FeRAM裝置的製作方法

2023-08-04 11:12:51

專利名稱：FeRAM裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有多個存儲單元的FeRAM(鐵電隨機存取存儲器或鐵電寫讀存儲器)裝置，其每一存儲單元具有一隻選擇電晶體和一隻包含電介質的存儲電容器件。
眾所周知在FeRAM裝置內信息通過存儲單元的存儲電容器的鐵電介質的極化儲存。這時利用鐵電介質具有磁滯，所以在加電壓時，相當於存在的兩種極化狀態的「零」信息可以長時間儲存。
為了轉換極化並因此把信息從一狀態轉換為另一狀態，必須在電容器上加所謂矯頑電壓Vc的一定的最小電壓。
通常，力圖用儘可能低的佔有空間/存儲單元製造存儲器裝置。所以本發明的任務是提供FeRAM裝置，其中為了儲存一比特需要儘可能小的空間。
在本文開始提到的類型的FeRAM裝置中，本任務通過由至少兩隻電容器組成的電容器件解決，其矯頑電壓彼此不同。
因此本發明採用與迄今為止的傳統技術完全偏離的方法代替由選擇電晶體和(存儲)電容器組成的FeRAM存儲單元通過一定的技術措施實現儘可能小，如本來所期待的那樣，對每一隻電晶體安排多隻電容器。如果一個存儲單元例如具有一隻選擇電晶體和兩隻電容器，則它可以存儲兩比特。與由一隻選擇電晶體和一隻電容器組成的、能儲存一比特的傳統的存儲單元相比，因此儲存一比特的佔用空間實際上只佔一半，因為新型存儲單元幾乎並不要求比現存的存儲單元的面積更大。
在本發明的FeRAM裝置中首先利用電容器的矯頑電壓與介質材料以及其層厚有關。隨後通過合適地選擇材料和/或層厚可以把彼此並聯的具有不同矯頑電壓的電容器分配給一個選擇電晶體，所以可以彼此獨立地將信息串聯地寫入這些電容器或可以彼此獨立地從這些電容器串聯地讀出。
此外，為了詳細說明，應考慮具有一隻選擇電晶體和兩隻電容器C1和C2的一隻存儲單元。這時電容器C1應具有矯頑電壓VC1和電容器C2應具有矯頑電壓VC2，其中VC1＜VC2，這可以通過對介質的合適的材料選擇和/或對介質的不同的層厚來實現。
在寫入信息時，首先用比VC2大的高電壓U把信息寫入電容器C2。在這種寫入過程中，或許也毀壞還在電容器C1內存在的信息。接著把處在VC1和VC2之間的較小電壓加到存儲單元上。通過這較小電壓，信息被寫入電容器C1，而電容器C2不再接通。因此在兩電容器C1和C2內可以儲存不同的信息。
在從該存儲單元讀出信息時，以相反方式進行首先把處於VC1和VC2之間的小的電壓加到存儲單元上。通過這小的電壓，接通電容器C1，使得測定其極化電流，並因此可以確定所儲存的極化方向。接著加上大於VC2的高電壓U。因此以相應方式將信息從電容器C2讀出。之後根據上述過程可以毫無問題地將信息重寫入電容器。
雖然通過串聯讀和寫，本發明的FeRAM裝置比現有的裝置慢。但是許多應用中如果力圖特別小的佔據空間時這缺點可以容忍。
為了進一步深入上述例子，在本發明的FeRAM裝置中具有意義在加上低於VC2的電壓時電容器C2的鐵電介質不是大部分已經改變極化。然而小的極化損耗是可以接受的，因為電容器C2可以只通過兩次開關過程(寫和讀)受電容器C1影響。應強調在良好地滿足這個假設時，也可以在一個存儲單元內提供多於兩隻具有「等級」的矯頑電壓VC的電容器，以便每隻選擇電晶體儲存多於兩比特。
對電容器優選的介質是SrBi2Ta2O9(SBT),SrBi2(Ta1-xNbx)2O9(SBTN)或其它的SBT衍生物，PbZr1-xTixO3(PZT)或PbZr1-xTixLayO3。介質的合適層厚約為30-250nm，優選方式約為180nm。Pt,Ir,Ru,Pd或其氧化物或LaSrCoOx或LaSnOx可以用於作電容器的電極。
電容器可以具有必要時公共存儲器節的公共端(「插頭」)。但是電容器具有不同的存儲器節和不同的公共極板，並且通過由例如氧化矽構成的中間絕緣層彼此隔離也是可能的。存儲器節也可以經一金屬弓形夾(Metallbuegel)與選擇電晶體連接。
本發明依靠附圖詳細說明如下。即

圖1示出具有公共存儲器節的本發明第1實施例的圖示剖面，圖2示出具有分立存儲器節和分立共用的極板的本發明第2實施例的圖示剖面和圖3示出具有在電容器公共存儲器節和選擇電晶體之間的金屬弓形夾的本發明第3實施例的圖示剖面。
圖內彼此相應的部分分別用同一參考符號。為了更清晰，也未示出絕緣層。
圖1用簡圖示出在矽半導體本體1內的一個具有源極2和漏極3的選擇電晶體，在源極和漏極之間在例如由氧化矽構成的未示出的絕緣層上有一字線WL通過。漏極3經由例如金屬製成的，例如WolFeRAM或鋁或摻雜多晶矽，一公共插頭(「插塞」)4與具有兩隻疊層電容器C1,C2的存儲器節5連接，這兩隻疊層電容器由第1公共極板8，第1介質6和存儲器節6構成及由第2公共極板9，第2介質7和存儲器節6組成。極板8,9可以彼此連接在一起。
介質6,7是如此選擇或設計，使得電容器C1的矯頑電壓VC1與電容器C2的矯頑電壓VC2不同。這可以如本文開始所說明的，通過不同的層厚和/或不同的介質6,7材料實現。合適的材料例如是SBT,SBTN,PZT和PLZT，而合適的層厚範圍為30-250nm，優選約180nm。但顯然其它的層厚也是可能的。
例如在3V電壓、180nm層厚SBT和SBTN(鈮佔28％)的情況下矯頑電壓VC為0.65V(SBT)或1V(SBTN)。
對電容器電極，即對公共極板8,9和存儲器節5的合適材料是Pt、Pd、Rh、Au、Ir、Ru、其氧化物，LaSrCoOx和LaSuOx。
其它變形例也是可能的，其中在疊層的「中間」提供公共極板(如存儲器節5)和兩存儲節(相當於極板8,9)連接到插塞4上。
所述材料適合於所有實施例。
圖2示出一實施例，其中，兩電容器C1,C2除極板8,9之外具有與插塞4連接的不同的存儲器節11,12。這裡電容器彼此通過未詳細示出的由例如氧化矽製成的絕緣層隔離。
圖3示出一實施例，其中，公共存儲器節5經由插塞16(例如由摻雜多晶矽或鋁)構成的金屬弓形夾與漏極3連接。此外，在這兒示出了對位線14的接觸12(由與接觸13同一材料構成)。
本實施例的電容器C1,C2也可以如此改變，正如上面對圖1的變形例所示和對圖2實施例所說明的。
權利要求
1．具有多個存儲單元的FeRAM裝置，其每一存儲單元具有一隻選擇電晶體(2,3)和一隻具有鐵電介質的電容器件，其特徵為，電容器件由至少兩隻電容器(C1,C2)組成，其矯頑電壓彼此不同。
2．根據權利要求1所述的FeRAM裝置，其特徵為，電容器(C1,C2)的介質(6,7)由不同材料構成。
3．根據權利要求1所述的FeRAM裝置，其特徵為，電容器(C1,C2)的介質(6,7)具有彼此不同的層厚。
4．根據權利要求2所述的FeRAM裝置，其特徵為，電容器(C1,C2)的介質(6,7)由SrBi2Ta2O9(SBT),SrBi2(Ta1-xNbx)2O9(SBTN)或其它SBT衍生物，PbZr1-xTixO3(PZT)或PbZr1-xTixLayO3構成。
5．根據權利要求2到4之一所述的FeRAM裝置，其特徵為，介質(6,7)的層厚約為30到250nm。
6．根據權利要求5所述的FeRAM裝置，其特徵為，介質層厚約為180nm。
7．根據權利要求2到6之一所述的FeRAM裝置，其特徵為，電容器(C1,C2)的電極(5,8,9)由Pt,Pd,Rh,Au,Ir,Ru或其氧化物或LaSrCoOx或LaSnOx構成。
8．根據權利要求1到7之一所述的FeRAM裝置，其特徵為，電容器(C1,C2)具有一公共存儲器節(5)。
9．根據權利要求1到7之一所述的FeRAM裝置，其特徵為，電容器(C1,C2)具有不同的存儲器節(10,11)和不同的公共極板(8,9)，並且通過中間絕緣層彼此隔離。
10．根據權利要求8或9所述的FeRAM裝置，其特徵為，存儲器節(5,10,11)經一金屬弓形夾(Metallbuegel)(16,15,13)與選擇電晶體(2,3)相連。
11．根據權利要求2到10之一所述的FeRAM裝置，其特徵為，電容器具有一公共端(插頭)(4)。
全文摘要
本發明涉及一種具有多個存儲單元的FeRAM裝置,其每一存儲單元具有一隻選擇電晶體(2,3)和一隻包含鐵電介質的電容器件。該電容器件由至少兩隻電容器(C1,C2)組成,其矯頑電壓(VC1,VC2)彼此不同。
文檔編號H01L21/8246GK1316086SQ99810299
公開日2001年10月3日 申請日期1999年7月1日 優先權日1998年7月8日
發明者F·欣特邁爾, G·辛德勒爾, W·哈特納 申請人:因芬尼昂技術股份公司