DE2322198A1

DE2322198A1 - Monolithische speicherzelle und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE2322198A1
Application number: DE2322198A
Authority: DE
Inventors: Jack Arthur Dorler; John Lawrence Forneris; Donald Joseph Swietek
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1974-01-17
Also published as: JPS4958791A; JPS5314428B2; FR2197238B1; IT981611B; US3769559A; FR2197238A1; CA1023856A; GB1421817A

Description

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 971 106

Monolithische Speicherzelle und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft eine monolithische Speicherzelle mit energieunabhängigem Speichervermögen, die zwischen zwei Zuständen unterschiedlichen Widerstandes umschaltbar ist.

Elektrische Schaltvorgänge zwischen einem Zustand hohen und einem Zustand niedrigen Widerstandes wurden bereits in dünnen Schichten verschiedenster Materialien beobachtet. Schalt- und Speicherverhalten bei Halbleiteranordnungen ist beispielsweise in "Proceedings IRE", Vol. 47, 1959, Seiten 1207 bis 1213 beschrieben. Auch in "Applied Physics Letter", 1970, Vol. 17, Nr. 4, Seiten 141 bis 143. ist eine bistabile Anordnung beschrieben, die aus einem materialverschiedenen Halbleiterübergang von ZnSe-Ge, ZnSe-GASAs, GaP-Ge, oder GaP-Si besteht.

Die Nachteile der bekannten bistabilen Anordnungen liegen in den relativ komplizierten Herstellungsverfahren und in ihren elektrischen Eigenschaften, die mit den gegenwärtig üblichen integrierten Halbleitertechnologien unverträglich sind.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine monolithische Speicherzelle mit anzugeben, die in der Lage ist, ihr energieunabhängiges Speichervermögen über eine große Zeitdauer aufrechtzuerhalten, daß sie sich bei geringem Leistungsbedarf

309883/0910

in hoher Dichte integrieren läßt, die hohe Schaltgeschwindigkeiten aufweist und die sich bei hoher Ausbeute mit der gegenwärtigen Halbleitertechnologie verwirklichen läßt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für eine monolithische Speicherzelle mit energieunabhängigem Speichervermögen dadurch gelöst, daß sie aus zwei gegeneinander in Reihe geschalteten Schottky-Dioden auf einem die gemeinsame Elektrode bildenden Halbleitersubstrat besteht und daß das bistabile Widerstandsverhalten durch Anlegen einer Spannung in der einen und dann in der entgegengesetzten Richtung an die Reihenschaltung herbeigeführt wird. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Speicherzelle besteht darin, daß zur Herbeiführung des bistabilen Verhaltens ein Stromfluß in einer ersten Richtung zwischen den beiden Metallkontakten erzeugt wird, wobei sich die Widerstandscharakteristik im ersten Quadranten verändert, daß dann ein Stromfluß in der zweiten, entgegengesetzten Richtung erzeugt wird, wobei sich die Widerstandscharakteristik im dritten Quadranten verändert, und daß schließlich ein Stromfluß in der ersten Richtung erzeugt wird, wobei sich die Widerstandscharakteristik im ersten und dritten Quadranten verändert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht einer monolithischen integrierten

Halbleiterstruktur mit zwei gegeneinander in Reihe geschalteten Schottky-Dioden, die die Ausgangselemente für eine Speicherzelle mit energieunabhängigem Speichervermögen bilden,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 1-1 der

Struktur gemäß Fig. 1,

Fig. 3 die normale Strom-Spannungscharakteristik der

FI 971 106

309883/0910

gegeneinander in Reihe geschalteten Schottky— Dioden,

Fig. 4 die Veränderungen der Charakteristik nach der

Durchführung einer Reihe von Prozeßechritten,

Fig. 5 das elektrische Ersatzschaltbild der Struktur

gemäß Fign. 1 und 2, und

Fig· 6 die elektrische Charakteristik der erfindungsge-

mäßen, bistabilen Speicherzelle mit energieunabhängigem Speichervermögen.

Die in der Struktur gemäß Fign. 1 und 2 enthaltenen Schottky-Dioden lassen sich in bekannter integrierter Schaltungstechnik herstellen· Ein P-leitendes Halbleitersubstrat 10 trägt eine N-dotierte Epitaxieschicht 12* P -dotierte Isolationszonen 16, umgeben einen bestimmten Bereich dieser Epitaxieschicht, in dem die beiden Schottky-Dioden 20 und 22 angeordnet sind. Die Schottky-Dioden 20 und 22 sind mit Kontakten B und A versehen. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung der Schottky-Dioden ist beispielsweise der Patentanmeldung P 2 259 188 zu entnehmen. Das elektrische Ersatzschaltbild des Schottky-Diodenpaares 20 und ergibt sich aus Fig. 5. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Kontakte A und B etwa 200 pm. voneinander entfernt.

Wie bekannt und auch allgemein zu erwarten, weist ein Schottky-Diodenpaar eine Strom-Spannungscharakteristik auf, wie sie aus Fig. 3 zu ersehen ist. Dies ist das normale Verhalten eines Diodenpaares· Die beiden gegeneinander in Reihe geschalteten Schottky-Dioden weisen einen nichtlinearen Widerstand auf. Die Eigenschaft, Information zu speichern, ist nicht vorhanden.

Der Fig. 4 sind die Maßnahmen zu entnehmen, die es gestatten, die elektrischen Eigenschaften des Diodenpaares so zu verändern, daß eine bistabile Speicherzelle mit energieunabhängigem Speicher-

FI 971 106

309883/0910

vermögen entsteht.

Im ersten Schritt wird an den Kontakt A eine in gegenüber dem Kontakt B positive Spannung von etwa 20 Volt angelegt. Dabei wird die Spannung ausgehend von 0 Volt, langsam so lange erhöht, bis die Charakteristik im Bereich des ersten Quadranten 30 in einen Zustand niedrigeren Widerstandes umschaltet. Mit anderen Worten, wenn Strom vom Kontakt A zum Kontakt B geleitet wird, so wird die Charakteristik im Bereich des ersten Quadranten so modifiziert, daß vom gestrichelten Verlauf 32 in den ausgezogenen Verlauf 30 umgeschaltet wird.

Im Schritt 2 wird der Schritt 1 in entgegengesetzter Richtung wiederholt. Das heißt, an den Kontakt B wird eine gegenüber dem Kontakt A positive Spannung angelegt, so daß ein Strom von Kontakt B zum Kontakt A fließt. Dabei wird man so vorgehen, daß man die Spannung von 0 Volt allmählich auf etwa 20 Volt anhebt. In diesem Schritt 2 ändert sich die Charakteristik der gegeneinander in Reihe geschalteten Dioden 20, 22 im Bereich des dritten Quadranten. Die Charakteristik wird vom normalen, durch die gestrichelte Kurve angedeuteten Zustand in einen durch die Kurve 36 gekennzeichneten Zustand umgeschaltet.

Im dritten Schritt wird die erforderliche Änderung der Charakteristik in einer abschließenden Personalisierung vervollständigt, wobei eine binäre 1 eingeschrieben wird oder das Diodenpaar dauernd in den Zustand niedrigen Widerstandes umgeschaltet wird. Dabei wird an Kontakt A eine in bezug auf Kontakt B positive Spannung angelegt. Diese Spannung wird so gewählt, daß ein Leistungsverbrauch von etwa 300 Milliwatt auftritt. Bei diesem abschließenden Schritt wird also die gebildete bistabile Anordnung in den Zustand niedrigen Widerstandes umgeschaltet, was durch die ausgezogene Kurve 40 angedeutet ist.

Der bei der Herstellung der bistabilen Speicherzelle mit energieunabhängigem Speichervermögen ablaufende physikalische Vorgang

FI 971 106

309883/0910

ist noch nicht vollständig geklärt. Man hat vermutet, daß das energieunabhängige bistabile Speicherverhalten daraus resultiert, daß ein gegenseitiges Zusammenwirken zwischen den beiden Schottky-Dioden und einem Ladungstransport bei relativ hoher Leistung stattfindet. Man hat auch schon behauptet, die Zufuhr des Stromes wirke sich so auf die bekannte Anordnung aus, als würde ein Hetero-Übergang gebildet. Nach einer anderen Theorie soll das Speicherverhalten dadurch entstehen, daß sich eine Tunnel-Strecke in der Größenordnung von 1 Mikron ausbildet.

Wie das auch sei, fest steht, daß nach Einwirkung der drei beschriebenen Schritte auf eine normale Schottky-Diodenanordnung eine völlig neue Anordnung entsteht, die einen Zustand niedrigen Widerstandes aufweist, und die in ihrer Strom-Spannungskennlinie im ersten und dritten Quadranten einen symmetrischen Verlauf zeigt. Nachdem die Diodenanordnung in den Zustand niedrigen Widerstandes gebracht ist, kann die Betriebsspannung abgeschaltet werden. Die energieunabhängige Speicherzelle hält diesen Speicherzustand während vieler Stunden, ohne daß eine Energie zugeführt wird.

Aus der Fig. 6 ist zu ersehen, wie die Speicherzelle in den Zustand hohen Widerstandes, was beispielsweise einer binären 0 entspricht, gebracht werden kann. Die Kurve 42 in Fig. 6 zeigt wieder den Zustand niedrigen Widerstandes, der bei einem durchgemessenen Ausführungsbeispiel beispielsweise in der Gegend von 200 Ohm lag. Das Umschalten der Speicherzelle in den Zustand hohen Widerstandes erfolgt durch Anlegen eines gegenüber dem Kontakt A positiven Potentials an den Kontakt B. Die Kurve 44, die im wesentlichen aus einer im ersten und dritten Quadranten symmetrisch verlaufenden geraden Linie besteht, entspricht dem Zustand hohen Widerstandes. Bei einem Ausführungsbeispiel wurden Widerstände in der Größenordnung von 8000 Ohm gemessen. Es ergibt sich also ein Widerstandsverhältnis von etwa 40 zwischen den beiden Zuständen.

Von Bedeutung ist, daß die Speicherzelle im Zustand hohen und FI 971 106

309883/0910

2322193

niedrigen Widerstandes eine symmetrische Charakteristik aufweist. Daraus resultiert, daß der monolithische Aufbau und die Herstellung der Speicherzelle vereinfacht wird. Diese Charakteristik erlaubt es auch, daß die Speicherzelle mit anderen elektrischen Komponenten zusammenschaltbar ist, da hier die Anschlußwiderstände, Spannungen und Ströme aufeinander abgestimmt sein müssen.

FI 971 106

309883/0910

Claims

- 7 PATENTANSPRÜCHE

Monolithische Speicherzelle mit energieunabhängigem Speichervermögen, die zwischen zwei Zuständen unterschiedlichen Widerstandes umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei gegeneinander in Reihe geschalteten Schottky-Dioden auf einem die gemeinsame Elektrode bildenden Halbleitersubstrat besteht, und daß das bistabile Widerstandsverhalten durch Anlegen von Spannungen in der einen und dann in der entgegengesetzten Richtung an die Reihenschaltung herbeigeführt wird.
2. Monolithische Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Dioden aus zwei benachbart auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats aufgebrachten Metallkontakten bestehen.
3. Verfahren zur Herstellung der monolithischen Speicherzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung des bistabilen Verhaltens ein Stromfluß in einer ersten Richtung zwischen den beiden Metallkontakten erzeugt wird, wobei sich die Widerstandscharekteristik im ersten Quadranten verändert, daß dann ein Stromfluß in der zweiten, entgegengesetzten Richtung erzeugt wird, wobei sich die Widerstandscharakteristik im dritten Quadranten verändert, und daß schließlich ein Stromfluß in der ersten Richtung erzeugt wird, wobei sich die Widerstandscharakteristik im ersten und dritten Quadranten verändert.

FI 971 106

309883/0910