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