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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine DRAM(Dynamic Random
Access Memory (dynamischer Speicherbaustein mit wahlfreiem Zugriff))-Zelle.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine DRAM-Zelle
mit einem magnetischen Kondensator in der Metallschicht.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Eine
dynamische Speicher-(Dynamic Random Access Memory, DRAM)-Zelle mit
wahlfreiem Zugriff, die einen Transistor und einen Speicherkondensator
pro Bit beinhaltet, ist zum wichtigsten Speicherelement in einem
elektronischen System geworden, insbesondere in einem Computer und
in einem Kommunikationssystem. Die Ausgangsspannung einer DRAM-Zelle ist proportional
zu dem Kapazitätswert
des Speicherkondensators der DRAM-Zelle und deshalb muss der Speicherkondensator
einen ausreichenden Kapazitätswert
aufweisen, um einen stabilen Betrieb der Zelle zu haben, wenn die
angewendete Spannung skaliert wird.
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Außerdem wird
bei einem herkömmlichen DRAM-Zellenaufbau
der Kondensator auf Grund des Bedarfs an höheren Kapazitätswerten
als denjenigen, die üblicherweise
in anderen Schichten erzielt werden, in der kristallinen Siliziumschicht
erzeugt. Der Kondensator wird üblicherweise
auch benachbart zum Transistor angeordnet und verbraucht verhältnismäßig viel
und wertvollen Bereich auf dem Wafer (Halbleiterscheibe), um die
benötigten
Kapazitätswerte
zu erhalten. Dies macht eine DRAM-Zelle groß und wirkt sich auf die Größe jedes
Bits aus.
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Die
Hauptdeterminante der Kosten eines DRAMs ist jedoch die Dichte der
Speicherzellen. Das Ziel ist, kleine Speicherzellen zu haben, was
bedeutet, dass mehr davon auf einmal von einem einzelnen Siliziumwafer
hergestellt werden können.
Dies kann den Ertrag erhöhen,
was folglich die Kosten senkt.
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Es
gibt verschiedene Arten an DRAM-Speicherzellen, welche bereits für eine Erhöhung der Dichte
vorhanden sind und diese Speicherzellen können entsprechend der Struktur
der Kondensators zum Speichern elektrischer Ladung für eine Information
eingeteilt werden. Beispielsweise wird ein Grabenkondensator (trench-type
capacitor) durch Ausbildung eines tiefen Grabens in einem Halbleitersubstrat
ausgebildet, ohne den Oberflächenbereich
des Halbleitersubstrats zu vergrößern. Der
Grabenkondensator kann die Größe der DRAM-Zelle
verringern, jedoch ist der Herstellungsprozess schwierig und kompliziert.
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Außerdem,
obwohl diese möglichen
Speicherzellen bereits eine hohe Dichte haben, geht dies auf Kosten,
dass der Speicher regelmäßig aufgefrischt
werden muss. Zusätzliche
Schaltungen zum Lesen und Wiederbeschreiben jedes Bits im Speicher
werden benötigt.
Dies macht die DRAM-Schaltung komplizierter und dies bedeutet, dass
der Speicher nicht immer für
die Systemnutzung verfügbar
ist, weil es in einem Auffrischungszyklus (refresh cycle) sein könnte. Außerdem beeinträchtigt die
zusätzliche Schaltung
die Dichte. DRAM-Speicher sind nicht skalierbar, um wettbewerbsfähig zu bleiben,
weil große Bereiche
von den Kondensatoren zum Speichern des Bitwerts verwendet werden.
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Aufgrund
der vorhergehenden Gründen
besteht die Notwendigkeit für
eine neue DRAM-Zelle, so
dass die Dichte eines DRAMs vergrößert werden kann, das Herstellungsverfahren
vereinfacht wird und die Auffrischrate verringert wird. Dadurch
werden die Herstellungskosten verringert.
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KURZFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine DRAM-Zelle gerichtet, die diese
Notwendigkeit einer steigenden Dichte an Speicherbausteine erfüllt, den Herstellungsprozess
vereinfacht und die Auffrischrate verringert.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine klein dimensionierte
DRAM-Zelle bereitzustellen,
die die Struktur der Speicherzellen in einem DRAM verkleinert, wo durch
erreicht werden kann, dass die Herstellungskosten verringert werden, die
Geschwindigkeit der mit DRAM integrierten Schaltkreise erhöht wird
und der Energieverbrauch der mit DRAM integrierten Schaltkreise
verringert wird.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den von dem Kondensator
belegten Bereich zu verringern, indem er mit einem magnetischen
Kondensator ersetzt wird und dieser in der Metallschicht erzeugt
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die DRAM-Auffrischungsrate
durch den magnetischen Kondensator zu verringern oder zu beseitigen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere
klein dimensionierte DRAM-Zelle mit magnetischem Kondensator bereitzustellen,
der aus mehreren Schichten aufgebaut ist, um eine zusätzliche
Kapazität
bereitzustellen.
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Zwei
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden beschrieben. Die erste Ausführungsform
ist eine DRAM-Zelle mit magnetischem Kondensator, der in einer Metallschicht
ausgebildet ist. Entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst eine DRAM-Zelle ein Substrat, einen Transistor
und einen magnetischen Kondensator. Das Substrat besteht aus einem
Halbleitermaterial mit einer Hauptoberfläche, wobei der Transistor an
der Hauptoberfläche
ausgebildet ist und der magnetische Kondensator in einer Metallschicht
ausgebildet ist. Der Transistor umfasst eine Quellenregion (source
region) und eine Senkenregion (drain region), die an der Hauptoberfläche des Substrats
ausgebildet sind. Der Transistor umfasst auch ein Kontrollgatter
(control gate), das zwischen der Quellenregion und der Senkenregion
angeordnet ist und vom Substrat durch eine dünnes Kontrolldielektrikum getrennt
ist. Der magnetische Kondensator umfasst eine erste Elektrodenschicht,
eine dielektrische Schicht, die auf der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht
ausgebildet ist, und eine zweite Elektrodenschicht, die auf der
Oberfläche
der dielektrischen Schicht ausgebildet ist. Der magnetische Kondensator
weist einen niedrigen bis keinen Verlust auf, so dass die DRAM-Auffrischrate
verringert oder beseitigt werden kann. Falls die DRAM-Auffrischrate beseitigt
ist, kann der Auffrischschaltkreis weggelassen werden und die DRAM-Zelle
wird nicht-flüchtig. Außerdem weist
der magnetische Kondensator einen hohen Kapazitätswert auf, um hohem Strahlungsniveau
der Umgebung standzuhalten.
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Die
zweite Ausführungsform
ist eine DRAM-Zelle mit einem magnetischen Kondensator, der in mehreren
Schichten ausgebildet ist. Entsprechend der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine DRAM-Zelle ein Substrat,
einen Transistor und einen magnetischen Kondensator. Das Substrat
ist aus einem Halbleitermaterial mit einer Hauptoberfläche gebildet,
der Transistor ist bei der Hauptoberfläche ausgebildet und der magnetische
Kondensator ist in mehreren Schichten ausgebildet. Der Transistor
umfasst eine Quellenregion und eine Senkenregion bei der Hauptoberfläche des
Substrats. Der Transistor umfasst ebenfalls ein Kontrollgatter,
das zwischen der Quellenregion und der Senkenregion angeordnet ist
und vom Substrat durch ein dünnes
Kontrolldielektrikum getrennt ist. Der magnetische Kondensator ist
aus mehreren Schichten aufgebaut, um die gewünschte Kapazität bereitzustellen,
wenn die Erfindung in kleine Dimensionen skaliert wird oder wenn
eine einzelne Schicht eine nicht ausreichende Kapazität bereitstellt.
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Es
ist selbstverständlich
dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibungen als auch
die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft sind und
dazu vorgesehen sind, eine weitere Erläuterung der beanspruchten Erfindung
anzubieten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beiliegenden Zeichnungen sind mit aufgeführt, damit die Erfindung weitergehend
verstanden wird und bilden einen Teil der Beschreibung und sind
in dieser mit eingebunden. Die Zeichnungen zusammen mit der Beschreibung
stellen Ausführungsformen
der Erfindung dar und dienen der Erklärung der Prinzipien der Erfindung.
Bei den Zeichnungen ist:
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1 eine
seitliche Querschnittansicht der DRAM-Zelle entsprechend einer ersten
bevorzugten Ausführungsform
dieser vorliegender Erfindung; und
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2 eine
seitliche Querschnittansicht der DRAM-Zelle entsprechend einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform
dieser vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend
wird detailliert auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung eingegangen, welche beispielhaft in den beiliegenden
Zeichnungen dargestellt sind. Wo immer es möglich war, wurden die gleichen
Bezugszeichen in den Zeichnungen und in der Beschreibung verwendet, um
auf die gleichen oder ähnlichen
Teile zu verweisen.
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Bezug
nehmend auf 1, stellt 1 eine Querschnittsansicht
der DRAM-Zelle entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dar. Eine DRAM-Zelle umfasst ein Substrat 100,
einen Transistor 120 und einen magnetischen Kondensator 140.
Das Substrat 100 ist aus einem Halbleitermaterial mit einer
Hauptoberfläche 102 gebildet.
Der Transistor 120 umfasst eine Quellenregion (source region) 124 und
eine Senkenregion (drain region) 126, die an der Hauptoberfläche 102 von
dem Substrat 100 ausgebildet sind. Der Transistor 120 umfasst
auch ein Kontrollgatter (control gate) 122, welches zwischen
der Quellenregion 124 und der Senkenregion 126 angeordnet
ist und durch ein dünnes
Kontrolldielektrikum 123 vom Substrat 100 getrennt
ist. Das Kontrollgatter 122 ist ein Poly-Silizium und das
dünne Kontrolldielektrikum 123 kann
Siliziumdioxid sein. Dee Kondensator 140 umfasst eine erste
Elektrodenschicht 142, eine dielektrische Schicht 144,
welche auf der Oberfläche
auf der ersten Elektrodenschicht 142 ausgebildet ist und
eine zweite Elektrodenschicht 146, welche auf der Oberfläche der
dielektrischen Schicht 144 ausgebildet ist.
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Es
gilt zu beachten, dass der Kondensator 140 in der Metallschicht über dem
Transistor ausgebildet ist. Herkömmliche
Kondensatoren werden in der kristallinen Siliziumschicht erstellt,
um eine höherwertige
Kapazität
zu erreichen. Moderne Kondensatoren sind jedoch in der Lage die
für das
DRAM benötigten
kapazitiven Werte zu erreichen, wenn sie in der Metallschicht erstellt
werden. Als Folge kann der magnetische Kondensator 140 über dem
Transistor 120 in der Metallsicht 160 ausgebildet
werden. Der magnetische Kondensator 140 muss jedoch nicht
unmittelbar über
dem Transistor erstellt werden. Falls der magnetische Kondensator 140 von
der kristallinen Siliziumschicht zur Metallschicht 160 versetzt wird,
kann der gesamte Bereich der DRAM-Zelle erheblich verkleinert werden.
Außerdem
können
die notwendigen Verdrahtungen der DRAM-Zelle in einem Leitbereich
(routing area) 180 angeordnet werden, der zwischen dem
Transistor 120 und dem magnetischen Kondensator 140 angeordnet
ist, um eine größere Intensität zu erreichen.
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Mit
dem magnetischen Kondensator 140, der in der metallischen
Schicht von Halbleitern ausgebildet ist, ist es jetzt möglich, die
DRAM-Auffrischungsrate (refresh rate) zu verringern oder zu beseitigen. Der
magnetische Kondensator 140 kann Informationen genau wie
ein Standard-Kondensator speichern, weist jedoch niedrige bis keine
Verluste und einen hohen Kapazitätswert
auf. Wegen der niedrigen bis keine Verluste ist die Auffrischungsrate
verringert, um mehr Zeit für
den Systembetrieb zu ermöglichen.
Die Verluste können
so gering sein, dass die Auffrischung vollständig beseitigt wird. Dies ermöglicht das
Weglassen der Auffrischungsschaltung. Zusätzlich hält dieser Speicher ohne Auffrischung
seinen Wert, auch nachdem die elektrische Energie entfernt ist.
Als Ergebnis macht diese Erfindung aus einem DRAM einen nicht-flüchtigen
Speicher und kann eingesetzt werden, Flash-Speicher zu ersetzen.
Außerdem
ist der magnetische Kondensator 140 in einer Umgebung mit
hohem Strahlungsniveau strahlungsbeständig. Dies ist der Fall, weil
die benötigte
Energie zum Stören
des magnetischen Kondensators 140 viel höher sein
muss als es die meisten Strahlungsbedingungen zum Verändern eines
Bits sind. Die Kapazität
des magnetischen Kondensators 140, die zum Aufrechterhalten
des Speichers gespeichert ist, ist jedoch hoch genug, um signifikanter
Strahlung von der Umgebung standzuhalten. Deshalb ist der magnetische
Kondensator 140 strahlungsbeständig.
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Ferner
sind die kapazitiven Werte moderner Kondensatoren drastisch gestiegen,
mit einer Dielektrizitätskonstante über 3000,
dünneren
Dielektrika und Oberflächenrauigkeit.
Dies ermöglicht,
dass der magnetische Kondensator 140 weniger Platz beansprucht
als der Transistor 120. Hier gilt es zu beachten, dass
selbst wenn die Gatter-Länge
(gate length) des Transistors 120 sehr klein ist, der magnetische Kondensator 140 den
Bereich für
den kompletten Transistor 120, einschließlich der
Verbindungen 129 und 130, des Kontrollgatters 122 und
einen Diffusionsbereich 121, aufweist.
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Bezug
nehmend auf 2, ist eine Querschnittsansicht
der DRAM-Zelle entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Eine DRAM-Zelle umfasst ein Substrat 200,
einen Transistor 220 und einen magnetischen Kondensator 240.
Das Substrat 200 ist aus einem Halbleitermaterial mit einer
Hauptoberfläche 202 gebildet.
Der Transistor 220 umfasst eine Quellenregion (source region) 224 und
eine Senkenregion (drain region) 226, welche an der Hauptoberfläche 202 des Substrats 200 ausgebildet
ist. Der Transistor 220 umfasst auch ein Kontrollgatter
(control gate) 222, der zwischen der Quellenregion 224 und
der Senkenregion 226 angeordnet ist und von dem Substrat 200 durch
eine dünnes
Kontrolldielektrikum 223 getrennt ist. Das Kontrollgatter 222 ist
Poly-Silizium und das dünne
Kontrolldielektrikum 223 kann Siliziumdioxid sein.
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Moderne
Kondensatoren sind in der Lage, wenn sie in einer Metallschicht
erstellt werden, die für das
DRAM benötigten
Kapazitätswerte
zu erzielen. Folglich kann der magnetische Kondensator 240 über dem
Transistor 220 ausgebildet werden. Der magnetische Kondensator 240 muss
jedoch nicht unmittelbar über
dem Transistor 220 erstellt werden. Wenn dre magnetische
Kondensator 240 in der Metallschicht erstellt worden ist,
kann der gesamte Bereich der DRAM-Zelle erheblich verringert werden.
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Es
sei angemerkt, dass der Kondensator 240 in mehreren Schichten,
mit der ersten Elektrodenschicht 241, der dritten Elektrodenschicht 243 und der
fünften
Elektrodenschicht 245, gebildet ist. Falls der Kondensator
eine nicht ausreichende Kapazität mit
einer einzelnen Kapazitätsschicht
bereitstellt, können
mehrere Schichten zur Bereitstellung der gewünschten Kapazität angeordnet
werden. Zusätzlich ermöglicht diese
Erfindung eine Skalierung in kleinere Dimensionen, da die Größe des Kondensators
im Verhältnis
zur Transistorgröße gleich
bleibt. So wie die Größe des Transistors
kleiner wird, wird auch dessen verarbeitbare Stromstärke kleiner.
Das heißt, wenn
die DRAM-Zelle einen größeren kapazitiven Wert
im Verhältnis
zur Größe des Transistors
benötigt,
kann der Kondensator mit mehreren Schichten aufgebaut werden, um
die zusätzliche
Kapazität
bereitzustellen. Daher sind in dieser zweiten Ausführungsform
die erste Elektrodenschicht 241, die dritte Elektrodenschicht 243 und
die fünfte
Elektrodenschicht 245 so angeordnet, um die gewünschte Kapazität für den Transistor 220 bereitzustellen.
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Außerdem können die
notwendigen Verdrahtungen für
das DRAM in einem Leitbereich (routing area) angeordnet werden,
der zwischen dem Transistor 220 und dem magnetischen Kondensator 240 angeordnet
ist, um eine größere Intensität zu erreichen.
In letzter Zeit haben sich die kapazitiven Werte moderner Kondensatoren
mit Dielektrizitätskonstanten über 3000,
dünneren
Dielektrika und Oberflächenrauigkeit
drastisch erhöht.
Dies ermöglicht,
dass der magnetische Kondensator 240 weniger Platz beansprucht
als der Transistor 220. Es gilt zu beachten, dass, selbst
wenn die Gatter-Länge
(gate length) des Transistors 220 sehr klein ist, der magnetische
Kondensator 240 den Bereich für den gesamten Transistor 220,
einschließlich
den Verbindungen 229 und 230, das Kontrollgatter 222 und
einen Diffusionsbereich 221 aufweist.
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Der
Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführunsform
ist, dass der Kondensator in der zweiten Ausführungsform mit mehreren Schichten
aufgebaut ist, um die gewünschte
Kapazität
bereitzustellen, falls die Erfindung in eine kleinere Dimensionen
skaliert wird oder eine einzelne Schicht keine ausreichende Kapazität bereitstellt.
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Aus
der obigen Beschreibung kann gefolgert werden, dass diese Erfindung
einer klein dimensionierten DRAM-Zelle das Erfordernis einer Steigerung der
Dichte der DRAM-Zellen erfüllt,
wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden. Die klein dimensionierte
DRAM-Zelle wird durch das Erstellen des magnetischen Kondensators
in der Metallschicht erreicht und weist die Möglichkeit auf, die Geschwindigkeit
von DRAM integrierten Schaltkreise zu erhöhen und den Energieverbrauch
von DRAM integrierten Schaltkreisen zu reduzieren. Auf Grund der
verbesserten Geschwindigkeit, kann diese Speicherzelle eingesetzt
werden SRAM zu ersetzen. Weiterhin weist der magnetische Kondensator
einen niedrigen bis keinen Verlust auf, so dass die DRAM Auffrischungsrate
(refresh rate) verringert oder beseitigt werden kann. Falls die
DRAM-Auffrischungsrate beseitigt ist, kann der Auffrischungsschaltkreis
weggelassen werden und die DRAM-Zelle wird nicht-flüchtig. Deshalb
kann diese Erfindung andere standardisierte elektronische Speicherbauformen
ersetzen. Außerdem
ist der magnetische Kondensator in einer Umgebung mit hohem Strahlungsniveau
strahlungsbeständig.
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Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen
und Veränderungen
im Aufbau der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne
den Bereich des Geists der Erfindung zu verlassen. In Anbetracht
des Vorhergehenden ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
die Modifikationen und Veränderungen
dieser bereitgestellten Erfindung abdeckt, vorausgesetzt dass sie
in den Schutzbereich der folgenden Ansprüche und deren Äquivalenten
fallen.