МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЕМОГО СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ФЕРРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПАМЯТИ
METHODS FOR NONDESTRUCTIVE INFORMATION READING FROM FERROELECTRIC MEMORY ELEMENTS

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в запоминающих устройствах компьютеров различного назначения, в создании видеоаудиоаппаратуры нового поколения, в разработке систем ассоциативных запоминающих устройств, создании банков данных с прямым доступом.
В современных компьютерах используются запоминающие устройства различного назначения с отличающимися характеристиками по скорости записи, времени хранения, времени доступа и считывания информации. Это существенно усложняет работу вычислительных систем, увеличивает время подготовки компьютеров к работе, усложняет проблему сохранения информации и т.д.
Одной из приоритетных задач, стоящих в области микроэлектроники, является создание универсального запоминающего устройства, обладающего высокой скоростью записи и считывания информации наряду с большим временем хранения и высокой информационной плотностью.
Вместе с тем, потенциальные возможности физических принципов, заложенных в основу работы электронных устройств полупроводниковой микроэлектроники, практически исчерпаны. В настоящее время идет интенсивный поиск новых принципов функционирования элементов памяти. Наибольший интерес представляют так называемые наследуемые технологии, которые базируются на известных технологиях и являются усовершенствованием существующих разработок, не требующих значительных видоизменений в технологическом процессе.
Ферроэлектрический элемент памяти (Ferroelectric RAM - FeRAM) является наиболее рациональным кандидатом для развития энергонезависимых технологий памяти. Для реализации механизма хранения данных в FeRAM элементах памяти используется ферроэлектрический (сегнетоэлектрический) эффект, который характеризуется способностью ферроэлектрического материала сохранять электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля теоретически бесконечно долго. Это обусловлено дипольным взаимодействием между элементарными дипольными моментами, приводящим к ферроэлектрическому упорядочению диполей и возникновению спонтанной поляризации и, соответственно, аккумулированию зарядов на поверхности ферроэлектрического материала. Имеется определенная аналогия с ферромагнитным эффектом, который, как известно, широко используется в создании устройств памяти.
Элемент памяти FeRAM создается размещением тонкой пленки ферроэлектрического (сегнетоэлектрического) материала между двумя плоскими металлическими электродами. Конструктивно последний очень похож на конденсатор, используемый при построении ячейки DRAM, однако вместо того, чтобы хранить данные как заряд в конденсаторе, подобно DRAM, ферроэлектрическая ячейка памяти хранит данные внутри кристаллической структуры. Ферроэлектрические кристаллы сохраняют два стабильных состояния поляризации - «1» и «0». Поскольку в ячейке FeRAM отсутствует эффект утечки заряда, приводящий к потере информации, нет необходимости в периодической регенерации данных, как в DRAM. Более того, при отключении напряжения питания данные сохраняются.
Элементам памяти FeRAM изначально приписывали простоту, скорость и надежность в эксплуатации, свойственную DRAM, а также энергонезависимость и время хранения информации, присущее флэш-памяти. К несомненным достоинствам FeRAM относят также стойкость к радиации и другим проникающим излучениям, которая является ахиллесовой пятой флэш-памяти.
Элементы памяти FeRAM, являясь в технологическом плане потомком современных типов памяти, вобрали наилучшие их черты - энергонезависимость и высокую скорость работы. Ферроэлектрические элементы памяти можно считать реальным претендентом на роль базовой технологии для создания постоянных запоминающих устройств нового поколения. И хотя большая часть проблем, присущих данному типу памяти, уже преодолена (например, проблема старения материала), некоторые вопросы использования данной технологии все-таки остаются открытыми.
Имеется огромное количество всевозможнейших ферроэлектрических ячеек памяти, комбинирующих основных элементы, из которых строится ячейка памяти - транзистор с плавающим затвором из ферроэлектрического материала и конденсатор на основе ферроэлектрического материала. Из этих комбинаций можно вывести 4 основных типа, которые являются базовыми, все остальные типы ячеек FeRAM являются лишь их комбинациями. Это однотранзисторная ячейка 1T FeRAM, состоящая из транзистора с затвором из ферроэлектрического материала; одноконденсаторная ячейка 1С FeRAM. Наиболее распространенным типом является транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С FeRAM. Этот тип FeRAM наиболее близок по структуре к памяти на ферромагнитных сердечниках. Положительной важнейшей характеристикой одноконденсаторной ячейки 1С FeRAM являются: очень малый размер элемента, соответственно, более высокая информационная емкость на единицу поверхности микросхемы.
К основным характеристикам элементов памяти относятся: информационная плотность, которая выражается в величине площади единичного элемента измеряемого в единицах минимально допустимого литографическим процессом размера (F); количество циклов запись-считывание; время хранения.
2
2
Все типы ячеек памяти можно разделить на два основных типа: считывание информации с элемента памяти сопровождается разрушением имеющейся информации и нуждается в последующей перезаписи информации, аналогично тому, как это делается в элементах динамической памяти DRAM. К этому типу элементов памяти относятся: одноконденсаторная ячейка 1С FeRAM, транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С FeRAM и двойная ячейка 2Т-2С FeRAM. Основным преимуществом этих элементов памяти является практически неограниченное время хранения информации. К недостаткам относятся: ограниченное количество циклов записи-стирания информации, а также длинное время обращения к элементу памяти, что обусловлено методом считывания, а также размеры элемента памяти, исключая размеры одноконденсаторной ячейки 1С FeRAM, площадь которой составляет 4F. Этот тип FeRAM наиболее близок по структуре к памяти на ферромагнитных сердечниках. Площадь элемента памяти на основе транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С FeRAM составляет около 20-30 F, т.е. по этому параметру существенно уступает одноконденсаторной 1С и однотранзисторной 1Т ячейкам ферроэлектрической памяти.
2
Имеются элементы ферроэлектрической памяти, в которых реализован неразрушаемый метод считывания информации. Таким элементом является однотранзисторная ячейка 1T FeRAM. Этот тип элемента памяти характеризуется малыми размерами (5F). Однако этот тип памяти не обладает долгим временем хранения информации. Эта структура ячейки использовалась в одной из первых работающих моделей FeRAM, созданных еще в 1957 году (Патент US 2791758, U.S. С1. 340-173, 1957), (Патент US3832700, МПК G11c 11/22, G11c 11/40, 1974).
Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является ячейка памяти, описанная в Патенте US3832700. Однако показатели ячейки не отвечали требованиям, предъявляемым к энергонезависимой памяти - в ячейке слишком быстро происходила компенсация заряда и она переходила в неконтролируемое состояние.
2
2
2
Другой не менее важной характеристикой для успешной работы элемента памяти является величина поляризации, необходимая для ее функционирования. Если для нормальной работы транзисторно-конденсаторной ячейки 1Т-1С FeRAM требуется величина поляризации более 20 µС/cm, то для однотранзисторной ячейки 1T FeRAM достаточно иметь величину поляризации менее 0.2 µС/cm, т.е. для функционирования данного типа памяти требуется в сотни раз меньшая величина поляризации («Физика тонкопленочных ферроэлектрических окислов», Rev. Mod. Phys. V.77, p.1083, 2005 г.). Следует также отметить, что для нормальной работы транзисторно-конденсаторной ячейки 1Т-1С FeRAM, так же как и одноконденсаторной ячейки 1С FeRAM требуется абсолютная конечная величина заряда на электродах ферроэлектрической ячейки памяти, которая уменьшается с уменьшением минимально допустимых литографических размеров (F). Это требует поиска ферроэлектрических материалов с все большей величиной электрической поляризации. Однако известно, что с увеличением величины поляризации возрастают и проблемы с увеличением количества циклов записи-чтения. В месте с тем, для работы однотранзисторной ячейки 1T FeRAM важно иметь удельную поверхностную плотность величины электрической поляризации, которая сама по себе достаточно мала (менее 0.2 µС/cm). Это обстоятельство, несомненно, является важным фактором при уменьшении проектных норм литографического процесса, а также при подборе ферроэлектрических материалов, совместимых с полупроводниковой технологией.
2
2
Резюмируя, можно сказать, что имеется два типа ферроэлектрической памяти с потенциально высокой информационной плотностью, представляющие большой потенциальный интерес, но требующие дальнейшего совершенствования. Это одноконденсаторный элемент памяти 1С FeRAM, площадь которой составляет 4F, и однотранзисторный элемент памяти (1T FeRAM) с площадью около 5F. Каждая из них имеет свои недостатки и преимущества.
Так однотранзисторный элемент памяти (1T FeRAM) является наиболее перспективным из класса ферроэлектрических элементов памяти, который характеризуется малым размером, высокой скоростью доступа к ячейкам. Кроме того, данный тип памяти характеризуется неразрушаемым методом считывания информации, малой величиной электронной поляризации, что предопределяет практически неограниченное количество циклов записи-чтения. Все это создает предпосылки создания идеальной микросхемы памяти на основе данного элемента памяти. Однако имеется несколько существенных и практически неустранимых проблем при создании идеальной микросхемы памяти на основе однотранзисторного ферроэлектрического элемента памяти (1T FeRAM).
Основными проблемами являются:
1. Долговременность хранения данных
Как правило, время хранения для данного типа памяти составляет несколько часов или дней. Имеются публикации, в которых сообщается о времени хранения несколько недель. Достижение времени хранения даже в месяц требует сложной и плохо воспроизводимой и контролируемой технологии получения ферроэлектрического слоя с очень низкой удельной проводимостью. Но в любом случае данный тип памяти не удовлетворяет первому требованию, предъявляемому к энергонезависимой памяти, а именно время хранения должно составлять около десяти лет. Столь короткое время хранения информации обусловлено потерей заряда на поверхности ферроэлектрического слоя, вызванного эффектом деполяризации и утечкой заряда. Последнее обстоятельство обусловлено заметной проводимостью ферроэлектрического слоя. Получение ферроэлектрического материала с проводимостью на уровне диэлектрических слоев во флэш-памяти представляет собой практически неразрешимую задачу.
2. Высокие напряжения программирования
Это обусловлено сильным различием диэлектрической проницаемости ферроэлектрического слоя и буферных диэлектрических слоев. Эта проблема является практически трудноразрешимой задачей.
Исследования по совершенствованию элемента памяти, основанного на однотранзисторной ячейке 1T FeRAM, проводятся давно, однако проблемы остаются нерешенными и требуют использования принципиально нового неразрушаемого и быстрого метода считывания информации.
В то же время большой интерес представляет собой одноконденсаторной элемент памяти 1С FeRAM, на основе которой могут создаваться простые массивы памяти по достаточно простой технологии. Такого типа устройства памяти могут иметь свою специфическую, но широкую область применения. Однако, как отмечалось выше, этот тип элемента ферроэлектрической памяти характеризуется рядом недостатков:
1. Метод считывания сопровождается разрушением записанной ранее информации, что увеличивает время обращения к элементу памяти и уменьшает количество циклов записи-считывания. Необходима разработка неразрушаемого метода считывания информации.
2. Требуется высокая абсолютная величина электронной поляризации.
В основу изобретения поставлена задача создания принципиально новых методов неразрушаемого считывания информации в ферроэлектрических элементах памяти, которые характеризовались бы высокой информационной плотностью, быстрым временем считывания и низкими напряжениями программирования, но при этом позволяли бы совместить технологию их изготовления с технологией производства современных полупроводниковых устройств.
Как известно, основные причины потери заряда на ферроэлектрическом затворе транзистора в однотранзисторной ячейке 1T FeRAM связаны с эффектом деполяризации и утечкой заряда, обусловленного конечной проводимостью ферроэлектрического материала («Скрытие ферроэлектрической поляризации деполяризующим полем», Appl. Phys. Lett., v.71, N.14, p.2041, 1997 г.). При этом следует отметить, что записанная информация в виде величины и направления поляризации ферроэлектрического материала, из которого изготовлен ферроэлектрический затвор транзистора, сохраняется. Однако используемый принцип считывания информации не позволяет его извлечь.
Вместе с тем ферроэлектрические материалы обладают рядом интересных и полезных физических свойств, такими как пироэлектричество и пьезоэлектричество. Эти свойства широко используются в различных методах визуализации изображения, но которые до сих пор не использованы при создании элементов памяти, в частности в элементах памяти на базе однотранзисторной ячейки 1Т FeRAM.
Ряд материалов, в том числе ферроэлектрические материалы, обладает уникальной способностью генерировать электрические заряды на их поверхности при нагревании или охлаждении. Это свойство широко используется при бесконтактном методе измерения температуры, а также при создании тепловизиров различного назначения.
Применительно к созданию элементов памяти на основе ферроэлектрических материалов следует обратить внимание на то, что знак и величина генерируемого на поверхности заряда определяется направлением и величиной поляризации, а также интенсивностью нагрева или охлаждения. Таким образом, произведя импульсный нагрев ферроэлектрического затвора в однотранзисторной ячейке 1T FeRAM, можно сгенерировать заряды на его поверхности, что приведет в свою очередь к изменению величины тока, протекаемого через транзистор. Таким образом, можно произвести неразрушаемое считывание состояния электрической поляризации ферроэлектрического затвора, получить данные о величине и направлении поляризации, т.е. получить сведения о ранее записанной информации. Известны элементы памяти, использующие импульсный нагрев материалов, из которых изготовлена ячейка памяти («Явление обратимого электрического переключения в разупорядоченных структурах», Phys. Rev. Lett, V.21, N.20, p.1450, 1968 г.). В этих случаях импульсный нагрев до 600-700°С сопровождается фазовым переходом кристаллическое - аморфное состояния, которые отличаются их удельным сопротивлением. В нашем случае импульсный нагрев не превышает 50-100°С и может составлять лишь несколько десятков градусов.
Не менее эффективным, а может даже более перспективным, несмотря на усложнение структуры элемента памяти, является использование пьезоэлектрических свойств ферроэлектрических материалов. Известно, что пьезоэлектрики, в частности, выполненные из ферроэлектрических материалов, обладают уникальной способностью генерировать электрические заряды на их поверхности в результате воздействия на них давления, которое может быть как импульсным, так и статическим. Этот эффект называется прямыми пьезоэффектом.
Наряду с этим имеется обратный пьезоэффект, при котором электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрику, вызывает его упругую деформацию. В случае использования ферроэлектрических материалов в качестве пьезоэлектрика характер и величина упругой деформации зависит от величины и направления электрической поляризации ферроэлектрика и естественно от величины и полярности приложенного электрического поля. Обратный пьезоэффект широко используется для генерации упругих механических деформаций, смещений и акустических волн. Как правило, один и тот же пьезоэлемент используется как для генерации, так и для регистрации механических деформаций, акустических волн.
Применительно к созданию элементов памяти на основе ферроэлектрических материалов следует обратить внимание на то, что знак заряда и величина генерируемого на поверхности ферроэлектрического материала заряда определяется направлением и величиной поляризации, а также интенсивностью и характером упругой механической деформации. В качестве источника упругой механической деформации можно использовать дополнительный пьезоэлемент, в частности, выполненный из ферроэлектрического материала.
Пьезоэлектрические материалы широко используются в акустических методах визуализации изображения. Различного типа эхолоты и сканеры широко используются в военном деле, медицине и т.д. Акустические эффекты также находят применение в микроэлектронике. Имеется целая область микроэлектроники - акустоэлектроника, в которой разрабатываются и используются устройства, использующие акустические эффекты. Однако пьезоэлектрические свойства ферроэлектрических материалов до сих пор не используются при создании элементов памяти, в частности в элементах памяти на базе однотранзисторной ячейки 1Т FeRAM.
Обмен информации по акустическому каналу между ферроэлектрическим элементом памяти и считывающим транзистором с ферроэлектрическим затвором позволяет создать быстрый и неразрушаемый метод считывания информации. Этот метод позволяет также создавать многослойные структуры ферроэлектрической памяти с высокой информационной емкостью, в которых имеется общий считывающий элемент, выполненный на основе транзистора с плавающим затвором, изготовленным из пьезоэлектрика, в частности, на основе ферроэлектрического материала.
Указанные физические эффекты (пироэлектричество и пьезоэлектричество) делают возможным неразрушаемое считывание информации и открывают новые перспективы конструирования запоминающих устройств, основанных на ферроэлектрическом механизме хранения и преобразования информации, а также в подборе соответствующих материалов. Использование пьезоэлектрических и пироэлектрических эффектов придаст «второе дыхание» созданию энергонезависимой памяти, технологически совместимой с современной полупроводниковой технологией.
Известны два основных метода считывания информации с ферроэлектрической ячейки памяти: разрушаемый и неразрушаемый метод. Суть первого заключается в регистрации тока переполяризации, вызванного приложением электрического поля к ячейке памяти, превышающего по величине порог переключения поляризации. Такой метод считывания вызывает потерю ранее записанной информации и требует последующей ее перезаписи. Недостатки такого метода очевидны. Это удлинение времени считывания и уменьшение циклов чтения и записи. Другой неразрушаемый метод считывания, который рассматривался выше, заключается в том, что электрической поле поляризации ферроэлектрической ячейки памяти, выполненной в виде плавающего затвора полевого транзистора и расположенного в максимальной близости к проводящему каналу полевого транзистора, определяет ток, протекаемый по проводящему каналу, по величине которого можно судить о направлении электрической поляризации ферроэлектрического материала ячейки памяти, а значит, и о характере записанной информации. Недостаток данного метода известен - это короткое время хранения информации, обусловленное эффектами деполяризации и проводимостью ферроэлектрического материала ячейки памяти, и вызванная этим утечка заряда.
Суть прелагаемого способа неразрушаемого считывания информации с ферроэлектрической ячейки памяти основывается на том, что в процессе деполяризации и утечки заряда информация, записанная в ферроэлектрическом материале ячейки памяти, не теряется, а необходимо лишь использовать другой метод физического воздействия для ее извлечения. Поскольку все ферроэлектрики являются одновременно и пьезоэлектриками, то, как отмечалось выше, весьма эффективно использовать прямой и обратный пьезоэффекты для неразрушаемого извлечения, считывания информации с ферроэлектрической ячейки памяти.
Заявляемый способ неразрушаемого считывания информации заключается в том, что подача считывающего электрического напряжения на электроды ферроэлектрической ячейки памяти вызывает волну упругой деформации ферроэлектрического материала. В зависимости от направления поляризации и полярности приложенного напряжения возникает волна сжатия или расширения. Данная упругая волна деформации распространяется со скоростью звука и вызывает появление заряда на поверхности дополнительного пьезоэлектрика, при этом знак заряда определяется характером упругой деформации. Например, если плавающий затвор и/или проводящий канал полевого транзистора выполнен из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, то индуцированный на поверхности плавающего затвора и/или проводящего канала заряд позволяет определить величину протекаемого по каналу транзистора тока. По величине тока можно определить, какой характер имеет волна упругой деформации и, соответственно, каким образом была поляризована, т.е. запрограммирована, ячейка памяти, которая является и источником упругой деформации.
При этом могут иметь место два режима считывания. В зависимости от знака поляризации ферроэлектрической ячейки памяти, а значит, и знака индуцированного заряда, полевой транзистор либо открывается, либо закрывается, в зависимости от того, в каком состоянии он находился перед этим, т.е. от потенциала, приложенного к проводящему затвору транзистора. Использование того или иного режима считывания определяется выбором оптимального протокола обмена информацией с периферийной частью микросхемы памяти.
Таким образом, информационная связь между ячейкой памяти и считывающим транзистором или структурой, включающей материал с пьезоэлектрическими свойствами, устанавливается по акустическому каналу. Этот метод позволяет пространственно разнести ячейку памяти и считывающий полевой транзистор на большое расстояние, что позволяет создать трехмерный массив ячеек памяти (зону хранения) с общим считывающим транзистором. Использование в качестве считывающего элемента полевого транзистора, плавающий затвор и/или проводящий канал которого изготовлен из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, позволяет многократно (более чем в сто раз) увеличить чувствительность к упругим деформациям, по сравнению с датчиком упругих деформаций, выполненным в виде простого конденсатора. Это позволяет расширить круг потенциально пригодных для изготовления ячеек памяти ферроэлектрических материалов, в частности, имеющих меньшую величину остаточной электрической поляризации, но обладающих другими положительными характеристиками, коротким временем программирования и большим количеством циклов перезаписи.
Предложенный способ обмена информацией по акустическому каналу между ферроэлектрическим элементом памяти и считывающей структурой, включающей материал с пьезоэлектрическими свойствами, позволяет создать быстрый метод обмена информацией не только между ячейкой памяти и, например, считывающим транзистором, но может быть основой метода для обмена информацией в многослойных схемах микропроцессоров и/или между массивом памяти и микропроцессором, что является техническим результатом предлагаемого изобретения.
Другие решенные задачи и достоинства настоящего изобретения будут выявлены ниже при кратком описании фигур чертежей, в вариантах осуществления изобретения.
Задача создания ферроэлектрического элемента памяти с неразрушаемым методом считывания информации, выполненного на основе полевого транзистора, с использованием пьезоэлектрического эффекта, решена тем, что к известной структуре ячейки 1T FeRAM памяти, содержащей полевой транзистор, состоящий из истока (4), стока (5), проводящего канала (6), и имеющего электродный затвор (2) и плавающий затвор (1), добавлен пьезоэлемент (1а), являющийся ячейкой памяти. Плавающий затвор (1) выполнен на основе пьезоэлектрического материала и отделен от материала проводящего (6) канала транзистора тонким буферным диэлектрическим слоем (3) (Фиг.1), или одновременно тонкими буферными металлическим (3а) и диэлектрическим слоями (3) (Фиг.1а). Ячейка памяти имеет трехслойную структуру, состоящую из двух электродов (2а) и (2б), между которыми расположен пьезоэлектрик, который выполнен из ферроэлектрического материала и расположен поверх плавающего затвора (1) транзистора (Фиг.1, 1а).
Указанное выполнение элемента памяти позволяет неразрушаемым способом считывать информацию, записанную в ячейку памяти. Структура элемента памяти, изображенного на Фиг.1, 1а, позволяет сохранять информацию либо в виде величины и направления электрической поляризации в ферроэлектрическом плавающем затворе (1), как это принято в однотранзисторной ячейке 1T FeRAM или ферроэлектрическом слое (1а), из которого изготовлен пьезоэлемент, который является ячейкой памяти по предлагаемому изобретению. Последний случай является более предпочтительным, так как существенно понижает величину напряжения программирования. В этом случае полевой транзистор с пьезоэлектрическим плавающим затвором (1) является датчиком упругих деформаций или акустических волн, генерируемых ячейкой памяти (1а) при приложении к ней считывающего потенциала. Таким образом, ячейка памяти (1а) является зоной хранения информации, в то время как полевой транзистор с плавающим затвором (1) является зоной считывания. Целесообразно с технологической точки зрения совместить функции электродного затвора транзистора (2) с нижним электродом ячейки памяти (2а) (Фиг.2), (Фиг.2а).
Поставленная задача решается также с помощью ферроэлектрического элемента памяти с неразрушаемым способом считывания информации, включающего полевой транзистор, содержащий области стока и истока, отделенные друг от друга проводящим каналом, выполненным из полупроводникового материала с пьезоэлектрическими свойствами, и электродный затвор, отделенный от проводящего канала диэлектрическим слоем. Ферроэлектрический элемент памяти дополнительно содержит по крайней мере один пьезоэлемент, который выполнен из пьезоэлектрика, являющегося ферроэлектрическим материалом, расположенного между двух электродов, который является ячейкой памяти с образованием зоны хранения информации, полевой транзистор является датчиком упругих деформаций, генерируемых ячейкой памяти при приложении к ячейке считывающего потенциала, и образует зону считывания информации.
Весьма эффективно и целесообразно изготовить элемент памяти, содержащий полевой транзистор, канал (8) которого выполнен на основе полупроводника, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, в частности, на основе A1N, AsGa и т.д. Канал также может быть выполнен на основе любого ферроэлектрического полупроводника. Такие полупроводники обладают высокой чувствительностью к упругим деформациям и одновременно характеризуются высокой подвижностью носителей заряда. В этом случае нет необходимости использовать дополнительный ферроэлектрический слой при изготовлении плавающего затвора транзистора (Фиг.3, 3а). Таким образом, сам канал полевого транзистора является датчиком упругих деформаций или акустических волн, генерируемых ячейкой памяти (1а) при приложении к ней считывающего потенциала, и в котором генерируются заряды, соответствующие информации, записанной в ячейке памяти. Также очень эффективно изготовить считывающий полевой транзистор с каналом на основе гетероструктур, (9, 10) изготовленных, в частности, на основе A1N, AsGa (Фиг.4, 4а). Такие гетероструктуры (9, 10) обладают более высокой чувствительностью к упругим деформациям и характеризуются высокой подвижностью носителей заряда. Это заметно упрощает технологию изготовления элемента памяти и заметно повышает скорость считывания информации.
Весьма эффективно создать массив элементов памяти, выполнив зону хранения информации в виде многослойной структуры (Фиг.5), состоящей из 2-4 или более слоев ферроэлектрических ячеек памяти (1а). Зона хранения информации выполнена в виде многослойной структуры, слои которой разделены диэлектрическими слоями друг от друга (Фиг.5) или каждый верхний электрод ячейки памяти выполнен совмещенным с нижним электродом ячейки памяти следующего слоя (Фиг.5а). Это существенно повышает информационную плотность элемента памяти без существенного усложнения его структуры, так как волны упругой деформации (акустические волны) распространяются в твердых телах с малыми потерями и на большие расстояния. В то же время высокочувствительная однотранзисторная ячейка с пьезоэлектрическим плавающим затвором (1) позволяет быстро регистрировать волны упругой деформации, вызванные приложением считывающих потенциалов к ферроэлектрической ячейке памяти (1а). Таким образом, электрически бесконтактным методом, используя лишь акустический канал связи, зона считывания производит сбор информации с зоны хранения информации.
Весьма эффективно создать одномерный массив элементов памяти, используя в качестве зоны считывания однотранзисторную ячейку, имеющую удлиненный проводящий канал (6а) с 2-4 или более изолированными пьезоэлектрическими плавающими затворами (1) (Фиг.6, 6а) и, соответственно, с двумя и более ячейками памяти (1а), расположенными над ними и разделенными друг от друга изолирующим диэлектриком (7) (Фиг.7), или каждый верхний электрод ячейки памяти выполнен совмещенным с нижним электродом ячейки памяти следующего слоя (Фиг.7а).
Перспективно выполнить одномерный массив элементов памяти, используя в качестве зоны считывания однотранзисторную ячейку, имеющую удлиненный проводящий канал (6а) с одним удлиненным пьезоэлектрическим плавающим затвором (1в) (Фиг.8) и, соответственно, с 2-4 или более ферроэлектрическими ячейками памяти, расположенными над ним и разделенными друг от друга изолирующим диэлектриком (7). В этом случае также целесообразно и возможно использование многослойной структуры зоны хранения информации, выполненной аналогично показанной на Фиг.7.
Технологически выгодно изготовить одномерный массив элементов памяти, используя в качестве зоны считывания однотранзисторную ячейку, имеющую удлиненный проводящий канал (6а) с одним удлиненным пьезоэлектрическим плавающим затвором (1в) и, соответственно, с 2-4 или более ферроэлектрическими ячейками памяти, расположенными над ним, не разделенными друг от друга изолирующим диэлектриком (Фиг.9). В этом случае также возможно использование многослойной структуры зоны хранения информации. Это решение может быть более предпочтительным за счет более плотного расположения элементов памяти и упрощения технологии их изготовления без потери надежности работы массива памяти.
Весьма эффективно изготовить элемент ферроэлектрической памяти с неразрушаемым методом считывания информации и с индуцированием заряда в ячейке памяти посредством упругих деформаций, но без использования считывающего транзистора, т.е. использовать в качестве основы одноконденсаторный элемент памяти 1С FeRAM. Такой элемент памяти состоит, по крайней мере, из двух пьезоэлементов, разделенных друг от друга диэлектрическим слоем (3) и нанесенных на диэлектрическую подложку (11) (Фиг.10). Каждый пьезоэлемент имеет трехслойную структуру, состоящую из двух электродов (2а и 2б), между которыми расположен пьезоэлектрик. По крайней мере, один из пьезоэлементов должен быть выполнен из ферроэлектрического материала и является ячейкой памяти. В этом случае пьезоэлемент (1) является источником считывающих импульсов упругих деформаций, которые генерируют заряды на ферроэлектрической ячейки памяти (1а). Сгенерированные заряды создают соответствующие импульсы напряжения на электродах (2а) и (2б), полярность и величина которых зависят от величины и направления поляризации ферроэлектрической ячейки памяти, т.е. от ранее записанной информации. Данные импульсы напряжения могут более эффективно фиксироваться внешним усилителем, работа которого может быть оптимизирована к регистрации индуцированного заряда в отсутствие внешнего переключаемого электрического поля, которое обычно используется для генерации заряда в одноконденсаторном элементе памяти 1С.
Для увеличения величины генерируемого заряда в одноконденсаторном элементе памяти 1С весьма эффективно изготовить элемент ферроэлектрической памяти в виде многослойного структуры, состоящей из двух пьезоэлементов (1) и одной ферроэлектрической ячейки памяти (1а), расположенной между ними (Фиг.11). Это позволить вдвое увеличить амплитуду упругих деформаций посредством синхронно работающих двух пьезоэлементов и, соответственно, вдвое увеличить величину генерируемого заряда на ячейке памяти. Очень эффективно использовать чередующую компоновку пьезоэлементов в ячейке памяти для создания многослойной структуры элементов памяти (как показано на Фиг.11) с добавлением необходимого количества пьезоэлементов и построение соответствующего массива элементов памяти на их основе.
Предпочтительно выполнить источник упругих деформаций в виде многослойного пьезоэлемента со структурой, состоящей из двух разветвленных электродов (2в) и (2г) и расположенного между ними пьезоэлектрика (1) (Фиг.12). Это позволить в 2-4 и более раз увеличить амплитуду считывающих упругих деформаций без увеличения приложенного к электродам (2в) и (2г) напряжения и, соответственно, увеличить амплитуду генерируемого на ячейке памяти (1а) импульса напряжения. Это в свою очередь позволит создать многослойную структуру зоны хранения информации. Технологически выгодно изготовить одномерный массив элементов памяти, используя в качестве источника считывающих упругих деформаций удлиненный пьезоэлемент со структурой, состоящей из двух разветвленных электродов (2в) и (2г) и расположенного между ними пьезоэлектрика (1), аналогично показанному на Фиг.8, Фиг.9. Соответственно, элемент памяти включает 2-4 или более ферроэлектрических ячеек памяти, расположенных над ним и разделенных друг от друга изолирующим диэлектриком.
Целесообразно выполнить ферроэлектрический элемент памяти с неразрушаемым методом считывания информации, изготовленный на основе однотранзисторной ячейки 1T FeRAM с использованием пироэлектрического эффекта. В известной структуре ячейка 1T FeRAM памяти содержит полевой транзистор, состоящий из истока (4), стока (5), проводящего канала (6) и имеющего двух- (Фиг.13) или трехслойную структуру плавающего затвора (Фиг.13а), и включает ферроэлектрический материал (1а) и электрод (12). Особенностью данного электрода (12) является то, что он выполнен из материала, имеющего заметное удельное сопротивление, и это позволяет импульсным током, протекающим через него, производить нагрев ферроэлектрического материала ячейки. Т.е. такой электрод одновременно является и нагревателем. В результате пироэлектрического эффекта, во время нагрева ферроэлектрического материала, на его поверхности генерируются заряды, знак и величина которых зависят от величины и направления поляризации ферроэлектрической ячейки памяти, т.е. от ранее записанной информации. Соответствующий заряд способствует либо закрытию, либо открытию транзистора. Таким образом, по величине тока, протекаемого через транзистор, можно судить о ранее записанной информации.
Также выгодно выполнить ферроэлектрический элемент памяти на основе одноконденсаторного элемента памяти 1С в виде простого конденсатора (Фиг.14), электроды (12а) и (12b) которого выполнены из специального материала, имеющего заметное удельное сопротивление, что позволяет импульсным током, протекающим по ним, производить быстрый нагрев ферроэлектрического материала ячейки. В результате пироэлектрического эффекта, во время эффективного нагрева ферроэлектрического материала, на его поверхности генерируются электрические заряды. Сгенерированные заряды создают соответствующие импульсы напряжения на электродах (12) и (12а), полярность и величина которых зависят от величины и направления поляризации ферроэлектрической ячейки памяти, т.е. от ранее записанной информации. Данные импульсы напряжения могут более эффективно фиксироваться внешним усилителем, работа которого может быть оптимизирована к регистрации индуцированного заряда в отсутствие внешнего переключаемого электрического поля, которое обычно используется для генерации заряда в одноконденсаторном элементе памяти 1С.
Знак и величина пироэлектрического напряжения зависят от величины и направления поляризации ферроэлектрической ячейки памяти, т.е. от ранее записанной информации. На основе ферроэлектрического элемента памяти, выполненного в виде простого конденсатора, можно изготовить как многослойный элемент памяти, состоящий 2-4 и более простых элементов памяти, а также трехмерный массив из простых элементов памяти, разделенных диэлектрическим материалом (7).
Целесообразно изготовлять микросхемы памяти на основе описанных выше элементов памяти, используя обычные схемы формирования массивов элементов памяти, используемых при производстве флэш-памяти, а именно NOR или NAND компоновки.
Краткое описание чертежей
На ФИГ.1 - ФИГ.14 приведены варианты выполнения заявляемых структур ферроэлектрических элементов памяти, на которых можно реализовать способ неразрушаемого считывания информации:
- ФИГ.1-2а - заявляемые ферроэлектрические элементы памяти, использующие пьезоэлектрический эффект и изготовленные на основе полевого транзистора;
- ФИГ.3-4а - заявляемые ферроэлектрические элементы памяти, использующие пьезоэлектрический эффект и изготовленные на основе полевого транзистора, выполненного на основе полупроводника, обладающего пьезоэлектрическими свойствами (ферроэлектрического полупроводника или гетероструктур, изготовленных, в частности, на основе AlN, AsGa);
- ФИГ.5, 5а - заявляемый массив элементов памяти, имеющий зону хранения информации, выполненную в виде многослойной структуры;
- ФИГ.6-9 - заявляемый элемент памяти и массив элементов памяти, выполненных на основе полевого транзистора, с удлиненным каналом;
- ФИГ.10 - заявляемый элемент памяти, состоящий из двух пьезоэлементов, разделенных друг от друга диэлектрическим слоем, по крайней мере, один из них сделан на основе ферроэлектрического материала, который является ячейкой памяти;
- ФИГ.11 - заявляемый элемент памяти, состоящий из трех пьезоэлементов, разделенных друг от друга диэлектрическим слоем, по крайней мере, один из них сделан на основе ферроэлектрического материала, который является ячейкой памяти;
- ФИГ.12 - заявляемый элемент памяти и массив элементов памяти, выполненных на основе источника упругих деформаций, изготовленный в виде многослойного пьезоэлемента со структурой, состоящей из двух разветвленных электродов и расположенного между ними пьезоэлектрика;
- ФИГ.13-13а - заявляемые ферроэлектрические элементы памяти, использующие пироэлектрический эффект и изготовленные на основе однотранзисторной ячейки 1T FeRAM, содержащей полевой транзистор;
ФИГ.14 - заявляемые ферроэлектрические элементы памяти, использующие пироэлектрический эффект и изготовленные на основе одноконденсаторной ячейки 1С FeRAM.
В нижеследующих примерах показан способ неразрушаемого считывания информации с ферроэлектрической ячейки памяти с использованием предлагаемых вариантов ферроэлектрических элементов памяти.
Пример 1
3
Заявляемая ячейка памяти (ФИГ.1) содержит полевой транзистор, изготовленный на основе кремния р-типа и состоящий из истока (4), стока (5) и проводящего канала (6). Плавающий затвор (1) изготовлен на основе твердого раствора цирконат-титанат свинца Pb(ZrTi)О (PZT) и является пьезоэлементом, который отделен от проводящего канала диэлектрическим слоем (3), выполненным из окиси кремния. Над пьезоэлементом расположена ячейка памяти (1а), изготовленная также на основе PZT и отделенная от пьезоэлемента диэлектрическим слоем (3), выполненным также из окиси кремния. Все электроды (2, 2а, 2б) выполнены из алюминия. При первичной инициализации работы элемента памяти осуществляется однократная подача поляризующего напряжения на верхний электрод (2) пьезоэлемента и на исток (4) транзистора. Полярность подаваемого напряжения определяется протоколом обмена информации между пьезоэлементом и ячейкой памяти и может быть выбрана произвольным образом. Для программирования ячейки памяти (1а) на электроды (2а и 2б) подается импульсное напряжение, превышающее порог программирования и соответствующей полярности, отвечающей состоянию ячейки («0») или («1»). Для считывания информации на электроды (2а и 2б) подается импульсное напряжение ниже порога программирования. Полярность считываемого напряжения определяется также протоколом обмена информации между пьезоэлементом и ячейкой памяти и может быть выбрана произвольным образом. При подаче считываемого напряжения на электроды (2а и 2б) ячейки памяти происходит упругая деформация ферроэлектрического материала ячейки памяти, который естественно обладает и пьезосвойствами. Характер упругой деформации определяется поляризацией ферроэлектрического материала ячейки памяти, которую ячейка приобрела в результате программирования. Это может быть или волна сжатия, или волна расширения. Данная упругая деформация вызывает возникновение заряда на поверхности пьезоэлемента, который одновременно является плавающим затвором транзистора. В свою очередь, полярность заряда, индуцированная на поверхности пьезоэлемента, обращенного к проводящему каналу (6) транзистора, позволяет определить величину протекаемого по каналу транзистора тока, по величине которого можно определить, каким образом была поляризована, т.е. запрограммирована, ячейка памяти.
Пример 2
На (ФИГ.6а) заявляемая ячейка памяти содержит также полевой транзистор, изготовленный на основе кремния р-типа и состоящий из истока (4), стока (5), но имеет удлиненный проводящий канал (6а). Данный тип элемента памяти имеет несколько плавающих затворов (1), также изготовленных на основе твердого раствора цирконат-титанат свинца Pb(ZrTi)О3 (PZT), и все они являются пьезоэлементами, которые отделены от проводящего канала диэлектрическим слоем (3), выполненным из окиси кремния. Над каждым пьезоэлементом расположены соответствующие ячейки памяти (1а), изготовленные также на основе PZT и отделенные от пьезоэлементов диэлектрическим слоем (3), выполненным также из окиси кремния. Все электроды (2, 2а, 2б) выполнены аналогичным образом из алюминия. Инициализация элемента памяти и программирование ячеек памяти происходит аналогичным образом, как это описано в примере 1. Считывание происходит следующим образом: на электродный затвор (2) подается напряжение, которое открывает транзистор и задает максимальный ток, протекаемый по проводящему каналу. Как и в случае примера 1, для считывания информации на электроды (2а и 2б) подается импульсное напряжение ниже порога программирования, что в конце концов вызывает индицирование заряда на определенном участке поверхности пьезоэлемента, обращенного к проводящему каналу (6а) транзистора. В данном варианте индуцированный заряд перекрывает протекание тока лишь на определенном участке проводящего канала (6а). Однако это приводит к резкому уменьшению тока, протекаемого через транзистор. По факту резкого уменьшения протекаемого через транзистор тока можно определить, каким образом была поляризована, т.е. запрограммирована, ячейка памяти.
Таким образом, заявляемую ячейку памяти можно считать принципиально новым типом устройств для хранения информации. Это позволит создать новое поколение микросхем энергонезависимой памяти с высокой информационной плотностью, многократным и быстрым временем обращения. Такого типа микросхемы памяти могут найти широкое применение в сотовых телефонах, цифровых фото- и видеокамерах, а также могут заменить жесткий диски в компьютерах. Ферроэлектрические элементы памяти данного типа, с малым энергопотреблением, могут найти также применение в создании радиочастотных идентификационных устройств и электронных книг, которые являются принципиально новым типом информационных устройств.