DE2129181B2 - Verfahren zum betrieb eines feldeffekttransistors als speicherelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Aus der DT-OS !8 03 035 ist ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement bekannt, das für die Speicherung eines Informationsbits mit Hilfe eines von außen angelegten elektrischen Feldes in zwei Betriebszustände gebracht werden kann. Das bekannte Halbleiterbauelement weist 4s ein Substrat auf und eine auf dessen Oberfläche im Gate-Bereich angeordnete, Schichtcnfolge, hestehend aus einer ersten Isolierschicht, einer ersten Metallschicht, einer zweiten Isolierschicht und einer weiteren Metallschicht. Die erste Isolierschicht hat eine Dicke, so die kleiner ist, als die für Ladungsträger aus dem Substrat unter dem Einfluß einer vorgegebenen Feldstärke durchtunnelbare Strecke. Die erste Metallschicht ist auf schwimmendem Potential befindlich, also eine isolierte Gate-Elektrode. Zum Aufladen dieser ss Gate-Elektrode ist eine besondere Ladeelektrode erforderlich, die auf der dem Substrat entgegengesetzten Seite der zweiten Isolierschicht als weitere Metallschicht niedergeschlagen ist. Die zwischen dem Substrat und der Gate-Elektrode angeordnete erste Isolierschicht muß bei dem bekannten Halbleiterbauelement notwendigerweise so dünn gehalten sein, daß diese Isolierschicht durchtunnelbar ist. In der Praxis ist es außerordentlich schwierig, eine gleichförmige dünne Isolierschicht auf dem Halbleiterkörper niedcrzuschla- fts gen, die direkte Stromwege zwischen dei zu Speicher-/wecken vorgesehenen Gate-Elektrode und dem lalbleiterkörper zuverlässig ausschließt. Die Herstellung des bekannten Halbleiterbauelements und dessen Nutzung als Speicherelement ist daher außerordentlich aufwendig.

Aus »Solid-State Electronics«, Band 12, 14b9, Heft 12. Seiten 981 bis 987 ist ferner ein Speicherelement in Sandwich-Bauweise bekannt, dessen Steuerelektrode gegenüber einer Drain-Elektrode seitlich versetzt angeordnet ist und durch ein zweites, über einem relativ dicken Isolierkörper angeordnetes Gate aufgeladen wird. Bei diesem bekannten Bauelement ist eine zusätzliche Gate-Elektrode erforderlich.

Bekannt ist ferner die Kombination eines Bipolartransistors und eines MOS-Feldeffekttransistors (IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 12, 1970, Nr. 12 Seiten 2327 und 2328), wobei die hohe Dichte (Packungsdichte) von MOS-Bauelementen zu Speicherzwecken und die hohe Schaliungsgeschwindigkeil von Bipolartransistoren für Abtastverstärker oder Dekodierer ausgenutzt werden. Die in diesem Zusammenhang bekannten Feldeffekttransistoren benötigen jedoch grundsätzlich einen Gate-Anschluß, haben also keine vollständig von Isoliermaterial umgebenen Gate-Elektroden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren /uir. Betrieb eines Feldeffekttransistors so zu ändern, daß die Herstellung des letzteren durch Verwendung dickerer Isolierschichten und Einsparung zusätzlicher Gate-Auflade-Elektroden vereinfacht wird.

Bei der Lösrng dieser Aufgabe macht die Erfindung von dem bekannten physikalischen Mechanismus der Avalanche-Injektion Gebrauch. In »Applied Physics Letters«, Band 15,1969, Nr. 6, Seiten i 74 bis 177 wird auf die Möglichkeit der Avalanche-Injektion von Elektronen in SiOySchichten zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Speicherelementes mit einer besonderen MOS-FET-Ausführung hingewiesen.

Die Erfindung stützt sich dagegen auf die Erkenntnis, daß eine schwimmende, d. h. auf freiem Potential befindliche Gate-Elektrode mit Hilfe der Avalanche-Injektion aufgeladen und dnJurch die Erfindungsaufgabe gelöst werden kann. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß bei einem Feldeffekttransistor mit nur einer einzigen Gate-Elektrode zu dessen Aufladung an das Substrat einerseits und an Source oder Dram-Zone andererseits eine einen Avalanche-Durchbruch an dem zwischen der Zone und dem Substrat gebildeten pn-Übergang hervorrufende Spannung angelegt wird.

Zum Aufladen nutzt sie den in jedem Fall zum Abtasten des Speicherzustands des Speicherelements erforderlichen Anschluß zu einer der beiden in gegenseitigem Abstand angeordneten Zonen aus. Bei der Auslösung eines Avalanche-Durchbruchs in einem der PN-Übergänge zwischen der einen Zone und dem Substrat wird die schwimmende Gat-Elektrode durch Avalanche Injektion aufgeladen, wobei Elektronen selbst durch .elativ dicke Isolierschichten von mehr als 500 A zwischen Substrat und Gate-Elektrode durchtreten können. Andererseits ist durch die vollständige Isolation der schwimmenden Gate-Elektrode die Möglichkeit der Langzeitspeicherung gegeben.

Die Gate-Elektrode kann aus Halbleitermaterialien, z. B. Silizium oder Germanium oder aus leitenden Metallen, z. B. Aluminium oder Molybdän bestehen.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Fig. 2 und 3 erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein bekanntes Bauelement mit schwimmender Gate-Elektrode,

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I ι ir. 2 einen Querschnitt durch chic Ausfuhrt;' i.'slorm eines Speicherelements das /ur Durchführung des erfindungsgemäUen Verfahrens besonders geeignet ist und

F ι g. 3 einen Querschnitt durch eine alternativ.: Ausführungsform des in Kombination mn einem Bipolartransistor verwendeten Speicherelements.

Im folgenden wird ein Felde tckttransiMor mit a..l schwimmendem Potential b-'iindlicher Gate Elektrode beschrieben. Das Vorhandensein oder Fehlen einer elektrischen Ladung in der Gate-Elektrode (Speicher/u stand) uird abgetastet und als Speichennformation in der anderen bislabilen Speicherelementen, /.. B. Magnetkernen und Flipflops verwendet. Fine Ladung in der schwimmenden Gatc-FJektrode des Speieherelements bleibt praktisch unbegrenzt (10 Jahre bei 1_'·5 C) erhalten. Der Ladungszustand der Gate-Elektrode ist leicht dadurch feststellbar, daß die Leitungseigenschaf ten /wischen den Source- und Drain-Zonen des Feldeffekttransistors bestimmt werden. Der Feldeffekttransistor ist zwischen seinen Source- und Drair-Zonen leitend, wenn die Gate-Elektrode- negativ geladen ist. und gesperrt, wenn die Gate-Elektrode ungeladen ist. vorausgesetzt, daß die am Source- oder Drain-Übergang angelegte Spannung geringer als die zur Verursachung eines Avalanchedurchbruchs im Transistor erforderliche Spannung ist.

In Fig. I ist ein Speicherelement mit schwimmender Gate-Elektrode nach dem Stande der Technik gezeigt. Dieses Speicherelement ist ein Feldeffekttransistor mit die Source- und Drain-Elektroden bildenden Zonen 13 und 15, die im Substrat 10 angeordnet sind. Das Substrat lü hat einen gegenüber den Zonen 1.3 und 15 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp. Wenn das Substrat 10 beispielsweise N-Icitend ist, sind die Zonen 13 und 15 P-Ieitend. Metallische Kontakte 11 sind mit den Zonen 13 und 15 verbunden. Eine Isolierschicht 12 trennt die schwimmende Gate-Elektrode 14 vom Substrat )0 und den Zonen 13 und 15. Eine /weite, die .schwimmende Gate-Elektorde 14 vollständig umgebende Isolierschicht 16 trennt eine Gate-Auflade-Elektrode 18 von dem restlichen Teil des Bauelements. Die Gate-Elektroden 14 und 18 sind aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. Aluminium, hergestellt, während die Zonen 13 und 15 und das Substrat 10 beispielsweise aus in geeigneter Weise dotiertem Silizium oder Germanium bestehen. Bei dem Feldeffekttransistor nach Fig. 1 kann eine Ladung dadurch der schwimmenden Gate-Elektrode 14 zugeführt werden, daß eine Spannung über die Leitung 19 zwischen Gate-Auflade-Elektrode 18 und Substrat 10 angelegt wird. Die Ladung wird vom Substrat durch die Isolierschicht 12 in die schwimmende, isolierte Gate-Elektrode 14 überführt. Um eine Ladung auf diese Weise aufzubringen, ohne durch überhöhte Spannung eine dauernde Zerstörung der Isolierschicht 12 oder 16 hervorzurufen, ist es notwendig, daß die Isolierschicht 12 relativ dünn ist und die Dielektrizitätskonstanten der ^rjr die Schichten 16 und 12 verwendeten Materialien stark unterschiedlich sind. FJierdurch wird eine höhere Feldstärke in der Schicht 12 als in der Schicht 16 erreicht, was es unter Ausnutzung des Tunnel-Effekts ermöglicht, eine Ladung zur Gate-Elektrode 14 zu überführen. In der Praxis ist es nicht nur schwierig, die gleichförmige und extrem dünne Isolierschicht 12 herzustellen, sondern es ist auch sehr schwierig, eine Metallschicht als schwimmende Gate-Elektrode auf dieser dünnen Isolierschicht niederzuschlagen, ohne

■ mischen dem Metall und dem Substrat Mromwege /j schallen. Wegen der Notwendigkeit der Verwendung unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten laßt sich das gleiche Isoliermaterial, z. B. Siliciumdioxid, nicht iur beide Schichten 12 und Ib verwenden.

In I- ι g. 2 st eine Schrnttansicht durch ein zur D'irchlührung der Erfindung geeignetes Feldeffeki Speicherelement gezeigt. Das in F ι g. 2 dargestellte Speicherelement weist zwei mit Abstand voneinander angeordnete Zonen 22 und 24 (Source- und Drain-Zonen) aiii, die einen den Leitungstyp des Substrats 20 entgegengesetzten Leitungstyp haben. Diese Zonen bilden mit dem Substrat 20 zwei PN-Übergänge. Die räumlich zwischen den Zonen 22 und 24 liegende Gate-Elektrode 28 ist vollständig von Isolierschichten 26 und 30 umschlossen, so daß zwischen der Gate-Elektrode 28 und anderen Abschnitten des Bauelements keine elektrisch leitenden Stromwege existieren. Metallische Kontakte 32 und 33 bilden die elektrischen Anschlüsse /.u den Zonen 22 bzw 24. Das in F i g. 2 gezeigte Bauelement kann unter Anwendung bekannter MO.S- oder .Silizium-Gate-Verfahren hergestellt werden (Bauelemente der Elektrotechnik, 5. Jahrg.. WO. Seiten JO, 31 und 34).

Bei dem beschriebenen Ausführungsbe spiel besteht das Substrat 20 aus N-Ieitendem Silizium, während die Zonen 22 und 24 P-Ieitend sind. Die Kontakte 32 und 33 bestehen aus Aluminium, und d'e Gate-Elektrode 28 besteht im vorliegenden !"all aus Silizium. Die Isolierschichten 26 und 30 können aus .Siliziumoxiden (z. B. SiO, SiO:) bestehen.

Während die Isolierschicht 12 des in I'ig. 1 dargestellten bekannten Bauelements relativ dünn sein muß um die Gate-Elektrode 14 aufladen /u können, kann die Isolierschicht 26 zwischen der Gaie-Elektiode 28 und dem Substrat 20 bei dem Speicherelement nach F i g. 2 relativ dick, beispielsweise 500 bis 1000 A sein. Diese Dicke kann bei Anwendung der bekannten MOS-Technologie leicht erreicht werden. Die Schicht 30 des beschriebenen Ausführungsbeispiels besteht aus etwa 1000 Λ dickem, thermisch gezüchtetem Siliciumoxid, das direkt auf der Gate-Elektrode 28 niedergeschlagen ist, und etwa 1,0 um dickem aufgedampften Siliciumoxid auf der thermischen Oxidschicht.

Die Gate-Elektrode 28 des Speicherelements nach F: g. 2 wird im Gegensatz zum Speicherelement nach F i g. 1 ohne Verwendung einer Gate-Auflade-Elektrode (Elektrode 18 in Fig. 1) aufgeladen. Die Ladung wird über die metallischen Kontakte 32, 33, die Source- oder Drainzone und das Substrat zur Gate-Elektrode 28 transportiert. Die Ladung wird der Gate-Elekirode 28 dabei durch die Isolierschicht 26 hindurch zugeführt, indem ein Avalanche-Durchbruch in einem der von den Zonen 22 und 24 im Substrat gebildeten PN-Übergänge erzeugt wird. In F i g. 2 ist die Zone 22 über den Kontakt 32 und die Leitung 35 geerdet, während die Zone 24 über den Kontakt 33 und die Leitung 34 an einer negativen Spannung liegt. Auch das Substrat ist geerdet. Um die Gate-Elektrode 28 zu laden, wird an die Leitung 34 eine Spannung solcher Größe angelegt, daß in dem /wischen der Zone 24 und dem Substrat 20 gebildeten Übergang ein Avalnache-Durchbruch stattfindet. Beim Auftreten dieses Durchbruchs treten die in der PN-Übergangs-Sperrzone 36 erzeugten Elektroden hoher Energie unter dem Einfluß des elektrischen (Rand-) Feldes durch die Isolierschicht 26 zur Gate-Elektrode 28 durch. Nach der Aufladung bleibt die Gate-Elektrode 2H

schnitte in diesem Ladungszustand, da für die in der Gate-Elektrode 28 gesammelten Elektroden wegen der vollständigen Isolation des Gates kein Entladungsweg zur Verfügung steht. Das nach Abnahme der Aufladespannung von dem Speicherelement an der geladenen Gate-Elektrode erhaltene elektrische Feld ist nicht stark genug, um die Ladung durch die Isolierschicht 26 zurückzuführen. Selbstverständlich kann bei der Aufladung der Gate-Elektrode 28 am Substrat und/oder Kontakt 32 auch ein vom Erdpotential versehirdenes Potential angelegt werden.

Theoretische Berechnungen haben ergeben, daß die Ladung in der Gate-Elektrode 28 auch bei Arbeitstemperaturen von 125° C für einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren erhalten bleibt. Der beschriebene Avaianche-Durchbruch tritt typischerweise bei einer Spannung von etwa 30 Volt auf. wenn herkömmlich hergestellte MOS-Bauelemente verwendet werden, und wenn die Oxidschicht 26 eine Dicke von etwa 1000 Ä hat. Bei einem typischen Speicher nur zum Auslesen wird der Ladungszustand der Gate-Elektrode 28 durch Abtasten der Leitungseigenschaften des Transistors an den Kontakten 32 und 33 bestimmt. Zu diesem Zweck wird eine Spannung an die Kontakte 32 und 33 angelegt. Diese Spannung sollte unterhalb der zur Verursachung eines Durchbruchs erforderlichen Spannung liegen. Der als Speicherelement verwendete Feldeffeiaransistor hat bei aufgeladener Gate-Elektrode eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als in ungeladenem Zustand.

In Fig. 3 ist ein elektrisch programmierbares Speicherelement in Form einer Kombination auf einem Bipolartransistor und einem Feldeffekttransistor gezeigt. Dieses kombinierte Bauelement ist auf einem N-Ieitenden Siliziumsubstrat 40 aufgebaut. Wie bei dem zuvor beschriebenen Speicherelement gemäß Fig. 2 sind erste und zweite Zonen mit einem dem Substrat 40 entgegengesetzten Leitungstyp vorgesehen, zwischen denen eine Kanalzone 41 gebildet ist. Die erste Zone 43 ist P+ leitend und entspricht der Source-Zone bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel; die mit 44 bezeichnete Zone des Bauelements stellt einerseits die zweite Zone (Drain-Zone) des Feldeffekttransistors und andererseits die Basis des Bipolartransistors dar. Diese zweite Zone 44. die ebenfalls P+ leitend ist, liegt auch innerhalb des Substrats 40. In der zweiten Zone 44 liegt eine dritte Zone 45, welche N++leitend ist und den Emitter des Bipolartransistors darstellt. Eine vierte N + + Zone 46 liegt mit Abstand von den Zonen 43 und 45 im N-ieitenden Substrat 40 und bildet den Kollektor des Bipolartransistors. Die Zonen 43, 44, 45 und können mit bekannten Herstellungstechniken im N-leitenden Substrat gebildet werden. Eine auf schwimmendem Potential befindliche Gate-Elektrode 42 liegt isoliert oberhalb der Kanalzone 41. Sie kann aus Metall oder P+ Silizium bestehen. Die Gate-Elektrode ist vollständig von Isolierschichten 47 und 55 umgeben. Von den Zonen 43 und 44 und der Kanalzone 41 ist die Gate-Elektrode durch eine Isolierschicht 47 einer Dicke von etwa 1000 A getrennt. Alle Isolierschichten bestehen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus Siliziumoxid.

Kontakte 49,50 und 51 sind an den Zonen 43,45 bzw. 46 angeschlossen. Diese beispielsweise aus Aluminium oder anderen Metallen bestehenden Kontakte können unter Verwendung bekannter Techniken angebracht werden. An den Kontakten 49,50 und 51 sind Leitungen 52, 53 und 54 angeschlossen. Auf der Oberseite des Substrats 40 liegt eine Isolierschicht 48, welche die Kontaktzonen begrenzt und die Oberfläche des s Bauelements schützt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht auch die Isolierschicht 48 aus Siliziumoxid.

Um eine Ladung in die Gate-Elektrode 42 des Bauelements einzuführen, wird eine negative Spannung ,ο an die Leitung 53 angelegt, während die Leitung 52 geerdet wird. Die Spannung muß genügend hoch sein, um einen Avalanche-Durchbruch in dem zwischen der Zone 44 und dem Substrat 40 gebildeten Übergang zu verursachen. Hierdurch werden Elektroden durch die Isolierschicht 47 in die Gate-Elektrode 42 injiziert und diese wird negativ aufgeladen. Die in der Gate-Elektrode 42 gespeicherte negative Ladung erzeugt eine permanente N-leitende Schicht in der Kanalzone 41, wodurch ein Leitungsweg von der Basis 44 des Bipolartransistors zur Leitung 52 entsteht. Die Aufladung der Gate-Elektrode 42 kann durch negative Vorspannung der Zone 43 oder dadurch, daß die Leitung 52 nicht geerdet wird, verhindert werden. Durch wahlweisen Anschluß der Leitung 52 kann das Bauelement daher geeignet programmiert werden. Zur Abtastung des Ladungszustandes der Gate-Elektrode wird der Basis 44 des Bipolartransistors über die Leitung 52 Strom zugeführt, während die Leitung 53 an Erde liegt. Wenn die Gate-Elektrode geladen ist, schaltet der Bipolartransistor durch und sein Kollektor 46 wird über den Transistor an Erde gelegt. Wenn die Gate-Elektrode nicht geladen ist, wird der Bipolartransistor mit dem gleichen vorgegebenen Signal an seiner Basis nicht durchgesteuert. Der Vorteil des durch das Speicherelement elektrisch programmierbaren Bipolartransistors liegt in seiner hohen Arbeitsgeschwindigkeit, was seine Verwendung in schnellen (Zugriffszeit kleiner als 100 ns) Bipolarspeichern zum Auslesen ermöglicht. Durch die beschriebene Kombination eines Bipolartransistors und eines Speicherelements mit Gate-Elektrode können die Eigenschaften des Bipolartransistors programmiert und individuell angepaßt werden. Dies hat den Vorteil, daß zunächst Bauelemente in großer Anzahl identisch hergestellt werden und die Eigenschaften bestimmter Transistoren durch Speicherung einer Ladung im integrierten Speicherelement später nach Wunsch elektrisch geändert werden können. Das beschriebene Speicherelement arbeitet nicht nur digital, sondern es kann Ladungen auch proportional zum angelegten Eingangssignal speichern, also auch analog arbeiten.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Entfernung der Ladung von der Gate-Elektrode 28 bzw. (Löschen). Experimente haben gezeigt, daß mit Hilfe einer Röntgenstrahlung von 2 χ 10⁵ rad die Ladung von den Gate-Elektroden 28 und 42 entfernt werden kann, auch wenn die Strahlung durch die Halterung oder das Gehäuse des Transistors aufgebracht wird. Auch einedirekt auf den Transistor aufgebrachte UV-Strahlung in der Größenordnung von 4eV hat eine Entfernung der Ladung aus den Gate-Elektroden 28 oder 42 zur Folge. Die Ladung kann auch durch hohe Temperaturen (z. B. 450° C) entfernt werden, jedoch können hierbei bleibende Beschädigungen des Speicherelements eintreten.

Hierzu 1 BIa; ϊ Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Feldeffekttransistors mit vollständig von Isoliermaterial umgebener Gate-Elektrode, einem η-leitenden Substr U und mit in gegenseitigem Abstand angeordneten, als Source und Drain wirkenden η-leitenden Zonen, die mit dem Substrat zwei pn-Übergänge bilden, als Speicherelement, bei dem die Gate-Elektrode sich auf schwimmenden Potential befindet und zur Ladungsspeicherung durch Elektronen aufgeladen wird, die aus dem Substrat heraus und durch die zwischen Substrat und Gate-Elektrode liegende Isolierschicht hindurchtreten, und bei dem der Ladungszustand der is Gate-Elektrode aus den Leitfähigkeitscigenschaften des Kanalgebietes zwischen Source und Drain festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Feldeffekttransistor mit nur einer einzigen Gate-Elektrode zu deren Aufladung an das Substrat (20) einerseits und an Source- (22) oder Drain-Zone (24) andererseits eine einen Avalanchc-Durchbruch an dem zwischen der Zone und dem Substrat gebildeten pn-Übergang hervorrufende Spannung angelegt wird. ^s

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Betrieb einer mit einem bipolaren Transistor integrierten Feldeffekttransistors, bei dem eine der als Source oder Drain wirkenden p-leitenden Zonen (44) des Feldeffekttransistors zugleich als Basiszone des bipolaren Transistors dient und bei dem in dieser Zone (44) eine n-leitcnde Zone (45) angeordnet ist, die als Emitterzone des bipolaren Transistors dient, dessen Kollektorzone vom η-leitenden Substrat (40) gebildet wird (Fi g. 3).