DE2415425A1

DE2415425A1 - Mit elektromagnetischer strahlung zu steuerndes statisches speicherelement und speicheranordnung

Info

Publication number: DE2415425A1
Application number: DE2415425A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl Phys Dr Jacobs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-03-29
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1975-10-09
Also published as: DE2415425B2; DE2415425C3

Description

Mit elektromagnetischer Strahlung zu steuerndes statisches Speicherelement und Speicheranordnung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein mit elektromagnetischer Strahlung zu steuerndes statisches Speicherelement, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist, sowie auf eine Speicheranordnung mit matrixförmig angeordneten Speicherelementen.
Aus dem Stand der. Technik sind speichernde Feldeffekttransistoren mit Oxyd-Nitrid-Doppelschicht als Gateisolationsschicht bekannt. Solche Transistoren werden als MNOS-Feldeffekttransistoren bezeichnet. In solchen Feldeffekttransistoren kann der für vorgegebene Gatespannung erreichbare Leitungszustand bzw. die Einsatzsparnrnng des Transistors durch räumlich festsitzende Ladungen in der Gateisolationsschicht verändert werden.
In einer älteren Patentanmeldung P 23 48 659.1 vom 27.9.1973 (VPA 73/7166) ist ein Festwertspeicher mit MIS-Halbleiterbauelementen beschrieben, bei dem diese Bauelemente in Matrixform angeordnet sind. Die einzelnen Bauelemente weisen wie bei einem Feldeffekttransistor Source- und Drain-Gebiete auf und haben eine Gateisolationsschicht mit darauf befindlicher Gateelektrode. Durch Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise von kurzwelligem Licht, insbesondere UV-Licht, läßt sich der Leitungazustand bzw. die Einsatzspannung eines solchen Bauelementes bleibend verändern, was dort für einen Festwertspeicher ausgenutzt ist. Die bleibende Veränderung des Leitungszustandes des Bauelementes beruht nach der dieser älteren Anmeldung zugrunde liegenden Erkenntnis darauf, daß in der Gateisolationsschicht befindliche positive Ladungen durch Elektronen aus dem halbleitenden Substratkörper, in dem sich Source- und Drain-Gebiet befinden, neutralisiert werden. Diese Elektronen werden gemäß der Lehre dieser älteren Anmeldung durch die Einwirkung der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung aus dem Halbleitermaterial freigesetzt und diffundieren in die Isolatorschicht, wo sie diese erwähnte Neutralisation der positiv geladenen Traps bewirken.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiter-Speicherelement zu finden, das auf elektromagnetische Strahlung anspricht und durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung umsteuerbar bzw. umspeicherbar ist. Diese Aufgabe wird durch ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes Speicherelement erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Mit wie erfindungsgemäßen Speicherelementen läßt sich ein matrixförmiger umsteuer- Dzw. umspeicherbarer Festwertspeicher realisieren.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen hervor.
Fig.1 zeigt im Schnitt ein erfindungsgemäßes Speicherelement 1 in einem nur teilweise dargestellten Substratkörper 2 aus beispielsweise n-leitendem Siliziummaterial. In dem Substratkörper 2 befinden sich ein p-dotiertes Source-Gebiet 3 und ein p-dotiertes Drain-Gebiet--4. Mit 5 und 6 sind Elektroden bezeichnet, die sich auf den Gebieten 3 und 4 ffir einen elektrischen Anschluß befinden. Mit 71 und 72 sind zwei Schichten der Gateisolationsschicht 7 bezeichnet. Mit 8 ist die auf der Gateisolationsschicht 7 befindliche Gateelektrode bezeichnet.
Die gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung schichtweise aus unterschiedlichem Isolatormaterial bestehende Gateisolationsschicht 7 umfaßt eine dünne Oxydschicht 71, z.B.
aus Siliziumdioxid, die für Siliziumdioxid vorzugsweise eine Dicke von 2 bis 5 nm hat. Die bevorzugte Dicke für diese Schicht 71 ergibt sich aus der noch zu beschreibenden Notwendigkeit, Elektronen aus dem Substratkörper 2 im Bereich der Schicht 71 durch die Schicht 71 hindurchwandern zu lassen.
Die zweite Isolationsschicht 72 besteht vorzugsweise aus Siliziumnitrid (Si3N4) und hat eine Dicke von insbesondere 40 bis 100 nm, vorzugsweise 50 nm. Die auf der Gateisolationsschicht 7 befindliche Gateelektrode 8 ist für die einzustrahlende elektromagnetische Strahlung ausreichend transparent ausgeführt. Z.B. wird hierfür eine 30 nm dicke Goldschicht verwendet. In der Figur sind die dargestellten Schichten und die Elektrode bezüglich ihrer Dicken nicht maßstäblich zueinander.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann zwischen der in mit 72 bezeichneten Isolationsschicht und der Gateelektrode 8 eine weitere Isolationsschicht 73 vorgesehen sein, die vorzugsweise eine hohe Dielektrizitätskonstante hat. Als Material für diese Schicht eignen sich insbesondere Alkaliniobate, Erdalkalititanate, Bleizirkonat oder Cadmiumtantalat.
Durch die hohe DK dieser Schicht wird das erfindungsgemäße Speicherelement so ausgebildet, daß auch bei niedriger Gatespannung an der Grenzfläche zwischen dieser Schicht 73 mit hoher Dielektrizitätskonstante und der Schicht 72 eine hohe elektrische Feldstärke auftritt, die den erfindungsgemäßen Effekt begünstigt. Das gemäß dieser Weiterbildung realisierte erfindungsgemäße Speicherelement läßt sich dann besonders günstig in Niedervolt-Technik (z.B. TTL) einsetzen.
Bei dem erfindirngsgemäßen Speicherelement 1 läßt sich durch zeitlich gesteuert begrenzte Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung 13, z.B. von der mit 12 bezeichneten Quelle ausgehend und durch die Linse 9 fokussiert, in der Schicht 72 eine permanente Ladungsspeicherung erzielen. Eine Ladungsspeicherung etDlgt durch Einfangen von mit 15 bezeichneten Ladungsträgern, vorzugsweise Elektronen in mit 19 bezeichneten Traps der speichernden Schicht 72. Die Ladungsträger 15 sind durch die eingestrahlte Strahlung 13 am gezeigten Ort im Körper 2 freigesetzt worden. Wesentlich für die Erfindung ist, daß diese Ladungsspeicherung reversibel ist, d.h. sich steuerbar ändern bzw. rückgängig machen läßt.
Eine daneben in der Schicht 71 auftretende, durch das Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung einmal erfolgte Ladungseinspeicherung, wie sie bei der Erfindung nach der älteren Anmeldung wesentlich ist, bleibt-an sich unverändert.
Gegenüber dem erfindungsgemäßen Effekt ist diese einmal erfolgte Aufladung vernachlässigbar.
Das Verändern der durch elektromagnetische Strahlung erzeugten Ladungsspeicherung 19 erfolgt wieder durch zeitlich begrenztes Einstrahlen elektromagnetischer Strahlung, wofür jedoch langwelligere Strahlung zu verwenden ist. Für den Fachmann ist es unproblematisch, nach Kenntnis dieser Lehre besonders günstige Wellenlängenbereiche, sowohl für das Einspeichern als auch für das Abändern der Einspeicherung, zu finden. Günstige Wellenlängenbereiche liegen im nahm UV und gehen für die erwähnte langwellige Strahlung bis an die Grenze des sichtbaren Lichtes herab.
Die Elektrode 5 wird an ein passendes, gegenüber den Potentialen von Source- oder Drain-Gebiet (3 oder 4) unterschiedliches Potential gelegt, so daß in der Gateisolationsschicht 7 ein elektrisches Feld vorliegt. Infolge des Potentials an der Gateelektrode 8 ist der das Speicherelement bildende Feldeffekttransistor mit Source- und Drain-Gebiet 3 und 4 nichtleitend oder durch Kanalbildung unter der Gateisolationsschicht 7 im Substratkörper 2 mehr oder weniger stark leitend.
Für vorgegebenes Potential der Gateelektrode 8, bezogen auf das Potential des Source- oder Drain-Gebietes (3, 4) bzw. des Substratkörpers 2, ergibt sich für das erfindungsgemäße Speicherelement nach Art eines Feldeffekttransistors ein Leitungszustand, der zusätzlich noch von dem Ausmaß der in der Schicht 72 durch die Strahlung 13 eingespeicherten Ladung abhängt.
Eine Abhängigkeit des Leitungszustandes von in der Isolationsschicht eingespeicherter Ladung ist von NNOS-Transistoren her an sich bekannt.
Fig.2 zeigt eine Speicheranordnung aus erfindungsgemäßen Speicherelementen 1. Diese befinden sich in bzw. auf einem Substratkörper 20 und sind matrixartig verteilt. Durch nicht dargestellte Spalten- und Zeilenleitungen lassen sich die einzelnen Speicherelemente 1 voneinander getrennt gezielt ansteuern. Die Gateelektroden 8 eines jeden der Speicherelemente 1 der Speicheranordnung können miteinander auf gleiches Potential gelegt sein. - Bei Ansteuern eines Speicherelementes 1 wird ein Signal ausgelesen, das von der in dem jeweiligen Speicherelement gespeicherten Information abhängt, wobei die Einspeicherung bzw. Umspeicherung des Elementes von der zuvor erfolgten Einstrahlung einer Strahlung 13 in das betreffende Speichere#lement abhängt.
Mit einem erfindungsgemäßen Speicherelement bzw. bei einer Speicheranordnung mit erfindungsgemäßen Speicherelementen läßt sich sowohl digitale Speicherung als auch analoge Speicherung vornehmen, wobei die verschiedenen Analogwerte aufgrund unterschiedlicher Intensität und/oder Dauer und/oder Wellenlänge der eingestrahlten Strahlung 13 erreicht werden.
9 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

P a t eR n t a n s p r ü c h e 1. Mit elektromagnetischer Strahlung gesteuertes statisches Speicherelement mit einer FET-Anordnung mit Source- und Drain-Gebieten in einem Halbleiterkörper und mit einer Gateisolationsschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers im Bereich zwischen Source- und Drain-Gebiet, dadurch g e k e n n z e i c h.n e t , daß die Gateisolationaschicht (7) aus mehreren Schichten (71, 72) aus voneinander unterschiedlichem Material besteht.
2. Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zwei Schichten (71, 72) vorgesehen sind.
3. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiter-Substratkörper (2) aus Silizium besteht.
4. Speicherelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die auf dem Haibleiter-Substratkörper (2) aufliegende erste Schicht (71) im wesentlichen aus Siliziumdioxid besteht und eine zweite auf der ersten Schicht aufliegende Schicht (72) im wesentlichen aus Siliziumnitrid.
5. Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gateisolationsschicht (7) eine an die Gateelektrode (8) angrenzende weitere Schicht (73) aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante aufweist.
6. Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die auf dem Halbleiter-Substratkörper (2) aufliegende erste Schicht (71) eine Dicke von 2 bis 5 nm hat.
7. Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die auf der ersten Schicht (71) der Gateisolationsschicht (7) aufliegende zweite Schicht (72) eine Dicke von 40 bis 100 nrn, vorzugsweise 50 um, hat.
8. Anwendung eines Speicherelernentes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Analogspeicherelement.
9. Speicheranordnung, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Vielzahl von Speicherelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei diese Speicherelemente (1) einzeln ansteuerbar in Matrixform angeordnet sind (Fig.2).