CN1316086A - FeRAM装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多个存储单元的FeRAM装置,其每一存储单元具有一只选择晶体管(2,3)和一只包含铁电介质的电容器件。该电容器件由至少两只电容器(C1,C2)组成,其矫顽电压(VC1,VC2)彼此不同。
Description
本发明涉及具有多个存储单元的FeRAM(铁电随机存取存储器或铁电写读存储器)装置，其每一存储单元具有一只选择晶体管和一只包含电介质的存储电容器件。
众所周知在FeRAM装置内信息通过存储单元的存储电容器的铁电介质的极化储存。这时利用铁电介质具有磁滞，所以在加电压时，相当于存在的两种极化状态的“零”信息可以长时间储存。
为了转换极化并因此把信息从一状态转换为另一状态，必须在电容器上加所谓矫顽电压Vc的一定的最小电压。
通常，力图用尽可能低的占有空间/存储单元制造存储器装置。所以本发明的任务是提供FeRAM装置，其中为了储存一比特需要尽可能小的空间。
在本文开始提到的类型的FeRAM装置中，本任务通过由至少两只电容器组成的电容器件解决，其矫顽电压彼此不同。
因此本发明采用与迄今为止的传统技术完全偏离的方法：代替由选择晶体管和(存储)电容器组成的FeRAM存储单元通过一定的技术措施实现尽可能小，如本来所期待的那样，对每一只晶体管安排多只电容器。如果一个存储单元例如具有一只选择晶体管和两只电容器，则它可以存储两比特。与由一只选择晶体管和一只电容器组成的、能储存一比特的传统的存储单元相比，因此储存一比特的占用空间实际上只占一半，因为新型存储单元几乎并不要求比现存的存储单元的面积更大。
在本发明的FeRAM装置中首先利用电容器的矫顽电压与介质材料以及其层厚有关。随后通过合适地选择材料和/或层厚可以把彼此并联的具有不同矫顽电压的电容器分配给一个选择晶体管，所以可以彼此独立地将信息串联地写入这些电容器或可以彼此独立地从这些电容器串联地读出。
此外，为了详细说明，应考虑具有一只选择晶体管和两只电容器C1和C2的一只存储单元。这时电容器C1应具有矫顽电压VC1和电容器C2应具有矫顽电压VC2，其中VC1＜VC2，这可以通过对介质的合适的材料选择和/或对介质的不同的层厚来实现。
在写入信息时，首先用比VC2大的高电压U把信息写入电容器C2。在这种写入过程中，或许也毁坏还在电容器C1内存在的信息。接着把处在VC1和VC2之间的较小电压加到存储单元上。通过这较小电压，信息被写入电容器C1，而电容器C2不再接通。因此在两电容器C1和C2内可以储存不同的信息。
在从该存储单元读出信息时，以相反方式进行：首先把处于VC1和VC2之间的小的电压加到存储单元上。通过这小的电压，接通电容器C1，使得测定其极化电流，并因此可以确定所储存的极化方向。接着加上大于VC2的高电压U。因此以相应方式将信息从电容器C2读出。之后根据上述过程可以毫无问题地将信息重写入电容器。
虽然通过串联读和写，本发明的FeRAM装置比现有的装置慢。但是许多应用中如果力图特别小的占据空间时这缺点可以容忍。
为了进一步深入上述例子，在本发明的FeRAM装置中具有意义：在加上低于VC2的电压时电容器C2的铁电介质不是大部分已经改变极化。然而小的极化损耗是可以接受的，因为电容器C2可以只通过两次开关过程(写和读)受电容器C1影响。应强调在良好地满足这个假设时，也可以在一个存储单元内提供多于两只具有“等级”的矫顽电压VC的电容器，以便每只选择晶体管储存多于两比特。
对电容器优选的介质是SrBi2Ta2O9(SBT),SrBi2(Ta1-xNbx)2O9(SBTN)或其它的SBT衍生物，PbZr1-xTixO3(PZT)或PbZr1-xTixLayO3。介质的合适层厚约为30-250nm，优选方式约为180nm。Pt,Ir,Ru,Pd或其氧化物或LaSrCoOx或LaSnOx可以用于作电容器的电极。
电容器可以具有必要时公共存储器节的公共端(“插头”)。但是电容器具有不同的存储器节和不同的公共极板，并且通过由例如氧化硅构成的中间绝缘层彼此隔离也是可能的。存储器节也可以经一金属弓形夹(Metallbuegel)与选择晶体管连接。
本发明依靠附图详细说明如下。即：
图1示出具有公共存储器节的本发明第1实施例的图示剖面，
图2示出具有分立存储器节和分立共用的极板的本发明第2实施例的图示剖面和
图3示出具有在电容器公共存储器节和选择晶体管之间的金属弓形夹的本发明第3实施例的图示剖面。
图内彼此相应的部分分别用同一参考符号。为了更清晰，也未示出绝缘层。
图1用简图示出在硅半导体本体1内的一个具有源极2和漏极3的选择晶体管，在源极和漏极之间在例如由氧化硅构成的未示出的绝缘层上有一字线WL通过。漏极3经由例如金属制成的，例如WolFeRAM或铝或掺杂多晶硅，一公共插头(“插塞”)4与具有两只叠层电容器C1,C2的存储器节5连接，这两只叠层电容器由第1公共极板8，第1介质6和存储器节6构成及由第2公共极板9，第2介质7和存储器节6组成。极板8,9可以彼此连接在一起。
介质6,7是如此选择或设计，使得电容器C1的矫顽电压VC1与电容器C2的矫顽电压VC2不同。这可以如本文开始所说明的，通过不同的层厚和/或不同的介质6,7材料实现。合适的材料例如是SBT,SBTN,PZT和PLZT，而合适的层厚范围为30-250nm，优选约180nm。但显然其它的层厚也是可能的。
例如在3V电压、180nm层厚SBT和SBTN(铌占28％)的情况下矫顽电压VC为0.65V(SBT)或1V(SBTN)。
对电容器电极，即对公共极板8,9和存储器节5的合适材料是Pt、Pd、Rh、Au、Ir、Ru、其氧化物，LaSrCoOx和LaSuOx。
其它变形例也是可能的，其中在叠层的“中间”提供公共极板(如存储器节5)和两存储节(相当于极板8,9)连接到插塞4上。
所述材料适合于所有实施例。
图2示出一实施例，其中，两电容器C1,C2除极板8,9之外具有与插塞4连接的不同的存储器节11,12。这里电容器彼此通过未详细示出的由例如氧化硅制成的绝缘层隔离。
图3示出一实施例，其中，公共存储器节5经由插塞16(例如由掺杂多晶硅或铝)构成的金属弓形夹与漏极3连接。此外，在这儿示出了对位线14的接触12(由与接触13同一材料构成)。
本实施例的电容器C1,C2也可以如此改变，正如上面对图1的变形例所示和对图2实施例所说明的。
Claims (11)
1．具有多个存储单元的FeRAM装置，其每一存储单元具有一只选择晶体管(2,3)和一只具有铁电介质的电容器件，其特征为，
电容器件由至少两只电容器(C1,C2)组成，其矫顽电压彼此不同。
2．根据权利要求1所述的FeRAM装置，其特征为，
电容器(C1,C2)的介质(6,7)由不同材料构成。
3．根据权利要求1所述的FeRAM装置，其特征为，
电容器(C1,C2)的介质(6,7)具有彼此不同的层厚。
4．根据权利要求2所述的FeRAM装置，其特征为，
电容器(C1,C2)的介质(6,7)由SrBi2Ta2O9(SBT),SrBi2(Ta1-xNbx)2O9(SBTN)或其它SBT衍生物，PbZr1-xTixO3(PZT)或PbZr1-xTixLayO3构成。
5．根据权利要求2到4之一所述的FeRAM装置，其特征为，
介质(6,7)的层厚约为30到250nm。
6．根据权利要求5所述的FeRAM装置，其特征为，
介质层厚约为180nm。
7．根据权利要求2到6之一所述的FeRAM装置，其特征为，
电容器(C1,C2)的电极(5,8,9)由Pt,Pd,Rh,Au,Ir,Ru或其氧化物或LaSrCoOx或LaSnOx构成。
8．根据权利要求1到7之一所述的FeRAM装置，其特征为，
电容器(C1,C2)具有一公共存储器节(5)。
9．根据权利要求1到7之一所述的FeRAM装置，其特征为，
电容器(C1,C2)具有不同的存储器节(10,11)和不同的公共极板(8,9)，并且通过中间绝缘层彼此隔离。
10．根据权利要求8或9所述的FeRAM装置，其特征为，
存储器节(5,10,11)经一金属弓形夹(Metallbuegel)(16,15,13)与选择晶体管(2,3)相连。
11．根据权利要求2到10之一所述的FeRAM装置，其特征为，
电容器具有一公共端(插头)(4)。
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