DE1951787A1 - Speicherelement - Google Patents
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Description
Dr. T. Haibach
Mütchen 2
300 ·■ E/Hi
SPEBHY RAID OOHPQRASKttl, How York, H£.Y./üSA
Die Erfindung betrifft Speicherelemente und Anordnungen, in
welchen derartige Speicherelemente verwendet werden»
Die Verwendung binärer Speicherelemente ohne Zerstörung des Speicherinhalt«* bein Auslesen, In Digitalrechnern ist bekannt· Allgeneia let für ein derartiges Speicherelement erwünscht, dass e· «ine geringe Grosse besitzt, während dee
Auslese- bzw· dee Einschreibvorgangs nur einen geringen Leistungsbedarf und zu übrigen Seiten überhaupt keinen Leistungabedarf besitzt, und dass möglichst wenig Verbindungs-Sohaltkreise !zwischen den Speicherelement seibot und dem übrigen
Toll des Digitalrechners erforderlich eind. Besonders erwünscht 1st die Verwendung ein und desselben Grundschaltungeolenenta und Herstellungsverfahrens hierfür für alle Komputer«
bauteile elneohlleselioh des Speicherelemente, um das Zltl
eines ganz in Mlkroschaltungoteohnik aufgebauten Digitalrechner· BU erreichen. Bin bedoutaaner Schritt in diüer Riohtunf
wurde mit dem im Patent ... (Patentanmeldung P 17 74 459.1)
der gleichen Anmelderin beschriebenen elektrisch -veränderbaren Feldeffekttransistor-Speioherelements zum eerstörungsfreien
Auslesen getan.
Bei der Anordnung nach, diesem älteren Patent ... (Patentanmeldung
P 17 74 459.1) besitzt der Feldeffekttransistor eine Leitfähigkeitseohwelle, die elektrisch duroh Anlegen von
Spannungsimpulsen vorgegebener Amplitude und Polarität zwischen der Tor-Elektrode und dem Translstoreubitrat elektrisch
veränderbar ist· Man darf annehmen, dass duroh diese Impulse
Ladungen in das dlelektrisohe Material der Tor-Slektrode gebracht
werden, und zwar in einen dünnen Bereich dieses dielektrischen Materials an der Grenzfläche zwisohen den Dif?■mI."srikurasraaterial
und dem Translstorsubstrat. Diese Ladungen
werden anscheinend eingefangen und bleiben über lange Zeltperioden nach Abschaltung der Spannungsimpulse, welche
sie gesohaffen haben, in dem Dielektrikumsmaterial erhalten·
Dies hat eine verhältnismässlg permanente Verschiebung der
Leitfähigkeitsschwelle des Transistors zur Folge. Durch Anlegen von Impulsen hoher Spannung entgegengesetzter Polarität
lassen sich Binärwerten entsprechende Leitfähigkeltsschwellen
in dem Transistor herstellen· Nach Anlegen einer vorgegebenen Spannung mit einem zwischen diesen Schwellwerten
liegenden Wert und gleichzeitigem Anlegen einer geeigneten Vorspannung an die Quelle- und Senke-Elektroden des Transistors
kann der jeweilige Binärzustand des Transistors abgefühlt werden, indem man die ffröase des resultierenden Strome «wischen
dem Kollektor und dem Emitter überwaoht. Die Amplitude der Fühlspannung reicht dabei nloht zu einer Änderung der vorgegebenen
Leltfählgkeitesohwelle au«, derart, dass Min zerstörungsfreies
Ausleset! erhält·
001811/1484 .
Bad
GteiaäsB dem älteren Patent ... (Patentanmeldung P 17 74 459.1)
weiat der Traneietor mit veränderlicher Schwelle ein Sillziua·
plättohen auf, in dae Quelle- und Senke-Zonen eindiffundiert
sind. Bine ßohioht aus Silisium-Hitrid dient zur Paesivierung
der Quelle- und Senke-Zonen und bildet gleichzeitig die Dielektrikuasaohioht der Tor-Eloktrode, lieungcltich der Meoht,<«ie-BUe9 n*oa welohera die elektrische Änderung der leitfUfvigkeitAr ·
eohwell· dea Translators vor aioh geht , no oh
niohü vol lot and ig aufgeklärt 1st, haben sich doch Anhaltepunkte dafUr ergeben, daaa Grenz- und Sperraoliiohteffekte
("barrier-effeote") hierbei eine bedeutsame Helle spielen dürften. Jedenfalla hat ee den Auaohein, daee die immobilieiertön
("trapped") Ladungen« welche zu den veränderbaren-Leitfähigkeitaeohwellen führen, Innerhalb eines dünnen Bereiche la des :
Xor-Bielektrikuneaaterlal nahe der Grensfl&che zwischen dee
^raneletoreubetrat und den Blelektrikumeioaterial lokalialert
aInd. 3>le Tateaohe, daee der Meohaniemue der Steuerung der
franelBtor-LeltfähigkeltBBohwelle aooh aloat volletändig aufgeklärt 1st» hat eu Schwierigkeiten hlneiohtlloh der reproduelerbarea Steuerung der Leltfählgkelteoohwellea auf der
Xbene der Maeeenproduktlon geführt«
Si« Erfindung betrifft aoait «in Speichereisaent, welohea «In
Balbleltereubetrat und «ine leitende Elektrode aufweiat»
Zur Yeraeldung der vorstehend erwähnten Schwierigkeiten^ wie
ei· la Eueasunenhaog alt der Herstellung dea Spelchereleaenta
naoh dea alteren Fat eat ... (Patentanmeldung P 17 74 459» 1) auftreten können, let geaÄes der vorliegenden Erfindung vorgeaehtn»
daee da· Halbleitereubetrat von der leitenden Elektrode durch
•In« Schichtung au· aehreren aneinanderllegenden Ilelektrlkua·^
Bchiohttn voneinander getrennt eind, w«loh· voneinander ver-
.A
·Ο··1·/14Ι4
eohledene elektrische Leitfähigkeiten besitzen, wobei die
Anordnung ao getroffen lot, dass der Speicher reproduzierbar steuerbare Leitfähigkeit asehwellen aufweist«
Ein derartiges Speicherelement nach den Grundgedanken der
Erfindung kann beispielsweise als Tor-Elektrode eines Feldeffekttransistors oder zur Erzielung einea Speichereffekte
in eines Kondenaator verwendet werden·
Vor ruga weise 1st dabei naoh einer zweckaäseigen Auegestaltung der Erfindung Yorgesehen, dass das Verhältnis der Leitfähigkeit der jeweils stärker leitenden Dieiektrikuaseohioht
su/efner angrensenden Sielektrikuaaschlcht geringerer leitfähigkeit grQaeer ale 2 ist, und daea für Jede Plelektrikunesohloht die Stroediohte in Abhängigkeit von der elek—
triaohen feldstarke einen stark nicht-linearen Terlauf seigt»
derart, dass «ich an der Grenzfläche zwischen, der jeweils
stärker leitenden dielektrischen Schicht und der angrenzenden Blelektrlkunaschloht eine elektrische Aufladung unter
den Einfluss eines verhHltnismasslg hohen elektrischen Feldes In einer verhiltniesiässlg kurzen Zeit und unter des
Einfluss eines Terhfiltnismässlg schwachen elektrischen PeI-des in einer unverhältnisiaaaslg langen Zelt bildet·
Bei Verwendung des erflndungagenäasen SpeiohereleBents als
Sor-Elektrode eines Feldeffekttransistors wird ein elektrieohes Potential zwischen der for-Elektrodeund dem Halbleitersubstrat des fransistors angelegt, wodurch unterschiedliche StroBdlehten in den einzelnen dielektrischen Schichten
erzeugt werden· Dies hat die Ausbildung einer negativen Aufladung der Grenzfläohe zwlaohen je swei dielektrischen
Schichten sur folge, falls dieses angelegte Potential aol-
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s ·
cherart ist, dass"in&kr Msktrcmen voii der sinea Seite zu
der Grenzfläche gelangen als art -der anderen"-Seite aus
ihr abgeführt werden. Umgekehrt kommt es zum Aufbau eiaer positiven ladung an der Grenzfläche, falls mehrElektronen *
aus der Grenzfläche auf der einen Seite weggeleitet werden» ala von der anderen Seite an. sie herangeführt werden«
Da die Information der Speicherzelle durch den Betrag und/
oder die Polarität der gespeicherten Ladung dargestellt wird, bestehen drei Wege zur Änderung der Information*
Eine Möglichkeit beruht darauf, dass ausschliesslich positive Ladungen an der Q-rensflache je zweier Dielektrikumssohiohten gespeichert bzw« aus ihr entfernt werden. Eine
andere Möglichkeit beruht darauf, dass auBBOhlieealioh
negative Ladungen an der Grenzfläche gespeichert bzw* aus ihr entfernt werden» während echlieselioh 'eine dritte Möglichkeit die beiden vorhergehenden miteinander kombiniert/
indes je nach der Polarität des angelegten Feldes positive
Ladungen durch negative Ladungen ersetzt werden, oder umgekehrt. !Die beiden zuletzt erwähnten dieser drei möglichen
Mechanismen iind »rperiaentell beobachtet worden. Sie Auswirkung dieser drei A'nderunesmuglichkeiten auf die Schwellen·»
spannung d·· Feldeffekttransistors ist dabei unterschied»
9er «rat· ?al£ führt zu «iuer konstanten niedrigen
dt« unabhängig von der Amplitude und der
dta angelegten ?eld*e i«t, sobald dtr erwähnte könnt* nt« Wtvt iiniaal err«loht let. Die höh« Sohwallenspannuag
hängt hingegen eοwohl von der Amplitude und der Dauer de»
Iwpuls«« ab. I« ewtitta ϊβΐΐβ erhält man ebenfalle eine konetftnt· niedrig· Schwellenepannun« und «ine hohe Schwellenspannung, die von d#r Dauer und 4er Amplitude des angtltg-I»pul»e» abhängt, |a dritten Pall btitfrtt das Eltment
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im Prinzip sowohl hohe sie auch niedrige Schwellenspannungapegel, die von der Polarität, der Dauer und Amplitude der
angelegten Impuls· abhängen.
Gtemäes der Erfindung ist jede der Dlelektrilcuaesohlohten
durch einen stark nicht-linearen Verlauf der Stroo&iohte
in Abhängigkeit von der elektrischen !feldstärke gekennzeichnet» die β ermöglicht die rasohe Auf ladung der Melektrikuas-Grenzfläohe zwischen aneinandergrenienden Dielettrikumesohiohten (und entsprechend rasche Änderung der Leitfählgkeitasohwelle des Transistors) beim Anlegen hoher Potentiale»
während gleichzeitig eine rasche Änderung der gespeicherten Ladung bei niedrigen Potentialen vermieden wird. Auf diese
Vieles wird erreicht, dass das verhältnisaässig kitin· elektrl3ch© Feld, das von einen angelegten Abfrageeignal oder
von der gespeicherten Ladung selbet herrührt, keine nennenswerte Änderung der Leitfählgkeitssofatr·!!· des Transistors
zur Folge hat. Bas Vorliegen der gespeicherten Ladung wird
anhand ihrer Auswirkung auf die Leitfähigkeit des darunterliegenden Halbleltersubatrats abgeführt bstr* abgetastet.
Im Palle eines Feldeffekttransistors wird dies« Leitfähigkeit bestimmt, indem man eine Spannung an dl· Transistor-Tor-Elektrode anlegt und den resultierenden Qu#He-Senk·-
Strom Überwacht·
Ein Oberfläöhenfeldeffekttransistor (?«ld«ffekttranalstor mit
isolierter Tor-Elektrode, n lnsulated-gate-fleld-effeot
transistor1*) stellt im Effekt eine miteinander ssueammenwlrkende Kombination aus einem Kondensator und zwei eatgegengesetzt vorgespannten p-n-Übergängen dar. Die gleichen Vorgänge, welohe die Leitfähigksitseohwellenapaanung des
Iransietors bestlomen, bestimmen auch die flaohbandapannung
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und die Kapazität des Kondensators» Hit der ei-findungsgelaäasen
Anordnung lässt.sich daher, wie bereits erwähnt, auch ein Speichereffekt in. einem Kondensator
Ia Folgenden werden elektrische ilnordnungen gemäss Ausführungsbeispiel
in der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen
1 das Schaltschema einer Feldeffekt-Sransistor-AuB-führuugsform
der Erfindung
2 das Sohaltscheina einer Kondensator-AusfÜhrungsforni
der Erfindung
Pig. 3 eine idealisierte Schnittansicht der den Speichereffekt
bei den Ausführungsformen gemäss Pig« 1 und
2 bewirkenden Dielektrikumssohiohtanordnung gemäes
der Erfindung
Fig. 4 eine graphische Darstellung mit Strondichte-Alektrisohe
Feldstärke-Kennlinien für zwei typische aneinandergrenzende Dielektrikumssohichten, wie sie
in dem Gebilde gemäss Fig. 3 verwendet werden.
Gemäea dem Grundgedanken der Erfindung wird die Information
in Form positiver oder negativer elektrischer Ladungen in
einem aus Dielektrikumsschichten aufgebauten Tor-Elektrodengebilde
eines Feldeffekttransistors oder einfach in
dem dieses Tor-Elektrodengebilde darstellenden Kondensatorelement
als solchem gespeichert« Das Vorhandensein der gespeicherten
Ladungen manifestiert sich durch eine Änderung der Leitfähigkeitsschwellanspannung im Falle der Feldeffekttraneistor-AuGführung3forßi
der Erfindung bzw* durch eine Änderung der spannungsabhängigen Kapazitätsänderung im Falle
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SAD ORlQtNAu
der Koudeiisator-A-aefiihrungs?ro:c?3,aer Erfladung« Die Leit- ■
fähigkeitssohwellenspannung einos Feldeffekttransistors
ist die Mindestspannung, welche an. die Tor-Elektrode angelegt
werden musBt damit es zu einem nennenswerten Strom-
fluss zwi solle η der Quelle- und Senkeelektrode kommtο
Die Grosse dieser Laitfähigkeitsschwellenapannung wird
durch Ladungen, welche in dem die Tor-Elektrode von dem
Transistorsubstrat trennenden Melektrikumsma-terials gespelohert
sind, beeinflusste Beispielsweise wird im Falle eines Oberflächenfeldeffekttransietors mit p-Kanal die
Leitfähigkeitsschwellenspannung negativer, wenn positive Ladungen im Dielektrikum der Tor-Elektrode gespeichert werden«
Umgekehrt wird die Leitfähigkeitsschwellenspannung .positiver» falls negative Ladungen im Dielektrikum der Torelektrode gespeichert sind·
Ein ähnlicher Effekt "tritt auf, wonn Ladungen im Dielektrikum
eines Kondensators gespeichert werden. Im einzelnen wird die KapazitätB-Spannungs-Abhängigkeit des Kondensators
durch die gespeicherten Ladungen beeinflusst« Das Einsetzen
einer Kapazitätsänderung als Folge einer an den Kondensator angelegten Spannung wird durch die aoga"Flaohbandspannung"
(wflat-band-voltage") gekennzeichnet« Diese Flaohbandspannung
wird nun durch in dem Dielektrikum gespeicherte Ladungen in gleicher Welse wie die Leitfähigkeitssehwellen«·
spannung «Ines Feldeffekttransistors beeinflusst. So wird
beispielsweise bei einem 'Kondensator, welcher ein n-Halbleit'ereubstrat
und eine von dem Substrat durch ein Dielektrikum getrennte Metallelektrode aufweist, die Plachbandspannung
negativer, wenn positive Ladungen In dem DielektrlkuB
gespeichert oder negative Ladungen aus ihm entfernt werden· Entsprechend wird die Flaohbandspannung positiver,
009818/148 4
BAD
ο _
falls negative Ladungen in dem Dielektrikum gespeichert
oder positive Ladungen aus ihm abgeführt werden.
Was die hier interessierende Verwendung als Speicheranordnung betrifft, können Ladungen in das Dielektrikum eines
Feldeffekttransistors "eingeschrieben" baw» aus ihm "gelöscht"
werden, indem man eine zur Änderung der Leitfähigkeitsschwelle
ausreichende Spannung zwischen der Torelektrode und dem Sransistorsubstrat anlegt. Entsprechend können
Ladungen in das Dielektrikum eines Kondensators"Λeingeschrieben*1
bzw. aus ihm "gelöscht" werden, indem man ein zur Änderung der Flachbandspannung ausreichendes Potential
an die Kondensatoranschlüsse anlegt*
008818/U84 bad original
Fig. 1 sseigt einen Feldeffekttransistor 1, der zum Einschreiben von Information sowie zum Abfragen bzw· Auelesen
der gespeicherten Information auegebildet ist; er weist
eine Torelektrode 3, eine Quelleelektrode 4, eine Senkeelektrode 5 sowie ein Substrat 9 auf* Die Information wird
dabei in eine p-Kanal-Anreicherung ("p-channel enhancement")
des Transistors 1 eingeschrieben» indem man zwischen einem
Anschluss 8 des Substrates 9 des Transistors und einem Anschluss 2 der Torelektrode 3 ein Über einem vorgegebenen
Viert liegendes Potential anlegt. Sie Quelleelektrode 4 des
Tranalstors 1 liegt an Hasse, während die Senkeelektrode 5 über einen Widerstand 6 mit dem negativen Pol einer Spannungequelle 7 verbunden ist» Falls ein zwischen Hasse und dem Anschluss 2 angelegtes Abfragesignal die Leitfählgskeiteschwellenspannung des Transistors 1 übersteigt, wird die Impedanz zwischen der Senke 5 und der Quelle4auf einen niedrigen Wert
herabgesetzt, der wenigstens eine Örössenordnung kleiner als
der Widerstandswert des Widerstands 6 1st« Umgekehrt let,
falls die zwischen Masse und dem Anschluss 2 angelegte Abfragespannung kleiner als die erwähnte Leltfähigkeitseohwellenspannung 1st, die Impedanz zwischen der Senke 5 und der Quelle
4 wenigstens um eine Grössenordnung grosser als die Impedanz
des Vflderstands 6. Im ersten Falle fällt daher im wesentlichen,
die gesamte Spannung der Spannungsquelle 7 an den Widerstand ab, während im zweiterwähnten Falle im wesentlichen die gesamte Spannung der Spannungsquelle 7 an dem Transistor 1 abfällt, d.h. zwischen einem Ausgangsansohluss 10 der Senkeelektrode 5 und Masse.
Die Anlegung eines Potentials oberhalb eines vorgegebenen Wertes zwisohen dem Toranschluss 2 und dem Substratansohluss θ
bewirkt eine Verschiebung der LeitfähigkeitsBohwellenspannung
des Tranetistors 1, was die gespeicherte Information darstellt.
Die Polarität des angelegten Potentials beotiamt/dfe*Hiohtung
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■■■■ ■.;-.-,-. ■'■ ■'■ ■' .-■ : .'. ■ - -A :
BAD ORIGINÄR
- τι -
der Verschiebung der Leitfähigkeitssehwellenspannung. Daa
Anlegen eines unter dem erwähnten vorgegebenen tfert jedoch
zwischen den Verten der Schwellenspannungen liegenden Potentials zwischen den Anschlüssen 2 und'8 gestattet das
zerstörungsfreie Auslesen der gespeicherten Information.
Die gleichen Phänomene, die zu einem Speicher- bzw« Gedächtniseffekt
in dem eben beschriebenen Feldeffekt-Transietoraufbau
gemäss Fig. 1 führen, ergeben einen ähnlichen Effekt in dem Kondensatorgebilde gemäss Fig. 2, Die Anordnung gemäss
Fig. 2 weist einen Kondensator 11 mit Festekapazität
auf, die gleich der Haximalkapazität eines Speioherkondensatore
12 ist. Die Flachbandspannung des Speicherkondensatorβ 12
wird durch Anlegen einer einen vorgegebenen Wert übersteigenden
Spannung zwischen einem Anschluss 13 und !lasse eingestellt.
Die Polarität dieser angelegten Spannung bestimmt wiederum die Richtung der Verschiebung der Flaohbandspannung,
ganz wie im Fall der ^Leitfähigkeitssohwellenspannunge-Verschiebung
des Feldeffekttransistors. Der jeweilige Wert der Flachbandspannung wird abgenommen, indem man an einen Anschluss
14 ein unterhalb des vorgegebenen Werkes liegendes.
Abfragepotential anlegt. Falls die Flachbandspannung des Speicherkondensators 12 so gewählt ist* dass dessen Kapazität
gleich der des Festkondensator^ 11 ist, so tritt an dem Aue»
gangsanschluss 13 ein Potential gleich der Hälfte der an den
Anschluss 14 angelegten Abfragespannung auf. Wird die Kapazität des Speicherkondensators 12 wesentlich kleiner als die
des Festkondensator 11 gemacht 9 so tritt im wesentlichen
die gesamte an den Anschluss 14 angelegte Abfragespannung
an dem Anschluss 13 auf« Eine Flachbandspannung, die grosser
als die Abfragespannung ist, ist einer hohen^Kapazität, und
entsprechend eine Flachbandspannung, die kleiner als die Abfragespannung
ist, einer niedrigen Kapazität zugeordnet.
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Das vorstehend für den Obsrflächenfeldeffekttransistor
(Feldeffekttransistor mit isoliertem Tor, "insulated-gatefield-effect
transistor") 1 aus Fig, 1 bzw« für den Konden- . sator 12 aus Fige 2 beschriebene Speicherverhalten wird geciäss
der Erfindung durch die besondere Dielektrikumsschichtetruktur
des in Fig.» 3 gezeigten Speicherelemente erzielt.
Wie aus der Schnittansicht des Speicherelemente in Fig. 3 ersichtlich, weist dieses eine Metallelektrode 15» eine
erste Dielektrikumsschicht 16, eine zweite, angrenzende Dielektrikurasschioht
17 sowie ein Substrat 18 aus Halbleitermaterial auf. Die Schichten 16 und 1? besitzen voneinander
verschiedene elektrische Leitfähigkeit, wobei daB Verhältnis
der Leitfähigkeiten grosser als etwa 2 ist. Es ist erwünscht, Grenzschichteffekte an jede der drei Grenzflächen 19, 20 und
21 zwischen, den lletall-, Dielektrikums*- und Halbleitersehichten
so weit als möglich zu verringern. Der für die vorliegende Erfindung interessierende Speichereffekt rührt von
einer Ladungsspeicherung an der Grenzfläche 20 zwischen den beiden Schichten 16 und 17 aue Dielektrikuiaanjaterial unterschiedliche
Leitfähigkeit. Beim Anlegen eines Potentials zwi-Bohen
den beiden äueseren oder Anechlußschiohten 15 und 16
des DielektrikunjBschiohtgebildes aus Fig. 3 bewirkt das
resultierende elektrische Feld unterschiedliohe Stromdiohten
in den DielektrikumBSchlchten 16 und 17c Dabei konrat ββ ssur
Bildung einer negativen Aufladung an der Grenzfläche 20, falls daß an den äusseren Anschlußachlchten 15 und 18 angelegte
Potential solcherart ist, dass an der Grenzfläche 20 mehr
Elektronen durch die eine Dielektrikumsschicht eintreffen, als von dor Grenzschicht durch die andere DielektrikumeBohioht
hindurch fortgeleitet werden*.".Entsprechend bildet sich umgekehrt eine positive Aufladung an der Grenzfläche 20 aue, falls
mehr Elektronen voii der Grenzfläche weg- als zu ihr -hingeleitet
werden«
: /: ':- - \ ■ ■■■:■ ■■;■ :: -./.■; '■'. ;■
, 009818/U84
BAD GRJGiiM/U-
Wesentlich ist, class beide Dieiektrikumsachichten 16 und 17
einen, stark nicht-llnearan Verlauf der Stromdichte in- Abhängigkeit
von der elektrischen Feldstärke aufweisen,, Ein derartiger Verlauf gestattet den raschen Ladungsaufbau
an der Grenzfläche 20 beim Anlegen eines verhältniamässig
hohen Potentials an den Anschlußschichten 15 und 18, und entsprechend eine unverhältsnlsmässig langsame Änderung der gespeicherten
Ladung beim Anlegen eines niedrigeren (Abfrage-) Potentials an die Schichten 15 und 18, bzw. als Folge des
von der gespeicherten Ladung selbst herrührenden elektrischen
Feldes. Auf diese Weise erhält man eine zerstörungsfreie Auslesung
und permanente, energieunabhängige Speicherung in einem elektrisch veränderbaren Speicherelement. In Pig· 4
sind typische J/E-Kurven für zwei Dielektrikumsschichten 16
und 17 des Gebildes aus Pig. 3 gezeigt, welche die gewünschte JTicht-Llnearität aufweisen. Die steilere Kurve 22 in Figo 4
ist charakteristisch für Silizium-Nitrid ohne nennenswerten
Sauerstoffanteil. Die andere Kurve 23 ist charakteristisch
für Sillzium-IJitrid mit einem gewissen Sauerstoffgehalt
(Sillziumoxy-Nitrld). Es wurde festgestellt, dass die zur Speicherung von Ladungen an der Grenzfläche 20 bzw· zur Abfuhr
der gespeicherten Ladungen erforderliche Zeitdauer annähernd proportional dem Quotienten 4jrjyt βΐίΐη bedeutem 4·
die Dielektrizitätskonstante derjenigen der Schichten 16 und
17 mit der grusseren Leitfähigkeit, E die elektrische Feldstärke (In V/cm) In der stärker leitenden Dielektrlkume-Bohicht
(wobei die Feldstärke entweder von einer angelegten Spannung herrühren kann, die zu einem PeId E_ führt, oder
von der Raumladungsdichte von in dem Dielektrikum gespeicherten Ladungen, die zu einem Feld E0^. führt), und j (E) in A/o»
die stark nicht-lineare Beziehung zwischen der Feldstärke In der stärker leitenden Dielektrikumsschicht, und Ihrer Stromdichte.
009818/148* eAD original
Die in der Grenzfläche 20 zwischen den beiden Dielektrikumsschlchten
16 und 17 gespeicherte Ladung wird von den beweglichen Ladungen in deia darunterliegenden Halbleitersubstrat
9 gefühlt* Biese beweglichen Ladungen werden, je nach der Polarität der in der Grenzfläche 20 gespeicherten Ladung,
entweder zur Oberfläche des Halbleiters hin angezogen oder von dieser abgeetossen« Diese Reaktion der beweglichen Ladungen
verändert die Strom~Spannungs~Kennlinien des diese Dielektrikumsschichtung
als Tor-Gebilde enthaltenden Oberflächen feldeffekttransistors 1, bzw« die Kapazitäts-Spannungs-Kenn~
llnien des die Dielektrikumsschichtung als Isolator enthaltenden Metall-Isolator-Kondensators„
Daa von den an der Grenzfläche zwischen den beiden Dielektriteumasohichten
16,17 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit gespeicherten Ladungen herrührende JeId Εβ^ kann durch
die Beziehung E„+. «= -& (1 - 1) wiedergegeben werden; darin
g „+ ( gg ;
bedeuten j <T in coulomos pro °cm die je Fläoheneiaheit geepeicherte
Ladung, 4 in Farad pro cm die Dielektrizitätskoa-Btantβ
der stärker leitenden DielektrikumsBchioht, XQ in cm
die öesamtdioke beider Dielektrikujpssohichten, und X^ in cn
die mittlere Entfernung der gespeicherten Ladung von der
Siliaiuingrenzfläche, Die Ladungadiohte <r stellt sloh dar ale
diejenige Aufladung, wie sie sich durch die Stromdichte J über
eine Zeltdauer ansammelt, d.h. (T* fjdt. der Viert des duroh die
gespeicherte Ladung hervorgerufenen Feldes E t lässt sich In
einfacher Viel se nach, bekannten Formeln aus der messbaren Beeinflussung
der Strom-Spaimungs-Charakteristik als !funktion
der an die Torelektrode 3 den Transistors 1 oder die.obere
Kondensatorplatte des Kondensators 11 angelegten Spannung berechnen.
Beispielsweise läast aich für die zur Aufladung-der- Grenzflache
009818/148V -Ζ''
-".7"^- ·■'■.■; ■ ■ . . ,■■.■■■ bad
zwischen den Sielektrikunsechlchten erforderliche Zeltdauer
Δ t ein Wert von 0.5 X 10""5seo b ere ebnen, unter Zugrundelegung typischer Werte der Dielektrizitätskonstante
4. » 5 X 10'* Farad/on, des von der gespeicherten Ladung
herrührenden Feldes E8^ * 10 X 105 V/on, und des gemessenen
Werts der Stromdichte in Abhängigkeit von elektrischen Feld bei einem Wert des angelegten Feldes E0 von 60 X 10* V/on.
Für den typischen Wert der Gesantdick« des dielektrischen
Materials von 1000 Angstrom, würden die Spannungen E^ und
Ea 10 V bzw« 60 V betragen. Aus Flg« 4 ergibt aloh, dass
3(E) für 60 X TO5 V/on 10~3 A/cn2 beträgt. Die "Einschreib"*·
Zeit der Speicheranordnung genäss der Erfindung let die zur
Erzeugung des Feldes E^ duroh Speicherung von Ladungen nit
Hilfe der hohen Stromdichte KE a) infolge dts angelegten
äusseren Feldes erforderliche Zeitdauer. Duroh Einsetzen der
betreffenden Werte in den Ausdruck At* $fS) find· * "»η für
die nEinschreibH-Zeit den angenäherten Wert 0.5 X 1O-' β·ο.
Sie entsprechende Speicherzeit lässt sich aus einen ähnlichen
Ausdruck berechnen. Definitionsgenäss soll unter "Speioher-
-dauer" die zur Verringerung des von.der gespeicherten Ladung
herrührenden elektrischen Feldgradienten aiif dl'· Half te ihres
Anfangswertes erforderliche Zeltdauer verstanden werden. Hit
dem Wert E8^. «5 X 105 V/cn und unter Bezugnahme auf Fig. 4
ergibt sich für j(BBt) ein Wert von 1O*12 A/on2. Für den Betrag der vorstehend definierten "Speloherdauer" Δ t lässt,
sich unter Zugrundelegung der Häherungsbeziehung At* «
ein Wert von etwa 3 !Tagen bereohhen. Experimentell wurden
Speloherdauern von über 3 Monaten nachgewiesen. Eine Extrapolation der beobachteten experimentellen. Säten lässt erkennen,
dass sich Speicherdauern von vielen Jahren erzielen lassen. Auch wurden "I3ineohrelbn-Zeiten allgemein In Bereloh von
10 Mikrosekunden bis 100 Millisekunden und nanohnal sogar
nur von Bruchteilen einer MikroSekunde beobachtet.
009818/U84 ■/«
■Es.wurde-gefunden., dass Kondensatorelerneute mit Vielfach-Melektrikunisschichtung
ebenfalls Gpeiichereigenechaften
zeigen. Beispielsweise wurde ein zufriedenstellender Betrieb mit einer Anordnung erreichts in v/elcher die der
Elektrode 15 in Mg.. 3 entsprechende Metallelektrode und
das. dem Substrat 18 in Pig* 3 entsprechende Halbleitersubstrat
durch aneinandergrenzende Schichten aus Siliziuindioxyd,
Silizium-liltrid und Siliziumoxy-Hitrid voneinander
getrenat waren»
,./· Patentanspriiohe
009818/1484
ÖAD ORIGINAL
Claims (1)
- Pa t e η t a α SprücheΊ. Speicherelement, weiches ein Halbleitersubstrat und " eine leitende Elektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet ι dass das Halbleiters1 ubetrat (18) von der leitenden Elektrode (15) durch eine·Schichtung aua mehreren aneinanderliegenden Dielektrikumsschichten (16, 17) voneinander getrennt sind, welche voneinander verschiedene elektrische Leitfähigkeiten besitzen, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass der Speicher reproduzierbar steuerbare Laitfähigkeitsaohwellen aufweist.2· Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch g e k β η η -ζ ei oh η et » dass das Verhältnis der Leitfähigkeit der jeweils stärker leitenden Dielektrikumseohioht zu der einer angrenzenden Dielektrikumssohioht geringerer Leitfähigkeit grosser als 2 ist, und dass für jede Diolektriku»eschicht die Stromdichte in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke einen stark nicht-linearen Verlauf zeigt, derart, dass sich an der Grenzfläche zwisohen der jeweils stärker leitenden dielektrischen Schicht und der angrenzenden Dielektrikumsaohioht eint elektrische Aufladung unter dem Einfluss eines verhältnleaäeeig hohen elektrischen Feldes in einer verhältnieioäeaig kurztn ZtIt und unter dem Einfluss eines verhältnismäßig echwachen elektrischen Feldes in einer unverhältniemäBsig langen Zeit bildet.009818/U843« Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass eine der Dielektrikuiasschienten (16S 17) aus Siliziua-Mtrid besteht.4. Speicherelement nach eineie oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet 9 dass eine der Dielektrikumsschichten (16, 17) aus Silisiumoxyttitrid besteht. .5· Speicherelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine der DielektrikumsBchichten (16, 17) aua Silizium-Nitrid und eine angrenzende Schioht aus Siliziurnoxy-llitrid besteht«,· Speiohereleiuent nach einem oder inehrereu der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge k β η η ζ e 1 ohne t , dass es die lor-Eleiktrode eines PeldeffekttransiBtors (1, Pig.1) bildet-,■-■■■' '. - - s ' ■ ■ "7· Speicherelement nach einem oder laehreren der Aneprüoh· 1- 5f daduroh gelceanzelohntt9 daee es die Tor-Elektrod· einer Koadensatoranordnung bildet«009318/U84BAD ORJGJMAuLeerseife
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