DE10219396A1 - Semiconductor memory cell with storage capacitor consisting of two electrodes, sandwiching ferroelectric storage region containing several ferroelectric storage dielectric sections - Google Patents
Semiconductor memory cell with storage capacitor consisting of two electrodes, sandwiching ferroelectric storage region containing several ferroelectric storage dielectric sectionsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Speicherzelle, insbesondere Halbleiterspeicherzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, eine Halbleiterspeichereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14 sowie ein Betriebsverfahren für die Speicherzelle. The invention relates to a memory cell, in particular Semiconductor memory cell according to the preamble of Claim 1, a semiconductor memory device according to the Preamble of claim 14 and an operating method for the memory cell.
Eine der wesentlichen Bestrebungen bei der Weiterentwicklung moderner Speichertechnologien ist die Erhöhung der Integrationsdichte oder der Speicherdichte, das heißt der pro Flächeneinheit der Speichereinrichtung ablegbaren Information. Dabei wurde bisher die Verringerung der Strukturgrößen der den Speichereinrichtungen zugrunde liegenden Speicherzellen favorisiert. One of the main efforts in the further development modern storage technologies is increasing the Integration density or storage density, that is the pro Area unit of information that can be stored in the storage device. there So far, the reduction in the structure sizes of the Storage cells underlying storage devices favored.
Ein anderer Aspekt zur Erhöhung des pro Flächeneinheit der Speichereinrichtung zur Verfügung stehenden Speicherumfangs ist das Vorsehen von Speicherzellen, die höherwertige Informationseinheiten in Form multipler Zustände an einem Ort im Sinne einer Multi-Level-Speicherung erlauben. Andere Verfahren sehen sogenannte Multi-Bit-Speichertechniken vor, bei welchen in einer Zelle an unterschiedlichen, aber räumlich dicht benachbarten Orten der Speicherzelle jeweils ein Bit mit zwei möglichen Zuständen realisiert wird, so dass insgesamt in einer Speicherzelle mehrere binäre Bits speicherbar sind. Another aspect to increase the per unit area Storage device available storage volume is the provision of memory cells, the higher value Information units in the form of multiple states in one place in the Allow multi-level storage. Other Methods provide so-called multi-bit storage technologies, at which in a cell at different, but spatially one closely adjacent location of the memory cell with two possible states, so that A total of several binary bits can be stored in one memory cell are.
Bei nicht flüchtigen und insbesondere ferroelektrischen Speichereinrichtungen ist die Speicherung mehrere Zustände in einer einzigen Zelle aufgrund des Verlaufs und insbesondere aufgrund des steilen Anstiegs der ferroelektrischen Hysteresekurve im Bereich der Koerzitivspannung des Speichermediums sehr schwierig. For non-volatile and especially ferroelectric Storage devices is storing multiple states in a single cell due to the course and in particular due to the steep rise in ferroelectric Hysteresis curve in the area of the coercive voltage of the storage medium very difficult.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ferroelektrische Speicherzelle sowie eine darauf beruhende Halbleiterspeichereinrichtung anzugeben, bei welchen auf besonders einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise die Dichte speicherbarer Informationen steigerbar ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein entsprechendes Betriebsverfahren für die erfindungsgemäße Speicherzelle bereit zu stellen. The invention has for its object a ferroelectric memory cell and a cell based thereon Specify semiconductor memory device, in which on particular simple and yet reliable way of density storable information can be increased. Another The object of the present invention is a corresponding operating method for the invention To provide memory cell.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Speicherzelle, insbesondere Halbleiterspeicherzelle erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Halbleiterspeichereinrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 14 gelöst. Des Weiteren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Betriebsverfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 15 gelöst. The task is performed in a generic memory cell, in particular semiconductor memory cell according to the invention the characterizing features of claim 1 solved. Further the task with a generic Semiconductor memory device according to the invention by the characterizing Features of claim 14 solved. Furthermore, the Invention underlying object by a Operating method according to the invention by the characterizing features of Claim 15 solved.
Eine gattungsgemäße Speicherzelle und insbesondere die Halbleiterspeicherzelle weisen einen Speicherkondensator auf. Dieser wird gebildet von einer ersten Elektrodeneinrichtung und einer zweiten Elektrodeneinrichtung. Im Wesentlichen zwischen den beiden Elektrodeneinrichtungen ist ein im Wesentlichen ferroelektrischer Speicherdielektrikumsbereich ausgebildet, aufgrund dessen ferroelektrischen Eigenschaften eine Informationsspeicherung durch Ausbilden eines remanenten Polarisationszustandes in nichtflüchtiger Art und Weise möglich ist. A generic memory cell and in particular the Semiconductor memory cells have a storage capacitor. This is formed by a first electrode device and a second electrode device. Essentially between the two electrode devices is an im Main ferroelectric memory dielectric area formed, due to its ferroelectric properties Information storage by forming a retentive Polarization state possible in a non-volatile manner is.
Die erfindungsgemäße Speicherzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherdielektrikumsbereich eine Mehrzahl im Wesentlichen ferroelektrischer Dielektrikumseinzelbereiche aufweist. Die Dielektrikumseinzelbereiche weisen paarweise unterschiedliche charakteristische Eigenschaften auf. Insbesondere unterscheiden sich die Dielektrikumseinzelbereiche paarweise im Hinblick auf ihre charakterischen elektrischen Eigenschaften. Aufgrund der unterschiedlichen charakteristischen Eigenschaften der Dielektrikumseinzelbereiche ist im Dielektrikumsbereich und insbesondere in den Dielektrikumseinzelbereichen eine entsprechende Mehrzahl binärer Polarisationseinzelzustände ausbildbar, wodurch im Speicherkondensator eine entsprechende Anzahl binärer Bits speicherbar ist. The memory cell according to the invention is thereby characterized in that the storage dielectric region a plurality in Essential ferroelectric dielectric individual areas having. The dielectric individual areas have pairs different characteristic properties. In particular, the individual dielectric regions differ in pairs in terms of their characteristic electrical Characteristics. Because of the different characteristic properties of the dielectric individual areas is in Dielectric range and especially in the Dielectric single areas a corresponding plurality of binary Individual polarization states can be formed, whereby in Storage capacitor a corresponding number of binary bits can be stored.
Es ist somit ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung, den im Wesentlichen ferroelektrischen Speicherdielektrikumsbereich der Speicherzelle in eine Mehrzahl Dielektrikumseinzelbereiche zu unterteilen, welche ihrerseits einen ferroelektrischen Speichereffekt realisieren können. Somit kann in der Mehrzahl vorgesehener Dielektrikumseinzelbereiche jeweils ein binärer Polarisationseinzelzustand ausgebildet werden, wobei dann die Gesamtheit der Mehrzahl binärer Polarisationseinzelzustände eine Mehrzahl binärer Bits definiert. Diese binären Bits kodieren dann einen entsprechenden Informationsinhalt, nämlich durch Überlagerung der Polarisationseinzelzustände der Dielektrikumseinzelbereiche zu einem Gesamtpolarisationszustand des Dielektrikumsbereiches der Speicherzelle. It is thus a key aspect of the present invention that essentially ferroelectric Memory dielectric region of the memory cell in a plurality To divide individual dielectric areas, which in turn one can realize ferroelectric memory effect. Thus, in the A plurality of individual dielectric regions provided in each case binary polarization single state are formed, wherein then the entirety of the plural binary Polarization individual states defined a plurality of binary bits. This binary Bits then encode a corresponding information content, namely by superimposing the individual polarization states the dielectric individual areas to one Overall polarization state of the dielectric region of the memory cell.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle sind die Dielektrikumseinzelbereiche hinsichtlich ihrer remanenten Polarisation oder Polarisierbarkeit, ihrer Dielektrizitätskonstanten oder Dielektrizitätszahlen, Koerzitivfeldstärken, Koerzitivspannungen, Zugriffs- und/oder Umschaltzeiten und/oder einer Kombination dieser Größen paarweise unterschiedlich oder verschieden ausgebildet. Auf diese Weise ergibt sich in einfacher Form die Möglichkeit, unterschiedliche oder gleiche Materialen, welche unterschiedliche elektrische Charakteristika besitzen, zum Beispiel auch aufgrund einer unterschiedlichen Textur, in geeigneter Weise miteinander so vorteilhaft zu kombinieren, dass eine möglichst hohe Informationsdichte in einem gesamten Dielektrikumsbereich durch die Mehrzahl von Dielektrikumseinzelbereichen realisierbar ist. Entsprechend ihrer materiellen Eigenschaften können unterschiedliche Materialien miteinander kombiniert werden, um diesen Multiplikationseffekt im Hinblick auf den Speicherinhalt oder Informationsinhalt zu realisieren. In an advantageous embodiment of the invention Memory cells are the individual dielectric areas with regard to their retentive polarization or polarizability, their dielectric constants or dielectric numbers, Coercive field strengths, coercive voltages, access and / or Switching times and / or a combination of these quantities trained in pairs differently or differently. To this Way, in a simple form, there is the possibility different or same materials, which are different have electrical characteristics, for example due to a different texture, appropriately to combine with each other so advantageously that a the highest possible density of information in a whole Dielectric range by the plurality of Dielectric single areas can be realized. According to their material Properties can be different materials with each other be combined to take this multiplication effect into account towards the memory content or information content realize.
Besonders einfach gestaltet sich der Aufbau der erfindungsgemäßen Speicherzelle dann, wenn die Dielektrikumseinzelbereiche jeweils zusammenhängend, einteilig, einstückig und/oder dergleichen, insbesondere einfach zusammenhängend ausgebildet sind. Dies hat insbesondere prozesstechnische Vorteile bei der Realisation eines Herstellungsverfahrens für die erfindungsgemäße Speicherzelle. The structure of the memory cell according to the invention when the Dielectric individual areas in each case contiguous, one-piece, one-piece and / or the like, in particular simply coherent are. This has particular advantages in terms of process technology the realization of a manufacturing process for the memory cell according to the invention.
Eine weitere Vereinfachung des Aufbaus des Dielektrikumsbereichs ergibt sich, wenn dieser als Folge von Schichten ausgebildet ist, wobei jeweils eine Schicht durch einen der Dielektrikumseinzelbereiche gebildet ist. A further simplification of the structure of the Dielectric range arises when this is a result of layers is formed, with one layer through one of the Dielectric single areas is formed.
Dabei wird vorteilhafterweise die Richtung der Abfolge der Schichten im Wesentlichen als Richtung von einer der Elektrodeneinrichtung zu jeweils der anderen der Elektrodeneinrichtungen gewählt. The direction of the sequence of the Layers essentially as a direction from one of the Electrode device to the other of each Electrode devices selected.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird zum Beispiel einer der Dielektrikumseinzelbereiche im Wesentlichen aus SBT oder dergleichen gebildet, oder er weist dieses als Material auf. Dabei ist insbesondere eine spezifische Polarisation oder spezifische Polarisierbarkeit von 4-20 µC/cm2, eine Koerzitivspannung von 0,4 V, insbesondere bei einer Schichtdicke von 90 nm, und/oder eine Schreib-, Umschalt- oder Zustandsänderungszeit τ1 = τSBT von etwa 50 ns vorgesehen. In a particularly advantageous embodiment, for example, one of the dielectric individual regions is essentially formed from SBT or the like, or it has this as a material. In particular, a specific polarization or specific polarizability of 4-20 μC / cm 2 , a coercive voltage of 0.4 V, in particular with a layer thickness of 90 nm, and / or a write, switchover or state change time τ1 = τ SBT of about 50 ns is provided.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle ist einer oder ein anderer der Dielektrikumsbereiche im Wesentlichen aus PZT oder dergleichen gebildet oder weist dieses als Material auf, insbesondere mit einer spezifischen remanenten Polarisation oder spezifischen Polarisierbarkeit von etwa 40 µC/cm2, einer Koerzitivspannung von etwa 1 V, insbesondere bei einer Schichtdicke von etwa 90 nm, und/oder einer Schreib-, Umschalt- oder Zustandsänderungszeit τ2 = τPZT von etwa 100 ns, insbesondere bei 1,6 V. In another advantageous embodiment of the memory cell according to the invention, one or another of the dielectric regions is essentially formed from PZT or the like or has this as a material, in particular with a specific remanent polarization or specific polarizability of approximately 40 μC / cm 2 , a coercive voltage of approximately 1 V, in particular with a layer thickness of approximately 90 nm, and / or a write, switchover or state change time τ2 = τ PZT of approximately 100 ns, in particular at 1.6 V.
Folgende andere ferroelektrische Materialien sind denkbar und
verwendbar:
- a) Reine Materialien, zum Beispiel BaTiO3, PbTiO3, usw.
- b) Mischungen aus reinen Materialien, zum Beispiel (Ba, Pb)TiO3, SrBi2(Ta, Nb)2O9, usw.
- c) Nichtstöchiometrische Materialien der oben genannten, zum Beispiel Sr0,85Bi2,2Ta2O9.
- d) Dotierte reine oder gemischte oder nichtstöchiometrische Materialien, zum Beispiel La-dotiertes PZT (auch PLZT).
- e) Polymere, zum Beispiel PVDF.
- f) Copolymere, zum Beispiel PVDF/TRFE.
- a) Pure materials, for example BaTiO 3 , PbTiO 3 , etc.
- b) Mixtures of pure materials, for example (Ba, Pb) TiO 3 , SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 , etc.
- c) Non-stoichiometric materials of the above, for example Sr 0.85 Bi 2.2 Ta 2 O 9 .
- d) Doped pure or mixed or non-stoichiometric materials, for example La-doped PZT (also PLZT).
- e) Polymers, for example PVDF.
- f) copolymers, for example PVDF / TRFE.
Folgende ferroelektrischen Materialien sind als reine Materialien denkbar zur Verwendung: perowskitartige Verbindungen, Lithiumniobatartige Verbindungen, manganitartige Verbindungen, wolframbronzeartige Verbindungen, insbesondere Oxide, pyrochlorartige Verbindungen, schichtartige Oxide, bariumfluoridartige Verbindungen, Molybdate, Borazite, Colemanite, sonstige Oxide, antimonsulphid-/iodidartige Verbindungen, Nitrite, Nitrate, kaliumdihydrogenphosphatartige Sulfate und verwandte Verbindungen, Alaune, Guadinverbindungen, Selenite, Kaliumzyanide, Triglyzinsulfate und verwandte Verbindungen, Rochellesalze und verwandte Verbindungen, metallische Feststoffe, zum Beispiel auch SnTe, GaTe, V5Si, komplexe organische Verbindungen und/oder dergleichen. The following ferroelectric materials are conceivable as pure materials for use: perovskite-like compounds, lithium niobate-like compounds, manganite-like compounds, tungsten-bronze-like compounds, in particular oxides, pyrochlore-like compounds, layer-like oxides, barium fluoride-like compounds, molybdates, borazites, colemanites, other oxides, antimony sulphide compounds, iodine Nitrites, nitrates, potassium dihydrogenphosphate-like sulfates and related compounds, alums, guadine compounds, selenites, potassium cyanides, triglyzine sulfates and related compounds, Rochelle salts and related compounds, metallic solids, for example also SnTe, GaTe, V 5 Si, complex organic compounds and / or the like.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle ist die erste Elektrode als untere oder Bottomelektrode ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist die zweite Elektrodeneinrichtung als obere Elektrode oder Topelektrode ausgebildet. In another advantageous embodiment of the The memory cell according to the invention is the first electrode as the lower one or bottom electrode. Additionally or alternatively is the second electrode device as the upper electrode or Top electrode formed.
Zur Verschaltung der erfindungsgemäßen Speicherzelle ist es vorgesehen, dass eine der Elektrodeneinrichtungen mit einer vorgesehenen Plateleitungseinrichtung der Speicherzelle verbunden ist und/oder dass die andere Elektrodeneinrichtung mit einem Source/Drainbereich und insbesondere mit dem Drainbereich eines vorgesehenen Auswahltransistors oder Zugriffstransistors der Speicherzelle verbunden ist. It is to connect the memory cell according to the invention provided that one of the electrode devices with a provided plate line device of the memory cell is connected and / or that the other electrode device with a source / drain region and in particular with the Drain area of an intended selection transistor or Access transistor of the memory cell is connected.
Grundsätzlich sind verschiedene Architekturen für den Speicherkondensator denkbar. Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle ist der Speicherkondensator als sich im Wesentlichen vertikal erstreckender Kondensator ausgebildet, insbesondere in Stapelarchitektur oder in stacked Architektur. Andererseits ist auch eine Offsetarchitektur für den Speicherkondensator denkbar. Basically, different architectures are available for the Storage capacitor conceivable. In a first embodiment of the The storage cell according to the invention is the storage capacitor as a substantially vertically extending capacitor trained, especially in stack architecture or in stacked architecture. On the other hand, there is also one Offset architecture conceivable for the storage capacitor.
Bei einer Variante für den Aufbau und die Strukturierung des Dielektrikumsbereiches aus den verschiedenen Dielektrikumseinzelbereichen ist es vorgesehen, dass zwischen Dielektrikumseinzelbereichen und/oder Gruppen davon jeweils dielektrische und/oder elektrisch leitfähige Zwischenbereiche, insbesondere als Schichten vorgesehen sind. In a variant for the construction and structuring of the Dielectric range from the different Dielectric individual areas, it is provided that between Dielectric single areas and / or groups thereof dielectric and / or electrically conductive intermediate areas, are provided in particular as layers.
Zusätzlich oder alternativ ist zwischen Dielektrikumseinzelbereichen und der ersten und/oder zweiten Elektrodeneinrichtung jeweils ein Zwischenbereich, insbesondere als Schicht vorgesehen, welcher jeweils dielektrisch und/oder elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Additionally or alternatively, is between Dielectric single areas and the first and / or second Electrode device each an intermediate area, in particular as a layer provided which is dielectric and / or electrical is conductive.
Als Zwischenbereich kommen (dünne) Schichten in Frage, die dielektrisch (zum Beispiel Al2O3, BTO, Bi3Ti4O12) oder metallisch (Pt) oder auch metalloxidisch (zum Beispiel IrO2, RuO2) sind. (Thin) layers that are dielectric (for example Al 2 O 3 , BTO, Bi 3 Ti 4 O 12 ) or metallic (Pt) or also metal oxide (for example IrO 2 , RuO 2 ) are suitable as intermediate regions.
- - prozesstechnische Gründe, zum Beispiel Senkung der Kristallisationstemperatur einer ferroelektrischen Schicht durch "seed layers". Beispiel: BTO für SBT - Process engineering reasons, for example lowering the Crystallization temperature of a ferroelectric layer "seed layers". Example: BTO for SBT
- - Bestimmung einer Textur der nachfolgenden ferroelektrischen Schicht. Beispiel: Al2O3 für PZT - Determination of a texture of the subsequent ferroelectric layer. Example: Al 2 O 3 for PZT
- - Anpassung/Abgleich der devicemäßig vorgegebenen Spannungspegel an die speziellen möglichen Anforderungen des Multibitkondensators. - Adjustment / adjustment of the device-prescribed Voltage level to the special possible requirements of the Multibitkondensators.
- - Vermeidung von Degradationseffekten bei Langzeitstressung mit Spannungspulsen (Fatigue-Problem). Beispiel: SrTiO3 (STO) bei PZT - Avoiding degradation effects in the event of long-term stress stress stress (fatigue problem). Example: SrTiO 3 (STO) at PZT
- - Vermeidung von Diffusionsprozessen zwischen den einzelnen ferroelektrischen Schichten, Kontamivationseffekte, chemische Reaktion, definierte Grenzflächen. - Avoidance of diffusion processes between the individual ferroelectric layers, contamination effects, chemical reaction, defined interfaces.
- - Lösung von Haftungsproblemen (zum Beispiel Verwendung von Ti oder TiO2 zur besseren Haftung von Pt bei SBT) und Ausgleich von mechanischem Stress. - Solving adhesion problems (for example using Ti or TiO 2 for better adhesion of Pt in SBT) and balancing mechanical stress.
Zur weiteren Verschaltung der erfindungsgemäßen Speicherzelle ist eine Wortleitungseinrichtung vorgesehen, welche mit dem Gatebereich einer vorgesehenen Auswahltransistoreinrichtung der Speicherzelle verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist eine Bitleitungseinrichtung vorgesehen, welche mit dem Sourcebereich einer oder der vorgesehenen Auswahltransistoreinrichtung verbunden ist. Weiter alternativ oder zusätzlich ist eine Leseverstärkereinrichtung zum Auslesen des Informationsinhalts und zum Bereitstellen der gelesenen Information vorgesehen. For further interconnection of the memory cell according to the invention a word line device is provided, which with the Gate area of an intended selection transistor device the memory cell is connected. Alternatively or additionally a bit line device is provided which is connected to the Source area of one or the intended Selection transistor device is connected. Further alternatively or additionally is a sense amplifier device for reading out the Information content and to provide the read information intended.
Die gattungsgemäße Halbleiterspeichereinrichtung weist eine Mehrzahl von Speicherzellen auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass erfindungsgemäße Speicherzellen vorgesehen sind. The generic semiconductor memory device has one Plurality of memory cells and is thereby characterized in that memory cells according to the invention are provided.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines entsprechenden Betriebsverfahrens für die erfindungsgemäße Speicherzelle. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass durch eine elektrische Beeinflussung des gesamten Dielektrikumsbereichs oder Speicherdielektrikumsbereichs Beeinflussungen auf alle Dielektrikumseinzelbereiche ausgeübt werden. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für die erfindungsgemäße Speicherzelle muss diesem Umstand Rechnung tragen, wenn ein selektives Beschreiben oder Auslesen der Dielektrikumseinzelbereiche realisiert werden soll. Another aspect of the present invention is that Providing an appropriate operating procedure for the memory cell according to the invention. In particular, it is too take into account that an electrical influence on the entire dielectric range or Memory dielectric area Influences on all dielectric single areas be exercised. The operating method for the memory cell according to the invention must take this into account Take into account when selective writing or reading the individual dielectric areas are to be realized.
Beim erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für die erfindungsgemäße Speicherzelle wird beim oder zum Auslesen einer als Gesamtpolarisation im Speicherkondensator gespeicherten n- Bitinformation aufeinanderfolgend der Speicherkondensator für eine bestimmte Zeit mit einem Lesespannungspuls beaufschlagt. Ein sich ergebender Lesestrompuls und/oder eine sich ergebende Leseladungsmenge werden gemessen und als Messwert bereitgestellt. Den bereitgestellten Messwerten oder den Messwertbereichen der Messwerte sind erfindungsgemäß Bitkombinationen zugeordnet. Die dem jeweils gemessenen und bereitgestellten Messwert zugeordnete Bitkombination wird ermittelt und als aus dem Speicherkondensator gelesene gespeicherte n-Bitinformation bereitgestellt und/oder ausgegeben. In the operating method according to the invention for the The memory cell according to the invention is used when or for reading out a Total polarization stored in the storage capacitor Bit information successively the storage capacitor for a reading voltage pulse is applied for a certain time. A resulting reading current pulse and / or one Resulting reading charge quantity are measured and as a measured value provided. The provided measured values or the Measured value ranges of the measured values are bit combinations according to the invention assigned. The one measured and provided The bit combination assigned to the measured value is determined and as stored stored read from the storage capacitor n-bit information provided and / or output.
Ein grundlegender Aspekt des vorliegenden Betriebsverfahrens ist also, dass beim Auslesen die Gesamtpolarisation des Dielektrikumsbereiches, also die Überlagerung der Polarisationseinzelzustände der Dielektrikumseinzelbereiche quasi als Repräsentation der gespeicherten n-Bitinformation angesehen wird. Der Speicherkondensator wird für eine bestimmte Zeit mit einem Lesespannungspuls beaufschlagt, wobei in dessen Folge sich ein Lesestrompuls oder eine ausgegebene Leseladungsmenge messbar ist. Eine zugrunde liegende Zuordnung zwischen möglichen Messwerten oder Messwertbereichen zu entsprechenden möglichen n-Bitinformationen wird ausgenutzt, um den gemessenen und bereit gestellten Messwert mit einer entsprechenden zugeordneten Bitkombination in Verbindung zu bringen. Die für den jeweiligen Messwert oder dessen Messbereich zugeordnete Bitkombination wird dann als n-Bitinformation bereitgestellt und/oder ausgegeben. A fundamental aspect of the present operating procedure is that when reading out the total polarization of the Dielectric range, i.e. the superposition of the Individual polarization states of the dielectric individual regions quasi as Representation of the stored n-bit information viewed becomes. The storage capacitor will last for a period of time acted upon with a reading voltage pulse, in which Follow a reading current pulse or an output one Reading charge amount is measurable. An underlying mapping between possible measured values or ranges of measured values corresponding possible n-bit information is used to determine the measured and provided measured value with a to connect the corresponding assigned bit combination. The for the respective measured value or its measuring range assigned bit combination is then called n-bit information provided and / or issued.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines anderen Betriebsverfahrens für die erfindungsgemäße Speicherzelle, bei welchem beim oder zum Schreiben einer als eine Gesamtpolarisation im Speicherkondensator zu speichernden n-Bitinformation zunächst die zu speichernde n-Bitinformation als Bitkombination bereitgestellt wird. Zu der bereitgestellten Bitkombination wird eine zugeordnete erste Folge von Polarisationseinzelzuständen ermittelt, welche als Sollstände für die Dielektrikumseinzelbereiche dienen sollen. Dann wird eine der ersten Folge von Polarisationseinzelzuständen zugeordnete zweite Folge von Spannungssignalen ermittelt. Nachfolgend wird dann der Speicherkondensator gemäß der zweiten Folge von Spannungssignalen mit eben diesen Spannungssignalen beaufschlagt, wobei dadurch den Dielektrikumseinzelbereichen die jeweils zugeordneten Polarisationseinzelzustände aufgeprägt werden. Another aspect of the present invention is that Provide another operating method for the Memory cell according to the invention, in which at or Write one as a total polarization in the storage capacitor n-bit information to be stored is first the one to be stored n-bit information is provided as a bit combination. To the bit combination provided is assigned first sequence of individual polarization states determined, which serve as target levels for the individual dielectric areas should. Then one of the first episodes of Second sequence of voltage signals assigned to individual polarization states determined. The storage capacitor then follows according to the second sequence of voltage signals with these Voltage signals applied, whereby the Dielectric single areas the respectively assigned Individual polarization states are impressed.
Es ist somit ein Kernaspekt dieses Betriebsverfahrens für die erfindungsgemäße Speicherzelle beim Schreiben die Korrespondenz herzustellen zwischen der zu speichernden n-Bitinformation und einer entsprechenden Gesamtpolarisation für den Speicherkondensator. Der zu schreibenden Gesamtpolarisation oder n-Bitinformation entspricht eine Bitkombination, welcher wiederum eine Abfolge von einzelnen Polarisationseinzelzuständen für die Dielektrikumseinzelbereiche als Sollzustände zugewiesen oder zugeordnet ist. Es muss also die Gesamtpolarisation als Überlagerung der Folge von Polarisationseinzelzuständen in den Dielektrikumseinzelbereichen ermittelt werden. Aus der gefundenen Abfolge oder Folge von Polarisationseinzelzuständen für die Dielektrikumseinzelbereiche ergibt sich dann eine zugeordnete Folge oder Abfolge von Spannungssignalen, durch welche bei Beaufschlagung des Speicherkondensators mit den entsprechenden Speichersignalen die zugeordnete erste Abfolge von Polarisationseinzelzuständen in den Dielektrikumseinzelbereichen jeweils erzeugt wird. Nach dem Beaufschlagen des Speicherkondensators mit der Abfolge von Spannungssignalen weist dann jeder der Dielektrikumseinzelbereiche den ihm zugewiesenen Polarisationseinzelzustand auf, deren Überlagerung die der zu speichernden n-Bitinformation entsprechenden Gesamtpolarisation im Speicherkondensator ergibt. It is therefore a key aspect of this operating method for the memory cell according to the invention when writing the Establish correspondence between the ones to be saved n-bit information and a corresponding overall polarization for the Storage capacitor. The total polarization to be written or n-bit information corresponds to a bit combination, which again a sequence of individuals Individual polarization states for the dielectric individual regions as target states is assigned or assigned. So it has to be Total polarization as a superposition of the sequence of Individual polarization states in the dielectric individual regions are determined become. From the found sequence or sequence of Individual polarization states for the dielectric individual regions results then an assigned sequence or sequence of Voltage signals, by which when the Storage capacitor with the corresponding memory signals assigned first sequence of individual polarization states in the Dielectric single areas is generated in each case. After this Loading the storage capacitor with the sequence of Each of the voltage signals then has Dielectric individual regions the polarization individual state assigned to it, whose superposition is that of the n-bit information to be stored corresponding total polarization in the storage capacitor results.
Bevorzugte Ausführungsformen des Betriebsverfahrens, welches zum Schreiben eingesetzt wird, und des Betriebsverfahrens, welches zum Lesen eingesetzt wird, bestehen darin, dass jeweils das Lesen und das Schreiben miteinander kombiniert werden. Preferred embodiments of the operating method which is used for writing, and the operating procedure, which is used for reading is that combining reading and writing become.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist die Zuordnung zwischen Bitkombinationen und der ersten Folge von Polarisationseinzelzuständen und/oder Zuordnung zwischen Messwertbereichen und Bitkombinationen vorgegeben, insbesondere in Form mindestens einer Tabelle, mindestens einer Liste und/oder dergleichen, und jeweils werden diese Zuordnungen auch diesen Vorgaben entnommen. Eine derartige Tabelle leitet sich zum Beispiel ab aus den Werten der remanenten Polarisation der einzelnen ferroelektrischen Schichten. In a particularly advantageous embodiment of the Operating method according to the invention is the assignment between Bit combinations and the first sequence of Individual polarization states and / or assignment between measured value ranges and bit combinations, in particular in the form at least one table, at least one list and / or the like, and in each case these assignments also become these Specifications taken. Such a table leads to Example from the values of the retentive polarization of the individual ferroelectric layers.
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betriebsverfahren werden zum Schreiben bestimmte Schreibreihenfolgen in Bezug auf die Dielektrikumseinzelbereiche und die aufzuprägenden Spannungssignale ermittelt und/oder eingehalten. In further advantageous embodiments of the Operating methods according to the invention are intended for writing Writing order in relation to the Dielectric individual areas and the voltage signals to be impressed determined and / or complied with.
Die jeweilige Schreibreihenfolge wird durch die charakteristischen Eigenschaften der Dielektrikumseinzelbereiche festgelegt, insbesondere durch gegenseitige Größenverhältnisse ihrer Werte. The respective writing order is determined by the characteristic properties of the individual dielectric regions determined, in particular by mutual proportions of their values.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass aufgrund der gegebenen oder ermittelten Schreibreihenfolge jeweils Dielektrikumseinzelbereiche mit höherer Koerzitivspannung jeweils vor Dielektrikumseinzelbereichen mit niedriger Koerzitivspannung beschrieben werden. It is particularly advantageous that due to the given or determined writing order in each case Dielectric single areas with higher coercive voltage before each Dielectric single regions with low coercive voltage to be discribed.
Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn im Hinblick auf die Koerzitivspannungen unterschiedliche Dielektrikumseinzelbereiche beim Schreiben mit unterschiedlich ausgerichteten Polarisationseinzelzuständen ausgebildet werden sollen. Durch eine Orientierung am Dielektrikumseinzelbereich mit der größten Koerzitivspannung wird zunächst diejenige Schicht, welche gerade die größte Koerzitivspannung aufweist, mit einem vorgegebenen Polarisationszustand ausgebildet, wobei auch gleichzeitig alle anderen Schichten dieselbe Polarisationsrichtung erhalten, da ja ihre Koerzitivspannung kleiner ist. Soll dann zum Beispiel diejenige Schicht, mit der nächst kleineren Koerzitivspannung entgegengesetzt polarisiert werden, so findet das Beaufschlagen mit einem entsprechend entgegengesetzt gerichteten Spannungssignal statt und erzeugt eine zur zuerst geschriebenen Polarisation entgegengesetzt gerichtete Polarisation für alle nachfolgenden Schichten mit kleinerer Koerzitivspannung, wobei aber diejenige Schicht mit der größten Koerzitivspannung nicht umpolarisiert wird. This is particularly useful if, with regard to the Coercive voltages different Dielectric single areas when writing with differently aligned Individual polarization states are to be formed. By an orientation on the individual dielectric area with the The greatest coercive voltage is the layer which has the greatest coercive voltage, with one predetermined polarization state, wherein also all other layers at the same time Preserve polarization direction, since their coercive voltage is smaller. Then, for example, the next layer smaller coercive voltage oppositely polarized are applied accordingly oppositely directed voltage signal instead and generated one opposite to the polarization written first directional polarization for all subsequent layers lower coercive voltage, but with that layer the largest coercive voltage is not polarized.
Eine entsprechende Programmierung findet dann nachfolgend in der Reihenfolge von größeren zu kleineren Koerzitivspannungen statt, so dass sämtliche Dielektrikumseinzelbereiche unabhängig voneinander polarisiert und also beschrieben oder programmiert werden können. Appropriate programming then takes place in the order from larger to smaller coercive voltages instead, so all dielectric individual areas independently polarized and thus described or can be programmed.
Es können dabei insbesondere die Schreibprozesse optimiert werden, etwa dann, wenn aufeinanderfolgend zu schreibende oder zu polarisierende Dielektrikumseinzelzuständen identisch ausgerichtete Polarisationsrichtungen besitzen sollen. Dann nämlich reicht das Anwenden eines entsprechenden Spannungspulses auf eine Gruppe als einmalige Aktion aus, weil Dielektrikumseinzelbereiche dieser Gruppe, welche geringere Koerzitivspannungen aufweisen, eben nicht entgegengesetzt polarisiert werden müssen. Man muss eine explizite Umpolarisation erst dann wieder bei der oder denjenigen Schichten ausführen, welche eben entgegengesetzt polarisiert werden müssen. In particular, the writing processes can be optimized , for example, if you want to write consecutively or identical dielectric states to be polarized should have aligned polarization directions. Then namely the application of a corresponding one is sufficient Voltage pulse on a group as a one-time action because Dielectric single areas of this group, which lower Have coercive voltages, just not opposite need to be polarized. You have to be explicit Only then will the polarity be reversed again in the layer or layers which are polarized in opposite directions have to.
Eine alternative oder zusätzliche Vorgehensweise zum selektiven Schreiben besteht darin, aufgrund der gegebenen oder ermittelten Schreibreihenfolge jeweils Dielektrikumseinzelbereiche mit längerer Umschaltzeit vor Dielektrikumseinzelbereichen mit kürzerer Umschaltzeit zu beschreiben. Dabei startet man also nicht mit der höchsten Koerzitivspannung, sondern mit der längsten Umschaltzeit als Beaufschlagungszeit für die Spannungssignale und arbeitet dann die Spannungssignale in der Reihenfolge von höheren nach niedrigeren Umschaltzeiten ab. An alternative or additional approach to selective writing is based on the given or determined writing order in each case Dielectric single areas with a longer switchover time Describe individual dielectric areas with a shorter switchover time. there you don't start with the highest coercive voltage, but with the longest switching time as the application time for the voltage signals and then works the Voltage signals in the order from higher to lower Switching times from.
Diese und weitere Aspekte ergeben sich auch aus den
nachfolgenden Bemerkungen:
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Erhöhung der
Speicherdichte von nichtflüchtigen ferroelektrischen
Speichern. Dieses Problem soll gelöst werden, indem mehrere Bits
pro Speicherzelle gespeichert werden können.
These and other aspects also result from the following comments:
The present invention is concerned with increasing the storage density of non-volatile ferroelectric memories. This problem is to be solved by storing several bits per memory cell.
Eine der bisher am stärksten verfolgten Strategien zur Erhöhung der Speicherdichte ist die Verringerung der Strukturgrößen (feature size), bei der folglich auch die Speicherzellen in ihren Strukturgrößen reduziert werden müssen. Dies ist bei Ferroelektrischen Speichern mit erheblichen prozesstechnischen Problemen, z. B. bei der Strukturierung des Ferro Materials und der Elektroden, bei 3-D Strukturen, verbunden. One of the most strongly pursued strategies for Increasing the storage density is reducing the Structure sizes (feature size), which consequently also includes the memory cells must be reduced in their structure sizes. This is at Ferroelectric storage with considerable process engineering problems, e.g. B. in structuring the ferro Materials and the electrodes, in 3-D structures, connected.
Bei nichtflüchtigen Speicherzellen, die auf Ladungsspeicherung beruhen, wird auch ein anderer Weg zur Erhöhung der Speicherdichte durch Speicherung von mehr als einem Bit in einer Zelle beschritten. Sowohl Multi-level-Zellen, Speicherung von mehr als zwei Zuständen in einer Zelle, als auch Multi-bit-Zellen, Speicherung von je zwei Zuständen an unterschiedlichen Orten in einer Zelle, sind denkbar. In the case of non-volatile memory cells based on Charge storage based will also be another way of increasing the Storage density by storing more than one bit in walked in a cell. Both multi-level cells, Storing more than two states in a cell, as well Multi-bit cells, storage of two states each different locations in a cell are conceivable.
Bei ferroelektrischen Speichern ist die Speicherung von mehreren Zuständen in einer Zelle aufgrund des steilen Anstiegs der Hysteresekurve im Bereich der Koerzitivspannung sehr schwierig. With ferroelectric memories, the storage of multiple states in one cell due to the steep rise the hysteresis curve in the area of the coercive voltage very much difficult.
Die Erfindung löst das Problem, indem mehrere ferroelektrische Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen in einen ferroelektrischen Kondensator integriert werden. Durch geeignete Wahl der Materialien und/oder durch geeignete Dicke der einzelnen Schichten kann ein selektives Schreiben und Lesen des Zustandes der ferroelektrischen Polarisation von jeder einzelnen Schicht erreicht werden. Hierzu werden spezielle Auslese- und Schreibverfahren vorgeschlagen. The invention solves the problem by several ferroelectric layers with different dielectric numbers in a ferroelectric capacitor can be integrated. By suitable choice of materials and / or by suitable thickness of the individual layers, selective writing and Reading the state of ferroelectric polarization from every single shift. To do this special read and write procedures proposed.
Als Vorteile der vorgeschlagenen Anordnung ergeben sich:
- - Multibitspeicherung pro Speicherzelle bzw. pro Auswahltransistor und damit
- - Verdopplung/Vervielfachung der Integrationsdichte
- - keine Veränderungen im vorgegeben Prozessablauf des Kondensatormoduls, d. h.: keine zusätzlichen Lithographieebenen und Ätzschritte, bis auf lediglich die Abscheidung und evtl. Temperung einer oder mehrerer zusätzliche ferroelektrischen Schichten im Kondensatormodul,
- - keine wesentliche Änderung im Frontend- oder Backendflow,
- - keine wesentlichen Veränderungen im Lesezyklus,
- - schnelleres Erreichen von High-Density FeRAMs, Wettbewerbsvorteil, schnellerer Markteintritt, im Vergleich zu Konkurrenten, und
- - Verzicht auf prozesstechnisch kompliziertere Speicherarchitekturen, zum Beispiel Stacked Capacitor, möglich bei gleichem Resultat, d. h.: Unter Umständen erreicht man mit der Flächeneinsparung durch einen derartigen Multiferroelektrika-Kondensator einen vorübergehenden Wettbewerbsvorteil auf dem nichtflüchtigen Speichermarkt, wenn man zunächst auf die prozesstechnisch nicht so aufwendige Offset-Architektur zurückgreift. Auf längere Sicht, wenn die Integration der Stacked Capacitor Prozesse erreicht wurde, ist in jedem Fall mit einem Wettbewerbsvorteil hinsichtlich höherer Speicherdichte zu rechnen gegenüber Firmen die keinen Multibit-Kondensator verwenden.
- - Multi-bit storage per memory cell or per selection transistor and thus
- - Doubling / multiplying the integration density
- no changes in the specified process sequence of the capacitor module, ie: no additional lithography levels and etching steps, apart from the deposition and possibly annealing of one or more additional ferroelectric layers in the capacitor module,
- - no significant change in the frontend or backend flow,
- - no significant changes in the reading cycle,
- - faster achievement of high-density FeRAMs, competitive advantage, faster market entry compared to competitors, and
- - Dispensing with more complex storage architectures in terms of process technology, e.g. stacked capacitors, is possible with the same result, i.e.: Under certain circumstances, the space saved by such a multiferroelectric capacitor can achieve a temporary competitive advantage in the non-volatile memory market if one initially focuses on the process technology-less complex offset Architecture. In the longer term, if the integration of the Stacked Capacitor processes has been achieved, a competitive advantage in terms of higher storage density can be expected in any case compared to companies that do not use a multibit capacitor.
Eine erste erfinderische Idee besteht in der vertikalen Stapelung (Schichtung) von verschiedenen ferroelektrischen Filmen oder Schichten, die sich deutlich unterscheiden in den charakteristischen elektrischen Eigenschaften hinsichtlich remanenter Polarisation Pr, Dielektrizitätskonstante ε in Kombination mit Koerzitivfeldstärke Ec und/oder der minimal notwendigen Zugriffszeit für das Beschreiben oder Umschalten der remanenten Polarisation. A first inventive idea consists in the vertical stacking (layering) of different ferroelectric films or layers, which differ significantly in the characteristic electrical properties with regard to remanent polarization P r , dielectric constant ε in combination with coercive field strength E c and / or the minimum required access time for the writing or switching of the retentive polarization.
Eine zweite erfinderische Idee besteht in dem Verfahren für das Auslesen und/oder Beschreiben des Speicherkondensators. Für das Auslesen des Multibitzustandes macht man sich dabei den deutlichen Unterschied in den remanenten Polarisationen der verschiedenen Schichten/Materialien zunutze. Dabei kann jeder am Signalverstärker ankommenden Ladungsmenge eindeutig einem im Speicherkondensator vorliegenden Bitzustand zugeordnet werden. Das Beschreiben des Kondensators bzw. das Einprägen der m = 2n Bitzustände im Kondensator erfolgt ggf. mit Hilfe eines mehrstufigen Verfahrens unter Ausnutzung verschiedener Koerzitivfeldstärken bzw. -spannungen der verschiedenen Materialschichten oder unter Ausnutzung verschiedener Schaltzeiten oder jeder weiteren physikalischen Eigenschaft, aufgrund derer ein selektives Beschreiben der verschiedenen Schichten ermöglicht wird. Auch Kombinationen aus den genannten Schreibverfahren können angewendet werden. A second inventive idea consists in the method for reading out and / or writing to the storage capacitor. To read out the multi-bit state, the clear difference in the remanent polarizations of the different layers / materials is used. Each quantity of charge arriving at the signal amplifier can be uniquely assigned to a bit state in the storage capacitor. The description of the capacitor or the impressing of the m = 2 n bit states in the capacitor may be carried out with the aid of a multi-stage process using different coercive field strengths or voltages of the different material layers or using different switching times or any other physical property, on the basis of which a selective one Describing the different layers is made possible. Combinations of the above-mentioned writing methods can also be used.
Im Folgenden sei die n-Bit-Speicherung exemplarisch im 1- Transistor-1-Kondensator 1T-1C-Design, zum Beispiel integriert als Stacked-Capacitor- oder Offset-Capacitor- Architektur, beschrieben. In the following, the n-bit storage is exemplified in 1- Transistor 1 capacitor 1T-1C design, for example integrated as Stacked-Capacitor- or Offset-Capacitor- Architecture.
Innerhalb des Kondensators seien n ferroelektrische Schichten gestapelt, die sich unterscheiden in ihrer remanenten Polarisation Pr. Let n ferroelectric layers be stacked within the capacitor, which differ in their remanent polarization P r .
In diesem Ausführungsbeispiel soll das Beschreiben der einzelnen Bitzustände unter Verwendung verschiedener Spannungspegel geschehen. Der Aufbau des Kondensators entspricht durch die Schichtung von n verschiedenen Materialen dem eines Spannungsteilers. Da man sich beim Beschreiben die Unterschiede in der Koerzitivfeldstärke zunutze macht, muss man sicherzustellen, dass man für das Beschreiben der gewünschten Schicht eine geeignete Mindestspannung oder Koerzitivspannung findet. In this embodiment, the description of the individual bit states using different Voltage levels happen. The construction of the capacitor corresponds to the stratification of n different materials than one Voltage divider. Since you look at the differences when describing in the coercive field strength, you have to make sure you go for describing the layer you want finds a suitable minimum voltage or coercive voltage.
Zur vereinfachten Beschreibung seien die Schichten im
Folgenden so angeordnet, dass die mit Schicht 1 indizierte Schicht
der zuerst abgeschiedenen Schicht entspricht und gleichzeitig
die niedrigste Koerzitivspannung besitzt. Im allgemeinen Fall
können die einzelnen Materialien in beliebiger Reihenfolge
geschichtet werden. Die an der i-ten Schicht abfallende
Spannung beträgt im Falle eines n-Schichtsystems entsprechend der
Spannungsteilerformel und soweit die Schichten planar
angeordnet sind:
mit i, k = 1, . . ., n. Hierbei bezeichnet d die Schichtdicke, ε die
Dielektrizitätskonstante, U die an den Kondensatorplatten
anliegende Spannung und Ui die an der i-ten Schicht abfallende
Spannung.
For a simplified description, the layers are arranged below in such a way that the layer indicated with layer 1 corresponds to the layer deposited first and at the same time has the lowest coercive voltage. In general, the individual materials can be layered in any order. In the case of an n-layer system, the voltage dropping at the i-th layer corresponds to the voltage divider formula and insofar as the layers are arranged in a planar manner:
with i, k = 1,. , ., n. Here, d denotes the layer thickness, ε the dielectric constant, U the voltage applied to the capacitor plates and U i the voltage dropping across the i-th layer.
Dies geschieht unter Anpassung der Schichtdicken d an die Dielektrizitätskonstanten der verwendeten Materialien, wie in nachfolgender Rechnung aufgeführt. Eine konkrete Ausführungsform im Rahmen einer 2-Bitspeicherung pro Zelle erhält man, wenn man die bekannten ferroelektrischen Materialen SrBi2Ta2O9 (SBT) in Kombination mit Pb(Zr, Ti)O9 (PZT) verwendet. This is done by adapting the layer thicknesses d to the dielectric constant of the materials used, as listed in the following calculation. A specific embodiment in the context of 2-bit storage per cell is obtained if the known ferroelectric materials SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT) are used in combination with Pb (Zr, Ti) O 9 (PZT).
Wie bei den meisten FeRAM-Konzepten handelt es sich bezüglich des Auslesens der Bitinformation (hier: Bitinformationen) um einen zerstörenden Prozess, d. h. der eingeprägte Zustand wird durch das Auslesen verändert und muss in einem Folgeschritt wieder neu eingeschrieben werden. As with most FeRAM concepts, it is about reading out the bit information (here: bit information) a destructive process, d. H. the imprinted condition is changed by reading out and must in a subsequent step be re-registered again.
Bei einem hinreichend hohen Leseimpuls, d. h. mit mindestens so hoher Amplitude, dass die an Schicht 1 und Schicht 2 abfallenden Spannungen zu einem Umschalten der remanenten Polarisation führen können, können die zum Senseamplifier oder Leseverstärker abgeflossenen Ladungen eindeutig den vorliegenden Bitzuständen zugeordnet werden. Hierbei kommt zum Tragen, dass die beiden Materialien deutliche Unterschiede in den remanenten Polarisationen aufweisen. Je nach Ausgangszustand ergeben sich dadurch deutliche Unterschiede in den Ausleseströmen über die Bitleitung. With a sufficiently high read pulse, i. H. with at least so high amplitude that the layer 1 and layer 2 falling voltages to switch the retentive Polarization can lead to the senseamplifier or Charge amplifier has clearly discharged the existing bit states can be assigned. Here comes to Wear that the two materials have significant differences in the remanent polarizations. Depending on This results in clear differences in the initial state Readout currents via the bit line.
Als eine weitere Ausführungsform sei ein Schichtsystem genannt, bei dem zwischen ein oder mehreren ferroelektrischen Schichten oder an der Grenzfläche zur Elektrode noch dielektrische oder auch leitfähige Schichten, die nicht nach außen kontaktiert sind, eingefügt sind. A layer system is a further embodiment called, in which between one or more ferroelectric Layers or at the interface to the electrode dielectric or conductive layers that are not are contacted on the outside, are inserted.
Ein Grund für die Einfügung solcher Schichten könnte sein, daß bestimmte Texturen der darüber befindlichen ferroelektrischen Schicht erzielt werden sollen. One reason for inserting such layers could be that certain textures of those above it ferroelectric layer to be achieved.
Das Beschreiben erfordert zwei verschiedene Schwellspannungen über den Ferrokondensator (Version 1) oder zwei verschiedene Impulsdauern (Version 2). Writing requires two different threshold voltages via the ferro condenser (version 1) or two different ones Pulse durations (version 2).
Ein Beispiel, wie die Sequenz von Spannungspulsen und Pegel erfolgen könnte, wird nun dargestellt. Sollen beide Bitzustände geschaltet werden, so ist eine Spannung erforderlich, die so groß ist, dass die an den Schichten F1 und F2 abfallenden Spannungen mindestens so hoch sind wie die entsprechenden Koerzitivspannungen und damit einen Umschaltprozess hervorrufen. Soll nur die Polarisation der Schicht mit der kleineren Koerzitivfeldstärke umgeschaltet werden (hier F1 bzw. SBT), so muss die am Kondensatormodul abfallende Spannung gerade so groß sein, dass nur die Schicht F1 umpolarisiert wird, und allerdings die an F2 abfallende Spannung kleiner sein als die Koerzitivspannung der Schicht F2. Ein Beschreiben von F2 ohne Veränderung von F1 ist nur möglich, wenn zunächst beide Schichten beschrieben werden mit einer genügend hohen Spannung am Ferrokondensator c und anschließend mit einer wie oben beschrieben geringeren Spannung die Schicht F1 nochmal nachgeschrieben wird. An example of how the sequence of voltage pulses and levels is now shown. Should both Bit states are switched, a voltage is required which is so large that the layers F1 and F2 falling voltages are at least as high as that corresponding coercive voltages and thus a switching process cause. Should only the polarization of the layer with the smaller coercive field strength can be switched (here F1 or SBT), the one falling on the capacitor module Voltage just so great that only layer F1 is polarized, and however the voltage drop across F2 be less than the coercive voltage of layer F2. On Writing to F2 without changing F1 is only possible if both layers are first described with one sufficiently high voltage at the ferro capacitor c and then with a lower voltage as described above Layer F1 is rewritten again.
Ein selektives Beschreiben der einzelnen Schichten kann man auch erreichen unter Ausnutzung der vorhandenen Unterschiede in den Umschaltzeiten. One can selectively describe the individual layers also achieve using the existing differences in the switching times.
Eine Kombination aus Version 1 und Version 2 ist ebenfalls möglich. A combination of version 1 and version 2 is also possible.
Kriterium für die Funktionsfähigkeit des Multibit-FeRAMs und
für die Einstellung von Schichtdicken:
Die Spannungsteilerregel für die Reihenschaltung zweier
Kapazitäten lautet:
Criterion for the functionality of the multibit FeRAM and for the setting of layer thicknesses:
The voltage divider rule for the series connection of two capacitors is:
Die Kapäzität C von Plattenkondensatoren mit Fläche A und
Dicke d berechnet sich zu
wobei ε0 die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und ε die
Dielektrizitätskonstante der zwischen den Kondensatorplatten
befindlichen Schicht ist.
The capacitance C of plate capacitors with area A and thickness d is calculated
where ε 0 is the dielectric constant of the vacuum and ε is the dielectric constant of the layer located between the capacitor plates.
Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit des Multibitkondensators ist es, dass diejenige Schicht separat geschaltet werden kann, die eine niedrigere Koerzitivfeldstärke besitzt (in diesem Beispiel sei EC1 < EC2), ohne die Schicht mit der höheren Koerzitivfeldstärke in ihrer Polarisationsrichtung umzukehren. A prerequisite for the functionality of the multibit capacitor is that the layer that has a lower coercive field strength (in this example, be E C1 <E C2 ) can be switched separately without reversing the layer with the higher coercive field strength in its direction of polarization.
Das heißt, bei am Kondensator anliegender Spannung U muss die
an Schicht F1 abfallende Spannung U1 größer sein als die für
das Umschalten notwendigen Koerzitivspannung UC1 = EC1 d1, wobei
gleichzeitig erfüllt sein muß, daß die an Schicht F2
abfallende Spannung U2 kleiner ist als deren Koerzitivspannung
U2 = EC2 d2:
This means that when the voltage U is applied to the capacitor, the voltage U 1 dropping across layer F1 must be greater than the coercive voltage U C1 = E C1 d 1 required for the switchover, it also having to be satisfied that the voltage U 2 dropping across layer F2 is smaller than their coercive voltage U 2 = E C2 d 2 :
Definiert man die Größe K wie folgt:
so kann man als notwendigen und hinreichende Bedingung für
die prinzipielle Funktionsfähigkeit des
Multibit-Speicherkondensators verkürzt schreiben
Define the size K as follows:
so you can write shortened as a necessary and sufficient condition for the basic functionality of the multibit storage capacitor
Diese Bedingung ist nicht stets erfüllt. Im Falle, dass die Schicht mit niedrigem EC1 eine hohe Dielektrizitätskonstante ε1 besitzt, fällt niemals genügend Spannung ab um diese Schalten ohne gleichzeitig auch Schicht F2 mit höherer Koerzitivfeldstärke EC2 und niedrigerer Dielektrizitätskonstante ε2 zu schalten. This condition is not always met. In the event that the layer with a low E C1 has a high dielectric constant ε 1 , sufficient voltage never drops to switch these switches without simultaneously switching layer F2 with a higher coercive field strength E C2 and a lower dielectric constant ε 2 .
Beispielrechnung für ein nicht funktionierendes
Materialsystem:
Material 1: EC1 = 100 kV/cm und ε1 = 100
Material 2: EC2 = 200 kV/cm und ε2 = 10
Example calculation for a non-functioning material system:
Material 1: E C1 = 100 kV / cm and ε 1 = 100
Material 2: E C2 = 200 kV / cm and ε 2 = 10
Es folgt:
welches nicht erfüllt werden kann bei beliebiger Wahl der
Dicken d1 und d2.
It follows:
which cannot be fulfilled with any choice of the thicknesses d 1 and d 2 .
Das SBT/PZT-Multibitspeichermodell erfüllt allerdings die obige Voraussetzung, wie man leicht anhand der aufgelisteten Daten überprüfen kann. However, the SBT / PZT multi-bit memory model fulfills that above requirement, how to easily use the listed Can check data.
Über die Wahl der Schichtdickenkombination kann man den Wert K einstellen. K ermöglicht die Einstellung für den Umschaltprozess. The value can be determined by choosing the layer thickness combination Set K. K enables the setting for the Switching process.
Verallgemeinerung des Kriteriums für die
Funktionstauglichkeit des Multibitspeichers:
Ein Multibitspeicher setzt sich zusammen aus insgesamt n
Schichten F1, F2, . . ., Fn. Zur vereinfachten Beschreibung
seien die Schichten so angeordnet, dass mit ansteigender
Indexzahl i Schichten mit zunehmender Koerzitivfeldstärke EC,I
bezeichnet werden.
EC,1 < EC,2 < . . . < EC,n, i = 1 . . . n (1)
Generalization of the criterion for the functionality of the multi-bit memory:
A multibit memory is composed of a total of n layers F 1 , F 2 ,. , ., F n . For a simplified description, the layers are arranged so that with increasing index number i, layers with increasing coercive field strength E C, I are designated.
E C, 1 <E C, 2 <. , , <E C, n , i = 1. , , n (1)
Für den Spannungsabfall Ui an der i-ten Schicht ergibt sich
laut Spannungsteilerformel
According to the voltage divider formula, the voltage drop U i at the i-th layer results
Uges bezeichnet hierbei die extern angelegte Spannung, die
sich aus den Kapazitäten Ci der einzelnen Schichten i
berechnen lässt. Die Kapazität Ci einer planaren Schichten im
Kondensator mit Fläche A, Dielektrizitätskonstante εj und eine
Schichtdicke dj berechnet sich zu
U tot denotes the externally applied voltage, which can be calculated from the capacitances C i of the individual layers i. The capacitance C i of a planar layers in the capacitor with area A, dielectric constant ε j and a layer thickness d j are calculated
Durch einsetzen von Gl. (3) in Gl. (2) lassen sich notwendige
Bedingungen für die Funktionsfähigkeit des Multibitspeichers
ableiten, welche wie folgt beschrieben werden können.
By using Eq. (3) in Eq. (2) necessary conditions for the functionality of the multi-bit memory can be derived, which can be described as follows.
Liegen n Schichten vor, so sind für die Funktion des n- Multibitspeichers auch n extern anliegende Spannungspegel Ui ges erforderlich. Der Index i bezeichnet die externe Spannung bei der die i-te Schicht schalten soll, jedoch die (i + 1)-te Schicht nicht. If there are n layers, then n externally applied voltage levels U i ges are required for the function of the n multibit memory. The index i denotes the external voltage at which the i-th layer is to switch, but the (i + 1) -th layer is not.
Der Spannungsabfall an der i-ten Schicht soll größer sein als
deren notwendige Koerzitivspannung, allerdings kleiner als
derjenigen der (i + 1)-ten Schichten. Daraus folgt:
The voltage drop at the i-th layer should be greater than its necessary coercive voltage, but less than that of the (i + 1) -th layers. It follows:
Hieraus lassen sich n - 1 Kriterien ableiten, die für die
Funktion des Multibitkondensators erfüllt sein müssen. Durch
Einführung von n - 1 Werten für Ki, lässt sich die Schreibweise
für die Bedingungen abkürzen. Ki sei wie folgt definiert:
From this, n - 1 criteria can be derived, which must be fulfilled for the function of the multibit capacitor. By introducing n - 1 values for K i , the notation for the conditions can be shortened. K i is defined as follows:
Die Funktion des Multibitkondensators ist erfüllt, wenn ein
Satz von n - 1 Werten von Ki existiert, so Gl. (7) stets
erfüllt ist:
The function of the multibit capacitor is fulfilled if a set of n - 1 values of K i exists, according to Eq. ( 7 ) is always fulfilled:
Gemäss der Gleichungen (1) und (2) muss der Spannungsabfall
an der zu schaltenden Schicht F1 um ein Δ1 grösser sein als
Koerzitivspannung dieser Schicht während der Spannungsabfall
an den anderen Schichten entsprechend um ein Δn kleiner sein
muss als die jeweilige Koerzitifspannung. Daraus ergibt sich,
im Fall von zwei Schichten n = 2 für die Beziehung zwischen den
Schichtdicken, Koerzitivfeldstärken und
Dielektrizitätszahlen:
According to equations (1) and (2), the voltage drop across layer F1 to be switched must be Δ1 greater than the coercive voltage of this layer, while the voltage drop across the other layers must be correspondingly Δn smaller than the respective coercive voltage. In the case of two layers n = 2, this results in the relationship between the layer thicknesses, coercive field strengths and dielectric constant:
Für die angelegte Spannung U muss dann gelten
U = EC2.d2 + EC1.d1 + Δ1 -Δ2.
The applied voltage U must then apply
U = E C2 .d 2 + E C1 .d 1 + Δ 1 -Δ 2 .
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert: The invention will be described with reference to the accompanying Drawings explained in more detail:
Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine Schaltungsanordnung für die erfindungsgemäße Speicherzelle. Fig. 1 shows in schematic form a circuit arrangement for the inventive memory cell.
Fig. 2A zeigt die Anordnung eines Speicherkondensators der erfindungsgemäßen Speicherzelle. Fig. 2A shows the arrangement of a memory capacitor of the memory cell of the invention.
Fig. 2B zeigt eine erfindungsgemäße Speicherzelle in Stapelarchitaktur. Fig. 2B shows a memory cell of the invention in Stapelarchitaktur.
Fig. 2C zeigt eine erfindungsgemäße Speicherzelle in Offsetarchitektur. Fig. 2C shows a memory cell of the invention in offset architecture.
Fig. 3 zeigt Hysteresekurven in Bezug auf den Dielektrikumsbereich eines Speicherkondensators einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle. Fig. 3 shows hysteresis curves with respect to the dielectric region of a storage capacitor of a memory cell embodiment of the invention.
Fig. 4A-C zeigen einen Lesespannungspuls als Funktion der Zeit bzw. daraus resultierende Lesestrompulse als Funktion der Zeit bei einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sowie eine Kodierungstabelle. FIGS. 4A-C show a read voltage pulse as a function of time and the resulting sense current pulses as a function of time in a first embodiment of an operating method according to the invention as well as a coding table.
Fig. 5 zeigt schematisch einen allgemeinen Ablauf des Schreibens bei einem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren. Fig. 5 is a general flow schematically illustrates the writing in an inventive method of operation.
Fig. 6 zeigt eine andere Schreibabfolge bei einem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren. Fig. 6 shows another write sequence in an inventive method of operation.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäße Halbleiterspeicherzelle 10, welche in diesem Fall gebildet wird von dem eigentlichen Speicherkondensator C sowie einem auf diesen Speicherkondensator C zugreifenden Auswahltransistor T oder Zugriffstransistor T. Fig. 1 shows a schematic circuit diagram for an inventive semiconductor memory cell 10, which is formed in this case of the actual storage capacitor C and a storage capacitor C accessing this selection transistor T or access transistor T.
Der Speicherkondensator C weist eine erste oder untere Elektrodeneinrichtung BE auf, welche auch als Bottomelektrode bezeichnet werden kann. Des Weiteren ist eine zweite oder obere Elektrodeneinrichtung TE vorgesehen, welche auch als Topelektrode bezeichnet werden kann. Zwischen der ersten Elektrodeneinrichtung BE und der zweiten Elektrodeneinrichtung TE ist ein Dielektrikumsbereich F vorgesehen, welcher auch als Speicherdielektrikumsbereich F bezeichnet wird. Die erste Elektrodeneinrichtung BE ist mit einer Plateleitungseinrichtung PL der Speicherzelle 10 verbunden. Die zweite Elektrodeneinrichtung TE ist mit dem Drainbereich D des Auswahltransistors T der Speicherzelle 10 verbunden. Der Sourcebereich S des Auswahltransistors T ist mit der Bitleitungseinrichtung BL der Speicherzelle 10 verbunden. Der Gatebereich G des Auswahltransistors T ist mit der Wortleitungseinrichtung WL der Speicherzelle 10 verbunden. The storage capacitor C has a first or lower electrode device BE, which can also be referred to as a bottom electrode. Furthermore, a second or upper electrode device TE is provided, which can also be referred to as a top electrode. A dielectric region F, which is also referred to as a storage dielectric region F, is provided between the first electrode device BE and the second electrode device TE. The first electrode device BE is connected to a plateline device PL of the memory cell 10 . The second electrode device TE is connected to the drain region D of the selection transistor T of the memory cell 10 . The source region S of the selection transistor T is connected to the bit line device BL of the memory cell 10 . The gate region G of the selection transistor T is connected to the word line device WL of the memory cell 10 .
Durch die jeweilige Beaufschlagung der Plateleitungseinrichtung PL, der Bitleitungseinrichtung BL sowie der Wortleitungseinrichtung WL der Speicherzelle 10 kann auf den Speicherkondensator C in lesender oder schreibender Art und Weise zugegriffen werden, um Informationen auszulesen oder einzuschreiben. Due to the respective loading of the plateline device PL, the bit line device BL and the word line device WL of the memory cell 10 , the storage capacitor C can be accessed in a reading or writing manner in order to read or write information.
Die Fig. 2A zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht den Speicherkondensator C einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle 10. Dargestellt sind dort ausschließlich die erste, untere oder Bottomelektrodeneinrichtung BE, die zweite, obere oder Topelektrodeneinrichtung TE sowie den zwischen den Elektrodeneinrichtungen BE, TE vorgesehenen Dielektrikumsbereich F, welcher von einer Mehrzahl n Dielektrikumseinzelbereichen F1, . . ., Fn gebildet wird. Die beiden Elektrodeneinrichtungen BE und TE sind in etwa als Plattenelektroden oder Schichtelektroden ausgebildet. Entsprechend sind die Dielektrikumseinzelbereiche F1, . . ., Fn des Dielektrikumsbereiches F als dazwischen parallel vorgesehene planparallele Schichten ausgebildet, welche bestimmte Dielektrizitätskonstanten ε1, . . ., εn aufweisen. FIG. 2A shows a schematic and sectional side view of the storage capacitor C to a first embodiment of the memory cell 10 of the invention. Only the first, lower or bottom electrode device BE, the second, upper or top electrode device TE as well as the dielectric area F provided between the electrode devices BE, TE, which consists of a plurality of n individual dielectric areas F1,. , ., Fn is formed. The two electrode devices BE and TE are designed approximately as plate electrodes or layer electrodes. The dielectric individual regions F1,. , ., Fn of the dielectric region F are formed as parallel plane-parallel layers between them, which have certain dielectric constants ε 1 ,. , ., ε n have.
In der in Fig. 2A dargestellten Anordnung weisen die verschiedenen Dielektrikumseinzelbereiche F1, . . ., Fn, welche auch als die ferroelektrischen Schichten F1, . . ., Fn bezeichnet werden können, unterschiedlich ausgerichtete Polarisationseinzelzustände P1, P2, . . ., Pn auf, welche sich insgesamt zu einem Polarisationsgesamtzustand P für den gesamten Dielektrikumsbereich F überlagern, welcher dann außen hin abgreifbar lesbar ist. In the arrangement shown in FIG. 2A, the different dielectric individual areas F1,. , ., Fn, which are also called the ferroelectric layers F1,. , ., Fn, differently oriented individual polarization states P1, P2,. , ., Pn, which overlap overall to a total polarization state P for the entire dielectric region F, which can then be read from the outside.
Entsprechend der Orientierung der verschiedenen Polarisationseinzelzustände P1, P2, . . ., Pn sind in den Dielektrikumseinzelbereichen F1, F2, . . ., Fn entsprechende binäre Einzelbits ausgebildet deren Reihenfolge und Anordnung dann eine entsprechende Bitkombination 8 definiert, welche einer entsprechenden n-Bitinformation entspricht. According to the orientation of the different Individual polarization states P1, P2,. , ., Pn are in the Dielectric single areas F1, F2,. , ., Fn corresponding binary Individual bits then formed their order and arrangement defines a corresponding bit combination 8, which one corresponds to corresponding n-bit information.
Die Ausgestaltungsform eines Speicherkondensators C der Fig. 2A kann in verschiedenen Architekturen für eine Speicherzelle 10 angeordnet sein, wie dies in den Fig. 2B und 2C dargestellt ist, welche eine Stapel- oder stacked Architektur bzw. eine Offsetarchitektur zeigen. The embodiment of a storage capacitor C of FIG. 2A can be arranged in different architectures for a memory cell 10 , as shown in FIGS. 2B and 2C, which show a stacked or stacked architecture or an offset architecture.
Bei der Stapelarchitektur der Fig. 2B ist die Bottomelektrode BE über einen Polysiliziumplug mit dem Drainbereich D des Auswahltransistors T verbunden, wogegen die Topelektrode TE mit der Plateleitungseinrichtung der Speicherzelle 10 verbunden ist. In the stack architecture of Fig. 2B, the bottom electrode BE is connected through a polysilicon plug to the drain region D of the selection transistor T, the top electrode TE while the plate line device of the memory cell 10 is connected.
Im Gegensatz dazu ist bei der Ausführungsform der Fig. 2C in Offsetstruktur die Topelektrodeneinrichtung TE über einen entsprechenden Kontaktbereich mit dem Drainbereich D des Auswahltransistors T verbunden, wogegen die Bottomelektrodeneinrichtung BE lateral verlängert ist und mit der Plateleitungseinrichtung PL der erfindungsgemäßen Speicherzelle 10 in Verbindung steht. In contrast to this, in the embodiment of FIG. 2C in an offset structure, the top electrode device TE is connected via a corresponding contact area to the drain area D of the selection transistor T, whereas the bottom electrode device BE is laterally elongated and is connected to the plate line device PL of the memory cell 10 according to the invention.
Fig. 3 zeigt zwei Hystereseverläufe für zwei unterschiedliche Dielektrikumsmaterialien, welche bei einem Speicherkondensator C mit zwei den Dielektrikumsbereich F bildenen Dielektrikumseinzelbereichen F1 und F2, verwendet werden. Dargestellt ist dort jeweils die ferroelektrische Polarisation P als Funktion der angelegten Spannung U. Die remanente Polarisation ist jeweils mit P1 und P2 bezeichnet und wird auch als Polarisationseinzelzustand P1, P2 bezeichnet. Die eingezeichneten Einzelspannungen U1 und U2 werden auch als Koerzitivspannungen bezeichnet. Diese ergeben sich aus den Koerzitivfeldstärken unter Zugrundelegung und in Abhängigkeit von den jeweiligen Schichtdicken d1 und d2 der Schichen der Dielektrikumseinzelbereiche F1 und F2. Fig. 3 shows two Hystereseverläufe for two different dielectric materials, which-forming in a storage capacitor C and the two dielectric region F Dielektrikumseinzelbereichen F1 and F2 are used. The ferroelectric polarization P is shown there as a function of the applied voltage U. The remanent polarization is designated P1 and P2 and is also referred to as the individual polarization state P1, P2. The individual voltages U1 and U2 shown are also referred to as coercive voltages. These result from the coercive field strengths on the basis and as a function of the respective layer thicknesses d1 and d2 of the layers of the dielectric individual regions F1 and F2.
Mit der der Fig. 3 zugrunde liegenden Kondensatoreinrichtung C können somit insgesamt gesehen m = 4 unterschiedliche Polarisationszustände P mittels zweier binärer Bits ausgebildet werden: m = 2n = 22 = 4. With the capacitor device C on which FIG. 3 is based, a total of m = 4 different polarization states P can be formed by means of two binary bits: m = 2 n = 2 2 = 4.
Die Fig. 4A bis 4C zeigen in schematischer Form in Form von Graphen die zeitlichen Verläufe eines Lesespannungspulses U, vier mögliche sich aus dem Lesespannungspuls U ergebende Ausleseströme I1 bis I4 sowie eine Codierung der Leseströme I1 bis I4 in entsprechende Bitkombinationen B1 bis B4, wobei - wie in Fig. 3 - ein Speicherkondensator C mit zwei Dielektrikumseinzelbereichen F1 und F2 zugrunde gelegt ist, welche die in Fig. 3 gezeigten Eigenschaften hinsichtlich Koerzitivspannung und der Polarisationseinzelzustände P1, P2 oder remanenten Polarisation P1 und P2 aufweisen. FIGS. 4A to 4C show, in schematic form in the form of graphs the time characteristics of a read voltage pulse U, four possible resulting from the read voltage pulse U readout currents I1 to I4, and a coding of the read currents I1 to I4 in corresponding bit combinations B1 to B4, wherein - as shown in Fig. 3 - a storage capacitor C and the two Dielektrikumseinzelbereichen F1 and F2 is taken as a basis, which have the properties in terms of coercive shown in Figure 3 and the polarization individual states P1, P2 or remanent polarization P1 and P2..
Nach Beaufschlagen des Speicherkondensators C mit einem Lesespannungspuls U gemäß dem Verlauf der Fig. 4A, das heißt mit einer Beaufschlagungszeit τ, ergibt sich eines der in Fig. 4B gezeigten möglichen Ergebnisse in Form eines Auslesestroms I1 bis I4, welche sich in ihrer Größe zueinander unterscheiden. Je nach Ausrichtung der Polarisationseinzelzustände ±P1, ±P2 ergeben sich unterschiedliche Gesamtpolarisationen und entsprechend unterschiedlich starke Ausleseströme I1 bis I4. Diese unterschiedlich großen Ausleseströme I1 bis I4 werden in der in der Tabelle der Fig. 4C dargestellten Form zueinander codiert, so dass jeweils miteinander in Zusammenhang stehen die vier verschiedenen Polarisationsmöglichkeiten, entsprechend vier unterschiedlichen Gesamtpolarisationszuständen, mit den vier verschiedenen Ausleseströmen I1 bis I4. After applying a read voltage pulse U to the storage capacitor C according to the course of FIG. 4A, that is to say with an exposure time τ, one of the possible results shown in FIG. 4B results in the form of a readout current I1 to I4, which differ from one another in terms of their magnitude , Depending on the orientation of the individual polarization states ± P1, ± P2, there are different total polarizations and correspondingly different read currents I1 to I4. These readout currents I1 to I4 of different sizes are coded to one another in the form shown in the table in FIG. 4C, so that the four different polarization possibilities, corresponding to four different total polarization states, are related to one another with the four different readout currents I1 to I4.
Fig. 5 zeigt in Form eines schematischen Flussdiagramms einen möglichen Verlauf für einen Schreibvorgang in Bezug auf einen Dielekrikumsbereich F, welcher aus n Dielektrikumseinzelbereichen F1, . . ., Fn aufgebaut ist, wobei sich die Dielektrikumseinzelbereiche F1, . . ., Fn hinsichtlich ihrer Koerzitivspannungen U1, . . ., Un gemäß U1 < U2 < . . . < Un unterscheiden. Fig. 5 a schematic flow diagram showing in the form of a possible profile for a write operation with respect to a Dielekrikumsbereich F, which, from n Dielektrikumseinzelbereichen F1. , ., Fn is constructed, the dielectric individual regions F1,. , ., Fn with regard to their coercive voltages U1,. , ., Un according to U1 <U2 <. , , <Un distinguish.
Nach einer initialen Phase im Schritt S1 wird im Schritt S2 geprüft, ob das Bit mit der Nummer n, also der Dielektrikumseinzelbereich Fn geändert werden soll. Ist dies der Fall, so wird im Schritt S3 die Schreibspannung auf die Koerzitivspannung Un oder einen Wert darüber und/oder so eingestellt, dass an der n-ten Schicht mindestens die Koerzitivspannung abfällt. Im Schritt S4 wird entsprechend der Dielektrikumsbereich Fn mit der entsprechenden positiven oder negativen Koerzitivspannung Un oder einer Spannung darüber oder darunter als Schreibspannung beaufschlagt, wodurch entsprechend der Polarisationszustand Pn positiv oder negativ ausgerichtet wird und das entsprechende Bit auf 1 oder 0 gesetzt wird. After an initial phase in step S1, step S2 checked whether the bit with the number n, i.e. the Dielectric single area Fn is to be changed. If so, so in step S3, the write voltage to the Coercive voltage Un or a value above and / or set so that at least the coercive voltage at the nth layer drops. In step S4, the Dielectric range Fn with the corresponding positive or negative Coercive voltage Un or a voltage above or below applied as a write voltage, which accordingly the polarization state Pn is aligned positively or negatively and the corresponding bit is set to 1 or 0.
Dies wird letztlich für alle nachfolgenden Dielektrikumseinzelbereiche Fn - 1, . . ., F1 durchgeführt, wie das in den Schritten S2', S3', S4' bzw. S2", S3", S4" schematisch angedeutet ist. Nach dem Durchlaufen der Kaskade dieser Schritte sind alle n Dielektrikumseinzelbereiche F1, . . ., Fn gemäß der vorliegenden n-Bitinformation I und der entsprechend zugeorndeten Bitkombination B mit einer positiven oder negativen Einzelpolarisation P1, . . ., Pn programmiert. Ultimately, this will apply to all subsequent ones Dielectric single areas Fn - 1,. , ., F1 performed like that in the Steps S2 ', S3', S4 'and S2 ", S3", S4 "schematically is indicated. After going through the cascade of these steps are all n dielectric individual areas F1,. , ., Fn according to the present n-bit information I and the corresponding assigned bit combination B with a positive or negative Single polarization P1,. , ., Pn programmed.
Fig. 6 zeigt in schematischer Form die Abfolge eines Schreibverfahrens bei einem Speicherkondensator C mit drei Dielektrikumseinzelbereichen F1, F2, F3, wobei, ausgehend vom Informationsgehalt (0,0,0) die Bitkombination (1,0,1) in den Dielektrikumsbereich F eingeschrieben werden soll. FIG. 6 shows in schematic form the sequence of a write process for a storage capacitor C with three dielectric individual areas F1, F2, F3, the bit combination (1,0,1) being written into the dielectric area F based on the information content (0,0,0) shall be.
Im ersten Abschnitt A1 der Fig. 6 wird die positive Koerzitivspannung U3 als Schreibspannung auf die Gesamtheit der Dielektrikumseinzelbereiche F1, F2, F3, also auf den Dielektrikumsbereich F insgesamt angelegt, so dass sämtliche Einzelpolarisationszustände P1, P2, P3 positiv ausgerichtet werden, was einer Bitkombination (1,1,1) entspricht. In the first section A1 of FIG. 6, the positive coercive voltage U3 is applied as a write voltage to the entirety of the dielectric individual areas F1, F2, F3, that is to say to the dielectric area F as a whole, so that all of the individual polarization states P1, P2, P3 are aligned positively, which is a bit combination (1,1,1).
Im nachfolgenden Schritt A2 der Vorgehensweise der Fig. 6 wird dann zum Nullsetzen des zweiten Bits die negative Koerzitivspannung U2 für den zweiten Dielektrikumsbereich F2 an die Gesamtheit der Dielektrikumseinzelbereiche F1, F2, F3, also an den gesamten Dielektrikumsbereich F angelegt, wodurch die ersten und zweiten Dielektrikumsbereiche F1 und F2 negativ umpolarisiert werden, wogegen der dritte Dielektrikumsbereich F3 mit seiner positiven Polarisierung gemäß dem Polarisationseinzelzustand P3 verbleibt. Es ergibt sich nach dem Verfahrensschritt A2 die Bitkombination (1,0,0). In the subsequent step A2 of the procedure in FIG. 6, the negative coercive voltage U2 for the second dielectric region F2 is then applied to the entirety of the dielectric individual regions F1, F2, F3, that is to say to the entire dielectric region F, so that the first and second Dielectric regions F1 and F2 are negatively polarized, whereas the third dielectric region F3 remains with its positive polarization according to the individual polarization state P3. The bit combination (1,0,0) results after method step A2.
Im letzten Verfahrensschritt A3 schließlich wird wiederum in
positiver Form die Koerzitivspannung U1 an den gesamten
Dielektrikumsbereich F angelegt, wodurch ausschließlich der
dritte Dielektrikumseinzelbereich F1 positiv umpolarisiert
wird mit einem entsprechenden positiven
Polarisationseinzelzustand P1, wogegen die zweiten und dritten
Dielektrikumseinzelbereich F2 bzw. F3 ihre negative Polarisation P2 bzw.
positive Polarisation P3 beibehalten. Insgesamt ergibt sich wie
gewünscht nach der Abfolge also eine Bitkombination (1,0,1).
Bezugszeichenliste
10 Speicherzelle
B Bitkombination
BE erste Elektrodeneinrichtung, untere
Elektrodeneinrichtung, Bottomelektrode
BL Bitleitungseinrichtung, Bitleitung
B1, . . ., Bm Bitkombination
C Speicherkondensator
D Drainbereich, Drain
F Speicherdielektrikumsbereich,
Speicherdielektrikum
F1, . . ., Fn Speicherdielektrikumseinzelbereiche
G Gatebereich, Gate
I Auslesestrom
I1, . . ., I4 Lesestrompuls
P Polarisationszustand
PL Plateleitungseinrichtung, Plateleitung
P1, . . ., Pn Polarisierbarkeit, remanente Polarisation,
Polarisationseinzelzustand
T Auswahltransistor, Zugriffstransistor
U Lesespannungspuls, Lesespannung
U1, . . ., Un Koerzitivspannungen, Schreibspannungen
WL Wortleitungseinrichtung, Wortleitung
τ1, . . ., τn Zugriffszeit, Umschaltzeit
Finally, in the last method step A3, the coercive voltage U1 is again applied in positive form to the entire dielectric region F, as a result of which only the third dielectric individual region F1 is positively polarized with a corresponding positive polarization individual state P1, whereas the second and third dielectric individual regions F2 and F3 have their negative polarization P2 or maintain positive polarization P3. Overall, as desired, a bit combination (1,0,1) results from the sequence. Reference numeral list 10 memory cell
B bit combination
BE first electrode device, lower electrode device, bottom electrode
BL bit line device, bit line
B1,. , ., Bm bit combination
C storage capacitor
D drain area, drain
F storage dielectric range, storage dielectric
F1,. , ., Fn single memory dielectric regions
G gate area, gate
I readout current
I1,. , ., I4 reading current pulse
P state of polarization
PL plate line device, plate line
P1,. , ., Pn polarizability, remanent polarization, single polarization state
T selection transistor, access transistor
U read voltage pulse, read voltage
U1,. , ., Un coercive voltages, writing voltages
WL word line device, word line
τ1,. , ., τn access time, changeover time
Claims (25)
genügen, wobei Ui ges die externe, am Kondensator anliegende Spannung bedeutet, so dass die i-te Schicht schaltbar ist und die (i + 1)-te Schicht nicht schaltbar ist. 14. Memory cell according to one of the preceding claims, characterized in that the strengths d i , the coercive field strengths E C, i and dielectric constants ε i of the i-th and (i + 1) -th layer for all i = 1,. , ., n - 1 the conditions
are sufficient, where U i ges means the external voltage applied to the capacitor, so that the i-th layer can be switched and the (i + 1) -th layer cannot be switched.
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