DE2744023A1

DE2744023A1 - Speicherdielektrikum und verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE2744023A1
Application number: DE19772744023
Authority: DE
Inventors: Floyd O Arntz
Original assignee: Micro-Bit Corp
Current assignee: Micro-Bit Corp
Priority date: 1976-10-04
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1978-04-06
Also published as: GB1590070A; FR2366666B1; JPS6037994B2; US4079358A; FR2366666A1; JPS5345941A; CA1104722A

Description

Patentanwalt

Dipl. Ing.

Micro-Bit Corporation M 13 P 2

Lexington Industrial Park
4o Hartwell Avenue

Lexington, Mass. o2173 / USA

Speicherdielektrikum und Verfahren zu seinem Betrieb

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Halbleiter-Speicherelement zur Speicherung und Auslesung von Potentialmustern mit Hilfe eines Elektronenstrahls. Zum Stand der Technik sei zunächst hingewiesen auf "Electron Beam Detection of Charge Storage in MOS Capacitors" in "Applied Physics Letters", Band 16, Nr. 4, Seiten 147-149, Februar 197o, ferner auf die US-PSen 3.736.571 und 3.886.530. Es ist ferner hinzuweisen auf "A Semiconductor Nonvolatile Electron Beam Accessed Mass Memory" in "Proceedings of the IEEE", Band 63, Nr. 8, August 1975, Seiten 123o-1239 und auf die US-PSen 3-55o.o94 und 3-761.895.

Die mehrschichtigen Speicher nach den

zuletzt genannten drei Vorveröffentlichungen verwenden Metall-Isolator-Halbleiterschichtpakete mit äußeren Anschlußverbindungen an zwei oder drei Halbleiter-Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps und ferner eine elektrisch leitende Schicht

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D-4000 Düsseldorf 1 · Bahnstraße 62 Telefon 0211/356338

zur Anlage geeigneter Vorspannungen während des Speicherbetriebs.

Die vorliegenIe Erfindung ist im wesentlichen darauf gerichtet, eil für den genannten Zweck geeignetes Speicherdielektrikum zu finden, bei dem weniger als drei oder vier SteueranschlUsse notwendig sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Anspruch insgesamt beschriebenen technischen Maßnahmen. Das Speicherdielektrikum der Erfindung eignet sich besonders gut zur Verwendung in Computern; wie man weiter unten erkennen wird, ist es im Aufbau relativ einfach und vor allem kostengünstig herzustellen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Speicherdielektrikums ist seine große Zuverlässigkeit und seine erhebliche Arbeitsgeschwindigkeit, die im Bereich von Mikrosekunden für Einspeicherung und Auslesung liegt.

Das erfindungsgemäße Speicherdielektrikum benötigt nur eine einzige Vorspannungsquelle und grundsätzlich nur zwei Anschlüsse als Steuerelektroden, wodurch in einer entsprechenden elektronischen Speicheranlage erhebliche Vereinfachungen auftreten, insbesondere gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Größe der Sperrspannung über dem entscheidenden p-n-Ubergang durch Lawinendurchbruch verringert wird, oder daß in einer weiteren Ausführung eine hochdotierte Regien Anwendung findet, \m während des Lesens und Schreibens die geeigneten Potentiale erreichbar sind, ohne daß man entsprechende

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zusätzliche Steueranschlüsse vorsehen müßte.

In den Unteransprüchen 2 bis 12 sind zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Speicherdielektrikums beschrieben; die Ansprüche IJ> bis 15 beschreiben das Betriebsverfahren nach der Erfindung für die entsprechenden Speicherdielektrika.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung im einzelnen an Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Ausführung des

Dielektrikums im Schnitt zur Erläuterung der Wirkungsweise;

Fig. 2 im Schnitt ein erstes Speicherdielektrikum nach der Erfindung;

Fig. 2 A eine Draufsicht auf die Anordnung

nach Figur 2;

Fig. 2 B einen Schnitt durch eine andere

Ausführung der Anordnung nach Figur 2;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Anordnung

nach den Figuren 2, 2 A oder 2 B;

Fig. 4 und 4 A Signalverläufe beim Arbeiten mit den

soweit beschriebenen Speicherdielektrika;

Fig. 4 B eine vergrößerte Schnittdarstellung entsprechend Figur 2 zur

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Erläuterung der Wirkungsweise;

Fig. 5 und 5 A im Schnitt weitere AusfUhrungsformen;

Fig. 6 und 6 A Ausführungsformen in Mesa-Bau-

weise;

Fig. 7 und 7 A weitere Ausführungsformen im

Schnitt;

Fig. 8 das Ersatzschaltbild der Ausführungen nach den Figuren 7 und 7 A;

Fig. 9 und 9 A weitere Ausführungsformen in

Mesa-Ausführung im Schnitt.

Das mehrschichtige Speicherdielektrikum mit Schichten aus Metall, einem Isolator und einem Halbleiter nach Fig. 1 kann zum Speichern von Informationen in Binärform in ziemlich der gleichen Weise verwendet werden, wie das für das MOS-Dielektrikum, welches in den US-PSen 3 736 571 und 3 868 53o beschrieben 1st. Injbolcher Weise eingeschriebene und gespeicherte binäre Information wird mittels Elektronenstrahl ausgelesen, der über die Probe verfahren wird, z.B. in einem Raster. Dabei wird die Auslesebewegung des Elektronenstrahls über denselben Weg vorgenommen, der beim Einschreiben der Informationen über den Elektronenstrahl gewählt wurde. Das zu beschreibende Dielektrikum nach der Erfindung kann auch zum Speichern und Auslesen von Informationen oder Daten in Analogform verwendet werden. Hinsichtlich der physikalischen Mecha-

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nismen, die sich beim Speichern, Löschen und Auslesen von MOS-Dielektriken mit Hilfe von Elektronenstrahlen abspielen, wird auf die oben genannten Patente verwiesen. Vereinfacht läßt sich jedoch hier darstellen, daß die gespeicherten Daten in Form von Ladungsmustern vorliegen, die im Isolator des mehrschichtigen Dielektrikums induziert werden. Wenn Elektronen-Strahlung auf das Speicherdielektrikum fällt und eine entsprechende Vorspannung an die über der Isolatorschicht liegende leitende Schicht gelegt wird, die im Folgenden als Steuerelektrode bezeichnet wird, dann wird die Isolatorschicht in den bestrahlten Bereichen in erheblichem Maße elektrisch leitend. Da aber in dem Silieium-Dioxyd erzeugte Elektronen erheblich mobiler sind als die dort erzeugten Löcher und weil im übrigen die Löcher schnell eingefangen werden, und weil ferner die Schichten beiderseits der Isolatorschicht keine guten Elektronen-Injektoren sind, baut sich eine positive Ladung innerhalb der Isolierschicht nahe der Grenzfläche zum Silicium auf, wenn das Silicium auf einem negativeren Potential liegt, oder im Bereich des Steuerelektroden-Potentials, wenn die Steuerelektrode negativer ist. In Abwesenheit weiterer Bestrahlung können in dieser Weise erzeugte Ladungsmuster jahrelang bestehen bleiben. Die Speicherzeit ist damit außerordentlich groß. Das Einschreiben von Daten wird durch einen Elektronenstrahl vorgenommen, der beispielsweise rasterförmig Über die Speicherfläche geführt wird und eine Spannung von etwa lo.ooo Kilo Elektronenvolt fokussiert auf eine Fläche mit 3 Mikrometer Durchmesser hat. Diejenigen Flächenbereiche, die man laden will, werden während der in der beschriebenen Weise

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durchzuführenden Bestrahlung mit einer positiven Vorspannung an der Steuerelektrode von etwa 4o Volt beaufschlagt. Auf diesen Verfahrensschritt folgt dann ein zweites Abtasten auf der selben Spur unter Anlegung eine.- negativen Spannung von etwa minus ^o Volt an die Steuerelektrode, wobei nur diejenigen Flächen bestrahlt werden, die entladen (datenmäßig gelöscht) werden sollen. Während des Einschreibens kann vernachläßigt werden, was in der Halbleiter-Schicht vor sich geht. Es ist aber darauf hinzuweisen, daß dann, wenn die Steuerelektrode positiv beaufschlagt ist, ein erheblicher Teil, z.B. 5 bis 2o Volt der angelegten Spannung über dem "versenkten" Übergang eines Dielektrikums etwa nach Figur 1 entsteht. Zum Auslesen der gespeicherten Daten wird in der selben Weise Elektronenbestrahlung vorgenommen, während aber eine konstante Auslesespannung von minus 5 bis plus 2o Volt an die Steuerelektrode gelegt wird. Während des Bestrahlens beispielsweise einer Reihe von Datenstellen beim Auslesen entsteht ein durch den Elektronenstrahl erzeugter Sperrstrom über dem in Sperr-Richtung vorgespannten p-n-übergang unter denjenigen Stellen, die während des Einschreibens geladen wurden und es entsteht kein Strom oder ein nur sehr kleiner Strom unter denjenigen Stellen des Speicherdielektrikums, die beim Einschreiben wahlweise entladen wurden. Dieser durch den Elektronenstrahl induzierten Sperrstrom am übergang wird kapazitifcv durch den aus Oxyd bestehenden Isolator gekoppelt und erscheint dann an den Belastungsanschlüssen des Dielektrikums.

Das in Figur 1 im Schnitt dargestellte Speicherdielektrikum

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weist zunächst einen elektrisch leitenden Film aus Metall oder einem Halbleiter auf, der folgende Eigenschaften hat:

1. Der Film ist so dünn, daß er Elektronen mit einer Energie von 5 kev oder mehr fast ungehindert durchläßt;

2. der Film haftet gut an der Isolatorschicht 2;

J>. der Film verteilt ein gleichförmiges elektrisches Potential über die Oberfläche, die er mit der Isolatorschicht 2 gemeinsam hat;

4. der Film 1 behält seine mechanischen und elektrischen Eigenschaften auch im Vakuum; und

5. der Film ist etwa zwischen 5 und 5oo Nanometer dick und besteht vorzugsweise aus einem hoch wärmebeständigen Metall oder einer entsprechenden Legierung.

Unter dem Film 1 liegt ein isolierender Film 2 zweckmäßig aus Silitium-Dioxyd, welcher normalerweise ein elektrischer Isolator ist, aber bei Bestrahlung mit Elektronen elektrische Ladungen durch seine Dicke hindurch transportieren kann. Die Isolatorschicht 2 muß außerdem in der Lage sein, an jeder Stelle die elektrische Ladungsverteilung, die durch die Bestrahlung aufgebracht wurde, aufrecht zu erhalten. Typischer Weise ist die Schicht zwischen 5o und l.ooo Nanometer

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dick, dabei aber ausreichend dünn, um einen Elektronenstrahl von 5 oder mehr kev, der durch den Film 1 gelangt ist, in einigem Umfang bis in die darunter liegende Halbleiter-Schicht 3 eintreten zu lassen.

Die Halbleiter-Schicht 3 ist ein Film aus bei Raumtemperatur η-leitendem Halbleiter-Werkstoff. Die Schicht ist etwa 5o bis 5·οοο Nanometer dick und hat einen spezifischen elektrischen Widerstand von o,oo5 bis Io Ohm χ cm. Es ist wichtig, daß die abgedeckte Schicht aus η-leitendem Halbleiter unter dem Einfluß von elektrischen Ladungen steht, die örtlich an verschiedenen Stellen innerhalb der Schicht 2 bestehen. Ferner ist wesentlich, daß die Schicht 3 eine metallische Zwischenfläche mit einer darunter befindlichen Unterlage aus halbleitendem Silitium hat, wie in Figur 1 auch dargestellt ist, und daß die Unterlage und die Halbleiter-Schicht 3 einen bipolaren Halbleiter-Übergang miteinander bilden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine zusätzliche Schicht k zwischen dem n-leitenden Film 3 und der Unterlage vorgesehen, die in den Zeichnungen mit "I" bezeichnet ist, was für den Englisch-sprachigen Ausdruck "intrinsic" steht. Diese vorzugsweise vorgesehene zusätzliche Schicht 4 hat einen sehr hohen spezifischen Widerstand und ist entweder η-leitend oder p-leitend mit einer typischen Dicke von etwa 2 Mikrometern. Bei Verwendung einer solchen Schicht 4 wird dieselbe als oberster Bereich des Substrats

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angesehen und die Schicht 5 bildet den Gegenpol des Halbleiter-Substrats. Es sei darauf hingewiesen, daß die eigenleitende Schicht 4 nur vorzugsweise vorgesehen wird, weil sie zweckmäßig ist, daß aber nach der Erfindung ausgebildete Dielaktrika au>;h einen direkten Kontakt zwischen der Schicht 3 und der Schicht 5 haben können, um so den bipolaren Halbleiter-Übergang zu bilden.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, kann die Schicht 5 ein p-leitender Halbleiter-Körper sein, dessen spezifische Widerstände zwischen o,ol und 500 Ohm χ cm liegen und dessen Dicke zwischen I50 Nanometern und 4oo Mikrometern liegt. Wie weiter unten noch dargestellt werden wird, kann die Schicht 5 auch noch erheblich komplizierter ausgebildet sein, als dies unter Hinweis auf Figur 1 erläutert ist; der oberste Bereich der Halbleiter-Unterlage, den die Schicht 5 bildet, ist aber jedenfalls p-leitend dotiert. Es ist wichtig, daß während des Auslesens von eingespeicherten Daten diese p-leitende Schicht als Senke oder Collector für Löcher dient, die in der η-leitenden Schicht 3 durch Elektronenstrahlen gebildet werden und durch die Schicht 4 in das Substrat 5 eintreten. Die Schichten 3, ggfs. 4 und 5, bilden einen gleichrichtenden Übergang, den man als "versenkten" übergang bezeichnen könnte.

Das Dielektrikum wird durch eine elektrisch leitende

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Schicht 6 an der Unterseite vervollständigt, welche eine Dicke von 5o Nanometer bis 5 Mikrometer hat und eine Anschlußelektrode 8 aufweist, so wie die Schicht 1 ejne Anschlußelektrode 7 hat. An diese beiden Elektroden kann man beim Lesen und Einschreiben die erforderlichen Potentiale anlegen; über diese Anschlüsse erhält man auch die ausgelesenen Daten zurück.

Bei Verwendung des Speicherdielektrikums etwa nach Figur 1 als tatsächlichem Speicherelement wird zunächst angenommen, daß die gespeicherten Daten auf der ganzen ebenen Oberfläche des Dielektrikums vorliegen. Beim Eindringen oder Einschreiben neuer Daten an gewissen Stellen der Oberfläche des Dielektrikums durch einen Strahl von etwa einem Durchmesser von 3 bis 5 Micron wird ein Einschreiben durchgeführt, welches aus zwei Bestrahlungsbehandlungen des Dielektrikums besteht, wie oben kurz ausgeführt wurde. Die erste Bestrahlung wird dadurch ausgeführt, daß man einen Elektronenstrahl über einen schmalen Streifen, auf welchem die Daten gespeichert werden sollen, mit einer positiven Vorspannung von etwa 2o Volt am Anschluß 7 gegenüber dem Anschluß 8 anlegt, und dabei die Stromstärke des Schreibstrahls entsprechend dem Dateninhalt moduliert. Die Wirkung dieser Behandlung besteht darin, vorher gespeicherte Daten in Form elektrischer Ladungsbilder in der Isolierschicht 2 auszulöschen und bestimmte ausgewählte Flächenbereiche der Schicht 2 elektrisch zu laden. Die zweite Bestrahlung wird wieder mit

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einem Abtaststrahl aus Elektronen durchgeführt, der nunmehr invers bezogen auf die zu speichernden Daten moduliert wird und auf derselben Spur des Dielektrikums verführt wird, wo die Daten zu speichern sind, wobei aber bei dieser Abtastung diejenigen Stellen des Dielektrikums getroffen werden, die nicht während des ersten Abtastens getroffen bzw. ausgewählt werden und wobei eine negative Vorspannung in der Größenordnung von 2o Volt an der Elektrode 7 bezogen auf die Elektrode 8 liegt. Aus Gründen der Vereinfachung soll im Folgenden diese kurz beschriebene Einspeicherungstechnik als "positiv-negativ-Schreiben" bezeichnet werden. Man kann übrigens auch das Einschreiben dadurch ausführen, daß man erst negativ und dann positiv hinsichtlich der Vorspannungen arbeitet, wobei genau dieselbe Bestrahlung mit Elektronen stattfindet, die Potentiale zwischen den Anschlüssen 7 und 8 aber gegenüber dem eben genannten Verfahren umgekehrt werden.

Beim Auslesen von in der oben beschriebenen Weise gespeicherten Daten an jeder Stelle des Dielektrikums wird zunächst an solcher Stelle die Steuerelektrode mit einem kurzen Vorbereitungsimpuls von etwa minus 2o Volt während 1 bis ^o Mikrosekunden beaufschlagt, worauf hin ein zweiter Vorbereitungsimpuls für 1 bis jk> Mikrosekunden angelegt wird; dann folgt unmittelbar die Lesespannung, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Der zweite Vorbereitungsimpuls nach dem negativen ersten Vorbereitungsimpuls gestattet die Auslesung aus starken Verarmungszonen und wird verwendet, um eine Erholung vom

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vorher gehenden negativen Impuls sicher zu stellen. Der zweite Impuls ist aber immer gleich der Lesespannung oder positiver als die Lesespannung und liegt bei minus 5 bis plus J>o Volt am Anschluß 7 gegenüber dem Anschluß 8. Nach Anlage der Lesespannung bleibt der Übergang in hochgradiger Verarmung; die Verarmungsschicht in Figur 4 B ist dabei dicker als dem thermodynamischen Gleichgewicht entspricht. Die Verarmungsschicht ist aber nicht so dick, daß beim Auslesen eine Lawinendurchbruchs-Entladung stattfinden kann. Kurz nach der Anlage der Lesespannung wird der Elektronenstrahl schnell über die Datenspur geführt, welche die auszulesenden Daten enthält. Der zwischen den Anschlüssen 7 und 8 während des Auslesevorgangs ermöglichte Strom wird nach Maßgabe des vorher in der Leiterschicht 2 während des Einschreibens erzeugten Ladungsmusters moduliert und diese Modulation stellt die ausgelesenen Daten dar, die vorher in der beschriebenen Weise eingespeichert worden waren.

Das Auslesen, das oben kurz angerissen wurde, wird im Folgenden unter Hinweis auf die Figuren 4 und 4 B erläutert. Wenn die Intensität (Stromstärke) des stark fokussierten Lese-Elektronenstrahls nicht moduliert wird, dann erzeugt sie in der versenkten Halbleiter-Schicht vom n-leitenden Typ Elektron-Loch-Paar mit etwa gleichbleibender Anzahl pro Zeiteinheit. Die so erzeugten Löcher sind keine Gleichgewichts-Träger und erleiden jeweils eines von den drei möglichen Schicksalen:

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1. Absaugung durch den in Sperr-Richtung vorgespannten Übergang, oder

2. Rekombination mit Elektronen durch Einfang am Isolator-Halbleiter-Übergang, (der

3· Rekombination in entsprechenden Zentren in der η-leitenden Silicium-Schicht j5.

Der letztere, eben unter 3. genannte Prozess kann dann vernachlässigt werden, wenn besonders dünne n-leitende Schichten bei der Fabrikation entstehen. Eine Zwischenflächen-Rekombination und ein Einfangen gemäß Punkt 2 der obigen Aufstellung in Bereichen unter entladenen Stellen verringert den erfaßten Übergangsstrom. Unter geladenen Stellen erzeugt aber die in der Isolatorschicht gespeicherte Ladung in dem η-leitenden Halbleiter eine Zwischenflächen-Ansammlung von Elektronen und damit ein elektrisches Feld, welches Löcher abstößt und dadurch den Strom erhöht, der von dem versenkten Übergang gemäß Figur 4 B gesammelt wird. In der η-leitenden Schicht 3 und der darunter liegenden Eigenhalb-leitenden Schicht 4 erzeugte Elektronen tragen zur Mehrheits-Träger-Elektronen-Konzentration in der Schicht 3> bei und haben keine nachteilige Wirkung, es sei denn, entweder die Schicht 3 habe einen sehr hohen seitlich gerichteten elektrischen Oberflächen-Widerstand, oder die in der Schicht 3 erEeugte Elektronen-Konzentration werde vergleichbar oder größer als die entsprechende Gleichgewichts-Konzentration von Elektronen.

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Das so weit unter Hinweis auf Figur 1 beschriebene Speicherdielektrikum entbehrt einiger Merkmale, die in Ausgestaltung der Erfindung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und der Speichergeschwindigkeiten zweckmäßig s:.nd. Das erste dieser noch nicht erläuterten Merkmale besteht darin, die n-leitende Halbleiter-Schicht gewissermaßen einzuschließen, um zu erreichen, daß nach Anlegen der Lesevorspannung und bei Beginn der Lesebestrahlung kein oder nur ein kleiner Sperrstrom am Übergang im Bereich des Umfangs oder der Außenbegrenzung der η-leitenden Schicht auftritt. Wenn man diesen Sperrstrom im Umfangsbereich dieser Schicht nicht auf ein praktisches Minimum begrenzt, könnte ein solcher Strom ein so starkes Rauschen darstellen, daß darin die während des Auslesens erscheinenden Daten untergehen könnten. Um also hier ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, müßte dafür gesorgt werden, diese η-leitende Schicht gewissermaßen einzukapseln, um Randströme während des Laufens des Lesestrahls zu begrenzen.

Figur 2 der Zeichnung zeigt im Schnitt schematisiert eine Ausführung des erfindungsgemäßen Speicherdielektrikums mit Mitteln zum Einschließen der η-leitenden Schicht 2. Diese "Mittel" sind praktisch nach Art einer ringförmigen Lawinendurchbruchs-Diode ausgebildet. Gemäß den Figuren 2, 2 A und 2 B wird ein Randstrom dadurch unterdrückt, daß ein stark p-dotierter Halbleiter-Bereich 9 die η-leitende Halbleiter-Schicht 3

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vollständig umgibt und dadurch isoliert; auf diese Weise können keine Ströme aus der η-leitenden Schicht nach außen über den Rand abfließen. Der stark p-dotierte Bereich 9 reicht bis in die p-leitende Unterlage 5 und bildet einen übergang mit der η-leitenden Schicht und der Isolatorschicht 2, wodurch - siehe Figuren 2 und 2B- die η-leitende Schicht vollständig eingeschlossen ist. Durch die soeben beschriebene Maßnahme wird erreicht, daß während der Auslese-Bestrahlung mit dem wandernden Elektronenstrahl an dem bipolaren n-l-p-übergang Sperrzustand herrscht und mithin ein vernachlässigbarer Sperrstrom in den Randbereichen des Dielektrikums fließt.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist das Vorsehen der Eigenhalb-leitenden Schicht 4 ein nicht unbedingt erforderliches Merkmal, das aber dazu dient, den kapaziti^ven übergangswiderstand zu verringern. Figur 2 A zeigt übrigens eine Draufsicht auf die Anordnung, die in Figur 2 im Schnitt gezeigt ist und Figur 2 B zeigt schematisch ein Speicherdielektrikum nach Figur 2 aber ohne die Eigenleitende Schicht 4, die sonst in der Zeichnung mit "i" bezeichnet ist; die Steuerelektrode 1 ist außerdem elektrisch von der Schicht 11 isoliert, auf die weiter unten eingegangen wird.

Der oben bereits kurz erläuterte erste Vorbereitungsimpuls zu Beginn eines jeden Auslesezyklus dient dazu, die unter der Schicht 1 liegenden p-leitenden Bereiche als Sammler für Löcher auszubilden, die im n-leitenden Bereich durch die Elektronen des

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Strahls erzeugt werden. Außerdem erhält man dadurch eine interne Stromverstärkung für das Signal in Form eines Löcherstromes im Bereich des n-I-p-Ubergangs während des Lesens. Eine schnelle Erholung von dem vor dem Lesen durchgeführten Vorspannungszyklus wird dadurch erreicht, daß die erläuterte Ringzone mit hoch p-dotiertem Halbleiter 9 vorliegt, wodurch ein bipolarer p-n-Ubergang mit der n-leitenden Schicht 3 gebildet wird. Dieser Übergang hat dieselben elektrischen Eigenschaften wie eine herkömmliche Zener-Diode. D.h., daß bei einer über einem bestimmten Wert liegenden Sperrspannung von beispielsweise Io Volt der Übergang gut leitend ist, während für kleinere Werte der Sperrspannung nur ein vernachlässigbarer Sperrstrom möglich ist. Das eben erläuterte Verhalten nach Art einer Zener-Diode ist auch für den Schreibvorgang wichtig: Bei Anlegung einer positiven Ladespannung an die Elektrode 1 will man diese Spannung auf der ganzen Oberfläche der Isolatorschicht 2 haben, damit die das gespeicherte Ladungsbild darstellenden Ladungen sich beim Einspeichern bilden. Wenn der bipolare n-I-p-übergang zwischen der η-leitenden Schicht 3 und der p-leitenden Schicht 5 oder der p-n-übergang zwischen der n-leitenden Schicht j5 und der hoch dotierten p-Region 9 ideal wären, und nicht die oben beschriebenen Eigenschaften einer Lawinendurchbruchs-Diode hätten, würde nur ein kleiner Teil der positiven Spannung über der ganzen Isolatorschicht entstehen. Dies würde aber

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eine ordentliche Ladungsbild-Speicherung in der Isolatorschicht während des Lesens unangenehm beeinträchtigen und außerdem die Auslese-Geschwindigkeit verringern.

Die Schichten Io in Figur 2 und 11 in Figur 2 B bestehen aus elektrisch leitendem Werkstoff mit solcher Dicke, daß Elektronen des Strahls im Bereich von 5 bis Io kev praktisch eingefangen werden; diese Ringbereiche sind also Masken, die bewirken, daß der Bereich der leitenden Schicht nicht mit Elektronen beschossen werden kann, der über dem Übergang zwischen den Bereichen 3 und 9 liegt, wodurch man eine Verschlechterung der Übergangseigenschaften an diesem Übergang verhindert. An die Ringschicht 11 wird über einen Anschluß 12 während des Schreibens und Lesens ein Potential gelegt, das sehr nahe am Potential des Anschlusses 7 während dieser Vorgänge liegt, und zwar um eine Ablenkung des Elektronenstrahls auf Grund von elektrostatischen Feldern möglichst klein zu halten, die entweder von der Steuerelektrode 1 oder von dem Ring 11 ausgehen und jeweils an dem anderen Element enden.

Figur j5 ist eine Art Ersatzschaltbild für das Speicherdielektrikum gemäß Figur 2 und zeigt die elektrischen Eigenschaften dieser Ausführung. Man erkennt aus dem Ersatzschaltbild, daß der von den Schichten J>, 4 und 5 gebildete und eine große Fläche aufweisende n-I-p-übergang eine Diode mit kleinem Sperrstrom bildet. Eine solche Diode wird als hochohmig bezeichnet, wenn sie

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auch bei hoher Sperrspannung nur einen kleinen Sperrstrom durchläßt. Der zwischen dem hoch p-dotierten Ringbereich 9 und den Umfangskanten der n-leitenden Schicht 3 gebildete Übergang bildet eine Lawinendur chbruchs-Oiode, die ihrerseits diejenige Spannung begrenz;, die an der Übergangskapazität zwischen den Schichten 3 und 5 auftreten kann. Die Kapazität der Isolatorschicht ist die in Figur dargestellte Kapazität zwischen den Schaltungspunkten 1 und 3 und liegt also in Serie zu der Parallelschaltung aus der Übergangskapazität und den beiden Übergangsdioden. Man erkennt aus diesem Schaltbild, daß nach Anlage eines negativen ersten Vorbereitunsimpulses zur Vorbereitung des Auslesens ein kräftiger Strom bis zur Anlage des positiven zweiten Vorbereitungsimpulses fließt und daß dieser Strom abklingen muß, bevor die eigentliche Lesespannung angelegt wird und der Lesestrahl angeschaltet wird, weil sonst im Auslesesignal ein zu starkes Rauschen aufgrund fortgesetzter Lawinendurchbrüche am übergang auftritt.

Figur 4 zeigt die diesbezüglichen Potentiale und Figur 4 A zeigt die aufgrund dieser Potentiale zwischen den Klemmen 7 und 8 fließenden Ströme. Der Lesestrahl wird zu demjenigen Zeitpunkt angeschaltet, der in Figuren 4 und 4 A mit T 4 bezeichnet ist. Der Lawinendurchbruch kann übrigens am Ende des zweiten Vorbereitungsimpulses immer noch andauern, wie in Figur 4 A dargestellt ist, aber die negativ werdende

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Potentialveränderung am übergang zur Lesespannung verringert die Sperrspannung am versenkten übergang so stark, daß der Lawinendurchbruch beendet wird. Jedenfalls hat aber der übergang den Sperrzustand spannungsmäßig erreicht.

Der Vollständigkeit halber sei im Folgenden kurz eine Möglichkeit erörtert, beispielsweise ein Speicherdielektrikum nach Figur 2 herzustellen. Ausgehend von einer Unterlage bestehend aus einer nahezu eigen-halbleitenden-Schicht 4 über einem p-leitenden Silicium-Plättchen 5 kann man zunächst auf dieser Unterlage eine η-leitende Halbleiter-Schicht J5 erzeugen, indem man Ionenimplantation mit Phosphor, Arsen oder Antimon vornimmt. Man kann auch eine η-leitende kristalline Halbleiter-Schicht 3 über das Substrat legen, in dem man mit chemischem Aufdampfen eine sogenannte "epitaxlal"-Schicht aufbringt. Die stark mit Bor dotierte p-leitende ringförmige Schicht 9 kann dann dadurch erzeugt werden, daß man durch geeignete Masken hindurch Bor thermisch aufbringt oder Bor durch Ionenimplantation einarbeitet. Die den Ringbereich herstellende Maske wird dann entfernt und als nächster Schritt folgt die Herstellung der Isolatorschicht 2 aus einem Oxyd auf der η-leitenden Halbleiter-Schicht j5 und dem rahmenförmigen Bereich 9 durch Oxydieren bei hoher Temperatur beispielsweise in Sauerstoff. Darauf folgt das Auflegen der dünnen Leiterschicht 1 über der Schicht 2 durch Aufdampfen. Der folgende Schritt der Herstellung

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der leitenden "Insel" 1 wird durch ein photolithographisches Verfahren bewirkt. Dies gilt auch für die ringförmigen Bereiche Io und 11. Danach wird die Isolierschicht auf der Rückseite entfernt und ein metallischer Niederschlag 6 dort gebildet, der als Elektrode unter dem p-leitenden Bereich dient.

Aus der oben gegebenen Erläuterung zu der stark dotierten Halbleiter-Region 9 erkennt man, daß diese Ausgestaltung der Erfindung ein weiteres zweckmäßiges Merkmal mit sich bringt. Dieses zweite Merkmal ist wichtig für hohe Arbeitsgeschwindigkeit und umfaßt Mittel zur Begrenzung der Größe des Sperrpotentials über dem versenkten Übergang bei Anlage eines positiven Potentials an den Anschluß 7 bezogen auf den Anschluß 8 des Dielektrikums. Es ist besonders wichtig, daß dieser Effekt früh im Bereich des Schreibzyklus auftritt, bei welchem positive Vorspannung über die Leitung 7 an die Steuerelektrode 1 bezogen auf die Elektrode 6 angelegt wird. Andernfalls wirkt der Geschwindigkeit, mit welcher Ladungstransport während des Schreibens innerhalb der Isolatorschicht 2 erfolgt, die Entwicklung eines größeren Anteils der angelegten Spannung über der großen Fläche des n-I-p-Ubergangs zwischen den Schichten J>,K und 5 entgegen. Erkennbar würde ein solcher Vorgang das Speichersystem insgesamt negativ beeinflussen und schon aus diesem soll er möglichst klein gehalten werden.

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-it,

Zusätzlich zu der unter Hinweis auf die Figuren 2 bis 3 erläuterten Art der Begrenzung der induzierten Sperrspannung wird im Folgenden eine zweite Methode zur Bewirkung desselben Effekts unter Hinweis auf die Querschnittsdarstellung der Figuren 5 und 5 A erläutert. In diesen Fällen grenzt der stark p-dotierte Bereich 9 nicht direkt an die η-leitende Schicht 3> weil die nahezu eigenhalb-leitende Schicht 4 sich erkennbar nach oben bis an die Isolatorschicht 2 erstreckt, wodurch der Bereich 9 vom Bereich körperlich getrennt wird. Die gewünschten Eigenschaften einer Lawinendurchbruchs-Diode werden durch eine stark p-dotierte Insel 13 erreicht, die unter der η-leitenden Schicht 3 liegt und durch die eigenhalb-leitende Schicht 4 bis in die p-leitende Schicht 5 hinein reicht. Die anderen in Figur 5 gezeigten Schichten haben dieselben Funktionen, wie dies unter Hinweis auf Figur 2 erläutert wurde; die elektrischen Eigenschaften sind ebenso die gleichen. Das Herstellen von nach Figur 5 oder Figur 5 A aufgebauten mehrschichtlichen Halbleiter-Elementen ist nach den vorstehenden Erörterungen Stand der Technik. So kann beispielsweise auf die Epitaxial-Schicht 4 über dem p-leitenden Substrat 5 durch Dotieren mit Bor die Herstellung der Bereiche 9 und 13 vorgenommen werden, wozu wieder geeignete Masken verwendet werden. Dann wird die Schicht 3 durch Ionenimplantation beispielsweise mit Arsen vorgenommen, woraufhin

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die noch nicht diskutierten Schichten gemäß den obigen Ausführungen durchgeführt werden.

Figuren 6 und 6 A zeigen im Querschnitt weitere Ausführungsfo Tnen von Speicherdielektrika nach den erfindungsgemäßen Prinzipien. Hier wird kein Fenster-förmiger Bereich 9 mit starker p-Dotierung zur Isolation verwendet, sondern es werden vielmehr die Ränder der n-leitenden Schicht 3 und der eigenhalb-leitenden Schicht 4 chemisch abgeätzt, bevor die anderen hier noch nicht diskutierten Schichten für die Lawinendurchbruchs-Diode aufgebracht werden. Zur Herstellung der Anordnung beispielsweise nach Figur 6 wird auch der stark p-dotierte inselartige Bereich 13 in die Unterlage eingebracht, bevor durch Epitaxialtechnik die Schicht 3 aufgebracht wird. Die Isolierschicht 2 kann aus mehreren isolierenden Werkstoffen bestehen, zweckmäßig verwendet man aber SiIicium-Dioxyd, das durch thermische Oxydation des Siliciums bei hohen Temperaturen in Sauerstoff hergestellt wird. Wieder braucht man den Elektronenstrahl abdeckende Ringe Io in Figur 6 bzw. 11, ind Figur 6 A, um sicher zu stellen, daß der versenkte übergang seine Eigenschaften nicht im Laufe der Standzeit des Speicherelementes verändert. Diese metallischen Schichten und die rückseitige Abdeckung 6 werden wieder durch Aufdampfen bzw. photolithographische Verfahren aufgebracht.

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Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherdielektrikums ist in den Figuren 7 und 7 A dargestellt. Hierbei liegt eine ggfs. vorzusehende nahezu eigenleitende Halbleiter-Schicht von weniger als 2 Mikrometerr»Dicke über einem p-leitenden Bereich von weniger als 5 Mikrometern Dicke, der seinerseits auf einem η-leitenden Halbleiter-Bereich von 2 Mikrometer bis 1 Millimeter Dicke liegt. Der bei bipolaren Transistoren mit besonders dünner Basis beobachtete Durchbruchseffekt wird hier dazu verwendet, intern die Sperrspannungs-Differenz zu begrenzen, die in einem Übergang eines η-leitenden Bereichs auftreten kann. Ein stark p-dotierter Rahmen bewirkt eine Isolation des Übergangs, wie oben beschrieben wurde. Die Unterlage kann wieder nach dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden, deren eines hier genannt sei: Erst läßt man epitaxial eine erste p-leltende Halbleiter-Schicht aufwachsen und dann eine nahezu eigenleitende Halbleiter-Schicht über einer homogen dotierten n-leitenden Halbleiter-Fläche. Durch Maskierung werden dann die hoch dotierten p-leitenden rahmenförmigen Bereiche 9 und die η-leitende Schicht j5 durch thermischen Niederschlag erzeugt, außerdem wird dabei die notwendige Ionenimplantation vorgenommen. Die Schichten 1, 2, 6, Io und 11 können in der selben Weise hergestellt werden, wie dies unter Hinweis auf die Figuren 2, 5 und 6 berichtet wurde. Im vorliegenden Falle wird aber dann die untere Kontaktschicht 6 auf den n-leitenden Abschnitt 15 der Unterlage und nicht auf die vorher beschriebene p-leitende Unterlage aufgebracht.

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Um den gewünschten niedrigen Ohm¹sehen Widerstand zwischen den Schichten zu erreichen, sollte das Dotieren der η-leitenden Schicht 15 mäßig bis kräftig sein und die metallische Schicht 6 muß anlegiert werden. Der übergang zwischen der η-leitenden Schicht 15 und der p-leitenden Schicht 14 sollte relativ niederohmig im Sperrbetrieb sein, d.h., es sollte ein erheblicher Leckstrom bei Sperrspannungen unter Io Volt auftreten können. Um dies zu erreichen, könnte man bei der Herstellung des Übergangs einen erheblichen Gradienten der Dotierung vorsehen, beispielsweise durch absichtliche Beschädigung in der Weise, wie dies an der mit drei Kreuzen dargestellten Stelle in Figur 7 und J A angedeutet ist; es könnte auch eine Metallschicht, z.B. eine Fortsetzung der Schicht 6, nach oben reichen und die Schichten 14 und 15 miteinander kurzschließen und ggfs. auch die Schicht 9. Figur 8 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Speicherdielektrika nach den Figuren 7 und 7 A: Die η-leitende Schicht j5 ist der Kollektor eines bipolaren n-p-n-Transistors, die p-leitende Schicht 14 die Basis und die n-leitende Schicht 15 der Emitter. Der Kollektor-Basisstrom im Sperrbetrieb wird durch die Verarmung von Löchern in der Basis 14 erreicht. Die Dotierung und die Dicke der Schichten 14 und 4 werden so gewählt, daß diese Spannung auf etwa Io Volt begrenzt wird. Ohne eine ggfs. mögliche Schicht 4 aus nahezu eigenleitendem Werkstoff

gestattet eine Schicht 14 mit einer Akzeptor-IS
Dichte von 5 χ Io Ionen pro Kubikzentimeter und etwa 1,5 Mikrometer Dicke einen Ladungsträger-Durchbruch bei Sperrspannungen von etwa Io Volt, wenn die Schicht 3 ausreichend stark dotiert ist.

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Die Figuren 9 und 9 A stellen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Speicherdielektrika im Schnitt dar, bei denen dieser Durchbruchseffekt verwendet wird, aber der Aufbau mesa-artig ist, wie in den Figuren 6 und 6 A. Bei der Ausfihrung nach Figur 9 A ist die oberste Umfangsschicht 11 elektrisch und körperlich von der Hauptelektrode 1 getrennt. Wie bei den anderen diesbezüglichen AusfUhrungsformen muß man dafür sorgen, daß der p-n-Ubergang in der Unterlage beachtliche Sperrströme zuläßt. Die Herstellungsverfahren, die in Zusammenhang mit Figur 8 gegeben wurden, sind sinngemäß anzuwenden; gleiche Bezugszeichen bedeuten hier gleiche Merkmale bzw. Ge gens tände.

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Claims

Patentanwalt

Dipl. Ing.

Micro-Bit. Corporation M 13 P 2

Hartwell Avenue

Lexington, Mass. 02173 / USA

Patentansprüche

Mehrschichtiges Speicherdielektrikum zur Datenbzw. Ladungsmuster-Einschreibung und -Auslesung durch Elektronenbestrahlung, bestehend aus

a. einer ersten Halbleiter-Schicht (5) mit Steueranschluß (6,8),

b. mindestens einer zweiten Halbleiter-Schicht (3) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf der dem Steueranschluß gegenüber liegenden Seite der ersten Schicht und einem bipolaren p-n Übergang zwischen diesen Schichten,

c. einer Isolatorschicht (2) auf der zweiten Halbleiter-Schicht mit auf der Isolator-Schicht liegender Leiterschicht mit einem zweiten Steueranschluß,

d. einem Sperrbereich (9) zur Reduzierung bzw.

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D-4000 Düsseldorf 1 - BahnstraBe 62 - Telefon 0211/356338

ORIGINAL INSPECTED

Unterbindung eines Sperrstromes am Umfang des p-n-Überganges beim Auslesen , und

e. Mitteln zur Begrenzung der Sperrspannung am p-n-Ubergang im Innern des Dielektrikums bei Anlage einer Sperrspannung an die Steueranschlüsse (7,8).
2. Speicherdielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel gemäß Merkmal e. des Anspruchs 1 darin bestehen, daß bei einer bestimmten Sperrspannung am Übergang ein Lawinendurchbruch stattfindet.
3. Speicherdielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwirklichung des Merkmals d. und e. des Anspruchs 1 der Übergang von einem Halbleiter-Ringbereich (9) des selben Leitfähigkeitstyps wie die erste Schicht, jedoch stärker dotiert, umgeben ist, der die zweite Schicht (3) vollständig umgibt und isoliert, sowie mit beiden Schichten in flächiger Berührung steht, und daß der Ringbereich (9) mit der zweiten Schicht (3) eine Lawinendurchbruchsdiode (gemäß Anspruch 2) bildet.
4. Speicherdielektrikum nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringbereich (9) gegen Bestrahlung vom Schreib- und/oder Lesestrahl durch eine entsprechend gestaltete Abdeckung (11) auf der Oberseite des Dielektrikums geschützt ist (Fig. 2 B).

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5· Speicherdielektrikum nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 biw 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halbleiter-Schichten (3,5) eine Eigenhalbleiter-Schicht (4) liegt, und daß diese drei Schichten die im wesentlichen ebene, dünne Speicherzone bilden.
6. Speicherdielektrikum nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß - in Strahlrichtung gesehen - die Abdeckung (11) auf der Oberseite des Dielektrikums nur einen kleinen Teil der Speicherzone abdeckt.
7. Speicherdielektrikum nach Anspruch 5> dadurch

gekennzeiohnet, daß die zweite Halbleiter-Schicht (3; Fig. 5) als Insel auf der Eigenhalbleiter-Schicht (4) ausgebildet ist und daß letztere Schicht die "Insel" am Umfang umgreift und bis zur Isolator-Schicht (2) reicht.
8. Speicherdielektrikum nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich mit typmäßig gleicher, aber quantitativ stärkerer Dotierung als die erste Halbleiter-Schicht (5) die Eigenhalbleiter-Schicht (4) an deren Rand umgreift.
9. Speicherdielektrikum nach Anspruch 8, dadurch gekennzeiohnet, daß zur Verwirklichung des Merkmals e. von Anspruch 1 eine Insel {Γ5) aus relativ stark dotiertem Halbleiterwerkstoff des Typs der ersten Halbleiter-Schicht (5) in der Eigenhalbleiter-Sohicht diese durchsetzend liegt, und mit der zweiten Halbleiter-Schicht

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den Lawinen-Durchbruch-Ubergang bildet.
10. Speicherdielektrikum nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwirklichung des Merkmales d. in Anspruch 1 die zweite Halbleiter-Schicht (3) und die Eigenhalbleiter-Schicht (4) Mesa-artig aufeinander und auf der ersten Halbleiter-Schicht (5) mit schrägen Flanken liegen, und daß die Isolator-Schicht (2) die obere Fläche und die Flanken der zweiten Halbleiter-Schicht (3), die Flanken der Eigenhalbleiter-Schicht (4) und diejenige obere Fläche des ersten Halbleiters (5) abdeckt, welche die Mesa-artig geformten Schichten (3,4) umgibt.
11. Speicherdielektrikum nach Anspruch 9 und lo, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwirklichung des Merkmals e. in Anspruch 1 die erste Halbleiter-Schicht aus zwei Halbleiter-Schichten (14 und 1?) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, die zwischen sich den DUnnschicht-Übergang eines als Diode arbeitenden Transistors bilden (siehe Fig. 8).
12. Speicherdielektrikum nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschicht-Ubergang bei anliegender Sperrspannung einen erheblichen Leck- oder Reststrom fließen läßt.
13. Verfahren zum Betrieb eines Speicherdielektrikums nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Auslesen zunächst ein Vorbereitungsimpuls (4) solcher Polarität an die Steuerelektrode (bezogen auf

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das Halbleitersubstrat) gelegt wird, wie der Polarität der Ladungsträger im Substrat entspricht, und daß nach dem Vorbereitungsimpuls ein zweiter Vorbereitungsimpuls an die Steuerelektrode angelegt wird, der gleich oder größer als die Lesespannung ist.

Ik. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbereitungsimpulse vor jeder Abtastzeile des Strahlweges über das Dielektrikum oder vor mehreren Zeilenabtastungen an das Dielektrikum gelegt werden.

15· Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Vorbereitungsimpulse unterschiedlicher Polarität unmittelbar aufeinander folgen (Fig. 4 und 4 A)

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