DE2420370A1

DE2420370A1 - Speicherschaltung mit mnos-elementen

Info

Publication number: DE2420370A1
Application number: DE19742420370
Authority: DE
Inventors: Karlheinrich Dipl In Horninger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-26
Filing date: 1974-04-26
Publication date: 1975-11-06
Also published as: JPS50155180A; BE828444A; NL7504970A; IT1037412B; FR2269175A1

Description

SIEMENS AKTIEFGESSLLSCIiAJi¹T i4ünchen, den 26,4.1974

Berlin und München· WitteIsbacherplatz

VPA 74/7059

Speicherschaltung mit MOS-Eleaenten

Die Erfindung betrifft eine Speicherschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Man kennt bereits Speieherschaltungen mit Metall-Nitrid-Oxiä-Silizium-Transistoren (MOS-Transistor). Solche Schaltungen besitzen den Vorteil, daß die eingeschriebene Information auch bei Ausfall der Versorgungsspannung erhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Raumbedarf solcher Schaltungen verhältnismäßig gering ist.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Speicherschaltung mit noch geringerem Raumbedarf anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Speicherschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art, wobei die Speicherschaltung entsprechend dem Kennseichen dieses Anspruches ausgebildet ist.

Die gemäß der Erfindung als Speicherelemente benutzten Kondensatoren besitzen die Eigenschaft, daß die Plachbandspannung dieser Kondensatoren auf einen hohen oder niedrigen V/ert geschaltet werden kann, indem an eine Kondensatorelektrode gegenüber der Gegenelektrode ein positives oder negatives elektrisches Potential angelegt wird, unter Flachbandspannung versteht man die Spannung, die auf eine Metall-Isolator- Halbleiter-Struktur einwirken muß, so daß die Energiebänder des Halbleiters, Isolators und Metalls ohne Krümmung, d.h. flach, sind, vergleiche auch R.S.C. Cobbold "Theory and applications of field-effect transistors'! New York (1970) S. 188.

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Den verschiedenen Flachbandspannungen entsprechen bei gleicher, an den Kondensatorelektröden liegender Spannung, verschiedene Werte der Kapazität "bei diesen Kondensatoren. Dementsprechend erfolgt das Einschreiben einer Information in eine erfindungsgemäße Speicherschaltung dadurch, daß ein oder mehrere Kondensatoren auf verschiedene Kapazitäten geschaltet werden, das Auslesen der Information erfolgt dadurch, daß diese unterschiedlichen Kapazitäten abgefragt werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert. Die Figuren 1 bis 3 zeigen Schnittbilder von Speicherkondensatore: für eine erfindungsgemäße Speicherschaltung bei verschiedenen Betriebszustanden.

Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität der Speicherkondensatoren von der angelegten Spannung. Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Speicherschaltung mit einer

Auswerteschaltung.

Anhand der Kurven in den Figuren 6 bis 9 wird die Betriebsweise der Speicherschaltung erläutert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Speichermatrix in Siliziumtechnik hergestellt. Dementsprechend beziehen sich die Figuren 1 bis 3 auf diese Ausführungsform.

Gepjäß Figur 1 ligort auf einem Substrat 1, das beispielsweise η-leitend ist, eine Schicht aus Siliziumdioxid Z (SiOp), auf dieser Schicht liegt eine weitere Schicht aus Siliziumnitrid y (Si N-), auf dieser Schicht liegt eine metallische Gateelektrode 4. Als Gegenelektrode 5 ist in das Substrat ein gegenüber dem Substrat entgegengesetzt dotiertes Gebiet eingebettet, das sich etwas unter der Schicht aus Siliziumdioxid erstreckt. Das Substrat liegt über einen Anschluß 6 auf beispielsweise Erdpotential. Zwischen der Gateelektrode und dem Anschluß 6 kann die Spannung TLp zwischen der Gegenelektrode und dem Anschluß 6 die Spannung IL, angelegt werden. Bei einem ersten Betriebszustand ist die Spannung IL, gegenüber dem Erdpotential positiv, die Spannung U- hat den Wert O. Es bildet sich im η-leitenden Substrai

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eine Anreicherungsschicht 11 aus, die aus negativen Ladungsträgern besteht. An der Grenzfläche zwischen der Schicht aus Siliziumdioxid und der Schicht aus Siliziumnitrid fangen Haftstellen 10 ebenfalls negative Ladungsträger ein, d.h. diese Grenzfläche wird vom Substrat beladen. Aufgrund der Aufladung dieser Grenzfläche verschiebt sich die Flachbandspannung dieses Kondensators in Richtung positiver Spannungswerte. Verwendet man anstelle des η-leitenden Substrates ein p-leitendes Substrat, so verschiebt sich die Flachbandspannung in umgekehrter Richtung.

Figur 2 zeigt einen Betriebszustand, bei dem U_& einen stark negativen Wert aufweist. Hier bildet sich an der Grenzfläche der Schicht aus Siliziumdioxid zum Substrat eine Inversionsschicht 12 aus. Diese Inversionsschicht ist p-leitend. Diese p-leitende Inversionsschicht stellt mit dem p-dotierten Gebiet der Gegenelektrode 5 eine.gemeinsame Elektrode dar. Liegt diese Gegenelektrode, wie dargestellt, auf 0 Y, so fällt die gesamte Spannung TJ-, am Isolator, d.h. an den Schichten aus Siliziumdioxid und Siliziumnitrid, ab. Die Haftstellen an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten werden entladen. Es bleibt eine positive Restladung zurück, durch die die Flachbandspannung des Kondensators zu negativen Spannungswerten verschoben wird.

Wird gemäß der Figur 3 auch an die Gegenelektrode eine negative Spannung angelegt, deren Absolutwert größer als der Absolutwert der Spannung U„ ist, so fällt am Isolator nur die Differenz dieser beiden Spannungen ab. Bei entsprechender Wahl der Spannung HU kann die resultierende Spannung am Isolator so klein gehalten werden, daß der Ladungszustand der Haftstellen 10, vergleiche Figur 1, unverändert bleibt.

Man kann also durch Variation der Spannungen U_& und U-p die Haftstellen aufladen, vergleiche Figur 1, oder entladen, vergleiche Figur 2, oder unverändert lassen, vergleiche Figur 3. Aus der

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letzteren Figur ist ersichtlich, daß der Ladungszustand auch dann erhalten bleibt, wenn die Spannungen IL, und TL. wegfallen, d.h. den Wert O V annehmen; die eingespeicherte Information bleibt also auch bei Betriebsstörungen, z.B. Ausfall der Versorgungsspannung, erhalten.

Die Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität der in den vorangegangenen Figuren dargestellten Kondensatoren in Abhängigkeit von der Spannung IL,, die an der Gateelektrode anliegt. Auf der Abzisse ist die Spannung IL, aufgetragen, an der Ordinate das Verhältnis der Gesamtkapazität C_m des Kondensators zu der Kapazität des Isolators Cj. Solange TL, positive oder nur schwach negative Werte besitzt, beträgt das Verhältnis der Kapazitäten gleich 1. Dieser Zustand entspricht dem Betriebszustand, der in der Figur 1 dargestellt ist. Nimmt U„ stärker negative Werte an, so verarmt das Substrat an der Grenzfläche zum Isolator an beweglichen Ladungsträgern, und die Kapazität C™ wird kleiner. Sobald die Spannung IL. ausreicht, um im Substrat die Inversionsschicht 12 2u erzeugen, steigt die Kapazität Cm wieder an, und das Verhältnis C_m zu Cj ist gleich 1. Dies ist mit der Kurve 40 dargestellt. Die Kurve 40 entspricht also dem Verlauf der Kapazität, für den Fall, daß die Haftstellen 10 aufgeladen sind.

Falls die Haftstellen entladen sind, ergibt sich ein Verlauf der Kapazität, wie es die Kurve 41 angibt. Diese Kurve hat die gleiche Form wie die Kurve 40, ist jedoch zu negativen Werten von IL, hin verschoben.

Die Werte ILq, IL₁ an den Minima der Kurven entsprechen der jeweiligen Flachbandspannung des Kondensators für den jeweiligen Betriebszustand.

Legt man nun eine Lesespannung, beispielsweise die Spannung υ.« oder die Spannung IL ^, an zwei Kondensatoren, die auf unterschiedliche Flachbandspannungen geschaltet sind, so haben diese Kondensatoren für die angegebenen Spannungen unter-

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schieäliche Kapazitäten. Das Verhältnis der Kapazitäten der beiden Kondensatoren beträgt ca. 4:1 bis 5:1. Diesen beiden Kapazitäten kann man nun die dualen Zahlen 0 und 1 zuteilen, d.h., man kann Informationen in eine Speichertnatrix, die aus solchen Kondensatorelementen aufgebaut ist,einschreiben.

Figur 5 zeigt ein Schaltbild für eine solche Speichermatrix und eine Bewerterschaltung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine 2x2-Speichermatrix dargestellt. Diese besteht aus den Speicherkondensatoren 101, 102, 10^ und 104. Diese Speicherkondensioren liegen an den Kreuzungspunkten der Gateleitungen 110, 120 mit den Spaltenleitungen 111, 112. Die Gateleitungen sind an die Bewerterschaltungen 106, 107, die beide einen gleichen Aufbau haben und ein Elipflop enthalten, angeschlossen. Die Bewerter sind mit den Ausgängen A-j und A₂ verbunden.

Zunächst wird das Löschen und Einschreiben von Informationen beschrieben: Zum Einschreiben einer 0 wird ein Spannungsimpuls an die Gateleitung 110 angelegt_s d.h. diese Gateleitung liegt auf einem Potential, das positiv gegenüber dem an den Spaltenleitungen 111, 112 liegenden Erdpotential ist. Damit ist in den Speicherkondensatoren 101 und 102 eine 0 eingeschrieben. Soll nun beispielsweise in den Kondensator 102 eine 1 eingeschrieben werden, so wird an die Gateleitung 110 ein gegenüber Erdpotential negativer Spannungsimpuls angelegt, die Spaltenleitung 112 liegt dabei auf Erdpotential. Damit wird in dem Speicherkondensator 102 eine 1 eingeschrieben. Um ein gleichzeitiges Einschreiben einer 1 in den Speicherkondensator 101 zu vermeiden, muß während des Einschreibens der 1 in den Kondaisator 102 auch an die Spaltenleitung 111 eine negative Spannung angelegt werden. Entsprechend dem in Figur 5 dargestellten Betriebszustand kann damit die ladung der Haftstellen in dem Kondensator 111 nicht verändert werden.

Im Kondensator 111 ist nun also eine 0 gespeichert, im Kondensator 102 eine 1.

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Das Auslesen erfolgt In der folgenden Weise: An die Gateleitung 110 wird die Lesespannung angelegt, d.h. eine Spannung die entweder der Spannung IL₀ oder der Spannung TJ^₁ in der I"igur 4 entspricht. Über die Spaltenleitungen 111 und 112, die beispielsweise auf Erdpotential liegen, werden nun die Kondensatoren 101 und 102 über den Widerstand 200 auf diese Lesespannung aufgeladen. Die Zeit T für das Aufladen wird durch die Kapazität bestimmt: T=R ^a C, dabei ist R der Widerstand des Widerstandes 200 und C die Kapazität des jeweiligen Kondensators. Ist ein Kondensator im O-Zustand, so wird der 90^-Wert der Lesespannung etwa 4 bis 5mal schneller erreicht, als wenn der Kondensator im 1-Zustand ist.

Dies wird anhand der Figuren 6 und 7 erläutert: Für eine kurze Zeitspanne t-r liegt die Gateleitung auf der Spannung U-r-, vergleiche Figur 6« Während dieser Zeit lädt sich gemäß Figur 7 ein Kondensator Im 1-Zustand bis auf die Spannung U^ auf, ein Kondensator im O-Zustand bis auf die Spannung IJq, die ungefähr dem 4 bis 5-fachen Wert der Spannung U₁ entspricht.

Das Auslesen erfolgt nun folgendermaßen: Es soll beispielsweise der Kondensator 101 ausgelesen werden. Dazu wird an die Spaltenleitung 111 die Spannung 0 Y angelegt, an die Gateleitung 110 wird die Lesespannung U^ angelegt, ebenso an die SpaLtenleitung 112, um eine Änderung des Ladungszustandes der Hafisfcellen des Kondensators 102 zu vermeiden. Im Kondensator 101 sei eine 0 gespeichert. Damit steigt während der Zeitspanne t-r die Spannung in der Gateleitung 110 auf den Wert Uq, entsprechend der Figur 7. Während dieser Seitspanne liegt, vergleiche Figur 9, am Gate des Transistors 130 die Spannung U₁ ., so daß dieser Transistor leitet. Damit wird das Flipflop in seinen labilen Punkt gesetzt. Nach Ablauf der Zeitspanne t-jwird an das Gate des Transistors 151 die Spannung U angelegt,

131 vergleiche Figur 8, womit der Transistor 131 leitend gemacht wird. Damit liegt die Spannung Uq am Knoten 1.5:5 des Flipflops, dieses kippt in die der Vo^zugslage entgegengesetzte Lage. Über

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den Verstärker Α.. gelangt das Signal an den Ausgang.

Bei dem Flipflop handelt es sich um ein unsymmetrisches Flipflop. Diese Unsymmetrie kann beispielsweise durch verschieden groß gewählte Lastwiderstände 134, 155 erzielt werden. Der Kondensator Hü an der Verbindungsleitung des Flipflops zum Ausgang A₁ dient dazu, daß beim Kurzschließen des Flipflops durch den Transistor 130, der labile Punkt des Flipflops einwandfrei erreicht wird.

Ist in dem Kondensator 1u1 eine 1 gespeichert, so reicht die Spannung TJ^ in der Figur 7 nicht aus, das Flipflop in die der Vorzugslage entgegengesetzte Lage zu bringen. Damit kippt das Flipflop in seine Vorzugslage zurück.

6 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

Patentansprüche

ΓΙ. Speicherschaltung mit Metall-Isolator I - Isolator II - Halbleiter-Speicherelementen, dadurch gekennzeich net , daß die Speicherelemente Speicherkondensatoren sind, deren Kapazität für eine vorgegebene, an die Kondensatoren anlegbare Spannung auf einen hohen oder einen niederen Wert schaltbar ist, und daß die Kondensatoren zwischen dem Isolator I und dem Isolator II Grenzflächen besitzen, die elektrisch aufladbar und wieder entladbar sind.

2. Speicherschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Speicherkondensatoren Metall-Nitrid-Oxid-Silizium-Kondensatoren sind, die aufgebaut sind aus einer Schicht (2) aus Siliziumdioxid (SiO₂), die auf einem Siliziumsubstrat (1), das für einen Leitungstyp dotiert ist, liegt, und einer Schicht (3) aus Siliziumnitrid (Si₅N₁,), die auf der Siliziumoxidschicht liegt, und einer metallischen Gateelektrode (4)» die auf der Siliziumnitridschicht liegt und eine Elektrode des Kondensators darstellt, und einem in das Substrat eingebetteten Gebiet, das einen gegenüber dera Substrat entgegengesetzten Leitungstyp aufweist und eine Gegenelektrode (5) des Kondensators bildet, wobei diese Gegenelektrode (5) gegenüber der Siliziumdioxidschicht (2) seitlich versetzt im Substrat angeordnet ist und sich nur in einem schmalen Randbereich unterhalb dieser Siliziumoxidschicht erstreckt, und dadurch, daß das Substrat einen Masseanschluß (6) besitzt.

5. Speicherschaltung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Siliziurasubstrat η-dotiert ist.

4. Verfahren zum Einspeichern von Informationen in eine Speicherschaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet , daß die Speioherkondensatoren auf einem hohen oder niederen Kapazitätswert geschaltet werden,

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indem an die Gateelektrode ein solches, gegenüber Masse positives oder negatives Potential gelegt wird, daß Haftstellen (10) an der Grenzfläche zwischen der SiOp- und der SiJL·-Schicht aufgeladen bzw. entladen werden.

5. Verfahren zum Auslesen von Informationen, die in eine Speicher-Matrix nach einem der Ansprüche 1 bis 3 eingespeichert sind, dadurch gekennzeichnet , daß Bewerterschaltungen (106, 107) mit unsymmetrischen Flipflops verwandt werden.

6. Bewerterschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß diese Bewerterschaltung ein Flipflop mit zwei verschieden großen Lastwiderstanden (134-j 135)enthält.

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