專利名稱：存儲設備及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及如權利要求1前序部分所描述的存儲設備以及如權利要求10所描述的存儲設備的操作方法。
在現(xiàn)代存儲技術的發(fā)展中，有必要同時實現(xiàn)不同的、部分最初沖突的邊界條件以便設計出既節(jié)省成本又能在商業(yè)年宣傳的有效的存儲模塊。這些基本需求涉及幾何學范疇、切換速度和布局的復雜度，該布局在半導體襯底上實現(xiàn)并形成各自存儲模塊或各自存儲單元的基礎。
在存儲設備中，存儲單元通常設置為矩陣形式，由通過指定的行或字線和列或位線的同時尋址來激活，以便從中讀出和/或寫入。依照這種激活，例如，訪問一電容或類似設置為存儲信息的裝置。傳統(tǒng)的訪問實質上通過能被連接或連接到電容器的晶體管來實現(xiàn)，確切地講，是由以下過程實現(xiàn)激活后，在電容器讀出的信息承當載信號通過一個在線或位線上的相應的讀出放大器檢測并適當?shù)胤糯?，以便使該信息承載信號以一種被分支以作為放大的數(shù)據(jù)信號的方式來傳遞。
對存儲結構的進一步需求，特別是簡化存儲管理的目標和保持存儲內容而與操作電壓無關的要求，已推動了所謂的非易失性存儲技術。后者，例如實質上是基于存儲元件或存儲電容的磁滯處理或效應。這些方面體現(xiàn)在所謂的FeRAM單元、MRAM單元等的發(fā)展中。
非易失性類型的存儲單元，特別是FeRAM單元或類似的，通常連接在一條列線或位線和一條附加充電線之間，該附加充電線也被稱為板極線(plate line)或“板極”。該板極線通常連接到一驅動電路，該驅動電路使該板極線保持一預定電壓上。在存儲設備的傳統(tǒng)操作中，存儲設備的列線或位線及充電線或板極線在所有情況下都有一個有源的和一個無源的操作模式或相應的狀態(tài)。作為舉例，在有源操作模式下，存儲單元的內容被讀出，相應的列線或位線連接到一個讀出放大器。在這種情況下，該板極線或充電線具有預定的電壓。在無源的操作模式下，相應的列線或位線和各自的充電線通常連接到一個具有通用電源電壓的終端，特別是為了避免對存儲內容的非故意改變，例如由于干擾等等。
盡管有了這些進步，仍然存在著在半導體襯底中的單個存儲單元的更高度集成和減少切換次數(shù)的需求。與此同時，整體上，為了這些概念的實現(xiàn)，關于整個存儲模塊中的單個存儲單元的各條線的布局將以特別低的面積的要求來配置。
本發(fā)明的目的是要提供一種能對存儲內容進行可靠訪問及盡管如此仍能允許一種節(jié)省空間的布局的存儲設備。
該目的將由根據(jù)本發(fā)明的裝置、在前面提到的存儲設備類型、權利要求1描述的特征以及權利要求10的方法來實現(xiàn)。每一個從屬權利要求都涉及有益的開發(fā)。
設備解決方案為設計的板極線設備提供，以便對電容器讀出或感測，特別是對它的電磁和/或鐵電的狀態(tài)讀出或感測，以便訪問存儲于其中的信息。
該電磁和/或鐵電的狀態(tài)可以特別解釋為充電狀態(tài)或極化狀態(tài)。然而，與某種磁屬性或數(shù)量有關的狀態(tài)是可以想到的。
因此，相對于基于磁滯處理或效應的傳統(tǒng)存儲設備，本發(fā)明的基本思想是要以它能用來感測和讀出電容器的方式配置并設計現(xiàn)有的板極線設備。通過檢測電容器各電磁和/或鐵電的狀態(tài)來實現(xiàn)電容器的感測或讀出。大體說來，然后，不管是在讀方式還是在寫方式，該板極線設備被設置以訪問存儲在電容器中的信息。
為感測或讀出存儲內容而設計的板極線設備減輕了傳統(tǒng)存儲設備中用于此目的的列線或位線的負擔。既然此任務不再給予位線，結果就是出現(xiàn)對于布局、整個存儲模塊的位線的設計以及對位線和字線的同步設置的較高靈活性。因此，與現(xiàn)有技術相比，用于感測或讀出的板極線的本發(fā)明的存儲設備具有較高的靈活性。在這種情況下保持了較少的切換次數(shù)和與應用的操作電壓無關的存儲內容的非易失性。提高了靈活性意味著與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的存儲設備的進一步小型化和更高的集成度是可以想到的。
在上下文中，非易失的或剩余的磁滯處理或效應可理解為最好是發(fā)生和存在于存儲著存儲信息的存儲設備的區(qū)域中的電磁和/或鐵電處理或效應，并且涉及電的和/或磁的屬性或數(shù)量。而且，能互相區(qū)別的大量的——最好兩個物理狀態(tài)能由處理或效應產生。所述的狀態(tài)被指定給特定的信息內容，這些信息內容即使在存儲設備的外部操作電壓被切斷后仍受到保存。實質上只有通過明確和有效的改變，它們才能發(fā)生變化。
為了通過板極線確保并可靠地配置電容器的感測，根據(jù)本發(fā)明的存儲設備的優(yōu)選實施例，借助于哪些被抽出的信號可被檢測和放大提供連接到或能被連接到一個讀出放大器設備的板極線設備。
該存儲設備在每種情況下實質上都可設置為，特別是基本的，F(xiàn)eRAM單元、MRAM單元等等。
在作為FeRAM單元的情況下，非易失性磁滯過程由電容器的電極之間的非易失性極化結構構成。
相應地，在MRAM單元中，磁化狀態(tài)等由非易失性磁滯處理適當?shù)馗淖?。在這種情況下，指定能精確地使用以便直接地或間接地產生和/或感測相應的磁場和/或磁化狀態(tài)的這種類型的電磁設備或相應的存儲元件，而不是電容器。
依照本發(fā)明的存儲設備的優(yōu)選實施例，該電容器具有至少第一和第二電極、連接到該處的第一和第二端，以及位于電極之間的帶有感應媒質的感應區(qū)域。在這種情況下，該感應區(qū)域可以理解成一個傳輸和讀出信息而被感應，特別是電磁感應的空間區(qū)域。由于感應作用，包含在所述的感應作用或感應區(qū)域中的媒質，也就是感應媒質的相應的電和/或磁屬性或數(shù)量同樣受到感應。在FeRAM單元的情況下，該感應媒質是一種由于感應作用，特別是電磁的感應作用，其極化狀態(tài)能被改變和/或讀出的鐵電電介質。
這種設置使訪問被提供作為存儲媒質的感應媒質的電磁特別是鐵電狀態(tài)成為可能。要被存儲的信息由該感應媒質的狀態(tài)表示，并且該信息能被讀出和/或改變，例如通過電容器的兩個電極。
將晶體管有益地設計為一個場效應晶體管，并具有源極區(qū)域、漏極區(qū)域和柵極區(qū)域。它們分別電連接到同樣被提供的第一、第二和第三端區(qū)域的第一末端。設計該第一端區(qū)域的第二末端使得它能連接到該電容器的第二端。這樣設置就能實現(xiàn)通過晶體管訪問電容器。
在進一步的實施例中提供位線設備。后者能通過第三端區(qū)域電連接到該晶體管的漏極區(qū)域。最好是，設置該位線設備以便在操作中與大量存儲設備中的多個接觸式連接。
而且這里還提供了字線設備。后者能通過第二端區(qū)域電連接到該晶體管的柵極區(qū)域。特別地，該字線設備也被設計為在操作中與大量存儲設備中的多個接觸式連接。
依照本發(fā)明的存儲設備的進一步實施例，該感應媒質是一種鐵電媒質，特別是由SBT、SrBi2Ta2O9等等制成。鐵電媒質具有特別有利的、可用在FeRAM單元的結構中的磁滯屬性。在MRAM的情況下，特別是在與硬磁區(qū)域結合時，軟磁感應媒質相應體現(xiàn)出優(yōu)點。
為了多個存儲設備的大規(guī)模集成，將存儲設備設計成至少是半導體襯底等中的集成電路的一部分是有益處的。
在這種情況下，作為首選，電容器設置成基本上垂直設置的層結構，特別是在半導體襯底上。
依靠帶有多個存儲設備的存儲模塊的布局和設計，對于在有限空間內最可能的存儲設備的封裝密度來說，將平面/垂直電容器和/或晶體管互相結合或者以更大或更小的形式從嚴格的平面度或垂直度中分開是適宜的。
電容器的第二電極和位線設備用同一種材料最好是金屬制成具有進一步的優(yōu)點。在此情況下，最好是將電容器的第二電極和位線設備在半導體襯底的同一垂直層區(qū)域中形成。
所提供的優(yōu)點是，存儲模塊的象層一樣的結構中包括本發(fā)明的多個存儲設備，先前的生產處理不必作根本地改變。
FeRAM單元的電容器的第二電極，其電極通常被設計為所謂的底電極，是金屬最好是鉑制成，并應用到上下文中的特定生產階段的半導體襯底。同時像第二或底電極的應用一樣，所描述的實施例在半導體襯底的同一生產步驟中實現(xiàn)所謂的位線設備或位線成為可能，同一材料的使用既提供了生產技術的優(yōu)點又有助于避免電化學問題。然后，位線不再需要附加的和/或偏離的金屬化層。
根據(jù)本發(fā)明的存儲設備在生產工藝方面具有特別的優(yōu)點，依照進一步的實施例，板極線設備或板極線實質上是在半導體襯底上的表面層區(qū)域上形成。在此情況下，該表面層區(qū)域可理解為如在層結構的頂部設置一個層。
關于包含在存儲模塊中依照本發(fā)明的多個存儲設備的設置的布局和設計的靈活性，表面區(qū)域的板極線的設置還給予了通常提供的位線和字線的脫離接觸和平衡的可能性。而且，還可以以一種特別簡單的方式采用已有的電路布局成為可能，在這種情況下，該板極線設備實際上在下游的構造操作中放置于已證實的布局上。
其中在電容器的第一電極在板極線設備的區(qū)域中以任何方式形成的實施例，特別是作為其部分，是特別有利的。因此，在用于板極線的金屬化層的應用中，用于FeRAM單元的電容器的相應的電極或電容偏板也同時生產。
根據(jù)這種方法，根據(jù)本發(fā)明的解決方案在于以下實事，在操作存設備，特別是本發(fā)明的存儲設備的方法中，該存儲設備的信息通過在存儲設備提供的板極線設備讀出的，并且特別是在操作過程中，連接到存儲單元的電容器的第一電極上。這一過程減輕了正好來自于通常與存儲內容的讀出聯(lián)系在一起的位線設備的任務的負擔，因此導致了布局和存儲管理的較高的靈活性及緊密度。
操作存儲設備的方法以特別有益的方式配置，依照它的優(yōu)選實施例，在讀出操作的讀出過程中，在讀出期間，存儲設備中的字線設備和/或位線設備用于激活該存儲設備進行讀取，實質上在讀出開始之前直接從相對低的電壓值升高至相對高的電壓值，并實質上在讀出結束之后直接從相對高的電壓值降低至相對低的電壓值。
以一種有益的方式，字線和，特別是，位線以一種實質上為脈沖的形式從零電壓升高至相應的激活電壓，字線電壓最好在位線電壓升高之前升高，在位線電壓降低之后降低。
本發(fā)明的存儲設備在這里第一次有益地、精確使用以脈沖的位線電壓輔助的相應的存儲設備的激活。這是因為，作為位線脈沖的結果，可以獲得比傳統(tǒng)存儲設備中更高的信號電平，確切地說是不失時機。在這種情況中，脈沖沿上升的時間常數(shù)τ定義為τ＝R×C，其中C表示由線尋址的單元陣列的總電容，即并聯(lián)的單個單元電容量和位線的線電容量之和，R表示與這些電容量有關的位線的無抗電阻。在具有傳統(tǒng)的位線的傳統(tǒng)的單元布局中，相應的無抗電阻相對較高。然而根據(jù)本發(fā)明的存儲設備，已在細節(jié)中作過詳細解釋的位線形成于同一垂直層區(qū)域中并作為底電極或底電容器電極。它們優(yōu)選地由低電阻的金屬材料，特別是鉑制成，結果使位線的無抗電阻R徹底地減小并這樣產生小時間常數(shù)τ，因此啟動位線上的脈沖操作。
下面將基于參照附圖的優(yōu)選的示意性的實施例，對本發(fā)明作更詳盡的解釋。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的存儲設備的一個實施例的基本電路設置。
圖2示出了在存儲單元陣列中的根據(jù)本發(fā)明的大量相同的存儲設備的基本設置。
圖3示出了在半導體襯底上的根據(jù)本發(fā)明的存儲設備的一個實施例的配置的橫斷面視圖。
圖4示出了關于圖3的橫斷面示意圖的布局的俯視圖。
圖5闡明了在根據(jù)本發(fā)明的存儲設備上讀/寫的操作方法。
圖1概略地示出了根據(jù)本發(fā)明的存儲設備1的一個實施例的電路設置。
該存儲設備1被設計為所謂的FeRAM單元。它具有一個帶有第一電極11和第二電極12的存儲電容器10。在所述電極之間形感應區(qū)域15，該感應區(qū)域用感應介質填充以作為它的一部分。
而且，該存儲設1具有一個帶有源極度區(qū)域S、漏極區(qū)域D和柵極區(qū)域G的場效應晶體管作為存取晶體管20。通過一個第一端區(qū)域25，該存取晶體管20的源極區(qū)域S連接到存儲電容器10的第二端14，特別是連接到基第二電極12，即底電極。
一條列線或位線30和一條行線或字線40用于訪問存儲設備1。該位線30通過第三端27連接到該存取晶體管20的漏極區(qū)域D。字線40通過第二端區(qū)域26連接到該存取晶體管20的柵極區(qū)域G。
為了訪問存儲內容，該存儲內容由感應區(qū)域15中的感應媒質16的電磁——特別是鐵電——狀態(tài)表示，根據(jù)本發(fā)明，板極線50連接到一識別分支的信號并為傳遞而放大該信號的讀出放大器設備51(SA)。該板極線50通過該存儲電容器10的第一端13連接到其第一電極11，即頂電極。
圖2以示意電路圖的形式示出了具有大量——即4個根據(jù)本發(fā)明的具有相同結構的連上存儲設備I至IV的單元陣列100的設置。每一個本發(fā)明的連上存儲單元I至IV都具有，像FeRAM單元，通過存取晶體管201…204被分別訪問的存儲電容器101…104。該存取晶體管201…204通過字線401和402及位線301和302被尋址和激活。該存儲電容器101…104通過各自的一端連接到板極線501或502并通過它們的另一電極連接到各自的存取晶體管201…204。該板極線501和502具有用于感測、檢測和放被分支的信號的讀出放大器511和512。
圖3以剖面圖的形式示出了在半導體襯底60上的本發(fā)明的存儲設備1的一個在半導體襯底60的上部區(qū)域中，存取晶體管20的源極區(qū)域S和漏極區(qū)域D形成如半導體襯底60中的n型攙雜區(qū)域。在其上面的層中，在半導體襯底60上，首先在中心形成該存取晶體管20的柵極區(qū)域G。作為其一部分在其上直接應用一個層，該層上形成所謂的字線40，該字線40在半導體襯底60的橫向延伸，也就是延伸到圖2的平面上。
源極區(qū)域S和漏極區(qū)域D例如以所謂的插頭的形式分別通過第一和第三端區(qū)域25和27連接。后者分別連接到電容器10的底或第二電極12和位線30。明顯地，該電容器10的底或第二電極12和位線30是用同一種材料生產的，即鉑，并且它們構造于半導體襯底60的同一層中。在這種情況下，如果適當，位線30也可以作為擴散區(qū)域等來布線。
帶有感應媒質16的該感應區(qū)域15形成于電容器10的底或第二電極12上面。在該感應區(qū)域15之上，所謂的板極線50以應用的金屬化層的形式從左至右延伸，該板感應極線50也同時形成該電容器10的頂或第一電極11，并連接到讀出放大器51。
圖4示出了圖3的設置的布局俯視圖，確切地講是沿剖視區(qū)X-X的布局俯視圖。
從圖3和圖4的關系上能清楚地了解到字線40和位線30大致互相平行，確切地講是在半導體襯底60的不同層區(qū)域中。確切地講，在圖3和圖4所示的典型實施例中，板極線50在位于半導體襯底60頂面右側的層區(qū)域中橫向延伸。
圖5A和圖5B以圖表的形式示出了發(fā)生在本發(fā)明的存儲設備的一個實施例中的各種信號的時間曲線圖，從這各種信號中能清楚地了解到本發(fā)明的存儲設備的一種可能的操作模式。
圖5A示出了電磁或鐵電狀態(tài)的時間曲線圖，就是本發(fā)明的存儲設備1的存儲電容器10的感應媒質16的電極化P的時間曲線圖。存儲內容“0”或“1”將由取決于電容器10的感應區(qū)域15中的感應媒質16的極化P的定義來實現(xiàn)。極化P隨時間t改變，結果使邏輯“1”由第一時間區(qū)域表示，邏輯“0”由第二時間區(qū)域表示。
圖5B示出了本發(fā)明的存儲設備1的字線40、位線30和板極線50的電壓WL(字線電壓)、BL(位線電壓)和PL(板極線電壓)的時間曲線圖。
在t0時刻，本發(fā)明的存儲設備1通過升高字線電壓WL和位線電壓BL被激活以讀出。然后，由感應媒質16的極化狀態(tài)P感應的信號電平在t1時刻，即在信號產生的開始在板極線50上以暫時偏移方式產生。與比較電平Uc相比，由于極化P產生了增加的電平，并且板極線電壓PL由讀出放大器在t2時刻——即感測和放大的時刻被設置為相當于存儲內容“1”的“高”。在t0時刻，為了重寫要再次讀入存儲單元的信息，位線BL被無效。重寫過程在t4時刻以切斷放大器的方式結束。在t5時刻，存儲單元以切斷字線電壓WL的方式而無效，但感應媒質16中的信息內容由于非易失性磁處理而被保存起來。
對于下面的操作部分，假設該感應媒質16處于相反極化狀態(tài)P,結果使邏輯“0”代表著存儲內容。
在時刻t’0，本發(fā)明的存儲設備1通過升高字線電壓WL和位線電壓BL再次被激活。以有點暫時延遲的方式，在時刻t'1，板極線50上的信號電平隨后被讀出，該信號電平通過感應媒質16的極化狀態(tài)P再次被感應。由于相反極化(代表“0”狀態(tài))，該信號電平下降并低于比較電壓Uc，然后在時刻t'2由讀出放大器設置為“低”，結果在板極線50上出現(xiàn)邏輯“0”作為相應的值。
本發(fā)明的存儲設備的操作過程的實質是，尤其是，在從本發(fā)明的存儲設備1讀出所存儲的信息的過程中可能出現(xiàn)具有相應的位線信號BL的位線30的暫時的臨時性升高。
這種脈沖的操作在花費時間方面及從組織的觀點上產生有益效果，并且對于第一次可能出現(xiàn)這種脈沖操作，因為位線30是由與電容器10的第二電極12相同的材料制成。實際上是位線30的低電阻配置有利于啟動了位線30上的脈沖操作。
綜上所述，作為本發(fā)明的存儲設備和存儲設備的操作方法的實質性方面出現(xiàn)的是現(xiàn)有的板極線設備為感測或讀出存儲電容器等內的信息而設計以及，為此目的，特別該板極線設備特別設計為連接到相應的讀出放大器，而且，現(xiàn)有的位線設備在底電容器電極或底電極的同一垂直層區(qū)域中和/或由與底電極采用同種材料近似地實施。布局和材料的設計使脈沖的操作成為可能，特別是在位線設備上，確切地說是具有相對低電阻的位線設備在位線電壓脈沖的上升沿的時間常數(shù)的減少過程中時間無損失。
權利要求
1.一種存儲設備具有-至少一個電容器(10)，設置用于存儲基于磁滯處理的信息，并具有用于此目的的第一和第二電極(11、12)、連接到那里的第一和第二端(13、14)和位于該電極(11、12)之間的具有感應媒質(16)的感應區(qū)域(15)，-至少一個晶體管(20)，它用于以讀和改變該信息為目的而訪問該電容器(10)，并且以此為目的而設置以便使它能連接到該電容器(10)，以及-至少一個板極線設備(50)，它能通過一個自由端(13)電連接到該電容器(10)，并且它用于通過一個讀出放大器設備(51)感測該電容器(10)的電磁狀態(tài)以便訪問存儲在那里的信息，其特征在于該電容器(10)的第二電極(12)和位線設備(30)以同一種材料——最好是金屬的制成并且位于半導體襯底(60)的相同垂直層區(qū)域中。
2.如權利要求的1的存儲設備，實質上是設置為FeRAM單元、MRAM單元等等。
3.如前任何一個權利要求的存儲設備，其特征在于，該晶體管(20)設置為一個場效應晶體管并具有源極區(qū)域、漏極區(qū)域和柵極區(qū)域(S、D、G)，設置它們分別電連接到所提供的第一、第二和第三端區(qū)域(25、26、27)的第一末端，該第一端區(qū)域(25)的第二末端連接到該電容器(10)的第二端(14)。
4.如權利要求3的存儲設備，其特征在于，提供位線設備(30)，它通過該第三端區(qū)域(27)電連接到該晶體管(20)的漏極區(qū)域(D)，并且特別是，它能在操作期間與更多的存儲設備(1)中的多個接觸式連接。
5.如前任何一個權利要求的存儲設備，其特征在于，提供字線設備(40)，它通過該第二端區(qū)域(26)電連接到該晶體管(20)的柵極區(qū)域(G)，并且特別是，它能在操作期間與更多的存儲設備(1)中的多個接觸式連接。
6.如前任何一個權利要求的存儲設備，其特征在于，提供鐵電媒質，特別是SBT、SrBi2Ta2O9等等，作為感應媒質(16)。
7.如前任何一個權利要求的存儲設備，其特征在于，設置該存儲設備(1)至少作為集成電路和/或半導體襯底(60)等等上的一部分，和/或其中該電容器(10)形成實質上垂直設置的層結構。
8.如前任何一個權利要求的存儲設備，其特征在于，該板極線設備(50)實質上在半導體襯底(60)上的表面層區(qū)域中形成。
9.如前任何一個權利要求的存儲設備，其特征在于，該電容器(10)的第一電極(11)在該板極線設備(50)的區(qū)域內形成并且/或作為它的一部分。
10.一種如權利要求1至9的任何一個的存儲設備的操作方法，其特征在于，在讀出期間中，為激活要被讀取的存儲設備(1)，該存儲設備(1)的字線設備(40)和/或位線設備(30)，實質上在讀出開始之前直接從一相對低電壓值升高至一相對高電壓值，并實質上在讀出結束之后直接從一相對高電壓值降低至一相對低電壓值。
11.一種如權利要求1至9的任何一個的存儲設備的操作方法，其特征在于，-該字線設備(40)和/或位線設備(30)以一種實質上為脈沖的形式從零電壓升高至一相應的激活電壓，-特別是字線電壓在位線電壓升高之前升高，在位線電壓降低之后降低。
全文摘要
本發(fā)明的目的是要保證高度靈活性和緊湊的結構。為了這一目的，存儲設備(1)的以磁滯處理為基礎而工作的現(xiàn)有的板極導電設備(50)被配置為檢測存儲電容器(10)的狀態(tài)，因而信息能被存儲。
文檔編號G11C8/02GK1479923SQ01820375
公開日2004年3月3日 申請日期2001年12月3日 優(yōu)先權日2000年12月11日
發(fā)明者H·霍恩格施米德, G·米勒, H 霍恩格施米德 申請人:因芬尼昂技術股份公司