專利名稱：2t－1c鐵電隨機存取存儲器及其運行方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鐵電隨機存取存儲器及其運行方法。更具體說，本發(fā)明涉及一種稱作2T-1C FRAM的鐵電隨機存取存儲器及其運行方法，它的每個單元都各有兩個晶體管(2T)和一個鐵電電容器(1C)。
常規(guī)鐵電隨機存取存儲器(FRAM)以鐵電電容的開關操作為基礎。在雙穩(wěn)極化態(tài)，正極化指定為“1”，負極化指定為“0”。一種新思想的基礎是鐵電電容器的充電和放電及CMOS晶體管的p-n結。這種新結構不需要開關。因此，這種新結構可以避免例如疲勞和印記(imprint)等退化問題。
常規(guī)FRAM采用雙穩(wěn)態(tài)鐵電極化，其中正極化態(tài)和負極化態(tài)分別指定為存儲邏輯的“1”和“0”。只要需要開關FRAM以保持雙穩(wěn)極化態(tài)，例如疲勞、印記、沖擊、擊穿等可靠性問題便會使得制造可靠的FRAM產品非常困難。
本發(fā)明的特征在于，提供一種利用鐵電電容器的“充電”和“放電”及CMOS晶體管的p-n結的2T-1C FRAM，克服例如疲勞和印記等退化問題。還公開了其運行方法。
本發(fā)明提供一種2T-1C鐵電隨機存取存儲器，包括具有多個通過用第一雜質摻雜形成的位阱的半導體襯底；每個都有兩個晶體管和一個電容器的多個存儲單元；多個與矩陣形式的存儲單元電連接的連線；多個假電容器，其中所說兩個晶體管包括通過用第二雜質摻雜每個位阱中的半導體形成的源；通過用第二雜質分別摻雜每個位阱內的半導體形成的第一漏和第二漏，它們之間具有預定間隔，以便在第一方向與所說源排成一排；第一柵，形成于在源和第一漏之間的第一溝道上形成的絕緣層上；第二柵，形成于在第一漏和第二漏之間的第二溝道上的絕緣層上，其中所說一個電容器包括下電極，形成于在源上形成的絕緣層上；形成于下電極上的鐵電層；形成于鐵電層上的上電極，其中所說連線包括與第一柵連接的第一字線，所說第一柵設置在每個存儲單元內第一方向上；與設置在垂直于第一方向的第二方向上的存儲單元內的第一漏連接的位線，各假電容器共同與之連接；與設置在第二方向上的存儲單元的第二柵連接的第二字線；與設置在第二方向上的存儲單元的第二漏連接的探測線；連接每個單元中的源和下電極的接觸栓塞；與設置在第二方向的存儲單元的上電極連接的板極線。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，第一雜質是“p”型雜質，第二雜質是“n+”雜質。在另一實施例中，第一雜質可以是“n”型雜質，第二雜質是“p+”雜質。
與存儲單元的第二漏連接的探測線可以設置在第一方向。
假電容器可以形成于位線和每個單元的第一漏之間。
此外，本發(fā)明提供一種使2T-1C鐵電隨機存取存儲器運行的方法，該存儲器包括具有多個通過用第一雜質摻雜形成的位阱的半導體襯底；每個都有兩個晶體管和一個電容器的多個存儲單元；多個與矩陣形式的存儲單元電連接的連線；多個假電容器，其中所說兩個晶體管包括通過用第二雜質摻雜每個位阱中的半導體形成的源；通過用第二雜質分別摻雜每個位阱內的半導體形成的第一漏和第二漏，它們之間具有預定間隔，以便在第一方向與所說源排成一排；第一柵，形成于在源和第一漏之間的第一溝道上形成的絕緣層上；第二柵，形成于在第一漏和第二漏之間的第二溝道上的絕緣層上，其中所說一個電容器包括下電極，形成于在源上形成的絕緣層上；形成于下電極上的鐵電層；形成于鐵電層上的上電極，其中所說連線包括與第一柵連接的第一字線，所說第一柵設置在每個存儲單元內第一方向上；與設置在垂直于第一方向的第二方向上的存儲單元內的第一漏連接的位線，各假電容器共同與之連接；與設置在第二方向上的存儲單元的第二柵連接的第二字線；與設置在第二方向上的存儲單元的第二漏連接的探測線；連接每個單元中的源和下電極的接觸栓塞；與設置在第二方向的存儲單元的上電極連接的板極線，所說方法以下步驟(a)通過在第一字線上加電壓Vw，在板極線上加電壓Vp，在所選存儲單元中寫入“0”態(tài)；(b)通過在第一字線上加電壓Vw，在第二字線上加電壓Vc，在所選存儲單元中寫入“1”態(tài)；(c)通過在第一字線上加電壓Vw，在第二字線上加電壓Vc，讀出所寫入的狀態(tài)，并探測所選存儲單元的負電荷。
在步驟(c)，通過與之相連的探測線，探測所選存儲單元的負電荷。另外，在步驟(c)，如果在所選存儲單元探測到負電荷，則所選存儲單元的狀態(tài)讀出為“0”態(tài)。如果在所選存儲單元沒有探測到負電荷，則所選存儲單元的狀態(tài)讀出為“1”態(tài)。步驟(c)還可以包括所選存儲單元讀出為“0”態(tài)后立即在所選存儲單元中恢復“0”態(tài)，以保持“0”態(tài)的步驟。
通過結合附圖詳細介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點將變得更清楚，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的2T-1C FRAM的示意剖面圖；圖2是圖1所示2T-1C FRAM的一個單元的示意平面圖；圖3a-3d示出了在圖1所示2T-1C FRAM的單元中寫入信息的方法；更具體說，圖3a和3b分別示出了在單元中寫入“0”的過程和充電狀態(tài)；圖3c和3d分別示出了在單元中寫入“1”的過程和放電狀態(tài)；圖4a和4b示出了從圖1所示2T-1C FRAM的一個單元讀取信息的方法；圖4a示出了從單元中讀出“0”的過程；圖4b示出了從單元中讀出“1”的過程；圖5是展示圖3a-3d中所示寫入過程和圖4a和4b所示讀過程的等效電路及在同一處理過程中所加信號的波形；及圖6是用圖1所示單元陣列形成的2T-1C FRAM的等效電路。
根據(jù)本發(fā)明的2T-1C FRAM利用了鐵電電容器的充放電過程與CMOS晶體管的p-n結。這種2T-1C結構中不需要開關過程。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的2T-1C FRAM的一個單元的示意剖面圖。圖2是圖1所示2T-1C FRAM的單元的示意平面圖。圖1中，參考數(shù)字9表示用第一雜質摻雜的位阱。源6、第一漏8和第二漏10是位阱9中用第二雜質摻雜的區(qū)域。在本發(fā)明中，第一雜質是“p”或“n”型雜質，與第一雜質對應的第二雜質是“n+”或“p+”型雜質。換言之，如果第一雜質是“p”型雜質，則第二雜質就是“n+”型雜質。如果第一雜質是“n”型雜質，則第二雜質就是“p+”型雜質。下面在假設第一雜質是“p”型雜質，第二雜質是“n+”型雜質的情況下，介紹本發(fā)明的一個實施例。
在2T-1C FRAM結構中，每個單元由兩個晶體管(6，7，8和8，12，10)和一個鐵電電容器(2，3，4)構成，所說晶體管具有共同的擴散層8，即用“n+”型雜質摻雜的第一漏。假電容器14與位線13相連。假電容器14可以制造在位線13的端部作為共用假電容器或制造在第一漏8和位線13之間。第一字線5與浮柵7相連。第二晶體管由共同的擴散層8、第二字線12和作為摻有“n+”型雜質的擴散層的第二漏10構成。第二漏10與探測線11相連。讀出放大器S/A與探測線11相連。源6通過接觸栓塞16與鐵電電容器(2，3，4)相連，形成典型的COB(位線上的電容器)結構。然而，對于低集成密度存儲器來說，鐵電電容器(2，3，4)可以制造在場氧化物上。上電極2與板極線1相連。板極線1、位線13和第二字線12垂直于第一字線5。
下面介紹具有上述結構的2T-1C FRAM的運行原理。
為方便起見，選擇n-p-n型晶體管解釋所說運行原理。然而，簡單地認為電流和開關方向相反，同樣的原理可應用于p-n-p型晶體管。
通過在第一字線5上加高達字線電壓Vw的電壓，并板極線1上加高達板極線電壓Vp的電壓，寫入“0”。于是鐵電電容器(2，3，4)被極化為向下方向。為了補償鐵電體的電偶極子，在上電極2上誘發(fā)正電荷，在假電容器14的上電極上誘發(fā)負電荷。圖3a示出了寫入“0”的初始階段。一旦加電壓過程完成，負電荷流到某些其它位置，形成靜態(tài)電平衡。由于源6，“n+”型擴散層與阱9形成p-n結，該p-n結上存在結電容，由于反偏狀態(tài)，該結會中斷電荷流。
因而，負電荷累積于第一晶體管的p-n結處。即圖3b所示的寫入“0”的正常態(tài)。由于p-n結在該階段被充電，所以該狀態(tài)也稱為“充電”。
在下電極4上供應負電荷時，該p-n結處的負電荷會消失。在字線電壓Vw加于第一字線5上，且控制電壓Vc加于第二字線12上時，形成兩個晶體管溝道，負電荷會從探測線11流到下電極4。一旦下電極4中的負電荷與鐵電偶極子發(fā)生電平衡，p-n結上先前的負電荷會由于放電過程而消失。這稱為“放電”，也指定為“1”。該過程示于圖3c和3d。
這了讀“0”，在第一字線5上加字線電壓Vw，在第二字線12上加控制電壓Vc，則負電荷會流過探測線11，用于負電荷的讀出放大器與探測線11相連。同樣的過程可應于讀“1”。這種情況下，探測不到電荷。因此，“0”稱為“導通”態(tài)，“1”稱為“截止”態(tài)。讀“0”的過程破壞了“0”態(tài)。因此，需要再存儲過程或恢復過程以保持讀“0”過程后的狀態(tài)“0”。再存儲通過寫入“0”進行。圖4a和4b示出了讀過程。
圖5示出了2T-1C FRAM單元的等效電路及寫入和讀出過程的加電壓程序?？偸鞘紫燃覸w，以便尋址特定單元。圖6中簡要示出了一個2T-1C FRAM單元陣列。探測線11(S/A)可以垂直或平行于第一字線5(W)。
如上所述，由于2T-1C FRAM的每個單元都包括兩個晶體管和一個鐵電電容器，鐵電電容器的“充電”和“放電”可以與兩個晶體管的p-n結一起被采用，所以根據(jù)本發(fā)明的2T-1C FRAM不用進行開關操作，便可以進行寫/讀操作。即，2T-1C FRAM是一種新型FRAM，它改善了開關其鐵電電容器作為其基本操作的常規(guī)FRAM結構，在該狀態(tài)下，所說鐵電電容器的正偶極子和鐵電電容器的負偶極子分別指定為“1”和“0”。因此，可以避免2T-1C FRAM中的例如疲勞和印記等退化問題。另外，印記會對2T-1C FRAM相當有利。
權利要求
1.一種2T-1C鐵電隨機存取存儲器，包括具有多個通過用第一雜質摻雜形成的位阱的半導體襯底；每個都有兩個晶體管和一個電容器的多個存儲單元；多個與矩陣形式的存儲單元電連接的連線；多個假電容器，其中所說兩個晶體管包括通過用第二雜質摻雜每個位阱中的半導體形成的源；通過用第二雜質分別摻雜每個位阱內的半導體形成的第一漏和第二漏，它們之間具有預定間隔，以便在第一方向與所說源排成一排；第一柵，形成于在源和第一漏之間的第一溝道上形成的絕緣層上；第二柵，形成于在第一漏和第二漏之間的第二溝道上的絕緣層上，其中所說一個電容器包括下電極，形成于在源上形成的絕緣層上；形成于下電極上的鐵電層；形成于鐵電層上的上電極，其中所說連線包括與第一柵連接的第一字線，所說第一柵設置在每個存儲單元內第一方向上；與設置在垂直于第一方向的第二方向上的存儲單元內的第一漏連接的位線，各假電容器共同與之連接；與設置在第二方向上的存儲單元的第二柵連接的第二字線；與設置在第二方向上的存儲單元的第二漏連接的探測線；連接每個單元中的源和下電極的接觸栓塞；與設置在第二方向的存儲單元的上電極連接的板極線。
2.根據(jù)權利要求1所述的2T-1C鐵電隨機存取存儲器，其中第一雜質是“p”型雜質，第二雜質是“n+”型雜質。
3.根據(jù)權利要求1所述的2T-1C鐵電隨機存取存儲器，其中第一雜質是“n”型雜質，第二雜質是“p+”型雜質。
4.根據(jù)權利要求1所述的2T-1C鐵電隨機存取存儲器，其中與存儲單元的第二漏相連的探測線設置在第一方向。
5.根據(jù)權利要求1所述的2T-1C鐵電隨機存取存儲器，其中假電容器形成在位線和每個單元的第一漏之間。
6.一種使2T-1C鐵電隨機存取存儲器運行的方法，該存儲器包括具有多個通過用第一雜質摻雜形成的位阱的半導體襯底；每個都有兩個晶體管和一個電容器的多個存儲單元；多個與矩陣形式的存儲單元電連接的連線；多個假電容器，其中所說兩個晶體管包括通過用第二雜質摻雜每個位阱中的半導體形成的源；通過用第二雜質分別摻雜每個位阱內的半導體形成的第一漏和第二漏，它們之間具有預定間隔，以便在第一方向與所說源排成一排；第一柵，形成于在源和第一漏之間的第一溝道上形成的絕緣層上；第二柵，形成于在第一漏和第二漏之間的第二溝道上的絕緣層上，其中所說一個電容器包括下電極，形成于在源上形成的絕緣層上；形成于下電極上的鐵電層；形成于鐵電層上的上電極，其中所說連線包括與第一柵連接的第一字線，所說第一柵設置在每個存儲單元內第一方向上；與設置在垂直于第一方向的第二方向上的存儲單元內的第一漏連接的位線，各假電容器共同與之連接；與設置在第二方向上的存儲單元的第二柵連接的第二字線；與設置在第二方向上的存儲單元的第二漏連接的探測線；連接每個單元中的源和下電極的接觸栓塞；與設置在第二方向的存儲單元的上電極連接的板極線，所說方法以下步驟(a)通過在第一字線上加電壓Vw，在板極線上加電壓Vp，在所選存儲單元中寫入“0”態(tài)；(b)通過在第一字線上加電壓Vw，在第二字線上加電壓Vc，在所選存儲單元中寫入“1”態(tài)；(c)通過在第一字線上加電壓Vw，在第二字線上加電壓Vc，讀出所寫入的狀態(tài)，并探測所選存儲單元的負電荷。
7.如權利要求6所述的方法，其中通過與之相連的探測線，探測所選存儲單元的負電荷，進行步驟(c)。
8.如權利要求7所述的方法，其中在步驟(c)，如果在所選存儲單元探測到負電荷，則所選存儲單元的狀態(tài)讀出為“0”態(tài)，如果在所選存儲單元沒有探測到負電荷，則所選存儲單元的狀態(tài)讀出為“1”態(tài)。
9.如權利要求7所述的方法，其中步驟(c)還可以包括所選存儲單元讀出為“0”態(tài)后立即在所選存儲單元中恢復“0”態(tài)，以保持“0”態(tài)的步驟。
10.根據(jù)權利要求2所述的2T-1C鐵電隨機存取存儲器，其中假電容器形成在所說位線和每個單元的第一漏之間。
11.根據(jù)權利要求3所述的2T-1C鐵電隨機存取存儲器，其中假電容器形成在所說位線和每個單元的第一漏之間。
12.根據(jù)權利要求4所述的2T-1C鐵電隨機存取存儲器，其中假電容器形成在所說位線和每個單元的第一漏之間。
13.如權利要求8所述的方法，其中步驟(c)還可以包括所選存儲單元讀出為“0”態(tài)后立即在所選存儲單元中恢復“0”態(tài)，以保持“0”態(tài)的步驟。
全文摘要
一種2T－1C FRAM,其每個單元都包括兩個晶體管和一個鐵電電容器,以便不用開關操作,利用與兩個晶體管的p－n結一起被利用的鐵電電容器的“充電”和“放電”進行寫/讀操作,因而避免了2T－1C FRAM中例如疲勞和印記等退化問題。
文檔編號H01L21/70GK1343010SQ0111242
公開日2002年4月3日 申請日期2001年4月3日 優(yōu)先權日2000年9月11日
發(fā)明者柳仁暻 申請人:三星電子株式會社, 弗吉尼亞技術知識資產公司