DE2409568A1 - Halbleiter-speicherelement - Google Patents
Halbleiter-speicherelementInfo
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Description
Western Electric Company Inc. A 34 071 - ni
222 Broadway - New York, 10038
27.Feb.1974
Halbleiter-Speicherelement
Bei Datenverarbeitungsanlagen (Computern) und elektronischen Nachrichtensystemen
benötigt man elektronische Speicher mit Speicherelementen,
welche zumindest ein Bit einer binären Eingangsinformation speichern
können. Hierzu können bekannte Speicherelemente mit einem geschichteten
Aufbau der Zusammensetzung SL L M, wie sie in der US-PS 3 604 988 beschrieben
sind, verwendet werden,, Bei der erwähnten Zusammensetzung
des bekannten Speicherelementes bedeutet das Symbol "S" eine Halbleiterschicht, die Symbole 11L" und 11L" erste bzw„ zweite Schichten aus
elektrischem Isoliermaterial sowie das Symbol "M" eine Metallelektrode.
Bei dem bekannten Speicherelement steht die erste Isolierschicht I. in Berührungskontakt
mit einer größeren Oberfläche des Halbleiterkörper, während die zweite Isolierschicht L nach Art einer Sandwich-Struktur
zwischen der ersten Isolierschicht 1. und der Metallelektrode angeordnet ist.
Zum Einschreiben einer Information in das bekannte Speicherelement wird an die Metallelektrode eine negative Spannung angelegt, so daß Elektronen
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entsprechend dem nach Fowler-Nordheim benannten Tunnel-Mechanismus
von der Metallelektrode zu der Zwischenfläche (I. L) zwischen den beiden Isolierschichten transportiert werden, wo diese Elektronen eingefangen
werden. Die Anwesenheit derartiger eingefangener Elektronen an der erwähnten Zwischenfläche verändert die elektrische Kapazität der
SL L M-Struktur, so daß diese Struktur ein Speicherelement darstellt,
welches mittels einer einzigen Kapazitätsmessung ausgelesen werden kann. Zur elektrischen Löschung der SL L M-Struktur wird eine positive
Spannung an die Metallelektrode angelegt, so daß die eingefangenen
Elektronen - sofern vorhanden - zu der Metallelektrode mit Hilfe des erwähnten Fowler-Nordheim-TunneI-Mechanismus in einer der Elektronenrichtung
während des Einschreibevorganges entgegengesetzten Richtung zurücktransportiert werden. Bei einem derartigen Speicherelement stellt
die Anwesenheit bzw. die Abwesenheit von eingefangenen Elektronen an
Oberflächenniveaus der L L-Zwischenfläche der Isolierschichten den
Speicherzustand (L- bzw. O-Information) dar.
Weitere bekannte Bauarten von SL L M-Strukturen beruhen mehr auf dem
Tunneleffekt von Ladungsträgern zwischen der L L-Zwischenf lache und
dem Halbleiterkörper als zwischen der I1 L-Zwischenfläche und der
Metallelektrode. Auch hier stellt die Anwesenheit oder Abwesenheit von eingefangenen Elektronen in Oberflächenniveaus der L !„-Zwischenfläche
den Speicherzustand des Speicherelementes dar.
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Die vorstehend erwähnten Sl. I M-Strukturen können in bekannter
Weise in integrierte Schakkreisfelder für Massenspeicher eingefügt werden« Anstelle der vorstehend beschriebenen Kapazitätsmessung bei
einem mit zwei Anschlüssen versehenen Speicherelement wird in derartigen integrierten Schaltkreisfeldern jeder I. L M-Abschnitt einer
Vielzahl von SI. L M-Strukturen in vorteilhafter Weise als Steuer-
anschluß eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Steueranschluß
(IGFET * insulated gate field effect transistors) hergestellt^ wobei
sämtliche Steueranschlüsse auf einer einzigen Halbleiterunterlage integriert sind. Es ist ferner bekannt (US-PS 3 665 423)f die erwähnten
zu
Schaltkreisfelder mit Adressen/versehen zum selektiven
Schaltkreisfelder mit Adressen/versehen zum selektiven
Einschreiben^ Auslesen und Löschen mit Hilfe von verschiedenen
selektiv arbeitenden Kreuzpunkt-Schaltungen.
Bei den bekannten SJL 1_ M-Strukturen treten indessen die Zwischenflächenniveaus
auf natürliche Weise auf, d.h. daß diese Niveaus nicht gezielt mit Hilfe von gut steuerbaren Verfahren zum Einfügen
derartiger Niveaus hergestellt werden, sondern als Nebenprodukte während des Herstellungsvorganges anfallen. Bei den bekannten Speicherelementen
können daher die Kapazität und die Entladung der elektronischen Ladungen an der Zwischenfläche nur schwer bestimmt werden,
wodurch ein fehlerhafter Betieb sowie ein geringer Wirkungsgrad hinsichtlich des Einfangs von Elektronen auftreten^ welche während des
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Einschreibevorganges in Richtung der Zwischenfläche wandern. Diese
unkontrollierten Zwischenflächenniveaus können daher nicht nur ein fehlerhaftes Verhalten des Speicherelementes hervorrufen, sondern
ebenso ziemlich lange Einschreibzeiten infolge einer geringen Einschreibgeschwindigkeit
erforderlich machen. Die Zwischenflächenniveaus bei den bekannten Speicherelementen zeichnen sich ferner
durch verhältnismäßig tiefe Energiebarrieren aus, innerhalb derer die elektronischen Ladungsträger eingefangen sind, wodurch verhältnismäßig
große Zeiträume und hohe Spannungen erforderlich sind, um die Zwischenniveaus während des Löschungsvorganges zu entleeren»
Es werden somit sowohl bei dem Einschreibevorgang als auch bei dem Löschungsvorgang unerwünscht große Spannungen und lange Zeiträume
benötigt, wodurch die Programmierungs- und Rückprogrammierungsgeschwindigkeiten
begrenzt werden.
Eine weitere Schwierigkeit mit den bekannten SI. L M-Speicherelementen
tritt in Verbindung mit der Verwendung von sehr dünnen I.-Schichten mit
auf
etwa 30 Angstr/im oder weniger^ wie sie manchmal verwendet werden, um die angelegten elektrischen Felder zum Einschreiben oder Löschen auf einem ausreichend geringen Wert zu halten, um einen Ladungsträgerdurchbruch innerhalb der Isolierschichten) zu vermeiden. Speicherelemente mit so dünnen I -Schichten arbeiten jedoch mehr aufgrund des direkten Tunnel-Effektes der elektronischen Ladung zwischen der I.L-Zwischenfläche und dem Halbleiterkörper als aufgrund des Tunnel-Effektes
etwa 30 Angstr/im oder weniger^ wie sie manchmal verwendet werden, um die angelegten elektrischen Felder zum Einschreiben oder Löschen auf einem ausreichend geringen Wert zu halten, um einen Ladungsträgerdurchbruch innerhalb der Isolierschichten) zu vermeiden. Speicherelemente mit so dünnen I -Schichten arbeiten jedoch mehr aufgrund des direkten Tunnel-Effektes der elektronischen Ladung zwischen der I.L-Zwischenfläche und dem Halbleiterkörper als aufgrund des Tunnel-Effektes
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nach Fowler-Nordheim; derartige Speicherelemente weisen daher nur begrenzte Speicherzeiten auf, etwa in der Größenordnung von weniger
als einem Jahr» Eine Steigerung der Dicke der I.-Schicht zur Verbesserung
der Speicherdauer ist indessen nur unter Inkaufnahme von erhöhten Einschreib- und Löschungsgeschwindigkeiten möglich, die in der Größenordnung
von etwa einer Millisekunde oder mehr liegen.
Es ist ferner bekannt· (Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 18,
Seiten 267 bis 269, 1. April 1971) in Halbleiter-Speicherelementen
kleine Metallteilchen an der'Zwischenfläche der beiden Isolierschichten
einer SL 1 M-Struktur zu verwenden,, Hierdurch kann die vorstehend erwähnte
Schwierigkeit einer tiefen Energiebarriere zum Einfangen der Ladungsträger verringert werden«, Diese Verbesserung beruht auf der Tatsache,
daß die kleinen Metallteilchen dazu neigen, die Energiebarrieren der Zwischenflächenniveaus zu verringern. Die erwähnten kleinen Metallteilchen
in derartigen Speicherelementen bringen jedoch ebenfalls das zusätzlich Problem mit sich, daß in der bzw. den Isolierschichten in
der unmittelbaren Nachbarschaft der Metal !teilchen verhältnismäßig hohe
elektrische Felder erzeugt werden. Diese Felder führen zu unerwünschten Ladungsfrägerdurchbrüchen innerhalb der Isolierschichten) bei den
Betriebsspannungen, sofern nicht eine sehr dünne !.-Isolierschicht mit
weniger als etwa 50 Ängsten Dicke zwischen dem Halbleiterkörper und
der 1. L-Zwischenfläche verwendet wird, um die erforderlichen, angelegten
Spannungen und damit die elektrischen Felder innerhalb der Isolierschichten
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zu verringern. Eine sehr dünne I -Isolierschicht gestattet jedoch in
unerwünschter Weise den eingefangenen Elektronen, an der Zwischenfläche
direkt zu dem Halbleiterkörper zurückzufunneln, sogar wenn keine Spannungen angelegt sind, wodurch die Ladungsspeicher-Retentionsdauer
des Speicherelementes üblicherweise auf eine Größenordnung von weniger als einem Tag verringert wird.
Bei einem weiteren bekannten Sl. L M-Speicherelement wird zum Einschreiben
einer Information anstelle eines von einem elektrischen Feld
unterstützten Fowler-Nordheim-Tunnel-Effektes oder anderer Tunnel-Effekte
eine Injektion von Lawinenladungsträgern verwendet. Beispielsweise
wird bei einem sogenannten "Floating Gate"-Transisfor gemäß der US-PS 3 660 819 durch Verwendung des Lawineneffektes von zwischen
die Steuerzone und die Halbleiterunterlage injizierten Ladungsträgern versucht, die vorstehend erwähnten Probleme zu umgehen. Derartige Bauelemente
können jedoch nicht elektrisch gelöscht werden, sondern sind auf eine thermisch oder optisch hervorgerufene Entladung zur Löschung
des Speicherzustandes beschränkt, Darüberhinaus muß bei derartigen Bauelementen
die aus einemMetalloxid bestehende Isolierschicht aufgrund des Lawineneffektes abgestuft werden, wodurch diese Bauelemente für wiederholte
Einschreibvorgänge (Wiederprogrammierung) schlecht geeignet ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Speicherelement der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, bei welchem die vorstehend erwähnten
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Schwierigkeiten vollständig vermieden sind. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Speicherelementes
gemäß Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 1 bis Π gekennzeichnet.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild einer Speichereinrichtung mit einem,
im Schnitt dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Speicherelementes mit zwei Anschlüssen und
Fig. 2 eine weitere Speichereinrichtung mit einem im Schnitt dargestellten
zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speicherelementes mit drei Anschlüssen.
Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Halbleiter-Speichereinrichtung
enthält einen elektrischen Schaltkreis mit einem Speicherelement der Struktur SI. L M, wobei im Bereich der Isolatorzwischenfläche
(I. I9), welche die Grenze zwischen den beiden Isolierschichten
umfaßt, mit einem in Form von Atomen oder Molekülen verteilten Dotierstoff angereichert ist. Es ist insbesondere für Herstellungszwecke vorteilhaft,
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wenn der erwähnte Dotierstoff ein Metall ist, welches so ausgewählt ist,
daß die Ausbeute an eingefangenen elektronischen Ladungsträgern (Elektronen oder Löchern) gesteigert ist und zwar insbesondere derjenigen
Ladungsträger, welche von dem Halbleiterkörper bzw. der Metallelektrode zu der I I -Zwischenfläche mit Hilfe des Fowler-Nordheim-Tunnel-Effektes
transportiert werden können,, Das elektrische Feld zur
Auslösung dieses Tunnel-Effektes wird in einfacher Weise mit Hilfe eines
Spannungspotentials erzeugt, welches über die gesamte Sl. I M-Struktur
angelegt wird. Es ist weiterhin möglich, bei Verwendung von etwas geringeren
Spannungen zum Einschreiben, Auslesen und Löschen, was jedoch etwas zu Lasten der Speicherdauer der eingefangenen elektronischen
Ladungsträger im Bereich der 1. L-Zwischenf leiche geht, etwas dünnere
!.-Schichten zu verwenden, wobei die Ladungsträger von dem Halbleiterkörper
zu der L L-Zwischenfläche mehr mit Hilfe des direkten Tunnel-Effektes
als mit Hilfe des Fowler-Nordheim-Tunnel-Effektes transportiert werden.
Um die Vorteile der Erfindung voll zu verwirklichen, ist es günstig, wenn
der Dotiersfoff an der I. L-Zwischenfläche sich ferner durch einen verhältnismäßig
geringen Diffusions-Koeffizienten auszeichnet, so daß der größte Teil des Dotierstoffes an der 1. L-Grenze konzentriert bleibt;
denn es ist wünschenswert, daß das Dotierungsprofil des fertigen Speicherelementes
in ausreichender Weise in der Nachbarschaft der L I -Zwischen-
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fläche konzentriert ist, so daß die elektrische Leitfähigkeit zwischen
der Zwischenfläche und entweder dem Halbleiterkörper oder der Metallelektrode nicht vergrößert ist, da sonst ein unerwünschter Leckstrom
in dem SLL M-Speicherelement erzeugt würde. Darüberhinaus
liegt die Oberflächenkonzentration des metallischen Dotierstoffes an der L L-Zwischenfläche in vorteilhafter Weise in dem Bereich zwischen
14 15
10 bis 2x 10 Atome pro Quadratcentimeter, was einer Schicht von
reinem Metall von etwa 0,2 bis 4,0 Angstr/m Dicke entsprechen würde,
der
welche vor der Herstellung/L-Schicht auf der !-Schicht niedergeschlagen
worden wäre. Aufgrund der extrem geringen Menge an verwendetem Dotierstoff ist der metallische Dotierstoff in dem fertigen
SL I M-Speicherelement in vorteilhafter Weise nicht durch sein eigenes Fermi-Niveau selbst charakterisiert; vielmehr ist diese geringe
Menge an Dotierstoff in der bzw. den Isolierschichten verteilt, wodurch geeignete zugeordnete Energiezustände in dem Bändermodell
des für die Isolierschicht (en) verwendeten Isolators an der L L-Zwischenfläche
hervorgerufen werden.
Obwohl die wissenschaftliche Erklärung für die Funktionsweise des
erfindungsgemäßen Speicherelementes für dessen erfolgreichen Betrieb nicht wesentlich ist, wird angenommen, daß der fertige Dotierungsbereich
an der I L-Zwischenfläche, welcher mit Dotierstoff angereichert ist,
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die Ursache für eine klar definierte Energiebarriere darstellt, welche
sich durch ein Potentiaiminimum ("Potentialmulde") mit zugehörigen
"Zwischenflächenniveaus" auszeichnet, welche zum Einfangen von
Ladungsträgern befähigt sindo Darüberhinaus können die in diesen
Pofentialmulden eingefangenen Ladungsträger reversibel aus diesen L L-Zwischenflächenniveaus zurück in den Halbleiterkörper bzw.
die Metallelektrode getrieben werden, und zwar wiederum aufgrund des Fowler-Nordheim-Tunnel-Effekfes, jedoch in einer gegenüber
der Tunnelrichtung beim Auffüllen der Zwischenflächeniveaus entgegengesetzten
Tunnelrichtung der Ladungsträger. .
Da die Anwesenheit bzw„ Abwesenheit von eingefangenen Ladungsträgern
an der L L-Zwischenf lache verschiedene Werfe für die Kapazität der SI L M-Sfruktur hervorruft, stellt diese Struktur ein
elektrisch wiederprogrammierbares Speicherelement dar, welches mit Hilfe einer einzigen Kapazitätsmessung zerstörungsfrei ausgelesen
werden kann. Die erfindungsgemäße SlL M-Struktur kann ferner
als Steuerzone eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode eingesetzt werden, wobei das Auslesen mit Hilfe einer Messung des
erfolgt
Source-Drain-Stromsj welcher durch die Anwesenheit der Kanalfnversionsschichf unter dem Einfluß der eingefangenen Ladungsträger an der I. L-Zwischenf lache bei geeigneten Steuerspannungen hervorgerufen wird.
Source-Drain-Stromsj welcher durch die Anwesenheit der Kanalfnversionsschichf unter dem Einfluß der eingefangenen Ladungsträger an der I. L-Zwischenf lache bei geeigneten Steuerspannungen hervorgerufen wird.
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Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält
eine SI I_ M-Struktur metallische Wolfram-Dotieratome an der
1, L-Zwischenflache. In vorteilhafter Weise werden diese Atome
in die Sl. L M-Struktur während der Herstellung durch einen Wolfram-Niederschlag auf die noch unbedeckte Oberfläche der
1. -Schicht kurz vor der nachfolgenden Abscheidung der L-Schicht sowie der M-Schicht eingefügt. Insbesondere besteht der Halbleiterkörper
aus Silizium, die 1 -Schicht aus Siliziumdioxid (Silikat) und die I -Schicht aus Aluminiumoxid. Auf diese Weise
ist der Bereich der I. L-Z wischenfläche in der vollständigen SI. I- M-Sturktur mit Wolfram als Dotierst off angereichert, welcher
innerhalb des Bändermodells an der I. I -Zwischenfläche entsprechende Energiezustände bzw. Energieniveaus hervorruft, wodurch
die SI L M-Struktur als Speicherelement verwendet werden kann, wenn dieses in einen geeigneten elektrischen Schaltkreis eingesetzt
wird. Mit einer derartigen SI L M-Struktur konnten bei Anlegung von Spannungen von etwa 30 Volt oder weniger sowohl für den
Einschreibe- als auch für den Löschungsvorgang Einschreibe- bzw. Löschungszeiten von etwa 0,1 MikroSekunden erzielt werden.
Das in Fig. 1 dargestellte Halbleiter-Speicherelement 10 enthält
einen N-leitenden monokristallinen Halbleiterkörper 11, üblicherweise
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aus Silizium mit einer (T, ΐΛΐ)- oder einer (I,0,0)-Orientierung
sowie mit Widerstand von etwa einem bis 10 Ohm'Centimeter,
beispielsweise etwa 5 Ohm'Centimeter. Eine aus einem Isolator
Oj) bestehende Schicht 12, üblicherweise Silikondioxid ist auf
einer größeren Oberfläche des Halbleiterkörpers 11 angeordnet, wobei zwischen letzterem und der Schicht 12 eine Isolator-Halbleiter-Zwischenfläche
11,5 gebildet wird. Eine weitere, aus einem Isolator (L) bestehende Schicht ^üblicherweise aus
Aluminiumoxid, ist auf einer größeren Oberfläche der Isolierschicht 12 angeordnet, wobei eine Isolator-Isolator-Zwischenfläche
(I. L-Zwischenfläche) 12.5 gebildet ist, welche - wie
nachstehend noch näher zu erläutern ist- mit e(nem Dotierstoff,
üblicherweise metallisches Wolfram angereichert ist. Die freiliegende, obere Oberfläche 13.5 der L-Schicht 13 ist mit einer
Metallelektrode 14 kontaktiert, während der Halbleiterkörper IT
mit einer Elektrode 15 kontaktiert ist, wodurch eine Struktur der Zusammensetzung SI L M gebildet ist, welche innerhalb des in
Fig. 1 dargestellten Schaltkreises als Speicherelement 10 dient.
Die I -Schicht 13 kann dicker als die I -Schicht 12 und die Dielektrizitätskonstante der L-Schicht 13 kann größer als die der
!.-Schicht 12 gewählt werden. Auf diese Weise ist das elektrische
Feld innerhalb der !.-Schicht 12 größer als in der !-Schicht 13,
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so daß die Tunnelung der Ladungsträger zu bzw. von der I. I -Zwischenfläche
12.5 im wesentlichen ausschließlich von bzw. zu dem Halbleiterkörper 11 und nicht von bzw. zu der Metallelektrode 14
stattfindet, und zwar aufgrund des Fowler-Nordheim-Tunnel-Effektes,
welcher durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden 14 und 15 hervorgerufen wird.
Zur Vervollständigung des in Fig. 1 dargestellten Schaltkreises ist
die Elektrode 14 des Speicherelementes 10 über einen elektrisch leitenden Leitungsdraht 16 mit einem gemeinsamen Anschluß 17.5
eines einpoligen Umschalters 17 verbunden, welcher ferner erste und zweite Anschlußkontakte 20.5 bzw. 21.5 aufweist. Die andere
v jft Elektrode 15 des Speicherelementes 10 ist über einen elektrisch
leitenden Leitungsdraht 18 mit einem weiteren gemeinsamen Anschluß
verbunden, an welchen ferner die negative Klemme einer zum Einschreiben
von Informationen in das Speicherelement 10 vorgesehenen Batterie 20, die positive Klemme einer zum Löschen von eingeschriebenen
informationen vorgesehenen Batterie 21 sowie ein Anschluß eines Stromdeiektors 22 angeschlossen sind. Der erste Anschlußkontakt 20.5
des Umschalters 17 ist elektrisch mit der positiven Klemme der Batterie
und der zweite Anschlußkontakt 21.5 des Umschalters 17 ist elektrisch
mit der negativen Klemme der Batterie 21 verbunden. Schließlich ist eine Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignalquelle 23 zum
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kapazitiven Auslesen des Speicherelementes 10 in Serie mit dem
Stromdetektor 22, einer einstellbaren Versorgungsbatterie 24 sowie einem elektrischen Schalter 25 geschaltet, wodurch.der in
Fig. 1 dargestellte Schaltkreis vervollständigt ist.
Zum Einschreiben von Informationen in das Speicherelement 10
wird bei geöffnetem Schalter 25 der Schalter 17 mit dem ersten
Anschlußkontakt 20.5 verbunden, wodurch in der !.-Schicht von
der Batterie 20 ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches eine Tunnelung von Elektronen aus dem Halbleiterkörper 11 durch die
I -Schicht 12 zu der 1 I -Zwischenfläche 12.5 auslöst. Diese
Elektronen werden dabei an der I. L-Zwischenfläche 12.5 eingefangen,
wodurch das Speicherelement 10 in seinen Einschreibzustand gebracht ist. Dieser Zustand hält solange an, wie das
elektrische Feld innerhalb des Speicherelemenfes 10 nicht von
außen umgekehrt wird, und zwar über den Schwellwert für den umgekehrten Transport von eingefangenen Elektronen zurück in
den Halbleiterkörper 11.
Zum Löschen der eingeschriebenen Information wird der Schalter
mit dem zweiten Anschlußkontakt 21.5 verbunden, wodurch bei geöffnetem Schalter 25 eine Leitverbindung zwischen der Batterie
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und dem Speicherelement 10 hergestellt wird. Dabei wird das
elektrische Feld innerhalb der I.-Schicht 12 umgekehrt, und zwar über den Schwell wert für den entgegengerichteten Transport;
hierdurch werden die zuvor eingefangenen Elektronen an der I. L-Zwischenfläche 12.5 veranlaßt, zurück in den Halbleiterkörper
11 zu tunneln, womit die I. L-Zwischenfläche von den
zuvor eingefangenen Elektronen entladen wird. Diese Entladung der I. I_-Z wischenfläche bringt das Speicherelement 10 in den
Löschzustand.
Ein gleichmäßiges Auslesen des Zustandes der an der L !--Zwischenfläche
12.5 eingefangenen elektronischen Ladung erfolgt mit Hilfe eines herkömmlichen Kapazitäts-Messkreises, welcher den Signalstromdetektor
22, die Signalquelle 23, die einstellbare Versorgungsbatterie 24 und den Schalter 25 enthält, wobei die Teile 22 bis 25
in Serie zwischen dem gemeinsamen Anschluß 17.5 des Schalters und dem gemeinsamen Anschluß 19 angeordnet sind. Während des
Auslesens wird der Schalter 17 geöffnet, während der Schalter 25
geschlossen wild. Da die Kapazität des Speicherelementes 10 bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung der Batterie 24 von dem
Zustand der eingefangenen elektronischen Ladungen an der I. L-Zwischenflache abhängt, ist der mit Hilfe des Detektors 22
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ermittelte Signalstrom ebenfalls von dem Zustand der eingefangenen
Ladungen an der I L-Zwischenfläche abhängig. In vorteilhafter
Weise wird der Scheitelwert der Ausgangsspannung der Signalquelle 23 ebenso wie die Spannung der wählbaren Versorgungsbatferie
24 ausreichend niedrig gehalfen, so daß der Meßvorgang keine weitere Tunnelung von Ladungen in dem Speicherelement
10 hervorruft, was sonst zu künstlichen Einschreib- oder Löschvorgängen führen würde. Dabei gewährleistet der Detektor
ein gleichmäßiges, zerstörungsfreies Auslesen des Speicherzustandes, wie er durch die Menge der an der I1 !„-Zwischenfläche 12.5 des
Speicherelementes 10 eingefangenen Ladungen bestimmt ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Speichereinrichtung mit dem Speicherelement
10 stellt einen elektrisch wiederprogrammierbaren Speicher mit einem gleichmäßigen und zerstörungsfreien Auslesevorgang dar,
wobei die Batterie 20 die erforderliche Einschreib-Spannung und die Batterie 21 die erforderliche Lösch-Spannung Hefern. Üblicherweise
kann die Einschreib-Spannung von der Batterie 20 in Form eines Gleichspannungsimpulses von etwa 0,1 Mikrosekunden Impulsbreite
und etwa 30 Volt Impulshöhe abgenommen werden, wozu der Schalter 17 mit dem Anschlußkontakt 20.5 für eine Dauer von
0, 1 Mikrosekunden verbunden wird, während für die von der Batterie
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gelieferte Lösch-Spannung ebenfalls ein Impuls mit einer Impulsdauer
von etwa 0,1 Mikrosekunden und einer impulshöhe von
etwa 30 Volt vorgesehen wird.
Es versteht sich, daß der in Fig. 1 dargestellte Meßkreis auch
auf andere Weise ausgebildet werden kann, wobei sämtliche herkömmlichen Kapazitäts-Meßkreise alternativ verwendet werden
können.
Die Herstellung des Speichörelementes 10 wird anhand eines Beispiels
veranschaulicht: In bevorzugter Weise wird zunächst die größere Oberfläche 11.5 des aus Silizium bestehenden Halbleiterkörpers
11 wie bei einem Verfahrensschritt zur Entfernung von
Oxidablagerungen ("Oxidabstreifung") sorgfältig vorgereinigt.
Anschließend wird auf der größeren Oberfläche 11.5 des Halbleiterkörpers
11 die isolierschicht 12 aus Siliziumdioxid mit einer
Dicke von etwa 60 bis 200 Angsto^m, üblicherweise etwa 100 Angstr/m
gezüchtet, und zwar üblicherweise durch eine trockene, thermische Oxidation. Alternativ hierzu können entweder trockene oder nasse
Anodisierungstechnologien verwendet werden, um die Isolierschicht
auf dem Halbleiterkörper 11 zu züchten. Im nächsten Verfahrensschritt
wird auf die freie Oberfläche 12„5 der Isolierschicht 12 metallisches
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Wolfram aufgedampft, solange, bis sich auf der Oberfläche ein
14 15 '
Niederschlag von etwa 1 χ 10 bis 2 χ 10 Wolfram-Atome
pro Quadratcentimefer gebildet hat, welcher einer Dicke von etwa
0,2 bis 4 Angstrpifn reinen Wolframs entspricht. Es versteht sich
jedoch, daß das Wolfram in dem fertiggestellten Speicherelement 10 nicht in Form von reinem Wolfram stehen zu bleiben braucht, insbesondere
im Hinblick auf den Umstand, daß die bei dem Niederschlag verwendete Wolframmenge geringer ist, als die zur Herstellung einer
monomolekularen Schicht erforderliche Wolframmenge, so daß bei einer etwa gleichförmigen Verteilung die Dicke der Wolframschicht
in sämtlichen Dimensionen nicht ausreichend ist, um.ein eigenes (metallisches) Fermi-Niveau an der L I -Zwischenfläche 12.5 bei
dem fertigen Speicherelement zu bilden. Das Wolfram ist daher atomar oder molekular als Dotierstoff innerhalb der Isolierschichten
an der Zwischenfläche 12.5 verteilt, d.h. , das Wolfram stellt keinen Metallkörper mit einem darin definierten Fermi-Niveau dar.
Im Hinblick auf die extrem geringe und ziemlich gut steuerbare Menge
des niederzuschlagenden Wolframs wird in vorteilhafter Weise der Niederschlag des Wolframs auf die zu diesem Zeitpunkt freigelegte
Oberfläche 12.5 dadurch ausgeführt, daß die Oberfläche 12.5 in einem viel größeren Abstand von einer Verdampfungsquelle aus
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wird
Wolfram angeordnet/ als die Oberfläche einer Kontrollprobe, auf welcher gleichzeitig Wolfram abgeschieden wird. Nachdem die Schichtdicke dem Quadrat des Abstandes umgekehrt proportional ist, kann diese Beziehung zur Berechnung und Messung der auf der Oberfläche 12.5 niedergeschlagenen Wolframmenge verwendet werden, wobei als Bezugswert die-viel größere Schichtdicke der niedergeschlagenen Wolframschicht auf der Oberfläche der Kontrollprobe dient, welche viel näher an der Verdampfungsquelle angeordnet ist. Eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen des Wolframs auf die freigelegte Oberfläche 12.5 besteht darin, daß in vorteilhafter Weise nur während der Anfangsphase eines Aluminiumoxid-Niederschlages der I -Schicht 13 etwas Wolframhalogenid mit Aluminiumhalogenid gemischt wird, wobei letzteres für die Aufdampfung der !--Schicht 13 verwendet wird. Auf diese Weise werden die Wolfram-Verunreinigungen an der I L-Zwischenfläche konzentriert. Dabei wird andererseits eine von den Dotierstoffen hervorgerufene gesteigerte elektrische Leitfähigkeit des gesamten Pfades zwischen der Metallelektrode und der I. L-Zwischenfläche in dem fertigen SL L M-Speicherelement 10 vermieden, welche sonst einen unerwünschten Leckstrom und damit eine verringerte Lebensdauer der gespeicherten Ladung verursachen würde.
Wolfram angeordnet/ als die Oberfläche einer Kontrollprobe, auf welcher gleichzeitig Wolfram abgeschieden wird. Nachdem die Schichtdicke dem Quadrat des Abstandes umgekehrt proportional ist, kann diese Beziehung zur Berechnung und Messung der auf der Oberfläche 12.5 niedergeschlagenen Wolframmenge verwendet werden, wobei als Bezugswert die-viel größere Schichtdicke der niedergeschlagenen Wolframschicht auf der Oberfläche der Kontrollprobe dient, welche viel näher an der Verdampfungsquelle angeordnet ist. Eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen des Wolframs auf die freigelegte Oberfläche 12.5 besteht darin, daß in vorteilhafter Weise nur während der Anfangsphase eines Aluminiumoxid-Niederschlages der I -Schicht 13 etwas Wolframhalogenid mit Aluminiumhalogenid gemischt wird, wobei letzteres für die Aufdampfung der !--Schicht 13 verwendet wird. Auf diese Weise werden die Wolfram-Verunreinigungen an der I L-Zwischenfläche konzentriert. Dabei wird andererseits eine von den Dotierstoffen hervorgerufene gesteigerte elektrische Leitfähigkeit des gesamten Pfades zwischen der Metallelektrode und der I. L-Zwischenfläche in dem fertigen SL L M-Speicherelement 10 vermieden, welche sonst einen unerwünschten Leckstrom und damit eine verringerte Lebensdauer der gespeicherten Ladung verursachen würde.
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Nach Einfügen des Wolfram-Dotierstoffes wird die I -Schicht 13
durch Abscheiden von Aluminiumoxid mit einer üblichen Dicke von etwa 300 bis 700 Angstr9<m , beispielsweise etwa 500 Angstrj/m
gebildet, und zwar üblicherweise durch einen herkömmlichen Dampfhiederschlag von Aluminiumhalogenid bei einer erhöhten
Temperatur von etwa 900 0C.
Die Dicke der Aluminiumoxidschicht 13 ist nicht kritisch, doch
sollte sie ausreichend dick sein, um Durchschläge infolge von Kurzschlüssen zwischen der Elektrode 14 und der 1. !„-Zwischenfläche
12.5 zu vermeiden.
Anschließend werden die Metallelektroden 14 und 15 nacheinander
auf die L-Schicht aufgebracht, üblicherweise durch Aufdampfen einer Schicht metallischen Aluminiums mit einer Dicke von
0,2 Mikron.
An der I, L-Zwischenfläche 12«5 können auch andere Dotierstoffe
als Wolfram verwendet werden, beispielsweise iridium (in einem vor-
14 15
teilhaften Konzentrationsbereich von 1x10 bis 1x10 Atome pro
Quadratcentimeter), Platin,. Tantal, Niob oder Mischungen hiervon
in einem beliebigen Mischungsverhältnis. Gleichgültig, welches Metall
bzw» welche Metal !mischung als Dotierstoff verwendet wird, sollte in
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vorteilhafter Weise der Dotierstoff so ausgewählt werden, daß dieser
bei der erhöhten Temperatur, bei welcher die L-Schicht in der beschriebenen
Reihenfolge niedergeschlagen wird, nicht flüchtig ist. Es ist ferner nützlich, wenn der Diffusions-Koeffizient des als Dotierstoff
verwendeten Metalles ausreichend klein ist, so daß die niedergeschlagenen
Metallatome bei den erwähnten erhöhten Temperaturen während des Aufbringens der L-Schicht nicht von der L L-Zwischenfläche
wegdifundieren, und zwar wieder durch die L-Schicht hindurch zu dem Halbleiterkörper 11 noch durch die gesamte Dicke der fertigen
L-Schicht β Es ist daher im allgemeinen günstig, wenn das fertige
Dotierungsprofil der Isolierschichten so begrenzt ist, daß mit wachsender
Entfernung von der L [„-Zwischenfläche die Dotierungskonzentration vor Erreichen der SL- und der L M-Zwischenflächen bestimmte Werte
unterschreitet«,
Anstelle von Aluminiumoxid können auch andere Isolierwerkstoffe mit
im Vergleich zu der L-Schicht verhältnismäßig hohen Dielektrizitätskonstanten verwendet werden, beispielsweise Sili2iumnitricfmit einer
Dicke von üblicherweise etwa 300 bis 700 Angstrjfm, das in gleicher
Weise wie Aluminiumoxid als L-Schicht des Bauelementes 10 verwendet
werden kann. Wenn der Fowler-Nordheim-Tunnel-Effekt nicht zwischen dem Halbleiterkörper 11 und der L L-Z wischenfläche, sondern
zwischen der Metallelektrode 14 und der L L-Zwischenfläche bei dem
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Bauelement 10 erzielt werden soll, sollte weniger die I -Schicht sondern
die !-Schicht so gewählt werden, daß diese die dünnere Schicht mit
der kleineren Dielektrizitätskonstante ist. Beispielsweise kann Zinksulfid '
für die !-Schicht in Verbindung mit Siliziumdioxid als I, -Schicht auf
einem Silirium-Halbleiterkörper vorgesehen werden.
Man nimmt an, daß die Diffusions-Konstante von Platin in Siliciumdioxid
bei einer erhöhten Temperatur von 900 0C in der Größenordnung von
10 cmVSekunden oder wenigerliegt. Diese Diffusionskonstante entspricht
einer Diffusionslänge von etwa 40 bis 50 Angstrjrfn oder weniger
bei einer Diffusionszeit von annähernd einer halben Stunde, welche die
übliche Zeit darstellt, die für die Bildung der L-Schicht bei den erhöhten Temperaturen bekannter chemischer Aufdampftechnologien erforderlich ist»
Es wird ferner angenommen, daß die Diffusionskonsfanten von metallischen Dotierstoffen, »vie Wolfram, Iridium, Tantal und Niob in der gleichen
Größenordnung wie von Platin liegen,, Somit ist anzunehmen, daß die
Mehrzahl dieser Dotierstoffe, welche bei dem fertigen Bauelement 10
innerhalb der L-Schicht angeordnet sind, sich in einem höchstens 40 oder 50 Angstrflfn von der L l-Zwischenfl-äche entfernten Bereich
befinden. Es wird ferner angenommen, daß die Diffusionskonstanten von
Wolfram und der anderen, vorstehend erwähnten metallischen Dotierstoffe in Siliciumdioxid annähernd gleich oder geringer sind, als die
entsprechenden Diffusionskonstanten dieser Dotierstoffe in Aluminiumoxid,
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Man kann daher davon ausgehen, daß die Mehrzahl dieser Dotierstoffe,
welche bei dem fertigen Bauelement in der 1. -Schicht angeordnet sind,
sich ebenfalls innerhalb eines, höchstens 40 oder 50 Angstrjfm von der
I, L-Z wischenfläche entfernten Bereichs befinden. Darüberhinaus sind
die Dampfdrucke von Wolfram, Platin, Iridium, Tantal und Niob bei 900 0C geringer als 10 Torr ( Millimeter Quecksilbersäule)«, Es ist
daher ebenfalls wünschenswert, daß der Dampidruck der an der I. L-Zwischenfläche bei 900 0C niedergeschlagenen Dotierstoffe entweder
geringer oder nicht viel höher als 10 Torr ist, so daß diese
Dotierstoffe während der Herstellung der !„-Schicht bei den erforderlichen
erhöhten Temperaturen zur Bildung dieser Schicht nicht von dem Bauelement abdampfen sollten.Wenn indessen erhöhte Temperaturen
zur Herstellung der L-Schicht oder für irgendeinen nachfolgenden Herstellungsschritf
für das Bauelement nicht erforderlich sind, versteht es sich, daß die vorstehenden Bedingungen für die Diffusionskonstanten
und Dampfdrucke der Dotierstoffe nicht anwendbar sind (mit Ausnahme
der damit verbundenen geringeren Temperaturen), Mit den z.Z. bekannten
Aufdampftechnologien sind jedoch derartige erhöhte Temperaturen zur Herstellung von hochqualitativen L-Schichten unumgänglich.
Aufgrund der Erfahrungen bei einem Bauelement 10, welches bei höheren
Temperaturen von 250 0C bis 350 C entsprechend den vorstehend erwähnten
Technologien hergestellt wurde, besteht die berechtigte Erwartung,
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daß bei derartigen Speicherelementen bei Betriebstemperaturen von etwa 100 °C eine Speicherdauer von über 20 Jahren erzielt werden
kann« Diese Erwartung begründet sich zumindest teilweise auf die folgenden Erwägungen. Es wird angenommen, daß die Speicherdauer
von Ladungsträgern an der L L-Zwischenf lache durch die von
diesen Ladungsträgern aufrecht erhaltenen Leckströme durch die !„-Schicht begrenzt ist. Bei Versuchen, welche mit einem speziellen
Ausführungsbeispiel des Bauelementes 10 unter Anlegung einer Versorgungsspannung
von 10 Volt bei 250 0C mit einer die erwähnten
Leckströme durch die !„-Schicht begünstigenden Polarität (die Leckströme
durch die !.-Schicht sind vernachlässigbar) durchgeführt wurden,
betrug die gemessene Speicherdauer der ,elektronischen Ladungsträger
annähernd eine Woche. Aufgrund theoretischer Modelle der Leitung durch die !«.-Schicht aufgrund von Ladungsträgeranreicherung
durch elektrische Felder kann erwartet werden, daß die Speicherdauer
bei einer Versorgungsspannung von null Volt wenigstens etwa 10 Jahre
bei 250 0C und wenigstens 20 Jahre bei 110 0C beträgt.
In Fig. 2 ist ein Bauelement 30 dargestellt, dessen Aufbau dem des Bauelemtes
10 gemäß Fig. 1 entspricht, mit Ausnahme des Umstandes, daß
das Bauelement 30 sich innerhalb einer integrierten Schaltkreisanordnung befindet. Dabei bildet das Bauelement 30 einen Feldeffekt-Transistor
mit isoliertem Gate (!GFET-Transistor, was die Abkürzung von insulated··
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gate field-effect transistor ist) des integrierten Schaltkreises, welcher
ein kontinuierliches Lese- und Speicherelement darstellt. Das Bauelement
30 umfaßt ein Substrat 31 aus einer N-ieitenden, monokristallinen Halbleiterscheibe, welche üblicherweise aus halbleitendem
Silizium mit einem Widerstand im Bereich von etwa 1 bis 10 Ohm mal
Centimeter, ζ. B4, etwa 5 Ohm mal Centimeter besieht. Das Substrat
31 ist im wesentlichen identisch mit dem vorstehend beschriebenen Halbleiterkörper
11 mit Ausnahme des Umstandes, daß das Substrat 31 darüberhinaus
einen Source-Bereich 43 und einen Drain-Bereich 44 eines Feldeffekt-Transistors
umfaßt» Diese Source- und Drain-Bereiche 43 bzw, 44 sind beide stark dotierte , P-(P )|eitende Halbleiterzonen, welche üblicherweise
durch Diffusion von Akzeptoren in das ursprüngliche Substrat hergestellt werden, wie aus der Technologie von Feldeffekt-Transistoren
bekannt ist. Eine Hauptoberfläche 31.5 des Halbleitersubstrats 31 befindet
sich in Berührung mit einer ersten Isolierschicht 32, üblicherweise aus Siliziumdioxid, auf welcher eine zweite Isolierschicht 33 angeordnet ist,
üblicherweise aus Aluminiumoxid, wobei die Isolierschichten 32 und 33
eine I. L-Isolatorzwischenfläche 32O5 bilden· Die Isolierschichten 32
und 33 sind im wesentlichen identisch mit den Isolierschichten 12 und 13, welche vorstehend bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fige 1 beschrieben
sind,, Das als IGFET-Feldeffekt-Transistor ausgebildete Bauelement 30 wird
vervollständigt durch eine Ohmsche Kontaktelektrode 35 auf dem Substrat
sowie durch eine Gate-Elektrode 34 auf der Isolierschicht 33.
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Wie aus Fig. 2 ferner hervorgeht, ist eine Signalquelle 37 zur Erzeugung
von in dem Bauelement 30 zu speichernden Informationen mit der Gate-Elektrode 34 und der Ohmschen Elektrode 35 des Substrates 31 verbunden.
Die Signalquelle 37 erzeugt in vorteilhafter Weise sowohl positive (Einschreiben) als auch negative (Löschen) Impulse von zu speichernden
Informationen, üblicherweise im Bereich von etwa 30 bis 60 Volt, wobei die Pulsbreiten üblicherweise in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden
je Puls sind. Es können aber Impulse mit geringeren Impulsbreiten bis
zu O7I Mikrosekunden verwendet werden. Die Signalquelle 37 beaufschlagt
die Gate-Elektrode 34 mit diesen pulsförmigen Informafionssignalen^
um elektronische Ladungen an der Isolator-Zwischenfläche 32,5 einzuschreiben oder zu löschen. Zur Erzeugung einer elektrischen Verbindung
zwischen der Signalquelle 37 und dem Source-Bereich 43 ist ein
Schalter 36 vorgesehen, welcher eine Steuerung des Löschbetriebes ermöglicht. Das Schließen des Schalters 36 während der Beaufschlagung
der Gate-Elektrode 34 mit negativen (Lösch)-Impulsen durch die Signalquelle
37 bewirkt die Entstehung eines elektrisch leitenden Kanals aus einer Inversionsschicht im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates
zwischen dem Source-Bereich 43 und dem Drain-Bereich 44, Dadurch erscheint die ganze negative Impulsspannung der Signalquelle 37 als
Spannungsabfall an den Isolierschichten 32 und 33, wobei der an der Isolierschicht 32 abfallende Teil dieser Spannung die Tunnelung von
elektronischen Ladungen durch diese Isolierschicht 32 bewirkt« Wenn dagegen der Schalter 36 bei dem Löschbetrieb geöffnet ist, während der Source-Bereich
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und der Drain-Bereich 44 bezüglich des Halbleitersubstrates 3T negativ
vorgespannt sind (nicht dargestellt), bildet sich der erwähnte leitende
Kanal aus einer Inversionsschicht nicht aus; anstelle dessen entsteht eine Verarmungsschicht im Oberflächenbereich des Substrates 31 zwischen
dem Source-Bereich 43 und dem Drain-Bereich 44, was zu einer Spannung&-
teilung der an den Isolierschichten 32^ 33 bzw. dieser Verarmungsschicht
abfallenden, negativen (Lösch)-Impulsspannung führt. Durch diese
Spannungsteilung wird das für die Tunnelung durch die Isolierschicht verantwortliche elektrische Feld verringert. Die Öffnung des Schalters
bei dem Löschbetrieb verringert daher in Verbindung mit. einer geeigneten Amplitude des von der Signalquelle 37 eingespeisten negativen Spannungsimpulses die Tunnelung von elektronischen Ladungen durch die Isolierschicht
und verhindert so die Löschung der negativen Impulse der Signalquelle
Dieser Löschungs-Verhinderungseffekt ist insbesondere nützlich im Falle einer selektiven Löschung von Speicherelementen in Speicheranordnungen,
welche durch eine Vielzahl von als Speicherelemente wirkendenlGFET-Bauelementen
30 gebildet werden.
Zum Auslesen des Speicherzustandes des Bauelementes 30 werden der Source-Bereich 43 und der Drain-Bereich 44 des Bauelementes 30 mit
den Enden einer Serienschaltung aus einer Batterie 51, einem elektrischen Schalter 51.5 und einem Stromfühler 42 verbunden. Das
Schließen des Schalters 51.5. gestattet mit Hilfe des Stromfühlers 42
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ein kontinuierliches und zerstörungsfreies Auslesen des Zustandes der an der Zwischenfläche 32,5 eingefangenen elektronischen
Ladungen, die als Antwort auf die Informationsimpulse der Signalquelle
37 erzeugt werden. In Abhängigkeit von der Polarität des unmittelbar zuvor von der Signalquelle 37 an die G ate-Elektrode
angelegten Informationssignals ist die Zwischenfläche 32.5 reich oder arm an eingefangenen elektronischen Ladungen, welche
zwischen dem Halbleitersubstrat 31 und der 1, L-Zwischenfläche
32.5 hindurchgetunnelt sind. Im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats
31 kann sich in bekannter Weise zwischen dem Source-Bereich 43 und dem Drain-Bereich 44 ein verhältnismäßig
gut leitender Kanal aus einer Inversionsschicht ausbilden, und zwar in Abhängigkeit von der Beaufschlagung mit einer
von der Batterie 38 gelieferten Gate-Spannung beim Schließen des elektrischen Schalters 39. Diese Gate-Spannung besitzt
einen Schwellwert für die Ausbildung einer derartigen Inversionsschicht, welcher abhängig ist von dem Zustand der an der L I-Zwischenfläche
32.5 gespeicherten elektronischen Ladung. Für Auslesezwecke wird daher die Batterie 38 so eingestellt, daß
die von ihr gelieferte Versorgungsspannung zwar ausreichend ist, um eine derartige Kanalinversionsschicht in den Fällen hervorzurufen,
in denen der von der Signalquelle 37 gelieferte, unmittelbar vorangegangene Informationsimpuls an der Gate-Elektrode 34 positiv war
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(Einschreiben), jedoch nicht ausreichend ist, um eine derartige Inversionsschicht im Falle eines vorangegangenen negativen
(Lösch)-Informationsimpulses zu erzeugen (die Batterie 38 ist in
jedem Folie allein nicht in der Lage, den Betrag der an der L !»-Zwischenfläche gespeicherten elektronischen Ladung zu
ändern). Für den Auslesebetrieb wird daher der Schalter 39 geschlossen, um die vorstehend erwähnte, geeignete Versorgungsspannung an die Gate-Elektrode 34 anzulegen, während der
Source-Drain-Strom durch Schließen des Schalters 51 «5 mittels des Stromfühlers 42 gemessen wird«, Ein mit dem Fühler 42 gemessener,
verhältnismäßig hoher Strom weist auf einen unmittelbar vorangegangenen, von der Signalquelle 37 gelieferten positiven
(Einschreib-)lnformationsimpuls hin, während ein verhältnismäßig
geringer Strom auf einen vorangegangenen negativen (Lösch-)Informationsimpuls hinweist. Dabei wird durch die in Fig.
dargestellt Einrichtung ein zerstörungsfreies und wiederholbares Auslesen des Zustandes der an der I. L-Zwischenfläche gespeicherten
elektronischen Ladung und damit der Polarität des vorangegangenen Informationsimpulses ermöglicht·
Es ist selbstverständlich^ daß bei einer Umkehr der Polarität der
Batterien 38 und 51 ein P-Ieitendes Substrat 31 sowie N -leitende
-30-409837/0778
Source- und Drain-Bereiche 43 bzw. 44 des Bauelementes 30 vorgesehen
werden können. Bei einem derartigen Bauelement kann anstelle der vorstehend erwähnten Verhinderung der Löschung eine
Verhinderung des Einschreibens mit Hilfe einer an den Source- und Drain-Bereich angelegten, bezüglich des Substrates positiven
Spannung erzielt werden. Bei einem hergestellten Ausführungsbeispiel eines derartigen Bauelementes bestand die L -Schicht 32 aus
Siliziumdioxid mit einer Dicke von 70 Angstrjiin, während die
L-Schicht 33 aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 520 Angstr/m
und einer Wolfram-Dotierungskonzentration von etwa 1,5x10 Atome
pro Quadrat centimeter an der Isolator-Zwischenfläche bestand. Die
bei diesem Bauelement im Löschungszustand ursprünglich vorhandene Schwel lwertspannung von etwa einem-Volt (zur Bildung einer Kanalinversionsschicht)
wurde auf etwa 6 Volt gesteigert, und zwar durch Anlegen eines Einschreibimpulses mit etwa 25 Volt Impulshöhe für .
eine Zeitdauer von etwa 1 00 Mikrosekunden oder eines Impulses mit etwa 30 Volt Impulshöhe für eine Zeitdauer von etwa 1 Mikrosekunde.
Bei einem ähnlich aufgebauten Bauelement ohne Wolfram-DoHerung war für die gleiche Änderung der Schwel lwertspannung ein Einschreibimpuls
mit einer Impulshöhe von 30 Volt und einer Impulsbreite von etwa zu-
3
mindest 5x10 Mikrosekunden erforderlich.
mindest 5x10 Mikrosekunden erforderlich.
Es versteht sich, daß für den Halbleiterkörper und die Isolierschichten
409837/0778 -31-
der in den Fig. 2 und 2 dargestellten Bauelemente eine Vielzahl von anderen Halbleiter-Werkstoffen bzw. Isolator -Werkstoffen
verwendet werden kann . Anstelle von oder zusätzlich zu der Tunnelung von negativ geladenen Elektronen können erfindungsgemäße
Bauelemente auch eine Tunnelung von positiv geladenen Löchern aufweisen. Es versteht sich ferner, daß eine Vielzahl
von vorstehend beschriebenen Speicherelementen gemäß einer bekannten integrierten Schaltkreistechnologie (US-PS 3 665 423)
innerhalb eines einzigen Speicher- und Auslesefeldes auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet werden kann . Bei einer
derartigen Ausführungsform kann ein selektiven Einschreiben und Auslesen auf einfache und bequeme Weise mit Hilfe einer Kreuzpunktmatrix
erfolgen, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 665 beschrieben ist.
Obwohl das Bauelement 10 vorstehend anhand einer Isolierschicht
aus Siliciumdioxid mit einer Dicke in einem Bereich zwischen etwa
es 60 und 200 Angstrjrfn beschrieben wurde, versteht/sich, daß diese
Isolierschicht 12 bei Inkaufnahme einer etwas verringerten Speicherdauer
auch etwas dünner ausgebildet werden kann, und zwar in einem Bereich zwischen etwa 15 und 50 Angstrom. Bei einer derartigen Ausb
ildung der Isolierschicht 12 tritt mehr ein direkter Tunneleffekt als ein Fowler-Nordheim-Tunnel-Effekt auf, woraus eine Verringerung
409837/0778
-32-
der erforderlichen Betriebsspannungen zum Einschreiben, Auslesen und Löschen resultiert.
409837/0778
Claims (1)
- Western Electric Company Inc , \^) · A 34 071 - niBroadway - New York, 10038 . -,Patentansprüchety Halbleiterspeicherelement mit einem Halbleiterkörper, auf dessen Oberfläche eine erste, aus einem Isolatormaterial bestehende Schicht aufgebracht ist, welche ihrerseits mit einer zweiten, aus einem weiteren Isolatormaterial bestehenden Schicht unter Bildung einer gemeinsamen Zwischenfläche verbunden ist, dadurch gekennzeichnetfl daß zur Schaffung von Niveaus zum Einfangen von elektronischen Ladungsträgern innerhalb des Bereichs der Zwischen fläche (12„5 bzw„ 32«5) ein metallischer Dotierstoff Verunreinigung) in einer Oberflächenkonzentration von im wesent-14 15liehen 1 χ 10 bis 2 χ 10 Atome pro Quadratcentimeter im Bereich der Zwischenfläche verteilt ist.2„ Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfläche (12„5 bzw0 32„5) zwischen409837/0778-Z-der ersten Isolierschicht (12 bzw. 32) und der zweiten Isolierschicht (13 bzw. 33) in die zweite Isolierschicht bis zu einer Tiefe von im wesentlichen 50 Angstrjrfn oder weniger hineinreicht.3. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß als metallischer Dotierstoff im wesentlichen Wolframafome vorgesehen sind.4. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Dotierstoff im wesentlichen Tantalatome vorgesehen sind.5. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Dotierstoff im wesentlichen Platinatome vorgesehen sind.6» Halbleiterspeicherelement nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Dotierstoff im wesentlichen Niobatome vorgesehen sind.7» Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Dotierstoff im wesentlichen Iridiumatome vorgesehen sind.409837/07788. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff im wesentlichen aus einer Mischung von Wolfram, Platin, Niob und Iridium mit wählbarem Mischungsverhältnis besteht.9, Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß der Halbleiterkörper (11 bzw, 31) aus Silizium,- die erste Isolierschicht (12 bzw. 32) aus Siliziumdioxid und die zweite Isolierschicht (13 bzw, 33) aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid besteht.10. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht (13) ferner mit einer ersten Metallelektrode (14) und der Halbleiterkörper(ll) ferner mit einer zweiten Metallelektrode (15) versehen ist und daß die erste und zweite Metallelektrode(14 bzw. 15)mit einer ersten Signalquelle (20) zum Einschreiben einer Information in das Speicherelement (10) mit einer zweiten Signalquelle (21) zum Löschen einer eingeschriebenen Information, sowie mit einem Schaltkreis (22, 23, 24) zum Auslesen einer eingeschriebenen Information verbindbar sind (Fig. 1).11. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (22, 23, 24) aus der Serienschaltung409837/0778eines Stromfühlers (22), einer Impulsquelle (23) und einer Gleichspannungsquelle (24) besteht und daß die Signalquellen (20, 21) aus jeweils einer Batterie bestehen«,12» Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement (10 bzw. 30) in für sich bekannter Weise als Feldeffekttransistor mit isolietfem Gate innerhalb eines integrierten Schaltkreises vorgesehen ist, wobei ein für eine Vielzahl von Speicherelementen gemeinsamer Halbleiterkörper (31) vorgesehen ist und der Halbleiterkörper (31) für jeweils ein Speicherelement kontaktierte Zonen (43, 44) aufweist, deren Leitfähigkeitstyp dem des Halbleiterkörpers (31) entgegengesetzt ist.409837/0778
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