CN101404286A - 动态随机存取存储器元件包 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种动态随机存取存储器元件包，其包括基板、晶体管、及磁电容。基板为半导体材料构成，具有主体表面；晶体管形成于主体表面；磁电容，形成于金属层，且金属层位于晶体管上方。晶体管包括源极区域、漏极区域、及控制栅极。源极区域及漏极区域形成于基板的主体表面，控制栅极位于源极区域与漏极区域间，控制栅极与基板间以薄控制介电层相隔。磁电容包括第一电极、形成于第一电极上的介电层、及形成于介电层上的第二电极。此动态随机存取存储器元件包可提高密度，简化工艺，及降低恢复率。形成于数层金属层的动态随机存取存储器元件包亦在此揭露。

Description

动态随机存取存储器元件包
技术领域
本发明有关一种动态随机存取存储器元件包(DRAM cell)，且特别是有关一种将磁电容形成于金属层的动态随机存取存储器元件包。
背景技术
动态随机存取存储器元件包(DRAM cell)，一般而言每个位包括有一晶体管及一储存电容，是电子系统里最重要的储存部件之一，特别是在电脑及通讯系统方面。动态随机存取存储器元件包的输出电压与其储存电容的电容量是成比例的，因此，当电压量改变时，储存电容必须有足够的电容量以使得动态随机存取存储器元件包能够稳定运作。
再者，传统动态随机存取存储器元件包的构造上，电容是形成于晶硅层以求取得较高的电容量，此外，电容通常是配置于晶体管旁，因此占了晶片上相当大且重要的空间来取得所需电容量，使得动态随机存取存储器元件包的每个位所占体积大。
然而，动态随机存取存储器的成本是决定于其元件包的密度，元件包的尺寸愈小愈好，因为如此一来单片晶片可产出较大量的动态随机存取存储器元件包，使得产能增加，成本降低。
市面已有一些动态随机存取存储器元件包因其构造有别于传统而密度提高，例如沟渠型电容是在半导体基板上形成一深沟渠而未增加半导体基板的表面区域的使用，因此沟渠型电容可降低动态随机存取存储器元件包的尺寸，但是缺点为工艺困难且复杂。
此外，虽然这些动态随机存取存储器元件包的密度提高，然而其需要周期性地进行记忆更新，因此需要额外的电路以读出及重新写入存储器的每个位，使得动态随机存取存储器的电路更为复杂，这也表示存储器并不总是可为系统所用因其可能处于更新期间。而且，额外的电路降低了存储器的密度，储存电容占了大空间使得动态随机存取存储器的尺寸偏大而竞争力减低。
从上述现象看来，提供一种动态随机存取存储器元件包来改善上述问题是有其实际需求的。
发明内容
因此本发明就是在提供一种动态随机存取存储器元件包(DRAM cell)，此动态随机存取存储器元件包可提高动态随机存取存储器的密度，简化其工艺，并可降低其恢复率。
本发明的一目的是提供小尺寸的动态随机存取存储器元件包，其可缩小动态随机存取存储器的尺寸，因此能降低DRAM积体电路的制造成本，提高其速度，并达到降低其漏电流及耗电量的功效。
本发明的另一目的是将磁电容形成于晶体管的上方以减少磁电容所占空间。
本发明的又一目的是使用磁电容以降低或消除动态随机存取存储器的恢复率。
本发明的又一目的是提供形成于数层金属层的磁电容的小尺寸动态随机存取存储器元件包，可以在需要时提供额外电容量。
根据本发明的上述目的，提出一种动态随机存取存储器元件包。此动态随机存取存储器元件包包括基板、晶体管、以及磁电容。基板系为半导体材料所构成，具有一主体表面；晶体管形成于主体表面；磁电容，形成于一金属层，且金属层位于晶体管的上方。晶体管包括源极区域、漏极区域、以及控制栅极。源极区域及漏极区域形成于基板的主体表面，控制栅极位于源极区域与漏极区域之间，控制栅极与基板之间以一薄控制介电层相隔。磁电容包括第一电极、形成于第一电极上的介电层、以及形成于介电层上的第二电极。
根据本发明的上述目的，提出另一种动态随机存取存储器元件包，此动态随机存取存储器元件包将磁电容形成于数个金属层。此动态随机存取存储器元件包包括基板、晶体管、以及磁电容。基板是由半导体材料所构成，具有一主体表面；晶体管形成于主体表面；磁电容形成于数个金属层，且金属层位于晶体管的上方。当单一金属层无法提供足够的电容量或此发明缩小至较小规模时，具有数个金属层的磁电容可以提供所需的额外电容量。
附图说明
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点能更明显易懂，以下将配合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，其中：
图1是依照本发明一较佳实施例的动态随机存取存储器元件包的侧视剖面示意图。
图2是依照本发明另一较佳实施例的动态随机存取存储器元件包的侧视剖面示意图。
具体实施方式
请参照图1，其绘示依照本发明一较佳实施例的一种动态随机存取存储器元件包的侧视剖面示意图。此动态随机存取存储器元件包包括基板100、晶体管120、以及磁电容140。基板100是由半导体材料所构成，具有一主体表面102。晶体管120包括源极区域124、漏极区域126、以及控制栅极122。源极区域124及漏极区域126形成于基板100的主体表面102，控制栅极122位于源极区域124与漏极区域126之间，控制栅极122与基板100之间以一薄控制介电层123相隔。控制栅极122可以由多晶硅所构成，而薄控制介电层123可以由二氧化硅所构成。磁电容140包括第一电极142、形成于第一电极142上的介电层144、以及形成于介电层144上的第二电极146。
请注意到磁电容140是形成于金属层，且金属层位于晶体管120的上方。传统的电容是形成于晶硅层以求取得较高的电容量，然而，现在的作法是将电容形成于金属层，而此法形成的电容已可提供动态随机存取存储器所需的电容量。因此，将磁电容140形成于位于晶体管120上方的金属层。但是，磁电容140并不需要形成于晶体管120的正上方，只要磁电容140是形成于金属层而非晶硅层时，动态随机存取存储器元件包所占的整体区域会大幅缩小。此外，动态随机存取存储器元件包的必要线路连接可配置于位于晶体管120与磁电容140间的线路区域180，以更加提高动态随机存取存储器的密度。
将磁电容140形成于金属层时，可以降低或消除动态随机存取存储器的恢复率。磁电容140具有如一般标准电容的数据储存功能之外，还具有少量甚至零漏电流量及储存容量高的特征。因为具有少量漏电流量，动态随机存取存储器的恢复率可随着降低以提供更多时间来供系统运作，当其漏电流量非常微量或甚至为零时，即可不需进行更新(refresh)，此时可移除恢复电路。而且，当其不需更新时，即使电源消失，数据亦不会流失，此时可成为非挥发性存储器，并可用以取代快闪存储器。此外，磁电容140耐得住来自高幅射环境下的高度幅射量，因为破坏磁电容140所需的能量必须远高于一般规格的幅射量，而磁电容140所储存的能量足以抵抗高度幅射量。
再者，现今的磁电容具有电容量大、介电常数大于3000、介电层薄、以及表面粗糙等特性，所以磁电容140所占的空间小于晶体管120。请注意到虽然晶体管120的栅极长度很小，磁电容140可提供足够的区域来容纳晶体管120，包括了晶体管120的接触垫129及130，控制栅极122，以及扩散区域121。
请参照图2，其绘示依照本发明另一较佳实施例的一种动态随机存取存储器元件包的侧视剖面示意图。此动态随机存取存储器元件包包括基板200、晶体管220、以及磁电容240。基板200系为半导体材料所构成，具有一主体表面202。晶体管220包括源极区域224、漏极区域226、以及控制栅极222。源极区域224及漏极区域226形成于基板200的主体表面202，控制栅极222位于源极区域224与漏极区域226之间，控制栅极222与基板200之间以一薄控制介电层223相隔。控制栅极222可以由多晶硅所构成，而薄控制介电层223可以由二氧化硅所构成。磁电容240包括第一电极241、形成于第一电极241上的第二介电层242、形成于第二介电层242上的第三电极243、形成于第三电极243上的第四介电层244、以及形成于第四介电层244上的第五电极245。
现今的作法是将电容形成于金属层，而此法形成的电容已可提供动态随机存取存储器所需的电容量。因此，将磁电容240形成于位于晶体管220上方的金属层。但是，磁电容240并不需要形成于晶体管220的正上方，只要磁电容240是形成于金属层而非晶硅层时，动态随机存取存储器元件包所占的整体区域会大幅缩小。
请注意到磁电容240是形成于数层金属层包括第一电极241、第三电极243、以及第五电极245。当只具有单一金属层的磁电容无法提供足够的磁电容量时，具有数个金属层的磁电容可以提供所需的额外电容量。此外，因为磁电容的尺寸与晶体管的尺寸相当，此实施例可以缩小至较小的规模。当晶体管的尺寸缩小时，晶体管所控制的电流量也随着减少，此时相对于晶体管的尺寸来说，动态随机存取存储器元件包需要较大的电容量，因此需要具有数层金属层的磁电容以提供额外的电容量，在此实施例中，配置了第一电极241、第三电极243、以及第五电极245以提供晶体管220所需的额外电容量。此外，动态随机存取存储器元件包的必要线路连接可配置于位于晶体管220与磁电容240间的线路区域280，以更加提高动态随机存取存储器的密度。
再者，现今的磁电容具有电容量大、介电常数大于3000、介电层薄、以及表面粗糙等特性，所以磁电容240所占的空间小于晶体管220。请注意到虽然晶体管220的栅极长度很小，磁电容240可提供足够的区域来容纳晶体管220，包括了晶体管220的接触垫229及230，控制栅极222，以及扩散区域221。
第一个实施例与第二个实施例的差异是在于第二个实施例为具有数层的磁电容，当单一金属层的磁电容无法提供足够的电容量或动态随机存取存储器元件包缩小至较小的规模时，具有数层的磁电容可以提供所需的电容量。
由上所述可得以下结论，此发明将磁电容形成于晶体管的上方以减少磁电容所占空间，可以提高动态随机存取存储器元件包的速度，并达到降低其漏电流及耗电量的功效。因为速度快，此存储器元件包可取代静态随机存取存储器(SRAM)。此外，磁电容具有少量甚至零的漏电流量，动态随机存取存储器的恢复率可随着降低甚至为零，当恢复率为零时，即可移除恢复电路，成为非挥发性存储器，因此可用以取代其它型式的存储器。再者，磁电容可以耐得住高度幅射量。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作出各种等同的改变或替换，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims (16)

1.一动态随机存取存储器元件包，包含：
一基板，其由半导体材料所构成，具有一主体表面；
一晶体管，形成于该主体表面；以及
一磁电容，形成于一金属层，且该金属层位于该晶体管的上方。
2.根据权利要求1所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该晶体管包含：
一源极区域；
一漏极区域；以及
一控制栅极，位于该源极区域与该漏极区域之间，该控制栅极与该基板之间以一薄控制介电层相隔。
3.根据权利要求1所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该磁电容包含：
一第一电极；
一介电层，形成于该第一电极之上；以及
一第二电极，形成于该介电层之上。
4.根据权利要求1所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于还包含一线路区域，位于该晶体管与该磁电容之间，提供动态随机存取存储器元件包的线路连接。
5.根据权利要求1所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该磁电容的漏电流量为少量至零，以有效降低或消除动态随机存取存储器的恢复率。
6.根据权利要求5所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于当动态随机存取存储器的恢复率消除时，该动态随机存取存储器元件包为非挥发性。
7.根据权利要求5所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于当动态随机存取存储器的恢复率消除时，移除一恢复电路。
8.根据权利要求1所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该磁电容具有高电容量而耐得住高度幅射量。
9.一动态随机存取存储器元件包，包含：
一基板，其由半导体材料所构成，具有一主体表面；
一晶体管，形成于该主体表面；以及
一磁电容，形成于多个金属层，且该些金属层位于该晶体管的上方；
其中当动态随机存取存储器元件包需要较高的电容量时，这些金属层提供所需的电容量。
10.根据权利要求9所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该晶体管包含：
一源极区域；
一漏极区域；以及
一控制栅极，位于该源极区域与该漏极区域之间，该控制栅极与该基板之间以一薄控制介电层相隔。
11.根据权利要求9所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该磁电容包含：
多个电极；以及
多个介电层，其中这些介电层分别配置于两相邻的这些电极之间。
12.根据权利要求9所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于还包含一线路区域，位于该晶体管与该磁电容之间，提供动态随机存取存储器元件包的线路连接。
13.根据权利要求9所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该磁电容的漏电流量为少量至无，以有效降低或消除动态随机存取存储器的恢复率。
14.根据权利要求13所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于当动态随机存取存储器的恢复率消除时，该动态随机存取存储器元件包为非挥发性。
15.根据权利要求13所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于当动态随机存取存储器的恢复率消除时，移除一恢复电路。
16.根据权利要求9所述的动态随机存取存储器元件包，其特征在于该磁电容具有高电容量而耐得住高度幅射量。
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