DE2201028A1 - Feldeffekt-Speicherelement - Google Patents
Feldeffekt-SpeicherelementInfo
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Description
PATENTANWÄLTE ZfUl
ESSEN-BREDENEY · ALFREDSTRASSE 383 · TELEFON: (0 2141) 47 26
TELEGRAMMADRESSE: EUROPATENTE ESSEN
Neuanmeldung
Name d.Anm,
Corporation Po-*-****, Es.en Nr. 7e av
lyieln Zeichen: I 78 DatunrgQ* ΟβΖβΙϊΛθΓ 1971
Intel Corporation, 365 Middlefield Road, City o£
Mountain View, Staat Kalifornien (V,St.A.)
Feldeffekt-Speicherelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldeffekt-Spei.cherelement
mit elektrisch veränderlicher schwebender Gate-Elektrode,
In der deutschen Patentanmeldung P 21 29 181«6 hat die
Anmelderin einen Transistor mit elektrisch schwebender Gate-Elektrode sowie ein elektrisches Verfahren zum
Aufladen des Transistors vorgeschlagen- Dabei wurde von bekannten Bauelementen ausgegangen, die nach Aufbau
und Arbeitsweise unterschiedlich sind. Diese Uhterr·
schiede bestehen in folgendems (1) Verwendung dünner,
zusammengesetzter dielektrischer Schichten (im Vergleich
zu einem relativ dicken Einzeldielektrikum, zum Beispiel dicker als 500 bis 1.000 A gemäß vorliegender Erfindung);
(2) Verwendung starker elektrischer Felder zur Erzielung eines Tunneleffekts (tunneling) (im Vergleich zu
der schwachen Feldinjektion bei der vorliegenden Erfindung) ; und (3) Verwendung einer zweiten Gate-Elektrode
innerhalb des aktiven Bereichs des Elements (zum Beispiel im Vergleich zu der vorliegenden Erfindung, bei
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Z/8
der eine zweite Gate-Elektrode außerhalb des aktiven Bereichs
verwendet werden kann).
Das in der älteren Anmeldung beschriebene Speicherelement weist eine schwebende, das heißt elektrisch freie
Silizium-Gate-Elektrode, vorzugsweise aus p-leitendem
Silizium, auf, die vollständig von Siliziumoxid umgeben
ist und zwischen zwei p+-Gebieten angeordnet ist, welche
einen Kanal in einem η-leitenden Siliziumsubstrat definieren*
Xn diesem Zusammenhang wird ein Verfahren zum Aufbringen elektrischer Ladung auf die schwebende Gate-Elektrode
angegeben, bei dem ein Lawinendurchbruch zwischen einem der beiden p*-Gebiete und dem Substrat hervorgerufen
wird· Dieser Lawinendurchbruch bewirkt eine Elektroneninjektion in die schwebende Gate-Elektrode,
wodurch diese aufgeladen wird· Zum Entfernen der Ladung wird gemäß diesem älteren Vorschlag der Transistor einer
Röntgenstrahlung oder ultraviolettem Licht ausgesetzt.
Die vorliegende Erfindung macht von einem ähnlichen Speicherelement
Gebrauch, wobei eine zusätzliche Gate-Elektrode verwendet wird, um die Ladung elektrisch von der
schwebenden Gate-Elektrode abzuziehen· Bei einer alternativen
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speicherelements, bei der zwei zusätzliche Gate-Elektroden neben
der schwebenden Gate-Elektrode verwendet werden, wird eine Ladung auf die schwebende Gate-Elektrode aufgebracht
bzw· von dieser abgezogen, ohne einen Stromfluß zwischen den p+-Gebieten zu induzieren· Durch die
vorliegende Erfindung wird also eine elektrische Methode zum Entfernen der Ladung von einem Speicherelement mit
schwebender Gate-Elektrode zur Verfügung gestellt, die eine Alternative zu der auf der Zuführung ultravioletten
Lichts oder Röntgenstrahlen zu dem Transistor basierenden Methode gemäß der oben genannten älteren An-
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darstellt· Die erfindungsgemäß zu diesem Zweck
zur Verfugung gestellten Mittel sind insbesondere deshalb vorteilhaft, da sie keine zusätzliche Einrichtung
zum Löschen oder Ändern der gespeicherten Information erforderlich machen*. Dabei kann jedes einzelne Bit der
gespeicherten Information In geeigneter Weise geändert
werden.
Erfindungsgemäß ist ein Feldeffekt-Bauelement vorgesehen, das in bevor-iugter Ausführung ein Paar von mit gegenseitigem
Abstand angeordneten, einen Kanal in einem Siliziumsubstrat entgegengesetzten Leitungstyps definierenden
Gebieten (zum Beispiel Source- und Drain-Elektrode) aufweist. Eine elektrisch schwebende Gate-Elektrode aus
dotiertem polykristallinen. Silizium ist über dem Kanalbereich angeordnet und vollständig von Siliziumoxid umgeben*
Eine zweite Gate-Elektrode liegt Über der schwebenden Gate-Elektrode und ist gegenüber dieser elektrisch
isoliert· Eine elektrische Verbindung ist in der für Feldeffekttransistoren typischen Weise zu den Source-
und Drain-Gebieten hergestellt. Eine Ladung wird auf die schwebende Gate-Elektrode dadurch aufgebracht, daß
ein Lawinendurchbruch zwischen wenigstens einem der Gebiete und dem Substrat oder daß eine Lawineninjektion
von der Oberfläche beider Gebiete hervorgerufen wird.
Die Ladung wird elektrisch von der schwebenden Gate-Elektrode
dadurch entfernt, daß eine Spannung an die zweite Gate-Elektrode angelegt wird, deren Polarität
in geeigneter Weise auf die an den Source- und Drain-Gebieten und dem Substrat aufrechterhaltenen Spannungen
bezogen ist. Die Ladung kann auch dadurch von der schwebenden Gate-Elektrode abgezogen werden, daß eine Spannung
an die Source- und Drain-Gebiete angelegt wird, die bezüglich der ah der zweiten Gate-Elektrode und dem Substrat aufrechterhaltenen Spannung geeignet gepolt
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Xn folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcfepielen näher erläutert.
Zn der Zeichnung zeigen:
Fig· 1 eine Querschnittansicht auf ein erfindungsgemäß auegebildetes Bauelement mit schwebender Gate-Elektrode;
Fig· 2 ein Diagramm* das die verschiedenen! bei dem
Bauelement gemäß Fig«, 1 auftretenden Kapazitäten darstellt;
Fig· 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Bauelements nach Fig. 1, bei dem sich die zweite Metall-Gate-Elektrode nicht Ober den aktiven Bereich des Bauelements erstreckt;
Fig« 4 eine andere Ausführungsform des Bauelements nach Fig· 1 mit einer dritten Metall-Gate-Elektrode» und zwar als Schnittansicht längs
des Kanals;
Fig. 5 eine Draufsicht auf das Bauelement gemäß Fig. 4;
Fig. 6 eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit p-leltendera Substrat und p-leitender Gate-Elektrode; und
Fig· 7 eine andere alternative Ausfuhrungsform der
Erfindung, ähnlich derjenigen gemäß Fig. 6,
Jedoch ohne Source- und Drain-Gebiete.
Das in Fig· 1 im Schnitt dargestellte Bauelement 1st Teil eines Substrats 2 aus η-leitendem Siliziummaterial.
Zwei ρ*** Gebiete 3 und 4, die über 1 icherweise als Drain- und Source-Gebiete bezeichnet werden, sind in gegenseitigem Abstand im Substrat 2 angeordnet und bilden dadurch einen Kanal (Bereich) 12« Eine elektrisch schwebende Silizium-Gate-Elektrode 8 ist über dem Kanal 12
angeordnet und von diesem durch eine Siliziumoxidschicht
isoliert« Diese Schicht hat bei einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens eine Stärke von 1.000 X. Eine
zweite Gate-Elektrode 10 ist bei dem beschriebenen Aus-
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führungsbsiepiel eine Metall-Gate-Elektrode, an die ein
Leiter 16 angeschlossen ist· Die Gate-Slekfcrode 10 liegt
über der schwebenden Gate-Elektrode θ und ist durch eine
Siliziumoxidschicht 9 von dieser isoliert· Die Siliziumoxidschicht 9 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine
Dicke von wenigstens etwa 1.000 A. An den Gebieten 3
bzw· 4 sind metallische Anschlüsse 5 bzw. 6 vorgesehen,
über die der elektrische Kontakt mit diesen Gebieten in geeigneter Weise hergestellt werden kann« Die Isolierschichten
7,8 und 11 können, wie oben bereits angegeben wurde, aus Siliziumoxid ( zum Beispiel SiO, SiO2) bestehen, das niedergeschlagen oder aufgewachsen ist·
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die schwebende Gate-Elektrode 8 von isolierendem Material umgeben» Die Gate-Elektrode 8 besteht vorzugsweise aus
polykristallinem p-leitendem Silizium· Diese Slliaium-Gate-Elektrode
8 wird zusammen mit einem n-leitenden Substrat 2 verwendet, jedoch können Substrate aus anderen
Materialien und von einem anderen Leitfähigkeits~
typ sowie andere Gate-Materialien, zum Beispiel Metal1-Gate-Elektroden
Verwendung finden· Bezüglich der Vorteile und der Technologie einer Silizium-Gate-Elektrode
wird auf ISEE Spektrum, Band 6, Nr. 10v Oktober 1969
"Silicon Gate Technology", Seite 28 von Vadasz, Grove,
Rowe und Meiere verwiesen« Das Bauelement gemäß Fig· I
kann unter Verwendung der daraus bekannten Methoden hergestellt werden·
Bei der in FIg* 1 dargestellten Baueinheit kann eine
elektrische Ladung durch die in der oben genannten Siteren Anmeldung der Anmelderin erörterten Methoden auf
die elektrisch schwebende Gate-Elektrode 8 aufgebracht
werden. So kann beispielsweise eine Spannung an einen der Anschlüsse 5 oder 6 angelegt werden, die bezüglich
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dee Potentiale des Substrate 2 und dee anderen Anschlusses
negativ und ausreichend hoch ist, un einen Durchbruch in dem durch das mit dem Anschluß und dem Substrat
verbundene Gebiet definierten Übergang hervorzurufen·
Dieser Durchbruch ruft eine Elektroneninjektion auf die schwebende Gate-Elektrode 8 hervor. Sobald die Gate-Elektrode
8 aufgeladen ist, ändern sich die Eigenschaften beziehungsweise der Zustand des in Fig. 1 dargestellten
Bauelements beträchtlich (zum Beispiel leitend oder nichtleitend)
, wodurch dem Bauelement die Möglichkeit gegeben ist, zusammen mit zahlreichen anderen Bauelementen
in solchen Anwendungsfällen als Speicherelement wirksam zu sein·
Erfindungsgemäß kann die auf die schwebende Gate-Elektrode 8 aufgebrachte Ladung durch Anlegen einer Spannung
an den Leiter 16 entfernt bzw· abgezogen werden, und zwar einer Spannung, die bezogen auf die an den Anschlüssen
5, 6 und dem Substrat 2 anliegende Spannung positiv ist. Wenn beispielsweise das Substrat 2 und die Anschlüsse
5 und 6 bei dem hier beschriebenen Bauelement auf Erdpotential liegen, so bewirkt das Anlegen eines Potentials
von angenähert 35 V an die zweite Gate-Elektrode 10 über den Leiter 16, daß die Ladung von der schwebenden
Gate-Elektrode 8 abgezogen bzw« entfernt wird· Der physikalische
Mechanismus der LadungsabfOhrung ist vermutlich
in der Form einer Lawineninjektion von der p-leitenden Gate-Elektrode durch die Oxidschicht 9 zur zweiten
Metall-Gate-Elektrode 10 zu sehen« Die Lawineninjektion
von Trägern in thermische Oxidschichten in Abhängigkeit vom Anliegen einer Spannung an einer Metallelektrode eines MOS-Kondensators (Metalloxid-Halbleiter-Kondensator)
wurde von E.H. Nicollian und A. Goetzberger In Transaction of Electronic Divices, E-D 15, 686
(1968) beschrieben. Das dort beschriebene Phänomen kann zur Erläuterung des für die Ladungsabführung von der
schwebenden Gate-Elektrode 8 maßgeblichen Mechanismus herangezogen werden«
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-τ-
Die Ladung kann außerdem dadurch von der schwebenden
Gate-Elektrode 8 abgesogen «erden, daß eine Spannung an
die Gebiete 3 und 4 angelegt wird, wobei die Spannung
gegenüber der an der zweiten Gate-Elektrode 10 und dem Substrat 2 anliegenden Spannung negativ ist.
Fig. 2 zeigt verschiedene Kapazitäten, die bei dem in Fig* 1 dargestellten Bauelement auftreten. Die Kapazität
zwischen der zweiten Gate-Elektrode 10 und der schwebenden Gate-Elektrode 8 ist in Fig. 2 als Cg*g dargestellt.
Die Verbindung 15 gemäß Fig. 2 stellt die schwebende Gate-Elektrode 8 dar· Die dem Gebiet 4 und der
schwebenden Gate-Elektrode 8 zugeordnete Kapazität ist
als Cgs (Gate-Source) dargestellt, die Kapazität zwischen der schwebenden Gate-Elektrode 8 und dem Substrat
2 ist als C bezeichnet, und die dem Gebiet 3 und der
schwebenden Gate-Elektrode 8 zugeordnete Kapazität ist als Cgd (Gate-Drain) angegeben· Damit die Ladung in geeigneter
Weise von der Gate-Slefctrode 8 entfernt werden
kann, sollte die Hauptkorapcmonte des durch die Potentialdifferenz
zwischen der Gate-Elektrode 10 und dem Substrat 2 und den Gebieten 3 und 4 hervorgerufenen elektrischen
Feldes über der Isolierschicht 9 wirksam sein· Aus Fig;
2 ist ersichtlich, daß eine MSglichkeit, den Hauptanteil des elektrischen Feldes über der Schicht 9 zur
Wirkung zu bringen, darin besteht, daß das Verhältnis der Kapazität Cg*g und der Kombination aus Cgs, Cg und
Cgd relativ klein gemacht wird. Wenn zum Beispiel:
Cg'g
Cgs + Cgd + Cg
» 0,1
so kann die Ladung bei dem in Figo l dargestellten Bauelement
in geeigneter Weise von der schwebenden Gate-Elektrode 8 durch Anlegung einer Spannung von angenähert
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35 Volt an die Gate-Elektrode 10 über die Leitung 16
abgeführt werden, wobei diese Spannung ausreichend weit unterhalb desjenigen Spannungswertes liegt, der
eine Beschädigung der Oxidschichten 7 oder 9 hervorrufen könnte. Dieses Kapazitätsverhältnis ist bei dem
Bauelement gemäß Pig· 1, bei dem die bekannte MOS-Technologie
Verwendung findet, leicht erzielbar.
Wenn dieses elektrisch zustandsveränderliche Speicherelement in einer integrierten Speicher-Schaltungsanordnung
angesetzt werden soll, wäre es zweckmäßig,, die
schwebende Gate-Elektrode mit einer Spannung zu entladen, welche dieselbe Polarität hat wie die zur Aufladung
der Gate-Elektrode erforderliche Spannung· Ein solches Merkmal würde die Einbeziehung der Speicherelemente
und der Dekodierschaltung für die Speicheranordnung
auf einem einziqen Plättchen erleichtern.
Ladung kann von der schwebenden Gate-Elektrode 8 durch Anlegung einer negativen Spannung an die Source- und
Drain-Gebiete 3 und 4 unter Festhalten der oberen Gate-Elektrode 10 und des Substrats 2 auf Erdpotential entfernt
werden* Dabei sollte das folgende Kapazitätsverhältnis erreicht werden:
Cg'g + Cg
~* 0,1
Cgs + Cgd
damit der Hauptteil der angelegten Spannung über der
Cg'g-Kapazität abfällt.
Da Cgs und Cgd in der Regel kleiner als Cg sind, kann es schwierig seinj das geeignete Kapazitätsverhältnis
für das in Fig. 1 gezeigte Bauelement zu erreichenο Eine
Möglichkeit, diese Schwierigkeit zu überwinden, besteht darin, daß gemäß der Ausführungsform nach Figo 4 eine
dritte Gate-Elektrode 27 verwendet wird.
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Die Fig· 4 und 5 zeigen eine andere Ausführungsform eines
Speicherelemente* bei der eine zusätzliche Gate-Elektrode 27 vorgesehen ist. Bei der Darstellung gemäß Fig· 4 ,
ist zu beachten, daß diese eine Ansicht längs des Kanals des Feldeffekttransistors zeigt, bei der die in Fig. 1
gezeigten Source- und Drain-Gebiete nicht sichtbar sind«
Das Bauelement nach den Fig. 4 und 5 weist ein n~leitendes
Silizium-Substrat 20 und zwei in gegenseitigem Abstand angeordnete, p-leitende Gefciete (30 und 31 in Fig.
5) auf, die gewöhnlich als Source- und Drain-Gebiete bezeichnet werden. Die schwebende Gate-Slektrode 25 ist
allgemein ein langgestrecktes Gate aus p-leitendem Silizium»
Die Gate-Elektrode 25 ist von einer Isolierung vollständig umgeben, welche in bevorzugter Ausführung
aus Silizium besteht und als Schichten 21 und 22 dargestellt ist« Die schwebende Gate-Elektrode 25 hat einen
rechteckigen Endbereich, über dem eine dritte Gate-Elektrode 27 angeordnet ist. Die Gate-Elektrode 25 ist in
bevorzugter Ausgestaltung von dem Substrat 20 im Bereich zwischen den p-leitenden Gebieten 30 und 31 durch eine
Oxidschicht von angenähert 1.000 A Stärke getrennt· Dieser Bereich ist In Fig. 4 mit 32 bezeichnet· Der übrige
Teil der Gate-Elektrode 25 ist von dem Substrat 20 durch eine beträchtlich dickere Isolierschicht getrennt. Die
zweite Gate-Elektrode 26, die als übliche Metall-Gate-Elektrode ausgeführt sein kann, ist von der schwebenden
Gate-Elektrode 25 vorzugsweise durch eine Oxidschicht von angenähert 1.000 A Dicke getrennt. Die Gate-Elektrode 26
liegt oberhalb und zwischen den p-leitenden Gebieten 30
und 31 (Source und Drain). Die dritte Gate-Elektrode 27, die ebenfalls als Metallelektrode ausgeführt sein kann,
liegt über dem Ende der schwebenden Gate-Elektrode 25,
weist einen rechteckigen Bereich auf und ist von der schwebenden Gate-Elektrode durch eine Io000 A Dicke Sillziumoxidschicht
getrennt. Ein Leiter 28 ist mit der Gate-Elektrode 27 und ein Leiter 29 mit der Gate-Elekfcro-
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de 26 verbunden* Das In den Fig· 4 und 5 dargestellte
Bauelement kann ebenfalls unter Verwendung der bekannten MOS-Technologie hergestellt werden· Es kann mit anderen Leitungstypen sowie auch mit anderen Halbleitermaterialien
aufgebaut werden.
Bs sei angenommen, daß die Kapazität zwischen der dritten Gate-Elektrode 27 und der schwebenden Gate-Elektrode
25 Cg''g, die Kapazität zwischen den p-leitenden Gebieten
30 bzw. 31 und der schwebenden Gate-Elektrode Cgs bzw. Cgd, die Kapazität zwischen der schwebenden Gate-Elektrode
25. und dem Substrat 20 Cg und die Kapazität zwischen der zweiten Gate-Elektrode 26 und der schwebenden
Gate-Elektrode 25 Cg'g ist. Wie oben erläutert, ist
es möglich, eine elektrische Ladung von der schwebenden
Gate-Elektrode 8 bei der Ausführung genäß Fig· I dadurch
abzuführen, daß eine gegenüber dem Substrat und der zweiten Gate-Elektrode 10 negative Spannung an die
Source- und Drain-Elektroden über die Anschlüsse 5 und
6 angelegt wird· Es kann jedoch, wie ebenfalls oben erwähnt, schwierig sein, das geeignete Kapazitätsverhältnis
zu erzielen, um ein elektrisches Feld ausreichender Stärke zur Entfernung der Ladung von der schwebenden
Gate-Elektrode 8 aufzubauen. Mit der zusätzlichen Verwendung der dritten Gate-Elektrode 27 gemäß Ausführungsform
nach Fig. 4 erhält man,, wie leicht zu sehen ist, bei Festhalten.der dritten Gate-Elektrode auf -V-Potential
das durch Gleichung 2 dargestellte Kapazitätsverhältnis:
Cg»g + Cg
Cgs + Cgd ♦ Cg' 'g
Daher liegt die durch die dritte Metall-Gate-Elektrode
27 hervorgerufene Kapazität (Cg*fg) parallel su Cgs und
Cgd, so daß die Möglichkeit besteht, die Cg**g zugeordnete Kapazität so auszulegen, daß ein niedriges Kapazitätsverhältnis
(z« B. 0,1) erreicht wird·
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USn die Ladung von der schwebenden Gate-Elektrode 25 bei
der Ausführung nach den Pig· 4 und 5 durch die Gebiete 30 und 31 abzuführen, kann das Substrat 20, die zweite
Gate-Elektrode 26 und die dritte Gate-Elektrode 27 auf
Brdpotential gehalten werden, und ein negatives Potential an die Gebiete 30 und 31 angelegt werden· Dies ermöglicht
die Ladungsabführung von der schwebenden Gate-Elektrode
25 bei relativ niedriger Spannung. Diese Spannung liegt ausreichend weit unter derjenigen Spannung,
bei der eine Zerstörung oder Beschädigung einer Komponente des Bauelements hervorgerufen werden könnte.
Neben der Möglichkeit der Anlegung von Spannungen gleicher Polarität zum Auf- und Entladen bietet das Bauelement
in der Ausführung gemäß den Fig. 4 und 5 auch die Möglichkeit, in einer vom Aufladungsmodus bei dem Bauelement
gemäß Pig· I abweichenden Weise aufgeladen werden zu können. Wie obea erläutert wurde, kann die zusätzliche
dritte Gate-Blektrode bei geeigneter Vorspannung zur Steuerung der Spannlingsabfälle an der Anordnung
verwendet werden. Wenn xier Leiter 28 auf Erdpotential
(statt auf -V) gehalten wird, viähreiad sowohl die Sourceals
auch die Drain-E3a ktrode gegenüber dem geerdeten Substrat und der geerdeten Gate-Elektrode 26 auf -V vorgespannt
sind, ergibt sich für das die Spannungsverteilung in dem Bauelement darstellende.Kapazitätsverhältnis
in Gleichung 2 der Ausdruck:
Cg*g + Cg + Cg' 'g
Cgs + Cgd
Da dieses Verhältnis größer als 1 ist, fällt der größte Teil der angelegten Spannung zwischen der schwebenden
Gate-Elektrode und den Source- und Drain-Gebieten an den Kapazitäten Cgs und Cgd ab« Für einen ausreichend
großen Wert von -V I**35,0 Volt) ruft die positiv vorge-
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spannte schwebende Gate-Elektrode eine starke Verarmung
in den p+-Source~ und Drain-Gebieten hervor, wodurch
sich eine Lawinen-Elektroneninjektion aus diesen Gebieten in die schwebende Gate-Elektrode ergibt. Dies stellt
eine neue Aufladungsart für die schwebende Gate-Elektrode dar, bei der sowohl die Source-Elektrode als auch die
Drain-Elektrode auf demselben Potential gehalten werden, so daß kein Stromfluß zwischen diesen Gebieten während
des Aufladens stattfindet.
In den nachfolgend angegebenen Tabellen sind zwei Betriebsweisen des Bauelements in der Ausführung nach den
Fig. 4 und 5 gezeigt. Die Betriebsweise 1 ist eine Auflade- und Entlademethode, bei der das Aufladen in der
den» älteren Vorschlag der Anmelderin entsprechenden Weise erfolgt und das Entladen nach der hier erläuterten
Weise durchgeführt wird. Bei dieser Betriebsweise bedingt das Aufladen einen Stromfluß zwischen den Drain-
und Source-Gebieten, da ein Leitungsweg zwischen den beiden Gebieten hergestellt wird. Die Betriebsweise 2
zeigt die alternative Aufladungsmethode für das Bauelement gemäß den Fig· 4 und 5, bei der die schwebende Gate-Elektrode
durch Lawineninjektion gleichzeitig von den Source- und Drain-Gebieten aufgeladen wird. Bei dieser
Betriebsweise liegen die Source- und Drain-Elektroden auf demselben negativen Potential gegenüber der schwebenden
Gate-Elektrode, so daß kein Strom zwischen den beiden Gebieten fließen kann. Die Entladung erfolgt in jedem
Falle durch Lawineninjektion statt durch Tunneleffekt (tunneling)» Diese Injektion ist durch relativ niedrige
Spannungen unterhalb von £0 Volt und eine dicke Oxidschicht
in der Größenordnung von 1.000 A und mehr charakterisiert. In jeder der Tabellen stellt ffDM die an die
Drain-Elektrode (beispielsweise Gebiet 30 in Fig· 5) angelegte Spannung und "S" die an die Source-Elektrode
(beispielsweise Bereich 31 gemäß Fig. 5) dar. Das zwei-
209836/1041
te Metall-Gate ist in Fig· 4 als Gate-Elektrode 26 und
das dritte Metall-Gate in Pig· 4 als Gate-Elektrode 27
dargestellt. -V bedeutet in den Tabellen eine negative Spannung, die an der angegebenen Komponente des Elements
angelegt ist, *V bedeutet eine positive, an die angegebene
Komponente des Bauelements angelegte Spannung, und "0" gibt an, daß die zugehörige Komponente des Bauelements
auf Erdpotential gehalten ist» Die Betriebs-Spalte gibt an, ob das Bauelement während der angegebenen speziellen Spannungsbedingungen aufgeladen oder entladen
wird« So kann beispielsweise eine Ladung auf die schwebende Gate-Elektrode 25 aufgebracht werden, indem eine
negative Spannung an die Gebiete 30 und 31 des Bauelements
gemäß den Fig. 4 und 5 angelegt wird, während die Leiter
28 und 29 auf Erdpotential liegen (wie in der ersten Zeile der Betriebsweise 2 angegeben 1st).
Betriebsweise 1
Betrieb
zweites Gate
drittes Gate
| Aufladung : | -V | 0 | 0 | 0 |
| Entladung : | 0 | 0 | 0 | +V |
| Entladung | -V | -V | 0 | 0 |
Betriebsweise 2
Betrieb
zweites Gate
drittes Gate
| Aufladung | -V | -V | 0 | 0 |
| Aufladung | 0 | 0 | 0 | -V |
| Entladung ; | -V | -V | 0 | -V |
209836/1041
Die in den oben dargestellten Tabellen vorgesehenen Angaben
-V, +V und n0" sollen nur die relativen Potentialdifferenzen
zwischen den verschiedenen Komponenten des Bauelements angeben. So kann beispielsweise bei der
Betriebsweise 1 in der mit "Aufladung1* bezeichneten Zeile
die Drain-Elektrode auf n0M Potential gehalten werden,
wobei ein positives Potential an die Source-Elektrode,
das Substrat, die zweite Gate-Elektrode und die dritte Gate-Elektrode angelegt wird·
Wenn die an das Bauelement angelegten Spannungen in geeigneter Weise gewählt sind, um die auf der schwebenden
Gate-Elektrode gespeicherten Überschußelektronen abzuführen, bewirken sie durch denselben Hechanismus auch
eine teilweise 'Verarmung der Siliziura-Gate-Elektrode an
Elektronen,wenn keine öberschüssige Ladung an der Gate-Elektrode
vorhanden ist· Dies führt au einer negativen Verschiebung der Einschaltspannung des Bauelements. Daher
kann bei der Konstruktion eines Bauelementes der hier beschriebenen Art verwendenden Speichers eine Vorwahl
der Auflade- und Entladespannungen oder deren Einstellwerte erforderlich sein, damit die zum Aufladen der
schwebenden Gate-Elektrode vorgesehene Spannung eine ausreichende Größe hat, um die schwebende Gate-Elektrode
selbst bei teilweiser Elektronenverarmung der schwebenden Gate-Elektrode aufladen zu können* \
In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform des Speicherelements
nach Fig. 1 in Draufsicht dargestellt« Bei
dem in Fig. 3 dargestellten Bauelement sind die Komponenten entsprechend der Ausführung nach Fig» l mit einem
Apostroph an dem zugehörigen Bezugszeichen bezeichnet. So ist beispielsweise das p-Gebiet 4 des Bauelements
nach Fig. 1 Sn Fig« 3 als 4* bezeichnet· Die Gebiete 3*
und 4* der Ausführungsform nach Pig. 3 können in ähnlicher Weise wie die entsprechenden Gebiete bei der Aus-
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führungsfomt nach Fig« 1 augebildet und aufgebaut sein·
Die Anschlüsse 5· und 6* können ähnlich den Anschlüssen
5 und S bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ausgebildet sein» Die schwebende Gate-Elektrode 8· ist von länglicher
Ausführung und erstreckt sich über den aktiven Bereich des Bauelements, das heißt über die durch die gestrichelten
Linien 13 und 14 angegebenen Grenzen hinaus. Die Silizium-Gate-Slefctrode 8* ist ebenfalls vollständig
durch ein Isoliermaterial, zum Beispiel Siliziumoxid»
eingeschlossen und von dem Substrat zwischen den Linien 13 und 14 durch eine Isolationsschicht von bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angenähert 1.000 A Dicke getrennt. Der übrige Teil der Gate-Elektrode 8*
kamt von dera Substrat durch eine Oxidschicht größerer
Stärke getrennt sein» Die zweite Gate-Elektrode 10' ist
über der schwebenden date-Slektrode 8* in einem Bereich
außerhalb der aktiven 2Son@ des Bauelements angeordnet
und bei dem dargestellten AusfÜhrungsbelspiel von der
Silisium-Gate-Elektrede 8* dureh ela@ Siliziumoxidschicht
von angenähert 1·000 A getrennte Die Betriebsweise des
Bauelements gemäß FIg0 3 entspricht derjenigen des Bauelements
gemäß Fig« 1·
Das Bauelement nach Fig. 3 ist leichter herzustellen als das Bauelement gemäß Fig· 1, da die zweite Gate-Elektrode
10* nicht über der aktiven Zone des Bauelements angeordnet
ist.
Eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung ist In Fig. 6 dargestellt, bei der ein p-leitendes
Substrat verwendet wird und der Leitwert zwischen zwei n* Gebieten durch die Speicherung von Ladung auf der
schwebenden Gate-Elektrode 25 moduliert wird. Bei der Aueführungsform nach Fig. 6 findet ein p-leitendes Substrat 20 und eine p+ leitende, polykristalline Silizium-Gate-Elektrode
25 Verwendung, die vom Substrat 20 durch
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eine Isolierende Oxidschicht 36 von einer Stärke von etwa
500 - 1.000 A getrennt und von einer Schicht aus Isoliermaterial eingeschlossen ist· Das Substrat 20 weist
n+ Gebiete 23 und 24 auf, deren Funktion in erster Linie
darin besteht, den Zustand des eine schwebende Gate-Elektrode aufweisenden Bauelements abzutasten, das heißt
festzustellen, ob eine Ladung von der Gate-Elektrode
25 gespeichert ist oder nicht. Ein Paar von Gate-Elektroden 50 und 52 aus einem leitenden Material, zum Beispiel
Aluminium ist über der Gate-Elektrode 25 angeordnet; die beiden Gate-Elektroden 50 und 52 dienen zum Auf- und Entladen
der Gate-Elektrode 25. In typischer Ausführungsform sind die Gate-Elektroden 50 und 52 von der Gate-Elektrode
25 durch eine Schicht aus Isoliermaterial von einer Stärke von angenähert 500 - 1.000 A getrennt« In
Fig. 6 sind die für den Betrieb des Bauelementes hauptsächlich maßgeblichen Kapazitäten mit unterbrochenen Linien
eingezeichnet und als Cg1 g; Cg' *g und Cg bezeichnet,»
Es läßt sich zeigen, daß Lawineninjektion durch ein thermisches
Oxid infolge starker Verarmung eines Siliziumsubstrats zu beträchtlichen Stromdichten der von einer
p-leitenden Siliziumschicht injizierten Elektronen führt,
während der Löcherstrom von einer η-leitenden Siliziumschicht
um einige wenige Größenordnungen kleiner ist. XJu ein n-Kanal-Speicherelement mit elektrisch veränderlichem
Zustand und ähnlichen Eigenschaften wie das Element gemäß älterem Vorschlag der Anmelderin zu erhalten,
ist es zweckmäßig, als schwebende Gate-Elektrode eine polykristalline p+ Silizium-Gate-Elektrode und ein p+
Substrat zu verwenden. Öle Verwendung derartigen p-leitenden
Materials ermöglicht ein Aufladen und Entladen mit Hilfe des Elektronenlawinen-Injektionsmechanismus bei
höherer Stromdichte. Bei Betrieb wird die schwebende Gate-Elektrode durch Lawineninjektion von dem p-leiten-
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den Substrat aufgeladen und durch Injektion von der pleitenden Silizium-Gate-Elektrode au entweder der Gate-Elektrode
50 oder der Gate-Elektrode 52 entladen. Zur Erzielung der günstigsten Betriebsweise sollte ein geeignetes
Kapazitätsverhältnis zwischen den verschiedenen Kapazitäten und der Struktur bzw. Anordnung aufrechterhalten werden. Ein an die Gate-Elektrode 52 angelegter
positiver Spannungsimpuls erzeugt bei geerdeter Gate-Elektrode 50 einen Spannungsabfall in erster Linie über
Cg, wenn die Beziehung gilts
Cg + Cg'g
— « 1
— « 1
cg"g
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ergibt sich bei Anlegen
eines positiven Impulses an die Gate-Elektrode und bei positiver Vorspannung der Source-Elektrode 23
und der Drain-Elektrode 24 eine Lawineninjektion von
dem p-leitenden Substrat 20 zur schwebenden Gate-Elektrode
25. Um die schwebende Gate-Elektrode 25 zu entladen,
wird eine positive Spannung an die Gate-Elektrode 50 bei geerdeten !Gate- 52, Source- 23 und Drain-Elektroden 24
angelegt, Der größte Teil des Spannungsabfalls tritt
über der Kapazität Cg'g auf, wobei eine Elektronen-Lawineninjektion'
von der p* Silizium-Gate-Elektrode 25 zur
Metall-Gate-Elektrode 50 die schwebende Gate-Elektrode
entlädt, Die beiden n+ Gebiete 23 und 24 werden in erster
Linie dazu benutzt, daß Vorhandensein oder Fehlen einer
Ladung auf der Gate-Elektrode durch Messung des Leitwerts
zwischen den Gebieten 23 und 24 abzutasten.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt.
Der konstruktive Hauptunterschied dieser Ausführungsform besteht gegenüber derjenigen nach Fig. 6 darin, daß die
Source- und Drain-Elektroden 23 und 24 und deren Anschlüsse eliminiert sind. Im übrigen ist der Halbleiteraufbau
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der Ausführungsform nach Fig. 6 praktisch mit demjenigen
der Ausführungsform nach Fig« 7 identisch« Diese Änderung
der in Fig· 6 dargestellten Ausführungsform wird möglich gemacht, wenn die Hauptfunktion der Source- und Drain-Gebiete
in der Abtastaufgabe besteht, welche von anderen zur kapazitiven oder elektrostatischen Abtastung verfügbaren
bekannten Einrichtungen erfüllt werden kann« Bei der Außführungsform nach Fig· 7 kann die p-leitende,
schwebende Silizium-Gate-Elektrode 25 bei einem Kapazität sverhältnis von Cg»g zu Cg1'gyin^der folgenden Weise
aufgeladen und entladen werden:
Ein an die Gate-Elektroden 50 und 52 angelegter Spannungsimpuls von angenähert 35 Volt ruft bei geerdetem Substrat
20 einen Spannungsabfall in erster Linie an der Kapazität Cg hervor und bewirkt eine Injektion von dem p-leitenden
Substrat zur schwebenden Gate-Elektrode 25. XM die Gate-Elektrode
zu entladen, wird bei geerdeter Gate-Elektrode 52 und geerdetem Substrat 20 ein positiver Impuls (zum
Beispiel angenähert 35 Volt) an die Gate-Elektrode 50 angelegt. Dies führt zu einer Lawineninjektion von der
schwebenden Gate-Elektrode 25 zum Metall-Gate 50· Das Abtasten
bzw. Feststellen des Ladungszustjijndee der Gate-Elektrode
kann durch bekannte Kapazitäts-Fühleranordnungen erfolgen, welche die Kapazitätsänderung zwischen der
Gate-Elektrode 50' und Erde aufgrund des Vorhandenseins
oder Fehlens einer Ladung auf der schwebenden Gate-Elektrode 25 bestimmt.
Die Erfindung stellt also eine Methode zur Verfugung, um
die auf eine schwebende Gate-Elektrode aufgebrachte Ladung auf elektrischem Wege zu ändern. Alternative Ausführungsformen
des Bauelements, welche die Entfernung der Ladung durch Anlegen einer Spannung an die Source-
und Drain-Gebiete statt über die zweite Gate-Elektrode
ermöglichen, wurden ebenfalls beschrieben« Andere Aus-
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führungsf onsen wurden erläutert, bei denen keine Source-
oder Drain-Gebiete erforderlich sind und die Entladung durch injektion geladener Teilchen von einer p-leitenden
Gate-Elektrode erfolgt. Außerdem kann ein bipolarer Transistor als Teil des Bauelements einbezogeh werden, wie
er im. einzelnen in der oben genannten älteren Annteldung
P 21 29 181·6 der Anmelderin beschrieben ist.
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Claims (9)
- - 20 PatentansprücheLöschbares Feldeffekt-Speicherelement mit einem Substrat eines ersten Leitungstyps, zwei mit gegenseitigem Abstand in dem Substrat angeordneten. Gebieten des entgegengesetzten Leitungstyps und einer zwischen den mit gegenseitigem Abstand angeordneten Gebieten liegenden schwebenden Gate-Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Gate-Elektrode (10 - Pig· 1; 10f - Pig· 3; 26 - Pig. 4, 5) oberhalb der schwebenden Gate-Elektrode (8; 8*; 25) vorgesehen ist, daß eine die schwebende Gate-Elektrode von dem Substrat (20) und der zweiten Gate-Elektrode isolierende Isolierung (7, 9, 11 - Pig. I; 21, 22 - Fig. 4) die schwebende Gate-Elektrode einschließt und daß die zwischen der zweiten Gate-Elektrode und der schwebenden Gate-Elektrode wirksame Kapazität kleiner als die Kapazität zwischen der schwebenden Gate-Elektrode und dem Substrat bemessen ist, so daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die zweite Gate-Elektrode, das Substrat und die im gegenseitigen Abstand angeordneten Gebiete (3 und 4 - Pig. 1; 3' und 4f Fig· 3; 30 und 31 - Fig. 5) eine elektrische Ladung von der schwebenden Gate-Elektrode abführbar ist·
- 2. Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwebende Gate-Elektrode (8; 8'; 25) Silizium und die Isolierung (7 9 9, 11; 21, 22) Siliziumoxid enthält.
- 3. Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (7; 32) zwischen der schwebenden Gate-Elektrode (8; 8»; 25) und dem Substrat (20) wenigstens 1.000 A dick ist und daß die Isolierschicht zwischen der schwebenden Gate-Elektrode und der zweiten Gate-Elektrode (10, 10·; 26) wenigstens 1.000 A dick ist.209836/1041220102§
- 4· Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die schwebende Gate-Elektrode (81) über einen von den mit gegenseitigem Abstand angeordneten Gebieten (3', 41) definierten Kanal hinauserstreckt und daß die zweite Gate-Elektrode ClO') gegenüber dem Kanal seitlich versetzt angeordnet ist«
- 5. Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der schwebenden Gate-Elektrode (25 - Pig« 4, 5; Pig· 6) eine von dieser durch die Isolierung (22, 38) isolierte dritte Gate-Elektrode (27) angeordnet ist, wobei die der dritten Gate-Elektrode zugeordnete Kapazität so gewählt ist, daß sie dazu beiträgt, die Stärke eines bei Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Gate-Elektrode (26) und dem Substrat (20) aufgebauten elektrischen Feldes zwischen der zweiten Gate-Elektrode und der schwebenden Gate-Elektrode wesentlich größer zu machen als zwischen der schwebenden Gate-Elektrode und dem Substrat·
- 6· Elektrisch programmierbares und löschbares .Speicherelement mit einem Substrat eines ersten Leitungstyps, zwei mit gegenseitigem Abstand in dem Substrat angeordneten Gebieten des entgegengesetzten Leitungstyps und einer zwischen den mit gegenseitigem Abstand angeordneten Gebieten liegenden schwebenden Gate-Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite (26; 50) und eine dritte (27; 52) Gate-Elektrode oberhalb der schwebenden Gate-Elektrode (25) angeordnet sind, daß eine die schwebende Gate-Elektrode von dem Substrat (20) und den zweiten und dritten Gate-Elektroden isolierende . Isolierschicht (21, 22; 38) die schwebende Gate-Elektrode vollständig einschließt und daß einen elektrischen Kontakt mit den mit gegenseitigem Abstand angeordneten Gebieten (30, 31; 23, 24) und den zweiten und dritten Gate^-Elektroden herstellende Anschlußvorrichtungen (28, 29; 33209836/1041bis 35) vorgesehen sind, wobei die schwebende Gate-Elektrode durch selektive Anlegung von Spannungen an das Substrat, die in gegenseitigem Abstand angeordneten Gebiete und die zweiten und dritten Gate-Elektroden elektrisch auf- und entladbar ist«
- 7. Speicherelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schwebende Gate-Elektrode (25) Silizium und die Isolierung Siliziumoxid enthält,
- 8· Speicherelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht zwischen der schwebenden Gate-Elektrode (25) und einem von den mit gegenseitigem Abstand angeordneten Gebieten (30, 31; 23, 24) definier-o
ten Kanal wenigstens etwa 1*000 A dick ist« - 9. Speicherelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die schwebende Gate-Elektrode (25) über einen von den mit gegenseitigem Abstand angeordneten Gebieten (30, 31) definierten Kanal hinauserstreckt und daß die dritte Gate-Elektrode (27) gegenüber dem Kanal seitlich versetzt angeordnet ist.209836/1041Leerseite
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |