DE2409568C2 - Halbleiter-Speicherelement - Google Patents
Halbleiter-SpeicherelementInfo
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Description
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
,1L-IiI2M, wie sie in der US-PS 36 04 988
beschrieben sind, verwendet werden. Bei der erwähnten Zusammensetzung des bekannten Speicherelementes
bedeutet das Symbol »S« eine Halbleiterschicht, die Symbole »Ii« und »I2« erste bzw. zweite Schichten aus
elektrischem Isoliermaterial sowie das Symbol »M« eine Metallelektrode. Bei dem bekannten Speicherelement
steht die erste Isolierschicht Ii in Berührungskontakt mit
einer größeren Oberfläche des Halbleiterkörpers, während die zweite Isolierschiebt I? nach Ar·, einer
Sandwich-Struktur zwischen der ersten Isolierschicht Ii
und der Metallelektrode angeordnet ist. Zum Einschreiben einer Information in das bekannte Speicherelement
wird an die Metallelektrode eine negative Spannung angelegt, so daß Elektronen entsprechend dem nach
Fowler-Nfordheim benannten Tunnel-Mechanismus von der Metallelektrode zu der Zwischenfläche (IiI2)
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 SIihM-Struktur, so daß diese Struktur ein
Speicherelement darstellt, welches mittels einer einzigen Kapazitätsmessung ausgelesen werden kann. Zur
elektrischen Löschung der SIibM-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-Tunnel-Mechanismus in einer der
Elektronenrichtung während des Einschreibevorgangs entgegengesetzten Richtung zurücktransportiert werden.
Bei einem derartigen Speicherelement stellt die Anwesenheit bzw. die Abwesenheit von eingefangenen
Elektronen an Oberflächeniveaus der Iib-Zwischenfläche
der Isolierschichten den Speicherzustand (L- bzw O-Information)dar.
Weitere bekannte Bauarten von SIihM-Strukturen
beruhen mehr auf dem Tunneleffekt von Ladungsträgern zwischen der IiI2-Zwischenfläche und dem
Halbleiterkörper als zwischen der lib-Zwischenfläche
und der Metallelektrode. Auch hier stellt die Anwesen-
heit oder Abwesenheit von eingefangenen Elektronen
in Oberflächenniveaus der IiN-Zwischenfläche den
Speicherzustand des Speicherelementes dar.
Die vorstehend erwähnten SIibM-Strukturen können
in bekannter Weise in integrierte Schaltkreisfelder für Massenspeicher eingefügt werden. Anbelle der vorstehend
beschriebenen Kapazitätsmessung bei einem mit * zwei Anschlüssen versehenen Speicherelement wird in
derartigen integrierten Schaltkreisfeidern jeder I1I. M-Abschnitt
einer Vielzahl von SIibM-Strukturen in
vorteilhafte: Weise als Steueranschluß 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 36 65 423), die erwähnten Schaltkreisfelder mit Adressen zu versehen zum selektiven Einschreiben,
Auslesen und Löschen mit Hilfe von verschiedenen selektiv arbeitenden Kreuzpunkt-Schaltungen.
Bei den bekannten SI 1I2M-Strukturen trtten 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 Herstellungsvorgangs 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 Betrieb sowie ein geringer Wirkungsgrad hinsichtlich des Einfangs von Elektronen
auftreten, welche während des Einschreibvorgang* 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 Löschungsvorgangs zu entleeren. Es werden somit sowohl bei dem
Einschreibevorgang als auch bei dem Löschungsvorgang unerwünscht große Spannungen und lange
Zeiträume benötigt, wodurch die Programmierungsund Rückprogrammierungsgeschwindigkeite.i begrenzt
werden.
Eine weitere Schwierigkeit mit den bekannten Sli^M-Speicherelementen tritt in Verbindung mit der
Verwendung von sehr dünnen Ii-Schichten mit etwa 30 Angstrom oder weniger auf, 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 Ii-Schichten arbeiten jedoch mehr aufgrund des
direkten Tunnel-Effektes der elektronischen Ladung zwischen der 11I2-Zwischenfläche und dem Halbleiter
körper als aufgrund des Tunnel-Effektes 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 Ij-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, I.April 1971), in
Halbleitsrspeicherelementen kle;ne Metallteilchen an
der Zwischenfläche der beiden Isolierschichten einer SIibM-Struktur zu verwenden. Hierdurch kann die
vorstehend erwähnte Schwierigkeit einer tiefen Energiebarriere zum Einfangen der Ladungsträger verringen
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 zusätzliche Problem mit sich, daß in der bzw. den
Isolierschichten in der unmittelbaren Nachbarschaft der Metallteilchen verhältnismäßig hohe elektrische Felder
erzeugt werden. Diese Felder führen zu unerwünschten Ladungsträgerdurchbrüchen innerhalb der Isolierschichten)
bei den Betriebsspannungen, sofern nicht eine sehr dünne Ii-lsolierschicht mit weniger als etwa 50
Angstrom Dicke zwischen dem Halbleiterkörper und der Iib-Zwischenfläche verwendet wird, um die
erforderlichen at.gelegten Spannungen und damii die elektrischen Felder innerhalb der Isolierschichten zu
verringern. Eine sehr dünne Ii-lsolierschicht gestattet jedoch in unerwünschter Weise den eingefangenen
Elektronen, an der Zwischenfläche direkt zu dem Halbleiterkörper zutückzutunneln, sogar wenn keine
Spannungen angeleg: sind, wodurch die Ladungsspeicher-Retentionsdauer
des Speicherelementes üblicherweise auf eine Größenordnung von weniger als einem
Tag verringert wird.
Bei einem weiteren bekannten SIibM-Speicherelement wird zum Einschreiben einer Information anstelle eines von einem elektrischen Feld unterstützten Fowler-Nordhei'n-Tunnel-Effektes oder anderer Tunnel-Effekte eine Injektion von Lawinenladungsträgern verwendet. Beispielsweise wird bei einem sogenannten »Floating Gate«-Transistor gemäß der US-PS 36 60 819 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. Darüber hinaus muß bei derartigen Bauelementen die aus einem Metalloxid 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 Schwierigkeiten vollständig vermieden sind.
Bei einem weiteren bekannten SIibM-Speicherelement wird zum Einschreiben einer Information anstelle eines von einem elektrischen Feld unterstützten Fowler-Nordhei'n-Tunnel-Effektes oder anderer Tunnel-Effekte eine Injektion von Lawinenladungsträgern verwendet. Beispielsweise wird bei einem sogenannten »Floating Gate«-Transistor gemäß der US-PS 36 60 819 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. Darüber hinaus muß bei derartigen Bauelementen die aus einem Metalloxid 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 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 2 bis 12 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
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
F i g. 2 eine weitere Speichereinrichtung mit einem im Schnitt dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Speicherelementes mit drei An-Schlüssen.
Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Halbleilerspeichereinrichtung enthält einen elektrischen
Schaltkreis mit einem Speicherelement der Struktur SIiI2M, wobei im Bereich der Isolatorzwischenfläche
(I|l2), 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, wenn der erwähnte Dotierstoff ein Material 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
1112-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 SIiI2M-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 M2-Zwischenfläche
geht, etwas dünnere Ii-Schichi:n zu verwenden, wobei die Ladungsträger von dem Halbleiterkörper
zu der I,I2-ZwischenfIäche 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 Dotierstoff an der I,l2-Zwischenfläche
sich ferner durch einen verhältnismäßig geringen Diffusions-Koeffizienten auszeichnet, so daß
der größte Teil des Dotierstoffes an der I|I2-Grenze
konzentriert bleibt: denn es ist wünschenswert, daß das Dotierungsprofil des fertigen Speicherelementes in
ausreichender Weise in der Nachbarschaft der IiI2-Zwischenfläche
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 SIthM-Speicherelement erzeugt
würde. Darüber hinaus liegt die Oberflächenkonzentra- so tion des metallischen Dotierstoffes an der IiI2-Zwischenfläche
in vorteilhafter Weise in dem Bereich zwischen 10'4 bis 2 χ 1015 Atome pro Quadratcentimeter.
was einer Schicht von reinem Metall von etwa 0.2 bis4,0
Angstrom Dicke entsprechen würde, welche vor der Herstellung der IrSchicht auf der li-Schicht niedergeschlagen
worden wäre. Aufgrund der extrem geringen Menge an verwendetem Dotierstoff ist der metallische
Dotierstoff in dem fertigen SIibM-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 IiVZwischenfläche
hervorgerufen werden
Obwohl die wissenschal tliche Erklärung für die Funktionsweise des erfindungsgemäßer, Speicherelementes
für dessen erfolgreichen Betrieb nicht wesentlich ist, wird angenommen, daß der fertige Dotierungsbereich
an der Iih-Zwischenfläche, welcher mit
Dotierstoff angereichert ist, die Ursache für eine klar definierte Energiebarriere darstellt, welche sich durch
ein Potentialminimum (»Potentialmulde«) mit zugehörigen »Zwischenflächenniveaus« auszeichnet, welche zum
Einfangen von Ladungsträgern befähigt sind. Darüber hinaus können die in diesen Potentialmulden eingefangenen
Ladungsträger reversibel aus diesen I|I2-Zwischenflächenniveaus
zurück in den Halbleiterkörper bzw. die Metallelektrode getrieben werden, und zwar
wiederum aufgrund des Fowler-Nordheim-Tunnel-Effektes,
jedoch in einer gegenüber der Tunnelrichtung beim Auffüllen der Zwischenflächenniveaus entgegengesetzten
Tunnelrichtung der Ladungsträger.
Da die Anwesenheit bzw. Abwesenheit von eingefangenen Ladungsträgern an der Ii I2-Zwischenfläche
verschiedene Werte für die Kapazität der SliI2M-Struktur
hervorruft, stellt diese Struktur ein elektrisch wiederprogrammierbares Speicherelement dar, welches
mit Hilfe einer einzigen Kapazitätsmessung zerstörungsfrei ausgelesen werden kann. Die erfindungsgemäße
SIibM-Struktur kann ferner als Steuerzone eines
Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode eingesetzt werden, wobei das Auslesen mit Hilfe einer
Messung des Source-Drain-Stroms erfolgt, welcher durch die Anwesenheit der Kanal-Inversionsschicht
unter dem Einfluß der eingefangenen Ladungsträger an der 1112-Zwischenfläche bei geeigneten Steuerspannungen
hervorgerufen wird.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfin- *. ng enthält eine SM2M-Struktur metallische Wolfram-Dotieratome
an der Ii^-Zwischenfläche. In vorteilhafter
Weise werden diese Atome in die SIiIjM-Struktur während der Herstellung durch einen Wolfram-Niederschlag
auf die noch unbedeckte Oberfläche der Ii-Schicht kurz vor der nachfolgenden Abscheidung der
IrSchicht sowie der M-Schicht eingefügt. Insbesondere besteht der Halbleiterkörper aus Silizium, die Ii-Schicht
aus Siliziumdioxid (Silikat) und die b-Schicht aus Aluminiumoxid. Auf diese Weise ist der Bereich der
Iib-Zwischenfläche in der vollständigen SIibM-Struktur
mit Wolfram als Dotierstoff angeriehen, welcher
innerhalb des Bändermodclls an der !,Ij-Zwischenfläche
entsprechende Energiezustände bzw. Energieniveaus hervorruft wodurch die SIi I2M-Struktur als Speicherelement
verwendet werden kann, wenn dieses in einen geeigneten elektrischen Schaltkreis eingesetzt wird. Mit
einer derartigen SIihM-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 F i g. 1 dargestellte Halbleiterspeicherelement 10 enthält einen N-Ieitenden monokristallmen Halbleiterkörper
11, üblicherweise aus Silizium mit einer (1,1,1)- oder einer (l,0,0)-Orientierung sowie mit
Widerstand von etwa einem bis 10 Ohm - Centimeter, beispielsweise etwa 5 Ohm - Centimeter. Eine aus
einem Isolator (Ii) 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
IU gebildet wird Eine weitere, aus einem Isolator (I2) bestehende Schicht 13, übBcherweise
aus Aluminiumoxid ist auf einer größeren Oberfläche der Isolierschicht 12 angeordnet, wobei eine Isolator-
09-568
Isolator-Zwischenfläche (lilrZwischenfläche) 12.5 gebildet
ist, welche — wie nachstehend noch näher zu erläutern ist — mit einem Dotierstoff, üblicherweise
metallisches Wolfram, angereichert ist. Die freiliegende, obere Oberfläche 133 der I2-Schicht 13 ist mit einer
Metallelektrode 14 kontaktiert, während der Halbleiterkörper 11 mit einer Elektrode 15 kontaktiert ist,
wodurch eine Struktur der Zusammensetzung SItI2M
gebildet ist, welche innerhalb des in Fig. 1 dargestellten
Schaltkreises als Speicherelement 10 dient. Die b-Schicht 13 kann dicker als die Ii-Schicht 12 und die
Dielektrizitätskonstante der I2-Schicht 13 kann größer als die der h-Schicht 12 gewählt werden. Auf diese
Weise ist das elektrische Feld innerhalb der Ii-Schicht
12 größer als in der I2-Schicht 13, so daß die Tunnelung
der Ladungsträger zu bzw. von der SiI2-Zwischenfläche
12.5 im wesentlichen ausschließlich von bzw. zu dcrn 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 F i g. 1 dargestellten Schaltkreises ist die Elektrode 14 des Speicherelementes
10 über einen elektrisch leitenden Leitungsdraht 16 mit einem gemeinsamen Anschluß 173 eines einpoligen
Umschalters 17 verbunden, welcher ferner erste und zweite Anschlußkontakte 203 bzw. 213 aufweist Die
andere Elektrode 15 des Speicherelementes 10 ist über einen elektrisch leitenden Leitungsdraht 18 mit einem 3Ü
weiteren gemeinsamen Anschluß 19 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
Stromdetektors 22 angeschlossen sind. Der erste Anschlußkontakt 203 des Umschalters 17 ist elektrisch
mit der positiven Klemme der Batterie 20 und der zweite Anschlußkontakt 213 des Umschalters 17 ist
elektrisch mit der negativen Klemme der Batterie 21 verbunden. Schließlich ist eine Wechselstrom- bzw.
Wechselspannungssignalqueiie 23 zum kapazitiven Auslesen des Speicherelementes 10 in Serie mit dem
Stromdetektor 2Z einer einstellbaren Versorgungsbatterie 24 sowie einem elektrischen Schalter 25 geschaltet,
wodurch der in F i g. 1 dargestellte Schaltkreis vervollständigt ist
Zum Einschreiben von Informationen in das Speicherelement 10 wird bei geöffnetem Schalter 25 der so
Schalter 17 mit dem ersten Anschlußkontakt 203 verbunden, wodurch in der Ii-Schicht von der Batterie
20 ein elektrisches Feld erzeugt wird, welches eine
Tunnelung von Elektronen aus dem Halbleiterkörper 11
durch die Ii-Schicht 12 zu der Iih-Zwischenfläche 123
auslöst. Diese Elektronen werden dabei an der Iib-Zwischenfläche 123 eingefangen, wodurch das
Speicherelement 10 in seinen Einschreibzustand gebracht ist Dieser Zustand hält so lange an, wie das
elektrische Feld innerhalb des Speicherelementes 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 17 mit dem zweiten Anschlußkontakt 213
verbunden, wodurch bei geöffnetem Schalter 25 eine Leitverbindung zwischen der Batterie 21 and dem
Speicherelement 10 hergestellt wird. Dabei wird das elektrische Feld innerhalb der I2-Schicht 12 umgekehrt,
und zwar über den Schwellwert für den entgegengerichteten Transport; hierdurch werden die zuvor eingefangenen
Elektronen an der iit2-Zwischenfläche 12.5
veranlaßt, zurück in den Halbleiterkörper 11 zu tunneln,
womit die l|I2-Zwischenfläche von den zuvor eingefangenen
Elektronen entladen wird. Diese Entladung der IiI2-Zwischenfläche bringt das !Speicherelement 10 in
den Löschzustand.
Ein gleichmäßiges Auslesen des Zustandes der an der UrZwischenflache Ϊ2.5 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 17 und dem gemeinsamen Anschluß 19 angeordnet sind. Während des Auslesens wird der
Schalter 17 geöffnet, während der Schalter 25 geschlossen wird. Da die Kapazität des Speicherelementes
10 bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung der Batterie 24 von dem Zustand der eingefangenen
elektronischen Ladungen an der Iih-Zwischenfläche
abhängt, ist der mit Hilfe des Detektors 22 ermittelte Signalstrom ebenfalls von dem Zustand der
eingefangenen Ladungen an der IiI2-ZwischenfIäche
abhängig. In vorteilhafter Weise wird der Scheitelwert der Ausgangsspannung der Signalquelle 23 ebenso wie
die Spannung der wählbaren Versorgungsbatterie 24 ausreichend niedrig gehalten, 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 22 ein gleichmäßiges,
zerstörungsfreies Auslesen des Speicherzustandes, wie er durch die Menge der an der IiI2-Zwischenfläche 123
des Speicherelementes 10 eingefangenen Ladungen bestimmt ist.
Die in F i g. 1 dargestellte Speichereinrichtung mit dem Speicherelement 10 stellt einen elektrisch wiederprogrammierbaren
Speicher mit einem gleichmäßigen und zerstörungsfreien Ausiesevorgang dar, wobei die
Batterie 20 die erforderliche Einschreib-Spannung und die Batterie 21 die erforderliche Lösch-Spannung
liefern. 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 203 für eine Dauer von 0,1 MikroSekunden verbunden wird,
während für die von der Batterie 21 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 Speicherelementes 10 wird anhand eines Beispiels veranschaulicht: In bevorzugter
Weise wird zunächst die größere Oberfläche 113 des aus Silizium bestehenden Halbleiterkörpers 11 wie bei
einem Verfahrensschritt zur Entfernung von Oxidablagerungen (»Oxidabstreifung«) sorgfältig vorgereinigt
Anschließend wird auf der größeren Oberfläche 113 des
Halbleiterkörpers 11 die Isolierschicht 12 aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von etwa 60 bis 200 Angstrom,
üblicherweise etwa 100 Angstrom, gezüchtet, und zwar
üblicherweise durch eine trockene, thermische Oxidation. Alternativ hierzu könen entweder trockene oder
nasse Anodisierungstechnologien verwendet werden, um die Isolierschicht 12 auf dem Halbleiterkörper 11 zu
züchten. Im nächsten Verfahrensschritt wird auf die freie Oberfläche 12.5 der Isolierschicht 12 metallisches
Wolfram aufgedampft, so lange, bis sich auf der Oberfläche ein Niederschlag von etwa IxIO14 bis
2 χ 1015 Wolfram-Atome pro Quadratcentimeter gebildet
hat, welcher einer Dicke von etwa 0,2 bis 4 Angstrom 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
Wo'ifrainmenge 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 I112-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 Wolfram angeordnet wird als die Oberfläche einer Kontroliprobe, 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 123 besteht darin, daß in vorteilhafter Weise nur während der Anfangsphase
eines Aluminiumoxid-Niederschlages der ^-Schicht 13 etwas Wolframhalogenid mit Aluminiumhalogenid
gemischt wird, wobei letzteres für die Aufdampfung der b-Schicht 13 verwendet wird. Auf diese Weise werden
die Wolfram-Verunreinigungen an der Iih-Zwischenflächc
konzentriert. Dabei winj äiidcfcfSciis eine νύΓι den
Dotierstoffen hervorgerufene gesteigerte elektrische Leitfähigkeit des gesamten Pfades zwischen der
Metallelektrode und der Iib-Zwischenfläche in dem
fertigen SIihM-Speicherelement 10 vermieden, welche
sonst einen unerwünschten Leckstrom und damit eine verringerte Lebensdauer der gespeicherten Ladung
verursachen würde.
Nach Einfügen des Wolfram-Dotierstoffes wird die
b-Schicht 13 durch Abscheiden von Aluminiumoxid mit einer üblichen Dicke von etwa 300 bis 700 Angstrom,
beispielsweise etwa 500 Angstrom, gebildet, und zwar
üblicherweise durch einen herkömmlichen Dampfniederschlag von Aluminiumhalogenid bei einer erhöhten
Temperatur von etwa 900° C
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 Itb-Zwischenfläche 123 zu
vermeiden.
Anschließend werden die Metalleketroden 14 und 15 nacheinander auf die b-Schicht aufgebracht, üblicherweise
durch Aufdampfen einer Schicht metallischen Aluminiums mit einer Dicke von 0,2 Mikron.
An der Iib-Zwischenfläche 12.5 können auch andere Dotierstoffe als Wolfram verwendet werden, beispielsweise Iridium (in einm vorteilhaften Konzentrationsbereich von 1 χ 1014 bis 1 χ 1015 Atome pro Quadratcentimeter), Platin, Tantal, Niob oder Mischungen hiervon in einem beliebigen Mischungsverhältnis. Gleichgültig, welches Metall bzw. welche Metallmischung als Dotierstoff verwendet wird, sollte in vorteilhafter Weise der Doticrstoff so ausgewählt werden, daß dieser bei der erhöhten Temperatur, bei welcher die b-Schicht in der beschriebenen Reihenfolge niedergeschlagen wird, nicht flüchtig ist. Es ist ferner nützlich, wenn der Diffusions-Koeffizient des als Dotierstoff verwendeten Metalls ausreichend klein ist, so daß die niedergeschlagenen Metallatome bei den erwähnten erhöhten Temperaturen während des Aufbringens der b-Schicht nicht von der 11 b-Zwischenfläche wegdinffundieren, und zwar wieder durch die Ii-Schicht hindurch zu dem Halbleiterkörper 11 noch durch die gesamte Dicke der fertigen b-Schicht. Es ist daher im allgemeinen günstig, wenn das fertige Dotierungsprofil der Isolierschichten so begrenzt ist, daß mit wachsender Entfernung von der Iib-Zwischenfläche die Dotierungskonzentration vor Erreichen der SIr und der bM-Zwischenflächen bestimmte Werte unterschreitet.
An der Iib-Zwischenfläche 12.5 können auch andere Dotierstoffe als Wolfram verwendet werden, beispielsweise Iridium (in einm vorteilhaften Konzentrationsbereich von 1 χ 1014 bis 1 χ 1015 Atome pro Quadratcentimeter), Platin, Tantal, Niob oder Mischungen hiervon in einem beliebigen Mischungsverhältnis. Gleichgültig, welches Metall bzw. welche Metallmischung als Dotierstoff verwendet wird, sollte in vorteilhafter Weise der Doticrstoff so ausgewählt werden, daß dieser bei der erhöhten Temperatur, bei welcher die b-Schicht in der beschriebenen Reihenfolge niedergeschlagen wird, nicht flüchtig ist. Es ist ferner nützlich, wenn der Diffusions-Koeffizient des als Dotierstoff verwendeten Metalls ausreichend klein ist, so daß die niedergeschlagenen Metallatome bei den erwähnten erhöhten Temperaturen während des Aufbringens der b-Schicht nicht von der 11 b-Zwischenfläche wegdinffundieren, und zwar wieder durch die Ii-Schicht hindurch zu dem Halbleiterkörper 11 noch durch die gesamte Dicke der fertigen b-Schicht. Es ist daher im allgemeinen günstig, wenn das fertige Dotierungsprofil der Isolierschichten so begrenzt ist, daß mit wachsender Entfernung von der Iib-Zwischenfläche die Dotierungskonzentration vor Erreichen der SIr und der bM-Zwischenflächen bestimmte Werte unterschreitet.
Anstelle von Aluminiumoxid können auch andere Isoücrwerkstoffe mit im Vergleich zu der Ii-Schicht
verhältnismäßig hohen Dielektrizitätskonstanten verwendet werden, beispielsweise Siliziumnitrid mit einer
Dicke von üblicherweise etwa 300 bis 700 Angstrom, das in gleicher Weise wie Aluminiumoxid als b-Schicht des
Bauelementes 10 verwendet werden kann. Wenn der Fowler-Nordheim-Tunnel-Effekt nicht zwischen dem
Halbleiterkörper 11 und der Iib-Zwischenfläche, sondern
zwischen der Metallelektrode i4 und der Iib-Zwischenfläche bei dem Bauelement 10 erzielt
werden soll, sollte weniger die Ii-Schicht, sondern die b-Schicht so gewählt werden, daß diese die dünnere
Schicht mit der kleineren Dielektrizitätskonstante ist. Beispielsweise kann Zinksulfid für die b-Schicht in
Verbindung mit Siliziumdioxid als Ii-Schicht auf einem
Silizium-Halbleiterkörper vorgesehen werden.
Man nimmt an, daß die Diffusions-Konstante von Platin in Siliziumdioxid bei einer erhöhten Temperatur
vor. 5000C in der Größenordnung vor. IG-16CmVSekunden
oder weniger liegt. Diese Diffusionskonstante entspricht einer Diffusionslänge von etwa 40 bis 50
Angstrom oder weniger bei einer Diffusionszeit von annähernd einer halben Stunde, welche die übliche Zeit
darstellt, die für die Bildung der IrSchicht bei den erhöhten Temperaturen bekannter chemischer Aufdampftechnologie
erforderlich ist Es wird ferner angenommen, daß die Diffusionskonstanten von metallischen
Dotierstoffen, wie 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 b-Schicht angeordnet sind, sich in einem
höchstens 40 oder 50 Angstrom von der IilrZwischenfläche
entfernten Bereich befinden. Es wird ferner
angenommen, daß die Diffusionskonstanten von Wolfram und der anderen, vorstehend erwähnten metallischen
Dotierstoffe in Siliziumdioxid annähernd gleich oder geringer sind als die entsprechenden Diffusionskonstanten dieser Dotierstoffe in Aluminiumoxid.
Man kann daher davon ausgehen, daß die Mehrzahl dieser Dotierstoffe, welche bei dem fertigen Bauelement
in der Ii-Schicht angeordnet sind, sich ebenfalls innerhalb eines höchstens 40 oder 50 Angstrom von der
Ii I2-Zwischenfläche entfernten Bereiches befinden.
Darüber hinaus sind die Dampfdrücke von Wolfram, Platin, Iridium, Tantal und Niob bei 9000C geringer als
10-" Torr (Millimeter Quecksilbersäule). Es ist daher ebenfalls wünschenswert, daß der Dampfdruck der an
der Iili-Zwischenfläche bei 9000C niedergeschlagenen
Dotierstoffe entweder geringer oder nicht viel höher als !O"" 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 h-Schicht
oder für irgendeinen nachfolgenden Herstellungsschritt für das Bauelement nicht erforderlich sind, versteht es
sich, daß die vorstehenden Bedingungen für die Diffusionskonstanten und Dampfdrücke der Dotierstoffe
nicht anwendbar sind (mit Ausnahme der damit verbundenen geringeren Temperaturen). Mit den zur
Zeit bekannten Aufdampftechnologien sind jedoch derartige erhöhte Temperaturen zur Herstellung von
hochqualitativen h-Schichten unumgänglich.
Aufgrund der Erfahrungen bei einem Bauelement 10, welches bei höheren Temperaturen von 25O0C bis
35O0C entsprechend den vorstehend erwähnten Technologien
hergestellt wurde, besteht die berechtigte Erwartung, daß bei derartigen Speicherelementen bei
Betriebstemperaturen von etwa 1000C 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 Iib-Zwischenfläche
durch die von diesen Ladungsträgern aufrechterhaltenen Leckströme durch die h-Schicht
begrenzt ist. Bei Versuchen, weiche mit einem speziellen Ausführungsbeispiel des Bauelementes 10 unter Anlegung
einer Versorgungsspanr.ang von 10 Volt bei 250° C
mit einer die erwähnten Leckströme durch die I2-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 b-Schicht aufgrund von Ladungsträgeranreicherung
durch elektrische Felder kann erwartet werden, daß die Speicherdauer bei einer Versorgungsspannung von null
Volt wenigstens etwa 10 Jahre bei 2500C und wenigstens 20 Jahre bei 1100C beträgt.
In Fig.2 ist ein Bauelement 30 dargestellt, dessen
Aufbau dem des Bauelementes 10 gemäß F i g. 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 (IGFET-Transistor, was die Abkürzung von insulatedgate
field-effect transistor ist) des integrierten Schaltkreises, welcher ein kontinuierliches Lese- und Speicherelement
darstellt Das Bauelement 30 umfaßt ein Substrat 31 aus einer N-leitenden, monokristallinen
Halbleiterscheibe, welche üblicherweise aus halbleitendem Silizium mit einem Widerstand im Bereich von
etwa 1 bis 10 Ohm · Centimeter, z.B. etwa 5 Ohm · Centimeter besteht. Das Substrat 31 ist im
wesentlichen identisch mit dem vorstehend beschriebenen Halbleiterkörper 11 mit Ausnahme des Umstandes,
daß das Substrat 31 drüber hinaus 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+)-leitende Halbleiterzonen,
welche üblicherweise durch Diffusion von Akzeptoren in das ursprüngliche Substrat 31 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 Iih-Isolierzwischenfläche
32.5 bilden. Die Isolierschichten 32 und 33 sind im wesentlichen identisch mit den Isolierschichten 12 und
13, weicht vorstehend bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. i beschrieben sind. Das als IGFET-Feldeffekt-Transistor
ausgebildete Bauelement 30 wird vervollständigt durch eine Ohmsche Kontaktelektrode 35
auf dem Substrat 31 sowie durch eine Gate-Elektrode 34 auf der Isolierschicht 33.
Wie aus F i g. 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 Substrats 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 0,1 Mikrosekunden verwendet werden. Die Signalquelle 37
beaufschlagt die Gate-Elektrode 34 mit diesen pulsförmigen Informationssignalen, um elektronische Ladungen
an der Isolator-Zwischenfläche 323 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 Halbleitersubstrats 31 zwischen dem Source-Bereich 43 und dem Drain-Bereich
44. Dadurch erscheint die ganze negative Imnuksnannung 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 und der Drain-Bereich 44 bezüglich des
Halbleitersubstrats 31 negativ vorgespannt sind (nicht dargestellt), bildet sich der erwähnte leitende Kanal aus
einer Inversionsschicht nicht aus; anstelle dessen entsteht eine Verarmungsschicht im Oberflächenbereich
des Substrats 31 zwischen dem Source-Bereich 43 und dem Drain-Bereich 44, was zu einer Spannungsteilung
der an den Isolierschichten 32, 33 bzw. dieser Verarmungsschicht abfallenden, negativen (Lösch-VSmpulsspannung
führt Durch diese Spannungsteilung wird
das für die Tunnelung durch die Isolierschicht 32 verantwortliche elektrische Feld verringert Die Öffnung
des Schalters 36 bei d^rn Löschbetrieb verringert
daher in Verbindung mit einer geeigneten Amplitude des von der SignJquelle 37 eingespeisten negativen
Spannungsimpulses die Tunnelung von elektronischen Ladungen durch die Isolierschicht 32 und verhindert so
die Löschung der negativen Impulse der SignalqueUe 37. Dieser Löschungs-Verhindenmgseffekt ist insbesondere
nützlich im Falle einer selektiven Löschung von Speicherelementen in Speicheranordnungen, welche
durch eine Vielzahl von als Speicherelemente wirkenden IGFET-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 513 gestattet
mit Hilfe des Stromfühlers 42 ein kontinuierliches und zerstörungsfreies Auslesen des Zustandes der an der
Zwischenfläche 32.5 eingefangenen elektronischen Ladungen, die als Antwort auf die Informationsimpulse
der SignalqueUe 37 erzeugt werden. In Abhängigkeit von der Polarität des unmittelbar zuvor von der
SignalqueUe 37 an die Gate-Elektrode 34 angelegten Inforinationssignals ist die Zwischenfläche 323 reich
oder arm an eingefangenen elektronischen Ladungen, welche zwischen dem Halbleitersubstrat 31 und der
lib-Zwischenfläche 323 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 Iib-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 SignalqueUe 37 gelieferte, unmittelbar vorangegangene
Informationsimpuls an der Gate-Elektrode 34 positiv war (Einschreiben), jedoch nicht ausreichend ist,
um eine derartige Inversionsschicht im Falle eines vorangegangenen negativen (Lösch-)Informationsimpulses
zu erzeugen (die Batterie 38 ist in jedem Fall allein nicht in der Lage, den Betrag der an der
Iib-Zwischenfläche gespeicherten elektronischen Ladung
zu ändern). Für den Auslesebetrieb wird daher der Schalter 39 geschlossen, um die vorstehend erwähnte,
geeignete Versorungsspannung 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 SignalqueUe 37 gelieferten
positivon (Einschreib-)Iinformationsimpuls hin, während ein verhältnismäßig geringer Strom auf einen
vorangegangenen negativen (Lösch-)Informationsimpuls hinweist. Dabei wird durch die in F i g. 2
dargestellte Einrichtung ein zerstörungsfreies und wiederholbares Auslesen des Zustandes der an der
Ijh-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-leitendes
Substrat 31 sowie N+-leitende Source- und Drain-Bereiche 43 bzw. 44 des Bauelementes 30 vorgesehen
ίο 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 Substrats positiven Spannung
erzielt werden. Bei einem hergestellten Ausführungsbeispiel eines derartigen Bauelementes bestand die
Ii-Schicht 32 aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 70
Angstrom, während die b-Schicht 33 aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 520 Angstrom und einer
Wolfram-Dotierungskonzentration von etwa 1,5x1015
Atome pro Quadratcentimeter an der Isolator-Zwischenfläche
bestand. Die bei diesem Bauelement im Löschungszustand ursprünglich vorhandene Schwellwertspannung
von etwa einem Volt (zur Bildung einer Kanalinvers' msschicht) wurde auf etwa 6 Volt gesteigert,
und zwar durch Anlegen eines Einschreibimpulses mit etwa 25 Volt Impulshöhe für eine Zeitdauer von
etwa 100 Mikrosekunden oder eines Impulses mit etwa 30 Volt Impulshöhe für eine Zeitdauer von etwa 1
Mikrosekunde. Bei einem ähnlich aufgebauten Bauelement ohne Wolfram-Dotierung war für die gleiche
Änderung der Schwellwertspannung ein Einschreibimpuls mit einer Impulshöhe von 30 Volt und einer
Impulsbreite von etwa zumindest 5xlO3 Mikrosekunden
erforderlich.
Es versteht sich, daß für den Halbleiterkörper und die Isolierschichten der in den F i g. 1 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 36 65 423) innerhalb eines einzigen Speicher- und Auslesefeldes
auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet werden kann. Bei einer derartigen Ausführungsform
kann ein selektives Einschreiben und Auslesen auf einfache und bequeme Weise mit Hilfe einer Kreuzpunktmatrix
erfolgen, wie dies beispielsweise in der US-PS 36 65 423 beschrieben ist.
Obwohl das Bauelement 10 vorstehend anhand einer Isolierschicht 12 aus Siliziumdioxid mit einer Dicke in einem Bereich zwischen etwa 60 und 200 Angstrom beschrieben wurde, versteht es 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 Ausbildung der Isolierschicht tritt mehr ein direkter Tunneleffekt als ein Fowler-Nordheim-Tunnel- Effekt auf, woraus eine Verringerung der erforderlichen Betriebsspannungen zum Einschreiben, Auslesen und Löschen resultiert.
Obwohl das Bauelement 10 vorstehend anhand einer Isolierschicht 12 aus Siliziumdioxid mit einer Dicke in einem Bereich zwischen etwa 60 und 200 Angstrom beschrieben wurde, versteht es 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 Ausbildung der Isolierschicht tritt mehr ein direkter Tunneleffekt als ein Fowler-Nordheim-Tunnel- Effekt auf, woraus eine Verringerung der erforderlichen Betriebsspannungen zum Einschreiben, Auslesen und Löschen resultiert.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.
Claims (12)
1. 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 gekennzeichnet,
daß zur Schaffung von Niveaus zum Einfangen von elektronischen Ladungsträgern innerhalb des
Bereiches der Zwischenfläche (125 bzw. 323) ein metallischer Dotierstoff (Verunreinigung) in einer
Oberflächenkonzentration von im wesentlichen 1 χ 1014 bis 2 χ 1015 Atome pro Quadratcentimeter im
Bereich der Zwischenfläche vereilt ist
2. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfläche
(12.5 bzw. 32.5) zwischen 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 Angstrom oder weniger
hineinreicht.
3. Halbleiterspeicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als metallischer Dotierstoff
im wesentlichen Wolframatome 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 1, 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.
8. 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 gekennzeichnet, 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 (11) 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 Serienschaltung eines 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 Fedleffekttransistor mit isoliertem 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.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US33691673A | 1973-03-01 | 1973-03-01 | |
| US413865A US3877054A (en) | 1973-03-01 | 1973-11-08 | Semiconductor memory apparatus with a multilayer insulator contacting the semiconductor |
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|---|---|
| DE2409568A1 DE2409568A1 (de) | 1974-09-12 |
| DE2409568C2 true DE2409568C2 (de) | 1982-09-02 |
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ID=26990451
Family Applications (1)
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| DE2409568A Expired DE2409568C2 (de) | 1973-03-01 | 1974-02-28 | Halbleiter-Speicherelement |
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| JP (1) | JPS5716745B2 (de) |
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| DE (1) | DE2409568C2 (de) |
| FR (1) | FR2220082B1 (de) |
| GB (1) | GB1457780A (de) |
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| JP2013197121A (ja) * | 2012-03-15 | 2013-09-30 | Toshiba Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
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- 1974-02-18 SE SE7402116A patent/SE398686B/xx not_active IP Right Cessation
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- 1974-02-28 NL NL7402733A patent/NL7402733A/xx not_active Application Discontinuation
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