Beispielsweise aus der US 2002/0125523 Al ist eine ferro- elektrische Speicherzelle bekannt, welche aus einem Auswahl- transistor und einem ferroelektrischen Kondensator aufgebaut ist. Dielektrikum eines solchen ferroelektrischen Kondensa- tors ist dabei eine ferroelektrische Schicht. Zum Beschreiben einer solchen Speicherzelle wird an die ferroelektrische Schicht des ferroelektrischen Kondensators ein elektrisches Feld angelegt, welches größer ist als die Koerzitivfeldstärke der ferroelektrischen Schicht. Dadurch erfährt die ferro- elektrische Schicht eine remanente Polarisation. Je nach Richtung des angelegten elektrischen Feldes entspricht die dadurch entstehende remanente Polarisation dem Einschreiben bzw. Speichern einer Information"log. 0"oder dem einer In- formation"log. 1". Zum Auslesen einer so gespeicherten In- formation wird an die ferroelektrische Schicht ein elektri- sches Feld angelegt, welches größer ist als das Koerzitivfeld der ferroelektrischen Schicht. Der dabei auftretende tran- siente Strom wird aufintegriert. Das Ergebnis wird entspre- chend ausgewertet. Bei diesem Auslesen wird jedoch der Zu- stand der ferroelektrischen Schicht, d. h., der"Inhalt"der ferroelektrischen Speicherzelle, verändert. Deshalb nennt man diese Art von Auslesen auch"destruktives Auslesen" (vgl. da- zu auch J. F. Scott,"Ferroelectric Memories", Springer Ver- lag, Berlin Heidelberg New York, 2000, S. 34).

Folge eines destruktiven Auslesens ist, wie allgemein be- kannt, dass nach erfolgtem Auslesen die ursprünglich in der Speicherzelle gespeicherte Information zerstört ist und des- halb wieder in die Speicherzelle einzuschreiben ist. Dies ist jedoch von Nachteil, weil ein (erneutes) Einschreiben von In-

formation sowohl Zeit benötigt wie auch Energie. Beides sind jedoch bei integrierten Halbleiterspeichern kostbare Güter, mit denen so sparsam wie möglich umgegangen werden sollte.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, däss das ferroelektri- sche Material der Speicherzelle bei jedem Schreibvorgang gleichzeitig auch einem ferroelektrischen Ermüdungsvorgang unterliegt. Eine ferroelektrische Speicherzelle läßt sich aus diesem Grunde erfolgreich nur einer begrenzten Anzahl von Schreibvorgängen unterziehen (ca. 1012 bis 1015 mal). Wenn nun, wie dies bei herkömmlichen ferroelektrischen Speicher- zellen mit destruktivem Lesevorgang der Fall ist, einem sol- chen Lesevorgang ein Wiedereinschreibvorgang folgt, so hat dies zur Folge, dass die oben genannte fortschreitende ferro- elektrische Ermüdung nicht nur bei einem"echten"Einschrei- ben von Information in eine solche ferroelektrische Speicher- zelle auftritt, sondern auch bei einem solchen Wiede- reinschreibvorgang. Aus diesem Grund ist die Lebensdauer ei- ner solchen ferroelektrischen Speicherzelle, d. h., der Zeit- raum, über den hinweg sie funktionsfähig ist, nicht nur durch die Anzahl"echter"Schreibvorgänge (d. h., die Anzahl sol- cher Schreibvorgänge, bei denen Information erstmals oder neu in eine Speicherzelle eingeschrieben wird) begrenzt, sondern auch und vor allem durch die Anzahl destruktiver Lesevorgän- ge.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine fer- roelektrische Speicherzelle zu schaffen, die schneller betreibbar ist als herkömmliche ferroelektrische Speicherzel- len, die dabei weniger Energie benötigt und die eine höhere Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine ferroelektrische Speicherzelle gelöst, die eine ferroelektrische Tunnelschicht aufweist, welche zwischen einem ersten elektrisch leitenden Bereich und einem zweiten elektrisch leitenden Bereich angeordnet ist.

Vorteilhafte Aus-und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzelle ist, dass der Lesevorgang nicht-destruktiv durchführbar ist mit der Folge, dass bei einem solchen nicht- destruktiven Lesezugriff die in die ferroelektrische Spei- cherzelle ursprünglich eingeschriebene Information beim Aus- lesen erhalten bleibt, so dass sie nach einem Lesezugriff nicht wieder eingeschrieben zu werden braucht. Somit kann Zeit eingespart werden. Und weil die ausgelesene Information nicht erneut in die ferroelektrische Speicherzelle einge- schrieben werden muss, kann diesbezüglich auch kein ferro- elektrischer Ermüdungsvorgang eintreten. Nicht-destruktive Lesevorgänge können somit beliebig häufig durchgeführt wer- den, ohne dass eine (nennenswerte) ferroelektrische Ermüdung- serscheidung auftritt. Weiterhin wird dieser nicht- destruktive Lesevorgang bei einer an die Speicherzelle anzu- legenden Spannung durchgeführt, welche deutlich geringer ist als eine entsprechende Lesespannung beim bekannten destrukti- ven Auslesen. Somit lässt sich auch (elektrische) Energie einsparen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen : Die Figur., 1-eine erste Ausführungsform der vorliegenden Er- findung, die Figuren 2 und 3 vorteilhafte Weiterbildungen der ersten Ausführungsform, die Figur 4 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform, und die Figuren 5 und 6 vorteilhafte Weiterbildungen der zweiten Ausführungsform.

Die ferroelektrische Speicherzelle nach Figur 1, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, ist aus einer ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL, einem ersten e-

lektrisch leitenden Bereich 1 und einem zweiten elektrisch leitenden Bereich 2 gebildet. Der erste elektrisch leitende Bereich 1 mag dabei als Wortleitung oder Anschluss an eine Wortleitung eines integrierten Halbleiterspeichers dienen.

Entsprechend mag der zweite elektrisch leitende Bereich 2 als Bitleitung oder als Anschluss an eine Bitleitung des inte- grierten Halbleiterspeichers dienen. Ferroelektrische Tunnel- schichten als solche sind bekannt. Dazu wird insbesondere auf den Artikel"Structural and Ferroelectric Properties of Epi- taxial PbZro. 52Ti0. 4803 and BaTiO3 Thin Films Prepared on SrRu03/SrTi03 (100) Substrates"von Contreras, Schubert, Pop- pe, Trithaveesak, Szot, Buchal, Kohlstedt und Waser verwie- sen, der in Material Research Society Symposium Proceedings, Vol. 688, (2002) auf den Seiten 303 bis 308 veröffentlicht ist. In diesem Artikel werden Materialien und Schichtdicken diskutiert, bei denen der ferroelektrische Tunneleffekt ein- tritt. Auch ein Herstellprozess für ferroelektrische Tunnel- schichten ist dort offenbart.

Bei Verwenden solcher ferroelektrischer Tunnelschichten im Rahmen von ferroelektrischen Speicherzellen ergeben sich meh- rere Vorteile gegenüber traditionellen ferroelektrischen Speicherzellen, bei denen die ferroelektrischen Kondenstoren bekanntlich so dick dimensioniert sind, dass ferroelektrische Tunneleffekte nicht auftreten können : Beim Beschreiben und beim Auslesen von erfindungsgemäßen ferroelektrischen Spei- cherzellen treten große Tunnelstromdichten auf. Dies ermög- licht, dass zum Beschreiben nur eine relativ geringe Program- mierspannung angelegt zu werden braucht, um das Ferroelektri- kum in der gewünschten Richtung remanent zu polarisieren. Da- durch ergibt sich auch ein geringerer minimaler Platzbedarf für eine erfindungsgemäße Speicherzelle im Vergleich zu her- kömmlichen ferroelektrischen Speicherzellen. Weiterhin kann zum Auslesen der Speicherzelle die anzulegende Lesespannung sehr gering gehalten werden. Da der Wert der Tunnelstromdich- te, die sich beim Auslesen der Information einstellt, stark vom Polarisationszustand der ferroelektrischen Tunnelschicht

FeTL abhängig ist, lässt sich der Wert der ausgelesenen In- formation ("log. 0"oder"log. 1") trotz niedriger Lesespan- nung zuverlässig bestimmen. Wegen des beim Auslesen auftre- tenden Tunneleffekts kann die Lesespanhung geringer gehalten werden als eine Spannung, bei deren Anlegen sich der Polari- sationszustand der Speicherzelle zu verändern beginnt, bei- spielsweise auf maximal die Hälfte dieser Spannung. Dies hat zur Folge, dass sich auch beim Auslesen Energie einsparen lässt. Es hat weiterhin zur Folge, dass sich beim Auslesen mittels einer derart niedrigen Spannung der Polarisationszu- stand der Speicherzelle nicht ändert, d. h., das Auslesen er- folgt zerstörungsfrei bezüglich der gespeicherten Informati- on. Dies wiederum macht ein Zurückschreiben der ausgelesenen Information, im Gegensatz zum Auslesevorgang bei herkömmli- chen ferroelektrischen Speicherzellen, überflüssig. Das Ent- fallen des Zurückschreibens wiederum hat zwei Vorteile : Zum einen entfällt der für ein Zurückschreiben erforderliche E- nergieaufwand. Zum Anderen entfällt aber auch der dafür not- wendige Zeitaufwand, d. h., eine erfindungsgemäße ferroelekt- rische Speicherzelle ist schneller auslesbar als eine her- kömmliche ferroelektrische Speicherzelle.

Die ferroelektrische Speicherzelle nach Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen ferroelek- trischen Speicherzelle nach Figur 1 : Zwischen den beiden e- lektrisch leitenden Bereichen 1, 2 und der ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL ist noch jeweils eine Elektrode el ange- bracht. Diese dient einer verbesserten mechanischen und/oder elektrischen Verbindung der ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL und einem jeweiligen der beiden elektrisch leitenden Be- reiche 1, 2. Als Materialien für die Elektroden el eignen sich in der Regel alle auf dem Gebiet der Halbleitertechnik üblichen elektrisch leitenden Materialien wie Metalle, Me- tall-Legierungen und elektrisch leitende Halbleiter- Materialien wie Polysilizium oder Polysilizide.

Die in Figur 3 dargestellte ferroelektrische Speicherzelle ist gegenüber der ferroelektrischen Speicherzelle nach Figur 2 nochmals weitergebildet : Zwischen dem zweiten elektrisch leitenden Bereich 2 und der ihr zugeordneten Elektrode el ist eine Diode D angeordnet. Die Diode D kann als pn-Übergang, z.

B. als sogenannter Schottky-Übergang, ausgebildet sein. Sie kann aber auch durch Übereinanderstapeln mehrerer ferroelekt- rischer Materialien gebildet sein, die voneinander verschie- dene Werte für die Austrittsarbeit aufweisen. Ein Anbringen der Diode D verhindert ein ansonsten mögliches Auftreten von parasitären Leckströmen durch benachbarte ferroelektrische Speicherzellen hindurch : eine solche Diode D definiert die Durchlassrichtung (und somit auch die Sperrichtung) für einen Strom durch die Speicherzelle, so dass durch geeignete Wahl der Sperrichtung ansonsten gegebenenfalls auftretende Ströme durch aneinander angrenzende Speicherzellen verhindert werden können.

Den in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Ausbildungen der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle ist gemeinsam, dass sich mehrere erfindungsgemäße Speicher- zellen übereinander gestapelt anordnen lassen, so dass sich ein damit gebildeter integrierter Halbleiterspeicher entspre- chend flächensparend aufbauen lässt.

Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä- ßen ferroelektrischen Speicherzelle. Beispielsweise im Be- reich eines Halbleitersubstrats SUB bzw. im Bereich von Iso- lierschichten Ox sind ein Transistor T und eine erfindungsge- mäße ferroelektrische Speicherzelle angeordnet. Der Transis- tor T wirkt als Adressierelement für die Speicherzelle ent- sprechend dem Auswahltransistor einer üblichen, dynamischen Halbleiterspeicherzelle von 1-Transistor/l-Kondensator-Typ.

Die ferroelektrische Speicherzelle ist, entsprechend der Aus- führungsform nach Figur 2, gebildet aus der ferroelektrischen Tunnelschicht FeTL, den beiden elektrisch leitenden Bereichen 1 und 2 sowie zwei Elektroden el. Der eine elektrisch leiten-

de Bereich 1 ist im Betrieb mit einem gegebenen elektrischen Potential verbunden. Der andere elektrisch leitende Bereich 2 ist gleichzeitig Source des Transistors T. Die Drain des Transistors T ist Teil einer z. B. als'Diffusionsbahn ausge- bildeten Bitleitung BL eines die ferroelektrische Speicher- zelle enthaltenden integrierten Halbleiterspeichers. Entspre- chend dient ein Abschnitt einer Wortleitung WL des integrier- ten Halbleiterspeichers als Gate des Transistors T. Die in Figur 4 dargestellten Bereiche des Substrats SUB und der Iso- lierschichten Ox und deren Ausführung und Anordnung sind als solche dem Fachmann auf dem Gebiet integrierter Schaltkreise, insbesondere auf dem Gebiet integrierter Halbleiterspeicher, bestens bekannt ; sie sind deshalb nur rein schematisch ange- deutet. Auch die Ausführungsformen bzw. Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Speicherzellen nach den Figuren 1 bis 3 so- wie nach den noch zu beschreibenden Figuren 5 und 6 sind in Bereichen von Substrat und Isolierschichten angeordnet ; aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dies jedoch dort nicht dar- gestellt bzw. lediglich durch entsprechende Bezugszeichen an- gedeutet.

Figur 5 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der ferroelek- trischen Speicherzelle nach Figur 4 : Dabei ist die Bitleitung BL des integrierten Halbleiterspeichers oberhalb von Transis- tor T und ferroelektrischer Speicherzelle geführt. Die Drain Dn des Transistors T ist dabei mit der Bitleitung BL über ein elektrisch kontaktierendes Element P1, üblicherweise als "Plug"bezeichnet, verbunden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Ausfüh- rungsform der ferroelektrischen Speicherzelle zeigt Figur 6 : Dabei ist zum Einen die Drain Dn des Transistors T, entspre- chend der Ausgestaltung nach Figur 5, über das elektrisch kontaktierende Element P1 mit der Bitleitung BL verbunden.

Zum Anderen ist aber auch die Source des Transistors T als zweiter elektrisch leitender Bereich 2 der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzelle über ein weiteres, ebenfalls

elektrisch kontaktierendes Element P2 mit einer der Elektro- den el der ferroelektrischen Speicherzelle verbunden.

Als ferroelektrische Tunnelschichten FeTL kommen die bekann- ten ferroelektrischen Materialien in Frage wie z. B. Oxide von Verbindungen aus Blei, Lanthan, Zirkon, Titan, Zink, Ni- ob, Barium, Strontium, Germanium, Tantal und so weiter. Dem Fachmann auf dem Gebiet ferroelektrischer Materialien sind die entsprechenden Verbindungen als solche geläufig. Die e- lektrisch leitenden Bereiche 1, 2 können aus Metall, aus Po- lysilizium oder, allgemein, auch aus Siliziden aufgebaut sein. Als Materialien für die Elektroden el kommen Schichten aus Strontium-Ruthenium-Oxid, Lanthan-Calzium-X-Oxid und Lan- than-Strontium-X-Oxid in Frage, wobei"X"für eines der Ele- mente Kupfer, Kobalt und Mangan steht. Es sind aber auch sup- raleitende Materialien wie Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid u. ä. möglich, die eine Perowskit-Struktur aufweisen, sowie Materi- alien wie Platin, Iridium, Ruthenium, oder deren Oxide oder Kombinationen davon. Es sind sogar halbleitende Materialien wie Polysilizium oder Silizide möglich.

Günstig ist es, wenn die ferroelektrische Tunnelschicht FeTL max. 15 nm dick ist.