mit einem zweiten elektrisch leitenden Bereich (2 ) die ferroelektrische Speicherzelle bildet, wobei die ferroelektrische Tunnelschicht (FeTL) zwischen den beiden elektrisch leitenden Bereichen (1 ,2 ) angeordnet ist. - Ferroelektrische Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrisch leitende Bereich (
1 ) Teil einer Wortleitung (WL) eines integrierten Halbleiterspeichers ist. - Ferroelektrische Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrisch leitende Bereich (
2 ) Teil einer Bitleitung (BL) des integrierten Halbleiterspeichers ist. - Ferroelektrische Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ferroelektrischen Tunnelschicht (FeTL) und wenigstens einem (
1 ;2 ) der beiden elektrisch leitenden Bereiche (1 ,2 ) eine Elektrode (el) angeordnet ist. - Ferroelektrische Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ferroelektrischen Tunnelschicht (FeTL) und einem der beiden elektrisch leitenden Bereiche (
1 ,2 ) eine Diode (D) angeordnet ist. - Ferroelektrische Speicherzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D) als Schottky-Übergang ausgebildet ist.
- Ferroelektrische Speicherzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D) durch Übereinanderstapeln von wenigstens zwei ferroelektrischen Schichten (F1, F2) gebildet ist, die voneinander verschiedene Werte für die Austrittsarbeit aufweisen.
- Ferroelektrische Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Transistor (T) aufweist, dessen eine den Transistorkanal begrenzende Elektrode der zweite elektrisch leitende Bereich (
2 ) der ferroelektrischen Speicherzelle ist, dessen andere den Transistorkanal begrenzende Elektrode entweder Teil einer Bitleitung (BL) eines Halbleiterspeichers vom ferroelektrischen Typ ist oder mit einer solchen elektrisch leitend verbunden ist, und deren Gate-Elektrode entweder Teil einer Wortleitung (WL) eines Halbleiterspeichers oder mit einer solchen elektrisch leitend verbunden ist. - Ferroelektrische Speicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Tunnelschicht (FeTL) maximal 15 nm dick ist.
- Verfahren zum Betreiben einer ferroelektrischen Speicherzelle, dadurch gekennzeichnet, dass an die ferroelektrische Speicherzelle, die eine ferroelektrische Tunnelschicht (FeTL) aufweist, eine Lesespannung angelegt wird, die maximal halb so groß ist wie eine Spannung, bei deren Anlegen sich eine remanente Polarisation einzustellen beginnt.
- Verwenden einer ferroelektrischen Tunnelschicht (FeTL), die von zwei elektrisch leitenden Bereichen (
1 ,2 ) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ferroelektrische Tunnelschicht (FeTL) samt der beiden elektrisch leitenden Bereiche (1 ,2 ) als ferroelektrische Speicherzelle verwendet werden.
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