DE2418582C3

DE2418582C3 - MNOS-Transistor, insbesondere MNOS-Transistor mit kurzer Kanalzone, für kurze Einschreibzeiten

Info

Publication number: DE2418582C3
Application number: DE19742418582
Authority: DE
Inventors: Karl Dr.-Ing. 8000 Muenchen Goser; Karlheinrich Dipl.-Ing. 8035 Gauting Horninger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-17
Filing date: 1974-04-17
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE2418582A1; DE2418582B2

Description

Die Erfindung betrifft einen MNOS-Transistor mit einem Substrat aus Halbleitermaterial vorgegebener Dotierung, einem Source- und einem Drain-Gebiet von gegenüber dem Substrat entgegengesetzter Dotierung, einer sich zwischen Source und Drain erstreckenden Kanalzone, und mit einer ersten, auf dem Halbleitersubstrat befindlichen Isolierschicht aus S1O2 und einer darauf befindlichen Isolierschicht aus S13N4, insbesondere MNOS-Transistor mit kurzer Kanalzone.

Ein MNOS-Transistor ist ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor, dessen Gateisolator aus zwei aneinandergrenzenden Isolierschichten aus S1O2 und S13N4 besteht, wobei an der Grenzfläche der beiden Isolierschichten Haftstellen vorhanden sind, die elektrische Ladungen tragen können. Ein solcher Transistor weist je nach dem Ladungszustand der Haftstellen eine hohe oder niedrige Einsatzspannung, das ist diejenige Gatespannung, bei der der Transistor in den leitenden Zustand gelangt, auf. Durch Anlegen einer Gatespannung vorgegebener Polarität und Höhe gelangen in einem solchen Transistor Ladungen aus dem Substrat an die Haftstellen bzw. von den Haftstellen in das Substrat. Je nach dem Ladungszustand der Haftstellen besitzt ein solcher MNOS-Transistor zwei verschiedene Zustände mit hoher bzw. niedriger Einsatzspannung. Diese beiden Zustände können zur Speicherung der Information »1« bzw. »0« verwendet werden. Ein MNOS-Transistor kann damit als Speicherelement dienen. Eine entsprechende Speicheranordnung ist in der DE-OS 22 45 688 ί angegeben.

Bei MNOS-Transistoren mit kurzer Kanalzone ist die Kanallänge des Transistors kürzer als das doppelte der Dicke der Raumladungszone, die sich bei Anliegen der Einschreib-Gatespannung um die Source- und Drain-Gebiete befindet. Solche MNOS-Transistoren mit kurzer Kanalzone haben den Vorteil, daß bei ihnen zum Einschreiben und Löschen der jeweiligen Information nur Spannungen einer Polarität, bezogen auf das Substrat, an die Elektroden angelegt werden brauchen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Speicheranordnungen in Ein-Kanal-Technik und die dazugehörigen Decodierschaltungen auf dem gleichen Substratkörper aufzubauen. Solche MNOS-Transistoren mit kurzer Kanalzone enthalten jedoch in der Verarmungszone, die bei Anlegen der Einschreibspannung um die Source- und Drain-Gebiete entsteht, nur sehr wenige bewegliche Ladungsträger, die zudem größtenteils in das Substrat abfließen. Der Transport von Ladungen zu den Haftstellen und damit der Einschreibvorgang, das Verschieben der Einsatzspannung, gehen daher relativ langsam mit einer Zeitdauer von etwa einer Millisekunde vor sich.

Aus der Zeitschrift »Proc. of the IEEE« 58, Nr. 8,

August 1970, Seiten 1 207 bis 1 219 ist ein MNOS-Tran-

JO sistor bekannt, bei dem zur Verkleinerung der Einschreibzeit die Dicke der Oxidschicht so gering wie möglich gehalten wird und etwa 1,5 nm beträgt. Zudem muß bei diesem MNOS-Transistor die Leitfähigkeit der Nitridschicht, deren Dicke etwa 60 nm beträgt, sehr

π klein sein. Es ist jedoch schwierig, derart dünne Oxidschichten reproduzierbar herzustellen.

Aus der britischen Patentschrift 12 61723 ist ein MOS-Feldeffekttransistor bekannt, bei dem sich in einem sehr schwach dotierten Substrat des ersten Leitungstyps stark dotierte Source- und Drain-Zonen des zweiten Leitungstyps befinden, und bei dem in der Kanalzone eine durch Ionenimplantation dotierte oberfläche'inahe, etwa 0,8 μπι dicke Schicht vorhanden ist, deren Dotierungsgrad größer als der des Substrates ist. Durch diese Schicht soll die Schwellenspannung des MOS-Transistors erniedrigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen MNOS-Transistor anzugeben, bei dem der Einschreibvorgang wesentlich schneller als in einer Millisekunde abläuft.

Diese Aufgabe wird bei einem wie eingangs beschriebenen MNOS-Transistor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Kanalzone des Transistors Dotierstoffteilchen des im Substrat vorherrschenden Leitfähigkeitstyps mit einer gegenüber dem Substrat mehrfach höheren Konzentration vorhanden sind. Während des Einschreibvorgangs entstehen Ladungsträgerpaare in der Verarmungszone, von denen ein Teil durch die erste Isolierschicht hindurch zu den Haftstellen gelangt und damit den F.inschreibvorgang beschleunigt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Konzentration der in der Kanalzone vorhandenen Dotierstoffteilchen von der an der ersten Isolierschicht angrenzenden Begrenzungsfläche der Kanalzone in der zu dieser Fläche senkrechten Richtung im Halbleiterkörper kontinuierlich abnimmt. Mit einer solchen Konzentrationsverteilung wird erreicht, daß bei Anlegen der zum

Einschreiben notwendigen Spannung an die Gateelektrode einerseits und die Source- und Drain-Elektroden
andererseits sich im Halbleiterkörper eine solche
Feldstärkeverteilung einstellt, daß Ladungsträger aus
einer gegenüber der Kanalzone dickeren oberflächen- 5
nahen Schicht leichter durch die erste isolierschicht
hindurch zu den Haftstellen gelangen können als ohne
dotierte Kanalzone. Dadurch wird der Einschreibvorgang ebenfalls beschleunigt.

Vorteilhafterweise wird ein solcher MNOS-Transi- ic
stör so hergestellt, daß die im Gebiet der Kanalione
erhöhte Dotierstoffkonzentration mit Ionenimplantation erzeugt wird. Mit dem Verfahren der Ionenimplantation lassen sich auf einfache Weise genaue reproduzierbare Dotierstoffkunzentrationen erzeugen. Ebenso 15
ist damit möglich die gewünschte Konzentrationsverteilung des Dotierstoffes im Gebiet der Kanalzone
herzustellen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben und anhand der Figur näher 20
erläutert.

In einem Halbleiterkörper 1 aus η-Silizium, der eine
Konzentration an n-Dotierstoffteilchen von 10¹⁴ oder
pro cm³ aufweist, sind zwei Gebiete 2, 3 p-dotiert,
z. B. mit Bor. Diese p-dotierten Gebiete haben 25
zueinander einen Abstand von etwa 1 bis 5 μιη. Die
zwischen den p-dotierten Gebieten liegende oberflächennahe Kanalzone 4 ist gegenüber dem darunterliegenden Teil des Halbleiterkörpers, dem Sjbstrat,
mehrfach höher η-dotiert, z. B. mit. Phosphor, und hat jo
eine Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung

von 10¹⁶ bis 10¹⁸ Dotierstoffteilchen pro cm³. Die Dotierstoffkonzentration nimmt in dieser Kanalzone dabei von der Oberfläche 5 des Halbleiterkörpers zum Innern des Halbleiterkörpers hin kontinuierlich ab. Der Abfall der Konzentration ist so, daß in einer Tiefe von etwa '/2 μπι unter der Oberfläche 5 die Konzentration an Dotierstoff die Hälfte des Wertes beträgt, der an der Oberfläche 5 vorherrscht. An der Oberfläche 5 angrenzend befindet sich über der Kanalzone 4 eine erste Isolierschicht 13 aus S1O2 von etwa 2 nm Dicke. Auf dieser SiO₂-Schicht ist eine zweite Isolierschicht 14 aus Si₃N₄ von etwa 50 nm Dicke aufgebracht An der Grenzfläche 6 zwischen diesen beiden Isolierschichten befinden sich Haftstellen, die Ladungen tragen können. Auf der SijN^Schicht sowie auf den p-dotierten Gebieten des Halbleiterkörpers sind jeweils Metallschichten 7,8, 9, z. B. aus Aluminium, aufgedampft oder aufgestäubt, an denen elektrische Zuleitungen 10,11,12 leitend befestigt sind, z. B. durch Anlöten oder Anlegieren. Zum Einschreiben einer Information, z. B. von»l«, werden die Elektroden 10 und 11 auf -40VoIt, die Elektrode 12 auf 0 Volt gelegt. Dadurch wird bewirkt, daß Elektronen auf Grund des Tunnel-Effektes aus dem Gebiet der Kanalzone durch die SiO2-Schicht hindurch zu den Haftstellen gelangen, an denen sie nach Erniedrigen der an den Elektroden 10 und 11 bzw. 12 liegenden Spannung haften bleiben. Die Einsatzspannung des Transistors ist durch diesen Vorgang verkleinert worden. Zur Besetzung der Haftstellen mit Elektronen muß die Spannung an den Elektroden etwa 0,01 ms anliegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. MNOS-Transistor mit einem Substrat aus Halbleitermaterial vorgegebener Dotierung, einem Source- und einem Drain-Gebiet von gegenüber dem Substrat entgegengesetzter Dotierung, einer sich zwischen Source und Drain erstreckenden Kanalzone, und mit einer ersten, auf dem Halbleitersubstrat befindlichen Isolierschicht aus SiO₂ und einer darauf befindlichen zweiten Isolierschicht aus S13N4, insbesondere MNOS-Transistor mit kurzer Kanalzone, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kanalzone (4) des Transistors Dotierstoffteilchen des im Substrat vorherrschenden Leitfähigkeitstyps mit einer gegenüber dem Substrat mehrfach höheren Konzentration vorhanden sind.

2. MNOS-Transistor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der in der Kanalzone (4) vorhandenen Dotierstoffteilchen von der an der ersten Isolierschicht angrenzenden Begrenzungsfläche (5) der Kanalzone in der zu dieser Fläche senkrechten Richtung im Halbleiterkörper kontinuierlich abnimmt.

3. MNOS-Transistor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus η-Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung von 10^M oder 10¹⁵ Teilchen pro cm³ besteht.

4. MNOS-Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an Dotierstoffteilchen in der Kanalzone (4) in einer Größenordnung von 10'⁶ bis 10¹⁸ Teilchen pro cm³ liegt.

5. Verfahren zur Dotierung der Kanalzone eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Dotierstoffteilchen durch Ionenimplantation in das Gebiet der Kanalzone (4) gebracht werden.