DE2450116B1 - Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement für nichtflüchtige Speicher und Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents

Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement für nichtflüchtige Speicher und Verfahren zu seinem Betrieb

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Dynamische Ein-Transistor-Speicherelemente sind bekannt. Beispielsweise ist in der DT-OS 21 48 896 u. a.
6S ein solches Ein-Transistor-Speicherelement, das aus einem Kondensator und einem Feldeffekttransistor besteht, beschrieben. Zum Auslesen von Information aus einem Ein-Transistor-Speicherelement wird der Transi-
stör dieses Speicherelements, der einerseits mit der Bitleitung und andererseits mit dem Kondensator verbunden ist, über seinen Gateanschluß, der mit einer Auswahlleitung verbunden ist, leitend geschaltet Dies bewirkt, daß die in dem Kondensator in Form von Ladung gespeicherte Information über den ausgewählten Feldeffekttransistor auf die Bitleitung fließt
Ein Nachteil eines solchen dynamischen Ein-Transistor-Speicherelements besteht darin, daß die gespeicherte Information in Zeitabständen in etwa 1 bis 100 msec regeneriert werden muß.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß beim Abschalten der Versorgungsspannung die in dem EinTransistor-Speicherelement gespeicherte Information verloren geht
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ein-Transistor-Speicherelement anzugeben, bei dem die gespeicherte Information über einen längeren Zeitraum abgespeichert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein wie eingangs bereits erwähntes Eiu-Transistor-Speicherelement gelöst, das durch die in dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Vorteilhafterweise können in dem erfindungsgemäßen Ein-Transistor-Speicherelement gleichzeitig zwei verschiedene Informationen gespeichert sein.
Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen Ein-Transistor-Speicherelements besteht darin, daß die eingespeicherte Information über einen Zeitraum, der bis zu 10 Jahren reichen kann, ohne Energiezufuhr gespeichert werden kann.
Vorteilhafterweise kann das Einschreiben element-, zeilen- oder matrixweise erfolgen.
Gemäß eines weiteren Vorteils der Erfindung kann das Löschen der Information zeilenweise mit Zwischenspeichern der Information in den Regenerierverstärkern erfolgen.
Vorteilhafterweise kann das Löschen der Information auch matrixweise mit Zwischenspeichern der Information in einer zweiten Matrix erfolgen.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Figuren hervor.
F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen dynamischen Ein-Transistor-Speicherelements;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ein-Transistor-Speicherelement;
F i g. 3 zeigt das Taktprogramm für die Schaltung nach der F i g. 1.
Wie in der F i g. 1 dargestellt, besteht das erfindungsgemäße Ein-Transistor-Speicherelement aus dem Transisu - 1 und der Kapazität 2. Beide sind in der aus der F i g. 1 ersichtlichen Weise in Reihe geschaltet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Transistor I um einen MOS-Feldeffekttransistor. Erfindungsgemäß besteht die Kapazität 2 aus einem Kondensator, dessen Dielektrikum umladbare Haftstellen aufweist, vorzugsweise aus einem MNOS-Kondensator. In dem Punkt 12 ist der Drainanschluß des MOS-Felueffekttransistors 1 mit der Bitleitung 31 verbunden. Diese Bitleitung wiederum ist mit der Bewerterschaltung 3 verbunden. Diese steht über die Fortsetzung 32 der Bitleitung 31 mit weiteren, in der Figur nicht dargestellten Ein-Transistor-Speicherelementen in Verbindung. Der Gateanschluß des Transistors 1 ist über die Wortleitung 10 ansteuerbar. Zu diesem Zweck ist dieser Gateanschluß in dem Punkt 11 mit dieser Wortleitung verbunden. Wie aus der Figur weiter hervorgeht, steht die Elektrode des MNOS-Kondensators 2, die nicht mit dem Sourceanschluß 13 des Transistors 1 (s.F i g. 2) verbunden ist, mit der Schreibleitung 20 kl dem Punkt 21 in elektrischer Verbindung. Die Schreibleitungen aller Elemente einer Speichermatrix können galvanisch miteinander verbunden sein.
In der F i g. 2 ist das Substrat, auf dem das erfindungsgemäße Ein-Transistor-Speicherelement aufgebaut ist, mit 5 bezeichnet Vorzugsweise besteht dieses Substrat aus η-Silizium. Das Substrat 5 liegt vorzugsweise in dem Punkt 4 an Massepotential. In der aus der Figur ersichtlichen Weise sind auf dem Substrat 5 der Transistor 1 und der Kondensator 2 angeordnet. Durch den in Fig.2 links gelegenen p+-dotierten Bereich wird gleichzeitig der Drainanschluß des Transistors 1 und die Bitleitung 31 dargestellt. Der p+-dotierte Sourcebereich 13 des Transistors 1 stellt gleichzeitig die Verbindung zu dem Kondensator 2 her. Bei diesem Kondensator 2 handelt es sich vorzugsweise um einen MNOS-Kondensator, dessen Dielektrikum auf der SiO2-Schicht 22 und der Si3N4-Schicht 23 besteht. Vorzugsweise beträgt die Dicke der SiOj-Schicht etwa 1 bis 3 nm und die Dicke der Si3N4-Schicht etwa 30 bis 60 nm. Einzelheiten der F i g. 2, die bereits im Zusammenhang mit der F i g. 1 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen.
Im folgenden werden zwei Funktionsweisen des erfindungsgemäßen Ein-Transistor-Speicherelements nach den F i g. 1 und 2 erläutert.
Die erste Funktionsweise wird im Zusammenhang mit der F i g. 3, in der die an der Schreibleitung 20 anliegenden Potentiale darstellt sind, erläutert. Wird beispielsweise über die Bitleitung 31 und über den Transistor 1 die Information »1« in den Kondensator 2 eingeschriebenen, so wird zunächst zu diesem Zweck der Transistor 1 über die Wortleitung 10 in den leitenden Zustand gebracht. Das Potential an der mit dem Transistor 1 verbundenen Elektrode 13 des MNOS-Kondensators liegt dann, bei der Verwendung von p-Kanal-Transistoren als Transistoren 1, auf etwa — 15 V. Wird nun eine Schreibspannung von etwa — 30 V an die Schreibleitung 20 angelegt (Zeitpunkt fi), so bildet sich eine Inversionsrandschicht unter dem MNOS-Kondensator, die auch auf -15 V liegen. Die Haftstellen des Kondensators können sich nicht umladen und damit kann sich die Flachbandspannung des MNOS-Kondensators 2 nicht verändert, da das resultierende Potential am Gateisolator des MNOS-Kondensators 2 nur etwa 15 V beträgt und zu einer Änderung aber etwa 30 V benötigt würden. Dieses Potential ergibt sich aus der Differenz der an die Elektrode des Kondensators 2 angelegten Potentiale.
Wird dagegen über die Bitleitung 31 und den über die Wortleitung 10 leitend gesteuerten Transistor 1 die Information »0« eingeschrieben, so beträgt das Potential an der, mit dem Transistor 1 verbundenen Elektrode 13 des MNOS-Kondensators 2 ungefähr 0 Volt. Die an der Schreibleitung 20 anliegende Schreibspannung von etwa -30 Volt ist nun am Gateisolator voll wirksam. Dies bedeutet, daß die Haftstellen des MNOS-Kondensators umgeladen werden und daß die Flachbandspannung des Kondensators verschoben wird.
Beim Anlegen einer Lesespannung von beispielsweise -8 V an den Kondensator 2 über die Schreibleitung 20 (Zeitkontakt ti) bildet sich in dem Fall, in dem die Information »1« in dem Kondensator gespeichert ist, eine Inversionsrandschicht an der Siliziumoberfläche aus. 1st in dem Kondensator 2 dagegen die Information »0« gespeichert, so ist an der Siliziumoberfläche des
MNOS-Kondensators 2 nur eine Verarmungsschicht vorhanden. Die Bewertung dieser zwei Zustände erfolgt, wie dies im Zusammenhang mit Ein-Transistor-Speicherelementen allgemein bekannt ist, mit einem Bewerter-Flipflop. In der F i g. 1 ist dieses nicht näher dargestellten Bewerter-Flipflop mit 3 bezeichnet.
Soll die in der MNOS-Kapazität 2 gespeicherte Information gelöscht werden, so wird an die Schreibleitung 20 ein positiver Spannungsimpuls mit einer Höhe von etwa +30 V und einer Dauer von etwa 10 μβ angelegt. In der F i g. 3 entspricht dies dem Zeitpunkt ft.
Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Funktionsweise des Speicherelements wird das Element für den üblichen Betrieb mit anliegenden Spannungen, insbesondere z. B. —15 V, an der Schreibleitung 20 wie ein übliches Ein-Transistor-Speicherelement mit Inversionsrandschicht-Kondensator eingeschrieben und ausgelesen. Sollen die im Speicher enthaltenen Daten, z. B. vor dem Abschalten der Stromversorgung, nichtflüchtig gespeichert werden, so wird die in den Elementen enthaltene Information durch entsprechende Spannungsimpulse an der Schreibleitung 20 in den MNOS-Kondensatoren zur nicht flüchtigen Speicherung eingeschrieben. Dazu wird im einzelnen, wie oben bereits beschrieben, die Schreibleitung 20 auf - 30 V gelegt. In den Elementen, in denen eine »0« eingeschrieben ist, liegt das Oberflächenpotential der Inversionsrandschicht bei 0 V. Damit erfolgt eine Umladung der Haftstellen im Dielektrikum des Speicherkondensators, wodurch sich die Flachbandspannung vorschiebt. In den Elementen, in denen eine »1« eingeschrieben war. befindet sich das Oberflächenpotential auf einem negativen Wert von z. B. -15 V. Die an der Schreibleitung angelegte Spannung von etwa - 30 V verursacht hier keine Verschiebung der Flachbandspannung. Dieses Einschreiben in den nicht flüchtigen Speicherzustand kann elementweise, zeilenweise oder matrixweise geschehen.
Zum Auslesen sind zwei Versionen möglich. Bei der ersten wird die Spannung an der Schreibleitung so groß gewählt, daß sich nur in den Elementen, in denen die Haftstellen nicht umgeladen sind, eine Inversionsrandschicht bildet.
Die zweite Art des Auslesens, die wesentlich schneller ist, besteht darin, daß man an die Schreibleitung 20 zum Wiedergewinnen der Information die beim EinTransistor-Element übliche Spannung von —15 V aYilegt und dann über den Auswahltransistor 1 eine Spannung von ebenfalls etwa -15 V, die an der Bitleitung 31 anliegt der Inversionsrandschicht anbietet Das Oberflächenpotential der Inversionsrandschicht im Bereich des Speicherkondensators 2 wird sich dann bei neutralen Haftstellen auf ungefähr -15 V einstellen, bei umgeladenen Haftstellen um den Wert der Ver-Schiebung der Flachbandspannung aber höher liegen (z.B. -8V). Dieses unterschiedliche Oberflächenpotential kann nun wieder in der beim Ein-Transistor- Element üblichen Art, gegebenenfalls mit Hilfe von Kompensations-Speicherelementen, ausgelesen und regene-
riert werden.
Nach dem wiedergewinnenden Auslesen der nicht flüchtig im MNOS-Kondensator gespeicherten Information müssen die MNOS-Kondensatoren zur Vorbereitung eines nächsten möglichen Schreibvorgangs für
das nichtflüchtige Speichern gelöscht werden. Dieses Löschen kann wortweise über die parallel zur Wortleitung verlaufende Schreibleitung erfolgen, die dazu auf + 30 V gelegt wird. Die Information kann dabei in dem Lese-Regenerierverstärker zwischengespeichert sein.
Eine andere Möglichkeit stellt das matrixweise Lochen dar, das den Vorteil besitzt, daß alle Schreibleitungen galvanisch verbunden sein können und für eine Matrix damit nur ein Anschluß nach außerhalb des Chips benötigt wird. Für diesen Fall muß allerdings die
in einer Matrix gespeicherte Information in einer anderen Matrix, z. B. auf einem anderen Chip, zwischengespeichert werden.
Die geschilderte zweite Funktionsweise mit dem üblichen Betrieb des Ein-Transistor-Speicherelements und dem speziellen Einschreiben und Auslesen für das nichtflüchtige Speichern bietet als besonderen Vorteil dieselbe hohe Geschwindigkeit wie die üblichen dynamischen Halbleiterspeicher, verbunden mit der Nichtflüchtigkeit der MNOS-Anordnung. Die Anforderung
an das Dielektrikum des Speicherkondensators 2 für die nichtflüchtige Information ist dabei wesentlich geringer als bei den üblichen elektrisch programmierbaren Speichern; daher ist auch nicht mit einer so starken Beschränkung der Lese- oder Schreibvorgänge zu
rechnen, wie bei den elektrisch programmierbaren Speichern.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Speicherelements besteht auch in dem geringen Flächenbedarf pro Speicherelement.
Bei der Verwendung von n-Kanal-MOS-Transistoren als Transistoren 1 werden Potentiale der entgegengesetzten Polarität in der entsprechenden Weise angewendet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
?5M

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement, bestehend aus einem Transistor und einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator, wobei der Transistor einerseits mit dem Kondensator und andererseits mit einer Bitleitung verbunden ist, und wobei der Gateanschluß des Transistors mit einer Wortleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) ein Metall-Dielektrikum-Halbleiter-Kondensat ist, wobei das Dielektrikum umladbare Haftstellen besitzt, und daß die Elektrode dieses Kondensators (2), die nicht mit dem Transistor (1) verbunden ist, mit einer Schreibleitung (20) verbunden ist.
2. Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 der Transistor (1) ein MOS-Feldeffekttransistor ist.
3. Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des Kondensators (2) aus zwei Isolatorschichten besteht.
4. Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) ein MNOS-Kondensator ist, dessen Dielektrikum aus einer SiCh-Schicht (22) und «us einer Si3N4-Schicht (23) besteht.
5. Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die SiCh-Schicht (22) eine Dicke von 1 bis 3 nm aufweist.
6. Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Si3N4-Schicht eine Dicke von 30 bis 60 nm aufweist.
7. Dynamisches Ein-Transistor-Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibleitung galvanisch mit den Schreibleitungen aller Elemente oder mi: in Gruppen zusammengefaßten Schreibleitungen verschiedener Gruppen von Elementen einer Speichermatrix galvanisch verbunden ist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Ein-Transistor-Speicherelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (1) rum Einschreiben über die Wortleitung (10) leitend geschaltet wird, daß zum Einschreiben von Information über die Bitleitung (31) bei der Verwendung eines p-Kanal-Transistors als Transistor (1) an die Schreibleitung (20) eine solche negative Spannung angelegt wird, daß sich die Flachbandspannung des Kondensators (2) beim Speichern der Information (1) in den Speicherelementen nicht verändert und daß die Flachbandspannung des Kondensators (2) beim Speichern der Information »0« in den Speicherelementen verschoben wird (Zeitpunkt n), daß zum Auslesen vo.^ Information über die Schreibleitung (20) an den Kondensator (2) eine negative Lesespannung angelegt wird, wobei diese Lesespannung so bemessen ist, daß bei der gespeicherten Information (1) eine Inversionsrandschicht an der Siliziumoberfläche des Kondensators (2) entsteht und daß bei der gespeicherten Information »0« eine Verarmungsschicht an der Siliziumoberfläche des Kondensators (2) entsteht (Zeitpunkt ti) und daß zum Löschen der in dem Kondensator (2) gespeicherten Information an die Schreibleitung
(20) ein positiver Spannungsimpuls angelegt wird (Zeitpunkt ö) (F i g. 3).
9. Verfahren zum Betrieb eines Ein-Transistor-Speicherelements nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dnß in das Speicherelement in an sich bekannter Weise wie in ein Ein-Transistor-Speicherelement mit Inversionsrandschicht-Kondensator eingeschrieben und ausgelesen wird, daß in den Fällen, in denen die in dem Speicherelement enthaltene Information nichtflüchtig gespeichert werden soll, an die Schreibleitung (20) bei der Verwendung eines p-Kanal-Transistors (1) eine solche negative Spannung angelegt wird, daß im Falle einer in dem Kondensator (2) gespeicherten »0« eine Verschiebung der Flachbandspannung erfolgt und daß im Falle einer gespeicherten »1« die Flachbandspannung nicht verschoben wird und daß nach dem Auslesen vor dem nächsten Schreibvorgang für das nichtflüchtige Speichern die
xo in dem Kondensator (2) gespeicherte Information dadurch gelöscht wird, daß an die Schreibleitung ein positiver Spannungsimpuls angelegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß zum Auslesen an die Schreibleitung
(20) eine solche negative Spannung angelegt wird, daß im Falle einer gespeicherten »0« an die Siliziumoberfläche des Kondensators (2) eine Verarmungsschicht entsteht und daß im Falle einer gespeicherten »1« an der Siliziumoberfläche des Kondensators (2) eine Inversionsrandschicht entsteht.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslesen bei geöffnetem Transistor (1) eine negative Spannung an die Schreibleitung (20) angelegt wird, deren Absolutwert größer als die beiden Werte der Flachbandspannungen des Kondensators ist, so daß sich das Oberflächenpotential der Inversionsrandschicht bei nicht veränderter Flachbandspannung des Kondensators (2) auf den Wert der an der Schreibleitung (20) anliegenden Spannung weniger der Flachbandspannung einstellt und daß sich das Oberflächenpotential der Inversionsrandschicht bei veränderter Flachbandspannung des Kondensators (2) auf den um den Wert der veränderten Flachbandspannung verminderten Wert der an der Schreibleitung (20) anliegenden Spannung einstellt, daß die um den Wert der Flachbandspannung oder der veränderten Flachbandspannung verminderte, an der Schreibleitung (20) anliegende Spannung, über den Transistor
(1) an die Bitleitung (31) gelangt und dort ausgelesen werden kann.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung eines n-Kanal-Transistors (1) Spannungen der entgegengesetzten Polarität angelegt werden.
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