Brevet FR2922044A1 — publié le 20090410

CELLULE DE MEMOIRE VIVE DYNAMIQUE AVEC CONDENSATEUR MAGNÉTIQUE La présente invention porte sur une cellule de mémoire vive dynamique (DRAM). Plus particulièrement, la présente invention porte sur une cellule de DRAM avec un condensateur magnétique dans la couche métallique. La cellule de mémoire vive dynamique (Dynamic Random Access Memory - DRAM) comprenant un transistor et un condensateur de stockage par bit est devenu l'élément de stockage le plus important dans un système électronique, notamment dans les systèmes d'ordinateur et de communication. La tension de sortie d'une cellule de DRAM est proportionnelle à la valeur de capacité du condensateur de stockage de la cellule de DRAM et, par conséquent, le condensateur de stockage doit avoir une valeur de capacité satisfaisante pour présenter un fonctionnement stable de la cellule alors que la tension appliquée est mise à l'échelle. De plus, dans une structure de cellule de DRAM classique, le condensateur est créé dans la couche de silicium cristallin en raison du besoin d'une capacité à valeur plus élevée que celle qui est typiquement obtenue dans les autres couches. Également, le condensateur est typiquement placé au voisinage du transistor et consomme une surface relativement importante et de valeur sur la tranche pour obtenir les valeurs de capacité nécessaires. Ceci rend une cellule de DRAM importante et affecte la dimension de chaque bit. Cependant, le déterminant principal d'un coût d'une DRAM est la densité des cellules mémoire. Le but est d'avoir des cellules mémoire de petite dimension, ce qui signifie que davantage d'entre elles peuvent être produites à la fois à partir d'une unique tranche de silicium. Ceci peut améliorer le rendement réduisant ainsi le coût. Il y a plusieurs types de cellules de mémoire de DRAM qui sont déjà disponibles pour augmenter la densité, et ces cellules de mémoire peuvent être divisées conformément à la structure du condensateur pour stocker une charge électrique pour les informations. Par exemple, un condensateur de type à tranchée est formé par formation d'une tranchée profonde dans un substrat semi-conducteur sans augmenter l'aire de surface du substrat semi-conducteur. Le condensateur de type tranchée peut réduire la dimension d'une cellule de DRAM mais le procédé de fabrication est difficile et compliqué. De plus, même si ces cellules de mémoire déjà disponibles ont une densité élevée, ceci vient avec le coût d'avoir à rafraîchir la mémoire périodiquement. Des éléments de circuit supplémentaires sont requis pour lire et réécrire chaque bit dans la mémoire. Ceci rend le circuit de DRAM plus compliqué et ceci signifie que la mémoire n'a pas été toujours disponible pour l'utilisation du système parce qu'elle peut être dans un cycle de rafraîchissement. De plus, les éléments de circuit supplémentaires nuisent à la densité. Les mémoires DRAM ne se mettent pas à l'échelle pour rester compétitives en raison de la surface élevée prise par les condensateurs utilisés pour stocker la valeur du bit. Pour les raisons précédentes, il y a un besoin pour une nouvelle cellule de DRAM, de telle sorte que la densité d'une DRAM peut être accrue, le procédé de fabrication est simplifié et la fréquence de rafraîchissement est réduite. Ainsi, le coût de fabrication est réduit. La présente invention porte sur une cellule de DRAM qui satisfait ce besoin d'augmenter la densité du dispositif de mémoire, simplifiant le procédé de fabrication et réduisant la fréquence de rafraîchissement. Et c'est donc un objectif de la présente invention que de proposer une cellule de DRAM de petite dimension qui miniaturise la structure des cellules mémoire dans une DRAM, abaissant ainsi le coût de fabrication, augmentant la fréquence de circuits intégrés de DRAM et réduisant la puissance consommée par des circuits intégrés de DRAM. C'est un autre objectif de la présente invention que de réduire la surface que le condensateur occupe par remplacement de celui-ci par un condensateur magnétique et création de celui-ci dans la couche métallique. C'est encore un autre objectif de la présente invention que de réduire ou d'éliminer la fréquence de rafraîchissement de DRAM avec le condensateur magnétique. C'est encore un autre objectif de la présente invention que de proposer une autre cellule de DRAM de petite dimension avec le condensateur magnétique incorporé avec de multiples couches pour fournir une capacité supplémentaire. Deux modes de réalisation de la présente invention sont décrits. Le premier mode de réalisation est une cellule de DRAM avec le condensateur magnétique formé dans une couche métallique. Conformément au premier mode de réalisation de la présente invention, une cellule de DRAM comprend un substrat, un transistor et un condensateur magnétique. Le substrat est composé d'un matériau semi-conducteur avec une surface principale, le transistor est formé à la surface principale et le condensateur magnétique est formé dans une couche métallique. Le transistor comprend une région de source et une région de drain formées à la surface principale du substrat. Le transistor comprend également une grille de commande placée entre la région de source et la région de drain, et séparée du substrat par un diélectrique de commande mince. Le condensateur magnétique comprend une première couche d'électrode, une couche diélectrique formée sur la surface de la première couche d'électrode, et une seconde couche d'électrode formée sur la surface de la couche diélectrique. Le condensateur magnétique a peu ou pas de fuite, de telle sorte que la fréquence de rafraîchissement de la DRAM peut être réduite ou éliminée. Lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée, les éléments de circuit de rafraîchissement peuvent être retirés, et la cellule de DRAM devient non volatile. De plus, le condensateur magnétique a une capacité de valeur élevée pour supporter de hauts niveaux de rayonnement provenant des environnements. Le second mode de réalisation est une cellule de DRAM avec le condensateur magnétique formé en multiples couches. Conformément au second mode de réalisation de la présente invention, une cellule de DRAM comprend un substrat, un transistor et un condensateur magnétique. Le substrat est composé d'un matériau semi-conducteur avec une surface principale, le transistor est formé au niveau de la surface principale, et le condensateur magnétique est formé en multiples couches. Le transistor comprend une région de source et une région de drain formées à la surface principale du substrat. Le transistor comprend également une grille de commande placée entre la région de source et la région de drain, et séparée du substrat par un diélectrique de commande mince. Le condensateur magnétique est construit avec de multiples couches pour fournir la capacité désirée lorsque l'invention est à une échelle de dimensions inférieures ou lorsqu'une simple couche ne fournit pas une capacité suffisante. La présente invention a donc pour objet une 5 cellule de DRAM, caractérisée par le fait qu'elle comprend : un substrat ayant un matériau semi-conducteur avec une surface principale ; un transistor formé sur la surface principale ; et 10 un condensateur magnétique formé dans une couche métallique située au-dessus du transistor. Le transistor peut comprendre : une région de source ; une région de drain ; et 15 une grille de commande placée entre la région de source et la région de drain et séparée du substrat par un diélectrique de commande mince. Le condensateur magnétique peut comprendre : une première couche d'électrode ; 20 une couche diélectrique formée sur la surface de la première couche d'électrode ; et une seconde couche d'électrode formée sur la surface de la couche diélectrique. La cellule de DRAM peut comprendre en outre une 25 surface de routage entre le transistor et le condensateur magnétique pour les connexions de câblage de la cellule de DRAM. Le condensateur magnétique peut avoir une fuite faible à nulle, d'où il résulte que la fréquence de 30 rafraîchissement de la DRAM est réduite ou éliminée. La cellule de DRAM peut être non volatile lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. Un circuit de rafraîchissement peut être éliminé lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. Le condensateur magnétique peut avoir une 5 capacité de valeur élevée pour supporter des niveaux élevés de rayonnement provenant des environnements. La présente invention a également pour objet une cellule de DRAM, caractérisée par le fait qu'elle comprend : 10 un substrat ayant un matériau semi-conducteur avec une surface principale ; un transistor formé sur la surface principale ; et un condensateur magnétique formé dans une pluralité de couches situées au-dessus du transistor ; 15 dans lequel la pluralité de couches fournissent la capacité désirée lorsque la cellule de DRAM nécessite davantage de capacité. Le transistor peut comprendre : une région de source ; 20 une région de drain ; et une grille de commande placée entre la région de source et la région de drain et séparée du substrat par un diélectrique de commande mince. Le condensateur magnétique peut comprendre : 25 une pluralité de couches d'électrode ; et une pluralité de couches diélectriques ; dans laquelle la pluralité de couches diélectriques sont formées entre la pluralité de couches d'électrode. La cellule de DRAM peut comprendre en outre une 30 surface de routage entre le transistor et le condensateur magnétique pour les connexions de câblage de la cellule de DRAM. Le condensateur magnétique peut avoir une fuite faible à nulle, d'où il résulte que la fréquence de rafraîchissement de DRAM est réduite ou éliminée. La cellule de DRAM peut être non volatile lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. Un circuit de rafraîchissement peut être éliminé lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. Le condensateur magnétique peut avoir une 10 capacité de valeur élevée pour supporter des niveaux élevés de rayonnement provenant des environnements. Il doit être entendu qu'à la fois la description générale précédente et la description détaillée suivante sont par des exemples, et sont destinées à fournir une 15 nouvelle explication de l'invention telle que revendiquée. Les dessins annexés sont inclus pour fournir une nouvelle compréhension de l'invention, et sont incorporés dans et constituent une partie de cette description. Les dessins illustrent des modes de réalisation de l'invention 20 et, conjointement avec la description, servent à expliquer les principes de l'invention. Sur le dessin : la Figure 1 est une vue en coupe latérale de la cellule 25 de DRAM selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention ; et la Figure 2 est une vue en coupe latérale de la cellule de DRAM selon un second mode de réalisation préféré de 30 la présente invention. Référence va maintenant être faite en détail aux modes de réalisation préférés de la présente invention, dont des exemples sont illustrés dans les dessins annexés. Chaque fois que cela est possible, les mêmes chiffres de référence sont utilisés dans les dessins et la description pour se référer à des parties identiques ou similaires. On se réfèrera à la Figure 1. La Figure 1 est une vue en coupe de la cellule de DRAM selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Une cellule de DRAM comprend un substrat 100, un transistor 120 et un condensateur magnétique 140. Le substrat 100 est composé d'un matériau semi-conducteur avec une surface principale 102. Le transistor 120 comprend une région de source 124 et une région de drain 126 formées au niveau de la surface principale 102 du substrat 100. Le transistor 120 comprend également une grille de commande 122 placée entre la région de source 124 et la région de drain 126 et séparée du substrat 100 par un diélectrique de commande 123 mince. La grille de commande 122 est du polysilicium, et le diélectrique de commande mince 123 peut être du dioxyde de silicium. Le condensateur 140 comprend une première couche d'électrode 142, une couche diélectrique 144 formée sur la surface de la première couche d'électrode 142 et une seconde couche d'électrode 146 formée sur la surface de la couche diélectrique 144. On notera que le condensateur 140 est formé dans la couche métallique au-dessus du transistor 120. Des condensateurs classiques sont créés dans la couche de silicium cristallin pour obtenir une capacité de valeur plus élevée ; cependant, les condensateurs modernes sont capables d'obtenir les valeurs de capacité de DRAM nécessaires lorsqu'ils sont créés dans la couche métallique. Il en résulte que le condensateur magnétique 140 peut être formé au-dessus du transistor 120 dans la couche métallique. Cependant, le condensateur magnétique 140 n'a pas besoin d'être créé directement au-dessus du transistor 120. Lorsque le condensateur magnétique 140 est déplacé de la couche de silicium cristallin à la couche métallique, la surface globale de la cellule de DRAM peut être réduite de façon significative. De plus, les connexions de câblage nécessaires pour la cellule de DRAM peuvent être placées dans une surface de routage 180 située entre le transistor 120 et le condensateur magnétique 140, pour parvenir à une intensité plus grande. Avec le condensateur magnétique 140 formé dans la couche métallique de semi-conducteurs, il est maintenant possible de réduire ou d'éliminer la fréquence de rafraîchissement de DRAM. Le condensateur magnétique 140 peut stocker les informations à peu près comme un condensateur standard, mais présente peu ou pas de fuite et une capacité de valeur élevée. En raison d'une fuite faible à nulle, la fréquence de rafraîchissement est réduite pour permettre davantage de temps pour le fonctionnement du système. La fuite peut être suffisamment faible pour éliminer le rafraîchissement dans son ensemble. Ceci permet l'élimination des éléments de circuit de rafraîchissement. De plus, sans rafraîchissement, cette mémoire maintient ses valeurs même après que l'alimentation est éliminée. Il en résulte que cette invention transforme la DRAM en une mémoire non volatile et peut être utilisée pour remplacer les mémoires Flash. De plus, le condensateur magnétique 140 est fortement insensible aux rayonnements dans des environnements avec de hauts niveaux de rayonnement. La raison en est que l'énergie nécessaire pour perturber le condensateur magnétique 140 doit être bien plus élevée que la plupart des spécifications de rayonnement pour perturber un bit. Cependant, la capacité du condensateur magnétique 140 stockée pour maintenir la mémoire est suffisamment élevée pour supporter un rayonnement significatif provenant des environnements, d'où il résulte que le condensateur magnétique 140 est fortement insensible aux rayonnements. De plus, les valeurs de capacité des condensateurs modernes ont augmenté de façon spectaculaire, avec des constantes diélectriques au-delà de 3.000, des diélectriques plus minces et une rugosité de surface. Ceci permet que le condensateur magnétique 140 puisse prendre moins d'espace que le transistor 120. On notera que même si la longueur de grille du transistor 120 est très faible, le condensateur magnétique 140 a la surface pour la totalité du transistor 120, comprenant des contacts 129 et 130, la grille de commande 122 et une surface de diffusion 121. On se réfèrera maintenant à la Figure 2, où l'on peut voir une vue en coupe de la cellule de DRAM selon un second mode de réalisation préféré de la présente invention. Une cellule de DRAM comprend un substrat 200, un transistor 220 et un condensateur magnétique 240. Le substrat 200 est composé d'un matériau semi-conducteur avec une surface principale 202. Le transistor 220 comprend une région de source 224 et une région de drain 226 formées à la surface principale 202 du substrat 200. Le transistor 220 comprend également une grille de commande 222 placée entre la région de source 224 et la région de drain 226 et séparée du substrat 200 par un diélectrique de commande mince 223. La grille de commande 222 est du polysilicium, et le diélectrique de commande mince 223 peut être du dioxyde de silicium. Les condensateurs modernes sont capables d'obtenir les valeurs de capacité de DRAM nécessaires lorsqu'ils sont créés dans la couche métallique. Il en résulte que le condensateur magnétique 240 peut être formé au-dessus du transistor 220. Cependant, le condensateur magnétique 240 n'a pas besoin d'être créé directement au-dessus du transistor 220. Lorsque le condensateur magnétique 240 est créé dans la couche métallique, la surface globale de la cellule de DRAM peut être réduite de façon significative. On notera que le condensateur 240 est construit sur de multiples couches avec une première couche d'électrode 241, une première couche diélectrique 242 formée sur la première couche d'électrode 241, une troisième couche d'électrode 243 formée sur la première couche diélectrique 242, une seconde couche diélectrique 244 formée sur la troisième couche d'électrode 243, et une cinquième couche d'électrode 245 formée sur la seconde couche diélectrique 244. Lorsque le condensateur ne fournit pas de capacité suffisante avec une couche unique de capacité, de multiples couches peuvent être placées pour fournir la capacité désirée. De plus, cette invention permet la mise à l'échelle à des dimensions plus petites en raison du fait que la dimension de condensateur par rapport à la dimension de transistor reste à peu près la même. Alors que la dimension du transistor vient à être plus petite, la quantité de courant qu'il peut traiter devient également plus petite. Autrement dit, lorsque la cellule de DRAM nécessite une plus grande quantité de capacité par rapport à la dimension du transistor. Le condensateur peut être construit avec de multiples couches pour fournir la capacité supplémentaire. Autrement dit, dans ce second mode de réalisation, la première couche d'électrode 241, la troisième couche d'électrode 243 et la cinquième couche d'électrode 245 sont placées pour fournir la capacité désirée pour le transistor 220. De plus, les connexions de câblage nécessaires pour la cellule de DRAM peuvent être placées dans une surface de routage 280, située entre le transistor 220 et le condensateur magnétique 240, pour parvenir à une plus grande intensité. Enfin, les valeurs de capacité de condensateurs modernes ont augmenté de façon spectaculaire, avec des constantes diélectriques au-delà de 3.000, des diélectriques plus minces et une rugosité de surface. Ceci permet au condensateur magnétique 240 de prendre moins d'espace que le transistor 220. On notera que même si la longueur de grille du transistor 220 est très petite, le condensateur magnétique 240 a la surface pour le transistor entier 220, comprenant les contacts 229 et 230, la grille de commande 222 et une surface de diffusion 221. La différence entre le premier et le second mode de réalisation est que le condensateur dans le second mode de réalisation comporte de multiples couches pour fournir la capacité désirée lorsque l'invention vient à de plus petites dimensions ou qu'une simple couche ne fournit pas la capacité suffisante. À partir de la description ci-dessus, nous pouvons conclure que cette invention d'une cellule de DRAM de petite dimension satisfait le besoin d'augmenter la densité des cellules de DRAM, abaissant ainsi le coût de fabrication. La cellule de DRAM de petite dimension est obtenue par création du condensateur magnétique dans la couche métallique et a la capacité d'augmenter la fréquence de circuits intégrés de DRAM et de réduire la puissance consommée par les circuits intégrés de DRAM. En raison du fait que la fréquence est améliorée, cette cellule de mémoire peut être utilisée pour remplacer une mémoire vive statique (SRAM). De plus, le condensateur magnétique a une fuite faible à nulle, d'où il résulte que la fréquence de rafraîchissement de DRAM peut être réduite ou éliminée. Lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée, les éléments de circuit de rafraîchissement peuvent être retirés, et la cellule de DRAM devient non volatile. Par conséquent, cette invention peut remplacer d'autres formes électroniques standards de mémoire. De plus, le condensateur magnétique est fortement insensible aux rayonnements dans des environnements avec des niveaux élevés de rayonnement. Il apparaîtra à l'évidence à l'homme du métier que diverses modifications et variantes peuvent être apportées à la structure de la présente invention sans s'écarter de la portée ou de l'esprit de cette invention. Compte tenu de ce qui précède, on pense que la présente invention couvre des modifications et des variantes de cette invention, à condition qu'elles tombent dans le domaine de définition des revendications annexées et de leurs équivalents. 25 REVENDICATIONS 1 - Cellule de DRAM, caractérisée par le fait 5 qu'elle comprend : un substrat (100) ayant un matériau semi-conducteur avec une surface principale (102) ; - un transistor (120) formé sur la surface principale (102) ; et 10 un condensateur magnétique (140) formé dans une couche métallique située au-dessus du transistor (120). 2 - Cellule de DRAM selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le transistor (120) comprend : une région de source (124) ; 15 une région de drain (126) ; et une grille de commande (122) placée entre la région de source (124) et la région de drain (126) et séparée du substrat (100) par un diélectrique de commande mince (123). 20 3 - Cellule de DRAM de la revendication 1, caractérisée par le fait que le condensateur magnétique (140) comprend : une première couche d'électrode (142) ; une couche diélectrique (144) formée sur la surface de 25 la première couche d'électrode (142) ; et une seconde couche d'électrode (146) formée sur la surface de la couche diélectrique (144). 4 - Cellule de DRAM selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre une 30 surface de routage (180) entre le transistor (120) et le condensateur magnétique (140) pour les connexions de câblage de la cellule de DRAM. 5 - Cellule de DRAM selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le condensateur magnétique (140) a une fuite faible à nulle, d'où il résulte que la fréquence de rafraîchissement de la DRAM est réduite ou éliminée. 6 - Cellule de DRAM selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la cellule de DRAM est non volatile lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. 7 - Cellule de DRAM selon la revendication 5, caractérisée par le fait qu'un circuit de rafraîchissement est éliminé lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. 8 - Cellule de DRAM selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le condensateur magnétique (140) a une capacité de valeur élevée pour supporter des niveaux élevés de rayonnement provenant des environnements. 9 - Cellule de DRAM, caractérisée par le fait qu'elle comprend : un substrat (200) ayant un matériau semi-conducteur avec une surface principale (202) un transistor (220) formé sur la surface principale (202) ; et un condensateur magnétique (240) formé dans une pluralité de couches situées au-dessus du transistor (220) ; dans lequel la pluralité de couches fournissent la capacité désirée lorsque la cellule de DRAM nécessite davantage de capacité. 10 - Cellule de DRAM selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le transistor (220) comprend : une région de source (224) ; une région de drain (226) ; etune grille de commande (222) placée entre la région de source (224) et la région de drain (226) et séparée du substrat (200) par un diélectrique de commande mince (223). 11 - Cellule de DRAM selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le condensateur magnétique (240) comprend : - une pluralité de couches d'électrode (241, 243, 245) ; et - une pluralité de couches diélectriques (242, 244) ; dans laquelle la pluralité de couches diélectriques (242, 244) sont formées entre la pluralité de couches d'électrode (241, 243, 245). 12 - Cellule de DRAM selon la revendication 9, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre une surface de routage (280) entre le transistor (220) et le condensateur magnétique (240) pour les connexions de câblage de la cellule de DRAM. 13 - Cellule de DRAM selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le condensateur magnétique (240) a une fuite faible à nulle, d'où il résulte que la fréquence de rafraîchissement de DRAM est réduite ou éliminée. 14 - Cellule de DRAM selon la revendication 13, caractérisée par le fait que la cellule de DRAM est non volatile lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. 15 - Cellule de DRAM selon la revendication 13, caractérisée par le fait qu'un circuit de rafraîchissement est éliminé lorsque la fréquence de rafraîchissement de DRAM est éliminée. 16 - Cellule de DRAM selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le condensateur magnétique(240) a une capacité de valeur élevée pour supporter des niveaux élevés de rayonnement provenant des environnements.