CN1747061A - 铁电存储器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁电存储器，其具有有利于实现精细化的结构，并且能够与普通的铁电存储器相同地执行读出、写入等的处理动作。其包括：多条字线(161、162)，沿着一个方向排列；以及多条位线(130)，沿着与所述一个方向交叉的另一个方向排列，其中，由邻接的一对字线(161、162)构成一组字线对；配置成锯齿形的多个电容器单元(110)交错连接至构成一组字线对的各条字线(161、162)；配置多条位线(130)，以使可以个别地选择连接至一组字线对的多个电容器单元(110)；以相同的时间选择控制一对字线(161、162)。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁电存储器，尤其涉及具有有利于精细化结构的1T1C/2T2C叠式FeRAM。
背景技术
目前，作为利用了铁电体的极化迟滞特性的非易失性存储器，，大家熟知的有铁电存储器(FeRAM：ferroelectric memory，又称铁电随机存取存储器)。这种铁电存储器能够实现低功耗。并且高速动作，所以其需求日益增加。
而且，在铁电存储器中，与其他的DRAM(daynamicrandomaccess memory：动态随机存取存储器)等的半导体装置相同，其精细化、高集成化逐渐得到改进。例如，专利文献1和非专利文献1中公开了平面FeRAM，从精细化和高集成化的角度看，叠式铁电存储器较平面铁电存储器更具优势。因为这些原因，近年来，叠式FeRAM得到了快速推广。
图5是比较例(现有例)所涉及的叠式FeRAM 400的构成例的平面图。如图5所示，该FeRAM 400包括：与电容器单元410的上部电极403连接的板线(M1)420；与电容器单元410的下部电极连接的位线(M2)430；字支持线(M3)440；以及连接基板和位线(M2)440的配线垫(M1)450等。
在这种FeRAM 400中，字线460兼用作单元选择晶体管的栅电极，由掺入诸如磷等杂质的多晶硅等构成。为了使这种字线460低电阻化，设置有字支持线(M3)440。而且，括号内的M表示金属，M1表示从基板一侧开始数的第一层(即最下层)的配线层，M2表示第二层的配线层，M3表示第三层的配线层。而且，分别在各金属配线层间M1-M2、以及M2-M3上设置有层间绝缘膜。
专利文献1：特开平6-209113
非专利文献1：Advanced 0.5μm FRAM Device Technology withFull Compatibility od Half-Micron CMOS Logic Device，TatsuyaYamazaki et al.，IEDM Tech.Dig.，p.613(1997)
不过，根据图5所示的比较例的FeRAM 400，兼用作栅电极的字线如果原封不动地作为配线使用的话，其电阻值过高，所以需要字支持线440。而且，在FeRAM 400中，除了该字支持线440以外，还需要与字线460正交的位线430、板线420。也就是说，同样地，与作为信息保持用的存储装置的DRAM相比，需要的配线要多一条。因此，在精细化不断进步的FeRAM中，存在这样的问题：不得不设置三层以上的配线层，至少达到M1-M3。
另一方面，Samsung社公开了下述构造，与这种比较例所涉及的FeRAm 400及上述的在先文献2(上述2公知例)相比，在叠式FeRAM中，在一条板线的两侧配置字线。在该公开的结构中，在一条板线的两侧排列配置有电容器单元，所以从平面图上看可以节省配线层的空间。
不过，在这种结构中，如果同时选择板线两侧的字线的话，就可以相对于一条位线选择两个电容器单元。因此，需要将板线两侧的字线作为不同行的字线使用，或者将板线两侧的字线轮班一边一边地选择，并读出信号，从而，与普通的FeRAM相比，在读出和写入的动作上受到很大的制约。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，其目的在于提供一种铁电存储器，其具有利于实现精细化的结构，并且能够与普通的铁电存储器相同地执行读出和写入等的处理动作。
(发明1)为了实现上述目的，根据发明1的铁电存储器，其包括：多条字线，沿着一个方向排列；以及多条位线，沿着与所述一个方向交叉的另一个方向排列；其中，由邻接的一对所述字线构成一组字线对；将配置成锯齿形(之字形)的多个电容器单元交错连接至构成一组字线对的各条字线；配置所述多条位线，以使可以个别地选择连接至所述一组字线对的所述多个电容器单元；以相同的时间(timing)选择控制所述一对字线。
这里，所说的“一个方向”是指诸如列方向(纵向)；“另一个方向”是指诸如行方向(横向)。此外，当将“一个方向”设为列方向(纵向)，“另一个方向”设为行方向(横向)时，一个方向和另一方向正交(即以90°交叉)，这种情况只是其中一例。本发明的“一个方向”和“另一个方向”并不局限于相交90°的情况，可以斜着交叉。
此外，所说的“电容器单元”含有铁电电容器，该铁电电容器包括铁电膜、以及诸如从上下方向上隔着该铁电体膜的上部电极和下部电极。作为铁电体膜可以是诸如PZT(PbZr1-XTiXO3)、SBT(SrBi2Ta2O9)等的具有钙钛矿结构的结晶膜。
而且，本发明的“一个方向”诸如从平面视图上看是纵向，“另一个方向”诸如从平面视图上看是横向。在本发明中，将多条字线沿着平面图的纵向1行、2行、3行、......地配置，将多条位线沿着平面图的横向1列、2列、3列、......地配置。
而且，“一对字线”由诸如一条配线构成，该条配线从平面图上看折成U字形(折叠结构)。此外，所说的“锯齿形配置”是指诸如从平面图上看在纵向上串起成Z字形，沿着锯齿状弯曲的线上配置。所说的将电容器单元连接至字线上是指将字线连接至选择控制该电容器单元的晶体管的栅极上。
根据这种结构，与图5所示的现有的铁电存储器相比，能够节省一个方向上的电容器单元之间的空间，能够缩小一个方向上的邻接电容器单元的间隔。
此外，以相同的时间选择控制一对字线，从而相对于一条位线选择一个电容器单元。因此，通过与普通的铁电存储器相比没有丝毫变化的字线的选择控制，从而可以进行向任意的电容器单元的读出、写入处理。
(发明2)在发明1的铁电存储器中，发明2的铁电存储器具备多组所述字线对，相对于邻接的一组所述字线对配置的所述多个电容器单元和相对于另一组所述字线配置的所述多个电容器单元，它们的配置位置从平面图上看呈线对称状态。
根据这种结构，在将邻接的一组字线作为栅电极的一个单元选择用晶体管和将另一组字线作为栅电极的另一个单元选择用晶体管之间，能够共用这些的源极或漏极。从而，能够进一步缩小电容器单元的间隔。
(发明3)根据发明1或发明2所述的铁电存储器，发明3的铁电存储器包括沿着所述一个方向排列的多条公共板线，其中，一条公共板线与连接至所述一组字线对的所述多个电容器单元的各个单元的上部电极连接，所述位线与连接至所述一组字线对的所述多个电容器单元的各个单元的下部电极连接。
根据发明3的铁电存储器，因为每组字线对都共用板线，所以能够提供板线的布局简洁化的叠式结构的铁电存储器。
(发明4)根据发明3所述的铁电存储器，发明4的铁电存储器还包括多条支持配线，个别地(個々に)支持所述多条字线，将所述多条支持配线配置在与所述多条公共板线相同的配线层上。
根据发明4的铁电存储器，能够在邻接的公共板线间产生的空地上配置支持配线，能够不必增加配线层就使字线低电阻化。
(发明5)根据发明4所述的铁电存储器，在发明5的铁电存储器中，所述多条位线配置在位于所述多条支持配线和所述多条公共板线上面的配线层上。
根据这种结构，能够可靠扩大位线的区域。
(发明6)根据发明5所述的铁电存储器。发明6的铁电存储器还包括多个配线垫，与所述一个方向的外形尺寸相比，所述另一个方向的外形尺寸较大，将所述多个配线垫配置在与所述多条支持配线和所述多条公共板线相同的配线层上，在一个单元选择用晶体管和另一个单元选择用晶体管之间共用的源极或漏极通过所述配线垫连接至所述位线，所述一个单元选择用晶体管将所述邻接的一组字线作为栅电极，所述另一个单元选择用晶体管将所述另一组字线作为栅电极。
根据这种结构，能够充分节省空间地配置配线垫。
(发明7)根据发明3至发明6中任一项所述的铁电存储器，发明7的铁电存储器还包括多条局部配线，位于所述板线下面的配线层上，其中，所述局部配线配置在所述电容器单元的所述上部电极和所述公共板线之间。
根据这种结构，可以提高公共板线的设计自由度。
(发明8)根据发明7所述的铁电存储器，在发明8的铁电存储器中，所述局部配线的至少一部分由具有氢阻挡膜功能的导电材料构成。这里，所说的“所述具有氢阻挡功能的导电材料”是指诸如铱氧化物。
根据发明8的铁电存储器，能够防止氢向局部配线的下层扩散，在铁电存储器的形成过程中，铁电体膜能够不被还原。
附图说明
图1是第一实施例所涉及的FeRAM的构成例的平面图。
图2是FeRAM的字支持配线/板线层的构成例的平面图。
图3是第二实施例所涉及的FeRAM的构成例的平面图。
图4是第三实施例所涉及的FeRAM的构成例的平面图。
图5是比较例所涉及的FeRAM的构成例的平面图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明所涉及的铁电存储器进行说明。而且，如图1所示，为了说明上的方便，在平面图中，有些地方示出了由于其上面重叠有配线和绝缘膜等而本来不能看见的线。
(1)第一实施例
图1是本发明的第一实施例所涉及的FeRAM 100的构成例的平面图。如图1所示，该FeRAM 100是叠式铁电存储器，包括：多个电容器单元110；多条字线161、162；将这些字线161或162作为栅电极的多个单元选择MOS晶体管(以下，仅称作晶体管)170；多条字支持配线(M1)140；多条板线(M1)120；多个配线垫(M1)150；以及多条位线(M2)130等。
为了说明上的方便，图2示出了从FeRAM 100上除掉了位线的示意图。如图2所示，多条字线161和162沿着列方向交替排列。而且，例如图2的两点虚线(2点鎖線)所示，列方向上邻接的一对字线161和162具有从平面图上看将一条配线弯曲成U字形的形状的结构(折叠结构)。
在FeRAM 100中，这种字线对(以下称作“字线对”)161和162在列方向上设置有多组。根据上述折叠结构，能够以相同的时间(timing)对一对字线对161和162施加电压，并能够将该对字线对161或162视为栅电极的多个晶体管170同时导通、截止。如图2所示，在这种字线161、162上分别设置有字支持配线140。
电容器单元110是FeRAM 100的基本构成要素，例如包括：在晶体管170的源极上形成的、由钨等构成的塞电极105；在该塞电极105上形成的下部电极(没有图示)；在该下部电极上形成的铁电体膜(没有图示)；以及在该铁电体膜上形成的上部电极103。铁电体膜诸如是PZT、SBT等。
如图2所示，多条板线120沿着列方向排列，一条板线120与相对于一组字线对161和162配置的多个电容器单元110的各自的上部电极103连接。在该FeRAM 100中，由一条板线120和配置在该一条板线120两侧的一对字线161、162构成存储器件的一行。
此外，如图2所示，在该FeRAM 100中，在同一行内，电容器单元110相对于各字线161和162配置成锯齿形，而且，交错着连接。也就是说，在一组字线对中，连接至一条字线161的多个电容器单元110和连接至另一条字线162的多个电容器单元110，其配置位置在行方向上诸如半个间距半个间距地错离。
而且，如图2所示，第n行的多个电容器单元110和第(n+1)行的多个电容器单元110的配置位置隔着配线垫150的行处于线对称状态。根据这种线对称结构，在将第n行的字线162作为栅电极的一个晶体管170和将第(n+1)行的字线161作为栅电极的另一个晶体管170之间共用诸如漏极172。而且，在该共用的漏极172上设置有与电容器单元110的下部电极连接的塞电极152。
如图2所示，在同一配线层(即同一层)上形成这种字支持配线(M1)140、板线(M1)120和配线垫(M1)150。
返回到图1，多条位线(M2)130通过层间绝缘膜(没有图示)形成在这些板线(M1)120和配线垫(M1)150等的上面，对于分别连接至字线161或162的多个电容器单元110，可以按照各个行一个一个地选择。各条位线130通过配线垫150分别连接至包含在各行中的一个电容器单元110的下部电极上。
这样的话，根据本发明第一实施例所涉及的FeRAM 100，从平面图上看，在一条板线120的两侧配置字线161和162，将电容器单元110交替配置在板线120的两侧，所以即使同时选择一条板线120两侧的字线对161和162，相对于一条位线130也只能选择一个电容器单元110。因此，不必将普通的FeRAM 100进行丝毫变化就能够使其工作。
此外，在该FeRAM 100中，因为在板线120的两侧交替配置电容器单元110，所以在列方向上，邻接的电容器单元110之间的位置关系发生倾斜，能够节约电容器单元110间的空间。其结果，可以与现有结构的FeRAM 100相比，将由邻接的电容器单元间的空间决定的列方向上的间距缩小。
而且，在该FeRAM 100中，通过在板线120的两侧配置电容器单元110的结构，实现与弯曲板线120相同的功能，能够将板线数减少到现有的1/2。基于此，在与板线120相同的配线层上能够产生空间上的富余，能够将与板线120平行设置的字支持配线140配置在该配线层上。
从平面图上看，使用正方形或圆形的电容器单元110的时候，在本发明中，以普通间距1/2的间距配置位线，所以位线130这方与包含字支持配线140和板线130等的配线层(以下称作“字支持配线/板线层”)相比，其配线间的间距变密。因此，即使出于为了在字支持配线/板线层上保证配线垫150的区域的考虑，将位线130配置在字支持配线/板线层的上面的这种配置方法也有利于节省空间。
这种情况下，在字支持配线/板线层上，因为有沿着行方向延伸的空地，所以能够将设置在该区域上的配线垫150的形状沿着行方向变长。因为最好适于光刻工艺和蚀刻工艺，并且配线垫尺寸较大，所以在行方向上较长的配线垫能够有效增加加工余地。
在该第一实施例中，列方向对应于本发明的“一个方向”，行方向对应于“另一个方向”。此外，板线120对应于本发明的“公共板线”。而且，例如第n行的字线对161和162对应于本发明的“邻接的一组所述字线对”，例如第n+1行的字线对161和162对应于本发明的“另一组字线对”。而且，FeRAM 100对应于本发明的铁电存储器。
(2)第二实施例
图3是本发明的第二实施例所涉及的FeRAM 200的构成例的平面图。在图3中，对与图2(第一实施例)相同的部分标注有相同的附图标记。并省略对其的说明。
如图3所示，在该FeRAM 200中，在字支持配线/板线层的下面具有多条局部配线210。这些局部配线210分别配置在一个电容器单元110的上部电极103上。而且，在这些局部配线210上配置板线120，局部配线210和板线120通过塞电极212连接。换言之，利用局部配线210使板线120和上部电极103之间导通。
根据这种结构，能够有一定程度自由地设置板线120的平面形状，其结果，如图3所示，能够不被电容器单元110的位置影响配置字支持配线140。
此外，虽然在图3中没有图示，在该FeRAM 200中，位线通过层间绝缘膜形成在字支持配线/板线层的上面。而且，这些位线能够按照各个行一个一个地选择分别相对于字线对161和162配置的多个电容器单元110。也就是说，如图1所示，在各个行中，一条位线连接至一个电容器单元110的下部电极。而且，各条位线通过塞电极152连接至配线垫150。在该第二实施例中，局部配线210对应于本发明的局部配线。
(3)第三实施例
图4是本发明的第三实施例所涉及的FeRAM 300的构成例的平面图。在图4中，对于与图2(第一实施例)和图3(第二实施例)相同的部分标注相同的附图标记，并省略对其的详细说明。
如图4所示，在该FeRAM 300中，在字支持配线/板线层的下面具有局部配线310。该局部配线310与图3(第二实施例)不同，每行都配置一条。而且，每行都由一条局部配线310覆盖住所有的电容器单元110的上面。而且，该局部配线310例如由铱氧化物等的具有氢扩散阻挡功能的导电膜构成。
在这些局部配线310上配置板线120，局部配线310和板线120之间通过塞电极312连接。
而且，虽然在图4中没有图示，但在该FeRAM 300中，与在第一、第二实施例中说明过的FeRAM 300相同，位线通过层间绝缘膜在字支持配线/板线层的上面沿着行方向排列多条位线。如果是这种结构的话，能够防止氢向局部配线312的下层扩散，所以在FeRAM 300的形成过程中，铁电体膜能够不还原。在该第三实施例中，局部配线310对应于本发明的局部配线。
(4)应用及其他
本发明具有减少FeRAM的配线层的效果。不过在嵌入式FeRAM中，在逻辑电路LSI部分需要多层配线，所以一般意义上例如仅FeRAM削减配线层的话，效果不明显。不过，逻辑部的规模较小，需要的配线层数约是两三层的时候，因为FeRAM大概也需要这些配线层数，所以本发明有效。
此外，当将小容量的FeRAM嵌入到大规模的逻辑电路LSI内时，如果从在FeRAM上进一步附着逻辑部的配线层的角度考虑，显然，在FeRAM中使用的配线层数层数少的话比较有利。
综合以上所述，不仅单体的FeRAM芯片，甚至在FeRAM内置式的逻辑电路LSI、FeRAM内置式的个人电脑等的内置式装置上，本发明的效果也比较明显。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
附图标记说明
100 FeRAM 103 上部电极
105、152 塞电极 110 电容器单元
120 板线(M1) 130 位线(M2)
140 字支持配线(M1) 150 配线垫(M1)
161、162 字线 170 晶体管
172 漏极
Claims (8)
1.一种铁电存储器，其特征在于，包括：
多条字线，沿着一个方向排列；以及
多条位线，沿着与所述一个方向交叉的另一个方向排列，
其中，由邻接的一对所述字线构成一组字线对，
配置成锯齿形的多个电容器单元交错着连接至构成所述一组字线对的各条字线，
配置所述多条位线，以使可以个别地选择连接至所述一组字线对的所述多个电容器单元，
以相同的时间选择控制所述一对字线。
2.根据权利要求1所述的铁电存储器，其特征在于：
还包括多组所述字线对，
其中，相对于邻接的一组所述字线对配置的所述多个电容器单元和相对于另一组所述字线配置的所述多个电容器单元的配置位置从平面图上看呈线对称状态。
3.根据权利要求1或2所述的铁电存储器，其特征在于：
还包括沿着所述一个方向排列的多条公共板线，
其中，一条公共板线与连接至所述一组字线对的所述多个电容器单元的各个单元的上部电极连接，
所述位线与连接至所述一组字线对的所述多个电容器单元的各个单元的下部电极连接。
4.根据权利要求3所述的铁电存储器，其特征在于：
还包括多条支持配线，用于分别支持所述多条字线，
其中，所述多条支持配线配置在与所述多条公共板线相同的配线层上。
5.根据权利要求4所述的铁电存储器，其特征在于：
所述多条位线配置在位于所述多条支持配线和所述多条公共板线上面的配线层上。
6.根据权利要求5所述的铁电存储器，其特征在于：
还包括多个配线垫，与所述一个方向的外形尺寸相比，
所述另一个方向的外形尺寸较大，
其中，所述多个配线垫配置在与所述多条支持配线和所述多条公共板线相同的配线层上，
在一个单元选择用晶体管和另一个单元选择用晶体管之间共用的源极或漏极通过所述配线垫连接至所述位线，所述一个单元选择用晶体管将所述邻接的一组字线作为栅电极，所述另一个单元选择用晶体管将所述另一组字线作为栅电极。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的铁电存储器，其特征在于：
还包括多条局部配线，位于所述板线下面的配线层上，
其中，所述局部配线配置在所述电容器单元的所述上部电极和所述公共板线之间。
8.根据权利要求7所述的铁电存储器，其特征在于：
所述局部配线的至少一部分由具有氢阻挡膜功能的导电材料构成。
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