DE3850567T2

DE3850567T2 - DRAM-Zelle mit verstärkter Ladung.

Info

Publication number: DE3850567T2
Application number: DE3850567T
Authority: DE
Inventors: Sheffield Eaton
Original assignee: Ramtron International Corp
Current assignee: Ramtron International Corp
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2008-09-22
Also published as: AU598962B2; JPH01278063A; DE3850567D1; EP0338157B1; EP0338157A2; AU2581788A; EP0338157A3

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Materialien, die in Speicherzellen von Halbleiterspeichern verwendet werden. Insbesondere befaßt sich diese Erfindung mit einem Material für die Verwendung als Dielektrikum in der Speicherzelle eines dynamischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff ("DRAM").
DRAM-Speicherzellen waren die letzten 15 Jahre oder mehr im allgemeinen vom Ein-Transistor-/Ein-Kondensatortyp. Grundsätzlich wird dabei Ladung in einem Speicherzellenkondensator gespeichert, der selektiv über den Source-Drain-Pfad des Transistors - manchmal als ein Zugriffstransistor bezeichnet - mit einer Bitleitung verbunden ist. Die Gate- Elektrode des Zugriffstransistors ist mit einer Wortleitung verbunden. Wird der Transistor eingeschaltet, so wird im allgemeinen die im Kondensator gespeicherte Ladung über den Source-Drain-Pfad mit der Bitleitung gekoppelt und wird mit einem anderen Standard - typischerweise eine Dummy- bzw. Leerspeicherzelle - verglichen, um den Zustand der Speicherzelle, der durch die in dem Kondensator gespeicherte Ladung angegeben wird, zu bestimmen. Zum Beispiel zeigt das US-Patent 4,363,111 von Heightly und Eaton mit dem Titel "Dummy Cell Arrangement for An MOS Memory" vom 7. Dezember 1982, eine Konfiguration von Speicherzellen und eine Dummy- Zelle zusammen mit den Signalverstärkern, die in einem Array bzw. einer Matrix von DRAM-Zellen verwendet werden.
Typisch ist, daß jede Generation von DRAM's die Speicherkapazität um einen Faktor 4 erhöht hat. Daher gingen aus den frühen DRAM's mit 4 K-Speicher die 16K DRAM's hervor, dann 64K DRAM's, 256K DRAM's und 1 Megabit DRAM. Mit jeder neuen Generation von erhöhter Speicherkapazität tendieten die einzelnen Speicherzellen dazu, in der Fläche zu schrumpfen bzw. abzunehmen, um die gesamte Fläche des Chips zu begrenzen bzw. zu kontrollieren. Dies hat die Auswirkung, daß die Kapazität des Kondensators in der Zelle verringert wird.
Angesichts dieses Trends in Richtung Speicherzellenschrumpfung ist es immer von Bedeutung gewesen, ausreichend Kapazität aufrechtzuerhalten, um die Ladung zu speichern, welche die Daten darstellt. Im Augenblick verwenden höchstintegrierte DRAMS Grabendesign, um die Kondensatorfläche in einer Speicherzelle mit geringer Ausdehnung zu erhöhen. Der Herstellungsprozeß für diese Technologie ist äußerst komplex. Diese Gräben verwenden drei Dimensionen, um die Kondensatorplatten- bzw. Kondensatorelektrodenfläche zu erhöhen, und können von der Größenordnung von 3 um Tiefe und 1 um Weite sein. Dabei wird ein Siliziumdioxid-Dielektrikum beigefügt und sodann wird eine Polysiliziumschicht als bzw. auf eine obere Kondensatorplatte bzw. Kondensatorelektrode aufgetragen.
Siliziumdioxid hat eine ziemlich geringe Dielektrizitätskonstante von ungefähr 4. Ein Ansatz zur Erhöhung der Kapazität in DRAM Speicherzellen besteht darin, das Dielektrikum durch ein anderes Material zu ersetzen, - und zwar mit einem, das eine höhere Dielektrizitätskonstante als Siliziumdioxid hat. Da die Kapazität direkt von der Fläche und der Dielektrizitätskonstante abhängt, würde dies die Kapazität bei einer gegebenen Fläche verbessern.
Die vorliegende Erfindung möchte die Performance bzw. Leistung von DRAM-Speicherzellen verbessern, indem ein anderes Dielektrikum als Siliziumdioxid miteinbezogen wird.
Es wird auf die EP-A-0299633 hingewiesen, die zum Stand der Technik gemäß Artikel 54 (3) EPÜ gehört. Diese Druckschrift beschreibt eine DRAM-Zelle, die einen ferroelektrischen Kondensator verwendet, der jedoch für nicht-flüchtige bzw. permanente Speicherung ausgelegt ist und daher ein ferroelektrisches Material mit zwei im wesentlichen stabilen Polarisationszuständen benötigt.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte DRAM-Array- bzw. -Matrixschaltung geschaffen, bestehend im wesentlichen aus:
einer Vielzahl von flüchtigen bzw. nicht-permanenten Speicherzellen, die von Zeit zu Zeit aufgefrischt werden, wobei jede nicht-permanente Speicherzelle mit einer Bit- Leitung in dem Array verbunden ist, wobei jede Zelle einen Zugriffstransistor aufweist, der mit der Bit-Leitung verbunden ist und einen Kondensator, der mit dem Zugriffstransistor verbunden ist, wobei der eine Kondensator zwei Kondensatorelektroden bzw. -platten und ein dielektrisches Material zwischen den Elektroden enthält, wobei eine Elektrode mit dem Transistor verbunden ist und der Transistor in einen EIN-Zustand zum Lesen aus, Schreiben in und Auffrischen der Speicherzelle schaltbar ist, wobei die durch die Speicherzellen gespeicherten Daten der an den Kondensatorelektroden gespeicherten Spannung entsprechen;
wobei das Dielektrikum ein ferroelektrisches Material enthält mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und mit einer Vielzahl von darin befindlichen Dipolen, wobei die Dipole Polarachsen von steuerbarer Orientierung haben;
wobei das ferroelektrische Material konditioniert bzw. behandelt oder angeordnet wird, um Dipolrelaxation zu unterstützen bzw. auszunützen, derart, daß einige der Polarachsen eine relaxierte erste Orientierung haben, wenn keine Spannung über den Elektroden anliegt, und dabei einen ersten logischen Zustand kennzeichnen;
wobei die Dipole derart gesteuert werden, daß sie eine zweite Orientierung haben, wenn eine Spannung zwischen den Kondensatorelektroden anliegt, wobei die Spannung entweder durch eine Schreibspannung verursacht wird, die über die Bit-Leitung und den Zugriffstransistor anliegt, wenn die Zelle aufgefrischt wird oder neue Daten in die Zelle geschrieben werden, oder durch Ladung, die an den Kondensatorelektroden nach dem Auffrischen oder Schreiben verbleibt, wobei sich die relaxierte erste Orientierung von der zweiten Orientierung unterscheidet, so daß wiederholtes Auffrischen der Speicherzelle einige der Polarachsen veranlaßt, sich wiederholt zwischen der relaxierten ersten Orientierung und der zweiten Orientierung in Abhängigkeit des Zustandes der darin gespeicherten Daten zu bewegen, was in einem zusätzlichen Ladungstransfer zwischen dem Kondensator und der Bit-Leitung resultiert, wobei jede Zelle derart ist, daß ungeachtet des wiederholten Auffrischens wenigstens einige der Polarachsen in die relaxierte erste Orientierung zurückkehren, wenn keine Spannung zwischen den Kondensatorelektroden anliegt.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines flüchtigen bzw. nichtpermanenten DRAM-integrierten Schaltkreises geschaffen mit einer Vielzahl von nicht-permanenten Schaltkreisen, die in einem Array bzw. einer Matrix in dem DRAM angeordnet sind, wobei jede Speicherzelle Kondensatorelektroden bzw. -platten und ein ferroelektrisches Material enthält, das konditioniert bzw. behandelt wurde, um Relaxation zu unterstützen bzw. auszunützen und das Dipole von steuerbarer Orientierung enthält, die zwischen den Kondensatorelektroden in jeder Zelle angeordnet sind, wobei die Speicherzelle im Array von Speicherzellen angeordnet ist und eine Bit- Leitung enthält, die mit einer Vielzahl von Speicherzellen im Array verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Speichern von Ladung an den Kondensatorelektroden, um die in der Zelle zu speichernden Daten darzustellen, wobei in der Zelle eine erste Spannung für eine LOGISCHE EINS und eine zweite Spannung für eine LOGISCHE NULL gespeichert wird; und
wiederholtes Verursachen von Relaxation der Polarachsen des ferroelektrischen Materials in eine erste Orientierung und Zurückkehren in eine zweite Orientierung, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet, durch wiederholtes Lesen/Auffrischen der Zelle, wobei die Bit-Leitung zusätzliche Ladung liefert oder empfängt, welche durch die Änderung der Orientierung der Polarachsen mit jedem Schreiben/Auffrischen verursacht wird.
Nach einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dynamische wahlfreie Zugriffsspeicherzelle bzw. Schreib-/Lese-Speicherzelle geschaffen, bestehend im wesentlichen aus:
einem Substrat mit darin befindlichen Diffusionsregionen;
einer dielektrischen Isolatorschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist;
einem ersten metallischen Leiter, der über einer der Diffusionsregionen angeordnet ist und sich durch die dielektrische Isolatorschicht erstreckt;
einem ferroelektrischen Material, das auf den ersten Leiter angeordnet ist; und
einem zweiten metallischen Leiter, der auf dem ferroelektrischen Material angeordnet ist.
Wie die EP-A-0299633 umfaßt auch die vorliegende Erfindung ein ferroelektrisches Material als das Dielektrikum in einem DRAM-Speicherzellenkondensator. Es wird jedoch das ferroelektrische Materialien eigene Relaxationsverhalten genutzt und durch die Verwendung von Domänen hervorgehoben, die nicht mit dem Feld ausgerichtet sind, das erzeugt wird, wenn Spannung an den Kondensatorelektroden anliegt. Wird diese Anordnung mit den normalen Auffrischvorgängen eines DRAM kombiniert, wird die Menge an Ladung, die durch den Kondensator gebildet bzw. gehalten wird, wesentlich gesteigert.
Durch Einsetzen bzw. Ausnützen des Relaxationsverhaltens von ferroelektrischem Material - falls derartige Domänen ausgewählt werden - werden signifikante Verbesserungen in der Ladungsmenge beobachtet, die am Kondensator gebildet wird - und tatsächlich über derjenigen Menge liegt, welche der dielektrischen Konstante angeben würde. Kurz gesagt, werden beim Einsatz eines ferroelektrischen Materials als Dielektrikum und bei Vorbehandlung desselben derart, daß Relaxation unterstützt bzw. genützt wird, ist zu erwarten, daß sich die Dipole innerhalb des ferroelektrischen Materials während dem Anlegen einer äußeren Spannung (z. B. einer Schreibspannung) ausrichten, sodann relaxieren, wenn die Spannung entfernt wird, und sich dann wieder reorientieren jedesmal, wenn eine Leseimpuls angelegt wird (z. B. während dem Auffrischen). Als Ergebnis wird durch die Speicherzelle mehr Ladung von der Bitleitung pro Flächeneinheit gezogen bzw. entnommen, als andererseits erwartet würde. Diese Leitung verbleibt an den Kondensatorelektroden.
Eine Ausführung der Erfindung wird nun als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 die Topographie im Querschnitt einer normalen DRAM-Speicherzelle darstellt;
Fig. 2 die Topographie im Querschnitt einer DRAM-Speicherzelle darstellt, die in Übereinstimmung mit den Aspekten der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
Fig. 3 zwei Hysteresekurven zeigt, nämlich eine durchgezogenen Linienkurve für ferroelektrisches Material in einer Normalbedingung und eine gebrochene Linienkurve für eine relaxierte Bedingung.
Gemäß Fig. 1 kann eine DRAM-Speicherzelle in einem Substrat 12 vom p-Typ Silizium aufgebaut sein. Ein Transistor und Kondensator sind vorgesehen.
Im einzelnen sind erste und zweite Diffusionen 14 und 16 von N+ vorgesehen, die als Source und Drain eines Feldeffekttransistors dienen. Eine Diffusionsregion 18 von N- - welche flacher ist als die Diffusion 14 und dieselbe schneidet - bildet eine Kondensatorplatte bzw. Kondensatorelektrode. Auf der Oberfläche des Substrates 12 kann ein Dielektrikum, z. B. Siliziumdioxid 20, vorgesehen sein, mit einem darüberliegenden dotierten Polysilizium 22a als die andere Kondensatorelektrode. Außerdem bildet ein anderer Abschnitt 22b vom Polysilizium die Gateelektrode des Transistors und ist über dem Substrat 12 dargestellt, und zwar zwischen den Source-Drain-Regionen 14, 16 angeordnet, aber von der Oberfläche des Substrats 12 durch ein Gateoxid beabstandet. Eine Schicht von Siliziumdioxid 24 bedeckt das Polysilizium 22; und eine Öffnung 26 ist im Oxid 24 ausgebildet, damit ein Metallelement 28, in der Regel Aluminium, mit der Diffusion 16 in Kontakt treten kann. Das Element 28 stellt die Bitleitung dar; und das Element 22b stellt eine Wortleitung in einem Array bzw. in einer Matrix derartiger DRAM-Zellen dar.
Das Dielektrikum 20 zwischen den leitenden Gliedern 22a und 18 ist aus Silizium-Dioxid, das - wie vorstehend erwähnt - eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 4 hat.
Fig. 2 zeigt eine Struktur, in der die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Während diese Figur MOS-Technologie verwendet, sollte klar sein, daß sich die vorliegende Erfindung nicht auf MOS-Technologie beschränkt, sondern sich ebenfalls auf beispielsweise Galliumarsenid erstrecken kann. Sie enthält ein P-Typ Substrat 30 aus Silizium oder einem anderen Substratmaterial, sowie Source- und Drain-Regionen, welche durch N+-Diffusionen 32 und 34 gebildet werden. Eine dielektrische Isolationsregion 36, die zur Illustration aus Siliziumdioxid gebildet ist, enthält eine Öffnung 38, so daß ein leitendes Glied 40 die Diffusion 32 kontaktieren kann. Leiter 40 ist eine Kondensatorplatte bzw. -elektrode und ist einzeln für jede Speicherzelle vorgesehen. Ein ferroelektrisches Material 42 ist über dem Leiter 40 angeordnet - und ein anderer Leiter 44 ist über dem Element 42 angeordnet, um die andere Kondensatorelektrode auszubilden.
Leiter 44 kann eine gemeinsame Plattenleitung sein, die sich entlang einer Reihe oder Spalte in einem Halbleiterspeicher-Array erstreckt. Die Leiter 40 und 44 können aus einem Metall, z. B. Gold oder - vorzugsweise - Platin, oder anderen leitenden Materialien, gebildet werden.
Eine Gateelektrode 46, die zur Veranschaulichung aus dotiertem Polysilizium ausgebildet ist, ist im dielektrischen Isolator 36 und im allgemeinen zwischen den Diffusionen 32 und 34 angeordnet, aber von der Oberfläche des Substrats 30 durch ein Gateoxid beabstandet, - so wie es üblich ist. Eine weitere Öffnung 48 in der Isolierung 36 ermöglicht es einer anderen leitenden Region 50, die in der Regel aus Aluminium ausgebildet ist, mit der Diffusion 34 in Kontakt zu treten. Die Region 50 kann einer Reihe oder Spalte von DRAM-Zellen gemeinsam angehören und dient als Bitleitung in dem Speicherarray.
Beide Fig. 1 und 2 zeigen Speicherzellen im Querschnitt mit einem einzigen Kondensator und einem einzigen Transistor. Im Fall von Fig. 1 ist das Dielektrikum zwischen den Kondensatorelektroden 22a und 18 aus Siliziumdixoid; dagegen besteht in Fig. 2 das Dielektrikum zwischen den Kondensatorelektroden 40 und 44 aus einem ferroelektrischen Material 42. Ein Hauptgrund dafür, warum die vorliegende Erfindung die Struktur in Fig. 2 gegenüber derjenigen in Fig. 1 bevorzugt, besteht darin, Probleme im Grenzbereich bzw. der Grenzfläche zwischen dem ferroelektrischen Material 20 und den Siliziumelektroden 22a und 18 von Fig. 1 zu vermeiden. In Fig. 2 wird sich noch zeigen, daß das ferroelektrische Material 42 an die Elektroden 40 und 44 grenzt, wobei keine im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Silizium zusammengesetzt ist. Falls jedoch die Grenzflächenprobleme überwunden würden, könnten auch andere Konfigurationen als die Repräsentative von Fig. 2 verwendet werden - zum Beispiel diejenige in Fig. 1 unter der Annahme, daß das Dielektrikum 20 ein Ferroelektrikum ist.
Die dielektrische Konstante von ferroelektrischen Materialien fällt im allgemeinen in den Bereich zwischen 10 und 30,000. Ideale ferroelektrische Materialien haben eine rechteckige Hystereseschleife, falls die angelegte Spannung über die Polarisation aufgetragen wird. Im allgemeinen ist die Dielektrizitätskonstante proportional zur Steigung der oberen Linie. Bei der vorliegenden Erfindung besteht das Ziel nicht nur im Erreichen einer hohen Dielektrizitätskonstante, sondern im Bilden von beträchtlich zusätzlicher Ladung am Kondensator pro Flächeneinheit. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das Relaxationsverhalten von ferroelektrischen Materialien ausgenützt, um dieses Ziel zu erreichen.
Im Normalfall führt die Relaxation von Dipolen in einem ferroelektrischen Material nach dem Schalten zu ungeheuren Problemen im Speicherzustand, der auf dem ferroelektrischen Zustand beruht, um Daten anzuzeigen. Falls ein ferroelektrisches Material in einen bestimmten Zustand gebracht wurde und dann durch Anlegen eines kurzen Schaltimpulses von geeigneter Spannung über das ferroelektrische Material in den entgegengesetzten Zustand geschaltet wird, werden anschließend die leisten der Dipole dazu tendieren, in ihre ursprünglichen Positionen zurückzurelaxieren. Dies kann schließlich zur Zerstörung von Daten führen; und in der anhängigen Patentanmeldung Nr - auf der Grundlage der US- Patentanmeldung Nr. 184996 - wird ein Verfahren zur Überwindung des Relaxationsproblems gezeigt, soweit es mit Datenspeicherung in ferroelektrischen Speichern zusammenhängt. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Relaxation eher unterstützt bzw. ausgenützt, als überwunden bzw. vermieden. Daher nutzt die vorliegende Erfindung das unerwünschte Verhalten von ferroelektrischen Materialien vorteilhaft, indem es diese in überraschender Weise einsetzt.
Eine Elektrode bzw. Platte des Kondensators wird auf einem festen Potential, z. B. Erde, in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gehalten. Unter der Annahme, daß die Kondensatorelektrode 44 auf Erdpotential gehalten wird, wird - für eine gegebene bzw. bestimmte Versorgungsspannung - nur eine Seite der Hystereseschleife verwendet. Es ist bequem, die Elektrode 44 zu erden, weil sie einer Anzahl von DRAM- Zellen in dem Array gemeinsam angehört - dagegen ist die Elektrode 40 jeder Zelle einzeln zugeordnet. Fig. 3 zeigt eine Hystereseschleife (durchgezogene Linie) für ein ferroelektrisches Material von der Art, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Gemäß Fig. 3 stellt die Ordinate die Ladung dar und ist mit Q gekennzeichnet; und die Abszisse stellt die Spannung dar und ist entsprechend mit V gekennzeichnet.
Zwei Hysteresekurven sind auf diesen Achsen dargestellt; und weil eine der Kondensatorelektroden geerdet ist, wird nur der Abschnitt der Kurven auf der positiven Seite der Ordinate verwendet.
Wird an einem idealen Ferroelektrikum eine Spannung angelegt, würde die am Kondensator gebildete Ladung bei der Verwendung des Ferroelektrikums als Dielektrikum in Übereinstimmung mit der Steigung von Linie 60 bestimmt, welche die dielektrische Konstante des ferroelektrischen Materials repräsentiert. Nebenbei kann angemerkt werden, daß Punkt 62 einen stabilen Polarisationszustand der Hysteresekurve darstellt und Punkt 64 den anderen stabilen Zustand darstellt, wobei in beiden Fällen keine Spannung anliegt. Diese Punkte repräsentieren logische Zustände, die von der Speicherzelle gespeichert werden können, falls das ferroelektrische Verhalten des Dielektrikums ausgenützt wird, um die Zustände der Zelle zu bestimmen. Jedoch beruht die vorliegende Erfindung nicht auf stabilen ferroelektrischen Polarisationszustände, um gespeicherte Daten in einer Zelle zu bestimmen. Sie verwendet die an den Kondensatorplatten gespeicherte Ladung.
Jedenfalls wird eine Spannung quer zu den Kondensatorelektroden angelegt, wodurch Ladung gespeichert wird. Sobald die Spannung entfernt wird, beginnt die Ladung zu dissipieren - so wie in allen DRAM-Zellen vom Ein-Transistor-/Ein- Kondensatortyp. Als Folge dessen wird die Speicherzelle - wie andere DRAM's - periodisch aufgefrischt. Das heißt, die Daten werden gelesen und dann wieder in die Zelle geschrieben.
Bei der Verwendung von ferroelektrischen Materialien derart, daß nach dem Anlegen der Schaltspannung und nach Entfernen derselben die Relaxation eher unterstützt als vermieden wird, werden sich die relaxierten Dipole in einer Art reorientieren, welche der Spannung am Punkt 66 in Fig. 3 entspricht, jedesmal, wenn die Zelle aufgefrischt (in der Regel alle 4 msec) wird. Die gebrochene Linienkurve 68 in Fig. 3 zeigt eine Hystereseschleife für ein ferroelektrisches Material mit signifikanter Relaxation. Das Ergebnis der Reorientierung bzw. Wiederausrichtung der Dipole während dem Auffrischen besteht darin, daß im Grunde mehr Ladung an den Kondensatorelektroden gebildet wird als von der Dielektrizitätskonstante multipliziert mit der angelegten Spannung angegeben wird. Beispielsweise wird die Bitleitung 50 auf 2,5 Volt vorgeladen und dann mit dem Kondensator durch Anlegen der Spannung an die Gateelektrode 46 gekoppelt, und die Spannung an der Speicherzelle beträgt entweder 0 oder 5 Volt vom letzten Schreibvorgang (angenommen kein Abfall). Dann tendiert die Spannung dazu, sich auszugleichen. Um die 5 Volt im Zellenkondensator mit den 2,5 Volt einer Bitleitung auszugleichen, werden zahlreiche Dipole im ferroelektrischen Material relaxieren, und Ladung wird übertragen. Falls im anderen Fall 0 Volt in der Zelle vorliegen, wird wiederum Ladung übertragen, sobald relaxierte Dipole zurückschalten. Die 2,5 Volt einer Bitleitung tendieren dazu, sich mit den 0 Volt im Zellenkondensator auszugleichen, und sobald die Dipole in dem ferroelektrischen Material schalten, wird Ladung aus der Bitleitung entnommen bzw. gezogen. Falls jeder Dipol umklappt, wird einiges an Ladung bewegt. Dieses Umklappen und nachfolgendes Relaxieren von Dipolen erfolgt auch dann, wenn nur ein einziger Polaritätsimpuls an der Kondensatorelektrode angelegt wird. Es ist verständlich, daß eine logische 0 in die Speicherzelle geschrieben wird, indem die Bitleitung geerdet wird und 0 Volt an den Kondensator über den Zugriffstransistor (eingeschaltet) übertragen werden. Eine logische 1 wird mit einer Versorgungsspannung, z. B. 5 Volt, geschrieben, die an die Zelle übertragen wird.
Je mehr in der Regel ein ferroelektrisches Material beschrieben oder in dieselbe Richtung (d. h. Polarität) gepulst wird, um so weniger und weniger wird die Relaxation nach jedem Durchlauf bzw. Schleifendurchlauf. Der Grund dafür besteht darin, daß Kompensationsladungen - so wie in der o.g. anhängigen Patentanmeldung Nr - auf der Grundlage der US-Patentanmeldung Nr. 184906 beschrieben wird - möglicherweise derart bewegt wird, daß Relaxation verhindert wird. Um daher diese fortschreitende Degradation zu verhindern, die beim Einsatz von normalen ferroelektrischen Materialien in der vorgenannten Art und Weise auftreten würde, wird nachfolgend auf ferroelektrische Dipoldomäne eingegangen. Darunter versteht man Bereiche oder Regionen, in denen alle oder im wesentlichen alle Dipole in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. In einigen ferroelektrischen Materialien wird die Relaxation 180 º von der ursprünglichen Orientierung sein (die mit dem elektrischen Feld zwischen den Kondensatorelektroden ausgerichtet ist, das gebildet wird, wenn Spannung von außen daran angelegt wird). In anderen ferroelektrischen Materialien beträgt die Relaxation jedoch nicht 180º - und es gibt sogar einige ferroelektrische Materialien, bei denen die Relaxation 90º beträgt. Falls in solchen Materialien beispielsweise ein 5- Volt-Signal angelegt wird, werden die Dipole alle in eine Richtung ausgerichtet. Sobald das Signal entfernt wird und die 5 Volt gegen 0 Volt abzunehmen beginnen, relaxieren die Dipole in eine Zwischenposition. Falls ein negatives 5- Volt-Signal angelegt wird, richten sich die Dipole 180º gegen die Orientierung aus, die sie bei plus 5 Volt einnehmen würden. Falls das Signal dann wieder entfernt wird und auf 0 abnimmt, tendieren die Dipole wieder dazu, in die Mittellagenorientierung zu relaxieren.
Dies folgt aus der physikalischen Struktur des Materials, d. h. der molekularen Orientierung innerhalb des Materials, und ist auf den/die während der Bearbeitung in dem Material liegenden Streß bzw. Beanspruchungen zurückzuführen. Bei der Verwendung eines ferroelektrischen Materials mit beispielsweise einer 90º Domäne relativ zu den Kondensator- Elektrodenfeldern werden die Dipole grundsätzlich in die Position mit geringstem Streß relaxieren, nachdem die Spannung von den Kondensatarelektroden entfernt wird. Dann wird mehr Ladung von der Bitleitung entnommen und an die Kondensatorelektrode gebracht als notwendig wäre, falls keine Relaxation stattgefunden hätte - als mit Siliziumdioxid. Als Folge davon wird mehr Ladung pro Flächeneinheit übertragen.
Einige ferroelektrische Materialien besitzen eine molekulare Struktur mit einer "langen Achse" und einer "kurzen Achse". Die lange Achse wird häufig als "Polarachse" bezeichnet. Wird sichergestellt, daß die Polarachse in der Ebene des ferroelektrischen Filmes zwischen den Kondensatorelektroden liegt, dann wird sich die Polarachse in Richtung des resultierenden elektrischen Feldes ausrichten, falls eine Spannung an die Elektroden gelegt wird und wird nominell senkrecht zu den Kondensatorelektrodenebenen stehen.
Nach einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Polarachse des ferroelektrischen Materials (falls keine Spannung anliegt) nicht mit dem Feld ausgerichtet, das entsteht, wenn eine Spannung an den Kondensatorelektroden anliegt. Vorzugsweise ist die Polarachse 90º gegen das Feld orientiert. Falls das Feld angelegt wird, bewegt sich die Polarachse in eine Spannungs- bzw. Streßposition; und falls das Feld entfernt wird, bewegen sich die Moleküle zurück in eine spannungs- bzw. streßfreiere, stabilere Position. Vorzugsweise werden polykristalline oder keramische Strukturen für das ferroelektrische Material zwischen den Kondensatorelektroden verwendet. Die polykristalline Struktur ist vorherrschend bei den als PZT bezeichneten ferroelektrischen Materialien, die Bleizirkoniumtitanat umfassen. Nur zur Veranschaulichung besteht das Material aus einem Verhältnis von 52 : 48 Teilen von Titan zu Zirkonium in der nachfolgenden Verbindung: Pb (Ti, Zr)O&sub3;. Da PZT normalerweise in polykristalliner Form gebildet wird, die sich durch Sputtern oder Bedampfen ergibt, wird der Durchschnittsfachmann keine Schwierigkeiten damit haben, das bevorzugte ferroelektrische Material zu besorgen. Weitere Hinweise werden in Non-Metallic Solids (Academic Press 1971), herausgegeben von Roberts und Popper und insbesondere in Band 3, davon mit dem titel Piezoelektric Ceramics von B. Jaffee, W.R. Cook, and H. Jafe, S. 76-79, 154-159. Ferner wird angemerkt, daß "geneigte" gegenüber "rechteckigen" Hystereseschleifen für diese Erfindung bevorzugt sind, welche durch Zufügen von Additiven, die o-Position Leerstellen verursachen, erhalten werden (vgl. S. 158). Die Fachwelt verweist dabei manchmal auf "harte" und "weiche" Ferroelektrika. Die "harten" werden für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, weil sie erheblich relaxieren, im Gegensatz zu "weichen" Ferroelektrika, die nicht relaxieren und rechteckigeren Hystereseschleifen haben.
Im allgemeinen werden die meisten ferroelektrischen Perovskite mit der allgemeinen Formel ABO&sub3; funktionieren. Perovskite haben eine allgemeine kubische Struktur mit "A"- Atomen an den acht Ecken des Kubus, ein Sauerstoffatom in der Mitte von jeder der sechs Seitenflächen des Kubus und ein "B"-Atom im Zentrum des Kubus. Perovskite umfassen Bleizirkoniumtitanat, Strontiumtitanat und Bariumtitanat.
Die Struktur des verwendeten Materials kann durch Röntgenstrahlbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie-Techniken bestimmt werden, die in der Halbleiterindustrie seit vielen Jahren allgemein üblich sind. Eine Vielzahl von Faktoren zur Modifizierung der Struktur umfassen Ausheildauer, Temperaturen, und Umgebungsatmosphäre sowie die Kristallstruktur der Elektroden, Substratkoeffizienten und thermische Ausdehnung. Es ist verständlich, daß aufgrund der polykristallinen Struktur in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Domänen nicht gleichförmig orientiert sind. Solange aber einige der Domäne nicht parallel mit dem Feld (ausgerichtet) sind, das entsteht, wenn eine Spannung an den Kondensatorelektroden 40, 44 anliegt, funktioniert die vorliegende Erfindung. Bevorzugt hat man aber so viele entgegengesetzt-ausgerichtete Domänen als möglich - wie mit supra zum Ausdruck gebracht wird.
Wird nach Berechnungen ein ferroelektrischer Film von 250 Angström Dicke verwendet, und werden 10 Mikrocoulombs pro Quadratzentimeter des Ferroelektrikums zum Relaxieren gebracht (das sind nur ca. ein Viertel aller ferroelektrischen Dipole), wird dann 3,8 als die Dielektrizitätskonstante für Siliziumdioxid eingesetzt, wird beim Einsatz der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung von einem Faktor 337 mal mehr Ladung pro Oberflächeneinheit erreicht.
Bei der Verwendung von ferroelektrischem Material als Kondensatordielektrikum in einer DRAM-Speicherzelle und Behandlung des Materials, um die Relaxation zu unterstützen, während normaler Lese-, Auffrisch- und Schreibvorgänge der Zelle, ist zu erwarten, daß Dipole in dem ferroelektrischen Material reorientiert werden müssen, jedesmal, wenn ein Lese- oder Auffrischimpuls angelegt wird. Der erzielte Effekt davon besteht darin, daß mehr Ladung durch die Speicherzelle von der Bitleitung pro Flächeneinheit gezogen wird, so daß ein zusätzlicher Signalbereich entsteht. In diesem Fall kann die Speicherzelle als "ladungsvergrößert" bezeichnet werden. Es wird geschätzt, daß dies erreicht wird durch Verwendung eines ferroelektrischen Materials und durch Orientierung der Dipole in einer relaxierten Position, die unterschiedlich (und vorzugsweise senkrecht) zum elektrischen Feld ist, welches durch die Kondensatorelektroden angelegt wird. Polykristalline ferroelektrische Materialien und Perovskite zeigen diese Charakteristik und sind bevorzugt.

Claims

1. Integrierte DRAM Array bzw. Matrix Schaltung mit:

einer Vielzahl von flüchtigen bzw. nicht-permanenten Speicherzellen, die von Zeit zu Zeit aufgefrischt werden, wobei jede nicht-permanente Speicherzelle mit einer Bit-Leitung (50) in dem Array verbunden ist, wobei jede Zelle einen Zugriffstransistor aufweist, der mit der Bit-Leitung verbunden ist und einen Kondensator, der mit dem Zugriffstransistor verbunden ist, wobei der eine Kondensator zwei Kondensatorelektroden bzw. -platten (40, 44) und ein dielektrisches Material (42) zwischen den Elektroden enthält, wobei eine Elektrode mit dem Transistor verbunden ist und der Transistor in einen EIN-Zustand zum Lesen aus, Schreiben in und Auffrischen der Speicherzelle schaltbar ist, wobei die durch die Speicherzellen gespeicherten Daten der an den Kondensatorelektroden gespeicherten Spannung entsprechen;

wobei das Dielektrikum ein ferroelektrisches Material enthält mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und mit einer Vielzahl von darin befindlichen Dipolen, wobei die Dipole Polarachsen von steuerbarer Orientierung haben;

wobei das ferroelektrische Material konditioniert bzw. behandelt oder angeordnet wird, um Dipolrelaxation zu unterstützen bzw. auszunützen, derart, daß einige der Polarachsen eine relaxierte erste Orientierung haben, wenn keine Spannung über den Elektroden anliegt;

wobei die Dipole derart gesteuert werden, daß sie sich von einer relaxierten ersten Orientierung in eine zweite Orientierung bewegen, wenn eine Spannung zwischen den Kondensatorelektroden anliegt, wobei die Spannung entweder durch eine Schreibspannung verursacht wird, die über die Bit-Leitung und den Zugriffstransistor anliegt, wenn die Zelle aufgefrischt wird oder neue Daten in die Zelle geschrieben werden, oder durch Ladung, die an den Kondensatorelektroden nach dem Auffrischen oder Schreiben verbleibt, wobei sich die relaxierte erste Orientierung von der zweiten Orientierung unterscheidet, so daß wiederholtes Auffrischen der Speicherzelle einige der Polarachsen veranlaßt, sich wiederholt zwischen der relaxierten ersten Orientierung und der zweiten Orientierung in Abhängigkeit des Zustandes der darin gespeicherten Daten zu bewegen, was in einem zusätzlichen Ladungstransfer zwischen dem Kondensator und der Bit-Leitung resultiert, wobei jede Zelle derart ist, daß ungeachtet des wiederholten Auffrischens wenigstens einige der Polarachsen in die relaxierte erste Orientierung zurückkehren, wenn keine Spannung zwischen den Kondensatorelektroden anliegt.

2. Array bzw. Matrix nach Anspruch 1, wobei das ferroelektrische Material eine polykristalline Struktur hat.

3. Array bzw. Matrix nach Anspruch 2, wobei das ferroelektrische Material Blei, Zirkonium und Titan enthält.

4. Array bzw. Matrix nach Anspruch 1, wobei das ferroelektrische Material ein Perowskit enthält.

5. Array bzw. Matrix nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die relaxierte erste Orientierung im wesentlichen 90º zur Richtung eines elektrischen Feldes beträgt, das von einer Spannung erzeugt wird, die zwischen den Kondensatorelektroden anliegt.

6. Array bzw. Matrix nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die relaxierte erste Orientierung parallel zur Ebene von einer der Kondensatorelektroden ist.

7. Array bzw. Matrix nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Zelle ein Substrat (30) enthält mit einer darin befindlichen Diffusionsregion (30), einer dielektrischen Isolatorschicht (36), die auf dem Substrat angeordnet ist, einem Leiter (40), der auf der Diffusionsregion angeordnet ist und durch die dielektrische Isolatorschicht läuft, wobei der Leiter ein Metall enthält, wobei das ferroelektrische Material auf dem Leiter (40) angeordnet ist, und einem anderen Leiter (44), der auf dem ferroelektrischen Material angeordnet ist, und wobei der andere Leiter ebenfalls Metall enthält.

8. Verfahren zum Betreiben eines flüchtigen bzw. nichtpermanenten DRAM integrierten Schaltkreises mit einer Vielzahl von nicht-permanenten Schaltkreisen, die in einem Array bzw. einer Matrix in dem DRAM angeordnet sind, wobei jede Speicherzelle Kondensatorelektroden bzw. -platten (40, 44) und ein ferroelektrisches Material (42) enthält, das konditioniert bzw. behandelt wurde, um Relaxation zu unterstützen bzw. auszunützen und das Dipole von steuerbarer Orientierung enthält, die zwischen den Kondensatorelektroden in jeder Zelle angeordnet sind, wobei die Speicherzelle im Array von Speicherzellen angeordnet ist und eine Bit-Leitung (50) enthält, die mit einer Vielzahl von Speicherzellen im Array verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Speichern von Ladung an den Kondensatorelektroden, um die in der Zelle zu speichernden Daten darzustellen, wobei in der Zelle eine erste Spannung für eine LOGISCHE EINS und eine zweite Spannung für eine LOGISCHE NULL gespeichert wird; und

wiederholtes Verursachen von Relaxation der Polarachsen des ferroelektrischen Materials in eine erste Orientierung und Zurückkehren in eine zweite Orientierung, die sich von der ersten Orientierung unterscheidet, durch wiederholtes Lesen/Auffrischen der Zelle, wobei die Bit-Leitung zusätzliche Ladung liefert oder empfängt, welche durch die Änderung der Orientierung der Polarachsen mit jedem Schreiben/Auffrischen verursacht wird.

9. Dynamische wahlfreie Zugriffsspeicherzelle mit:

einem Substrat mit darin befindlichen Diffusionsregionen (32, 34);

einer dielektrischen Isolatorschicht (36), die auf dem Substrat angeordnet ist;

einem ersten metallischen Leiter (40), der über einer der Diffusionsregionen (32) angeordnet ist und sich durch die dielektrische Isolatorschicht erstreckt;

einem ferroelektrischen Material (42), das auf den ersten Leiter (40) angeordnet ist; und

einem zweiten metallischen Leiter (44), der auf dem ferroelektrischen Material angeordnet ist.

10. Zelle nach Anspruch 9, die ferner eine Gateelektrode (46) enthält, die innerhalb der dielektrischen Isolatorschicht angeordnet ist.

11. Zelle nach Anspruch 9 oder 10, die ferner eine leitende Region (50) enthält, die sich durch die dielektrische Isolatorschicht erstreckt und über einer zweiten der Diffusionsregionen (34) angeordnet ist.