DE2746234A1 - Feldeffekt-speichertransistor und speichermatrix - Google Patents
Feldeffekt-speichertransistor und speichermatrixInfo
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Description
F.G. Adam - 31 Fl
Feldeffekt-Speichertransistor und Speichermatrix
Die Erfindung befaßt sich mit einem verbesserten MI1I3S-Feldeffekt-Speichertransistor,
dessen Gate-Isolatorschicht aus zwei Schichten verschiedener Dielectrica besteht und der zur
Auslegung einer Speichermatrix geeignet ist.
Aufgrunder der Schichtenfolge MI1I3S wird für solche Speichertransistoren
unter anderem auch die englische Bezeichnung "Dual Dielectric Cell (DDC)" verwendet. In der Praxis handelt es sich
dabei fast ausschließlich um MNOS-Feldeffekttransistoren, gelegentlich
aber auch MAOS-Feldeffekttransistoren, wobei die Buchstaben
M für Metall-Gate-Elektrode, N für Siliciumnitrid (Si3N4),
A für Aluminiumoxid (Al2O3), 0 für Silciumoxid (SiO2) und
S für Silicium
stehen. Die Siliciumnitrid-Schicht bzw. Aluminiumoxid-Schicht ist dabei sehr dünn im Bereich zwischen 15 und 50 Ä ausgebildet,
während die darüberliegende Oxidschicht eine Dicke im Bereich zwischen 400 und 600 Ä besitzt.
6. Oktober 1977
Go/bk
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Zwei bekannte Ausführungsformen solcher MNOS-Feldeffekt-Speichertransistoren
zeigen die Fig. 1 und 2. Die Source-Zone 1 und die Drain-Zone 2 werden in bekannter Weise unter Anwendung
des Planardiffusionsprozesses in das Substrat 4, vorzugsweise aus Silicium, diffundiert. Die Gate-Elektrode G bedeckt die
aus zwei Schichten 5 und 6 bestehende Gate-Isolatorschicht
über dem Kanalbereich 3. Im Betrieb wird das Potential der Source-Zone 1 auf ein Potential zwischen dem Potential der
Drain-Zone 2 und dem Potential des Substrats 4 oder auf Substratpotential gelegt.
Der MNOS-Feldeffekt-Speichertransistor gemäß der Fig. 2 weist
gegenüber dem der Fig. 1 gewisse Vorteile auf, nämlich geringe Durchschlagsgefahr zwischen der Gate-Elektrode G und der
Drain-Zone 2 bzw. der Gate-Elektrode G und der Source-Zone 1, vor allem aber den Vorteil, daß beim Löschen, d.h. beim Programmieren
der kleinen Schwellenspannung (Unterkante des sogenannten Schwellenspannungsfensters), die Gefahr des Entstehens
eines Feldeffektrtransistors vom Verarmungstyp auf einfache Weise vermieden wird. Der zweite Transistor gemäß der Fig. 2
besteht nämlich aus der Serienschaltung dreier Feldeffekt-Speichertransistoren, von denen die beiden äußeren wegen der
relativ großen effektiven Dicke der Gate-Isolatorschicht auch eine normale Schwellenspannung des Anreicherungstyps aufweisen.
Bei den beiden Ausführungsformen in der bisher bekannten rechteckigen
Form in Aufsicht auf die Zonen bzw. Elektroden (rechteckiger Kanalbereich der Breite W und der Länge L) hat sich
jedoch beim Programmieren ein störender Effekt bemerkbar gemacht .
— 4 —
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In der Veröffentlichung von J.J. Chang in der Zeitschrift
"Proceedings of the IEEE", Band 64, Nr. 7 (Juli 1976), Seiten 1039-1059, wird dieser Effekt mit dem treffenden Begriff
"Sidewalk-Effect" (Gehweg-Effekt) bezeichnet. Wegen des nicht
abrupten Übergangs der dünnen Speicher-Gate-Isolierschicht zum wesentlich dickeren Feldoxid hin beiderseits des Kanalbereichs
wirkt sich die Schwellenspannungsprogrammierung in zwei schmalen
Randbereichen unter Oxidböschung zu beiden Seiten des * der
Kanalbereichs häufig nicht voll aus. Das Schwellenspannungsfenster bleibt daher dort kleiner als der Sollwert und kann
zur fehlerhaften Datenerkennung führen, wenn beispielsweise diese "Sidewalk"-Feldeffekttransistoren im Nebenschluß Strom
führen, der mittlere Feldeffekt-Speichertransistor der Serienschaltung
aber nicht, wie in der oben genannten Literaturstelle anhand der Fig. 18 beschrieben wird.
In der oben genannten Literaturstelle von Chang werden vier verschiedene
technologische Maßnahmen aufgezählt, die angewandt werden können, um den"Sidewalk"-Effekt zu vermeiden, nämlich
1. Realisierung eines möglichst abrupten Oxidübergangs,
2. Verwendung einer Feldabschirmung,
3. stromblockierende, kleine, diffundierte η -bzw.
P -Inseln am Rande des Kanalbereichs entsprechend dem Leitungstyp des Substrats oder
4. gezielte Ionenimplantation im Kanalbereich zur Kompensierung des Effekts.
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Alle diese in der oben genannten Literaturstelle vorgeschlagenen Maßnahmen zur Eliminierung des "Sidewalk"-Effektes sind
aber technologisch schwierig oder aufwendig und garantieren meistens nicht mit Sicherheit eine hundertprozentige Lösung
des Problems.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung des "Sidewalk"-Effektes
ist bekannt geworden, bei welcher die mittlere dünne Gate-Isolatorschicht 5, 6 (Oxidschicht 4 mit Nitridschicht 6)
in Fig.2 über den Rand der Gate-Elektrode G quer zum Kanal hinaus gezogen wird. Dabei wird jedoch die extrem dünne Gate-Isolatorschicht
5, 6 beim Programmieren, was beispielsweise mit + 30 V erfolgt, durch die überhöhte Feldstärke am Rande der
Gate-Elektrode G übermäßig beansprucht, was zu beschleunigter Ermüdung des Speichertransistors führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, den "Sidewalk"-Effekt mit hundertprozentiger
Sicherheit auf technologisch einfache Weise zu eliminieren» ohne die Funktion einer aus einer Mehrzahl von Feldeffekt-Speichertransistoren
bestehenden Speichermatrix auch bei sehr langem Betrieb in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird bei einem Feldeffekt-Speichertransistor gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs 1 angegebenen Ausbildung
gelöst.
Dabei wird unter "rahmenförmig" jede in sich geschlossene
Form, beispielsweise eine ringförmige, kreisringförmige, quadratische, rechteckige oder auch plygonartige Ausbildung
verstanden.
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Der Feldeffekt-Speichertransistor nach der Erfindung, seine
Verwendung, bevorzugte Ausführungsform und Vorteile werden anhand der Zeichnung erläutert, deren
Fig. 1 und 2 den bereits erwähnten .bekannten Stand der
Technik betreffen , deren
Fig. 3 in Aufsicht den Ausschnitt einer Speichermatrix mit vier Feldeffekt-Speichertransistoren nach
der Erfindung einer ersten Ausführungsform zeigen, deren
Fig. 4 die Aufrißansicht entlang der Schnittlinie A-A der Fig. 3 und deren
Fig. 5 die Aufrißansicht entlang der Schnittlinie B-B der Fig. 3 bedeuten, deren
Fig. 6 die Teilschnittansicht durch den mit 11 in Fig. 3 bezeichneten Feldeffekt-Speichertransistor entsprechend
einer ersten Ausführungsform und deren
Fig. 7 die entsprechende Teilschnittansicht durch den gleichen mit 11 bezeichneten Feldeffekt-Speichertransistor
entsprechend einer zweiten Ausführungsform betreffen, deren
Fig. 8 den Ausschnitt einer Speichermatrix in Aufsicht bedeutet, bei der eine besonders raumsparende Ausführungsform
eines Feldeffekt-Speichertransistors nach der Erfindung verwendet wird, und deren
Fig. 9 eine Schnittansicht im Aufriß entlang der Schnittlinie A'-A' der Fig. 8 zeigt.
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Die Teilschnittansichten der Fig. 1 und 2 zeigen bekannte Ausführungsformen
von Feldeffekt-Speichertransistoren, welche prinzipiell bei dem Feldeffekt-Speichertransistor nach der Erfindung
verwendet werden können. Diese beiden Ausführungsformen unterscheiden sich dadurch, daß bei der Ausführungsform gemäß der
Fig. 2 die Gate-Isolatorschicht den Oberflächenbereich der pnübergänge
zwischen den Zonen 1 und 2 einerseits und dem Substrat 4 andererseits zur Verminderung der Oberflächenfeldstärke
gegenüber der Gate-Isolatorschicht im mittleren eigentlich wirksamen Steuerbereich unter der Gate-Elektrode G verdickt ist.
Der zu verhindernde "Sidewalk"-Effekt wird in einer Ebene parallel zur Zeichenebene, aber im Bereich neben der Gate-Elektrode
G wirksam.
Die Fig. 3 veranschaulicht eine Speichermatrix mit vier Feldeffekt-Speichertransistoren
11, 12, 21 und 22 nach der Erfindung in Aufsicht. Bei den Feldeffekt-Speichertransistoren befinden
sich die Source-τ Zonen 1 außerhalb der Drain-Zonen 2 im Inneren
des ringförmigen Kanalbereichs 3, wie die Schnittansichten der Fig. 4 und 5 erkennen lassen. Eine ähnliche ringförmige Geometrie
ist zwar für MNS (Metall-Nitrid-Silicium)-Feldeffekttransistoren aus der Zeitschrift "SCP and Solid-State Technology"
(Februar 1966), Seite 10, bekannt geworden, jedoch nicht im Zusammenhang mit einer Verbesserung des Speicherverhaltens
für Speichertransistoren. Obwohl diese Anordnung auch bei Feldeffekt-Speichertransistoren Vorteile hinsichtlich der Vermeidunq
des "Sidewalk"-Effektes bietet, ist die umgekehrte Anordnung, d.h. die Source-Zone innen und die Drain-Zone außen,
besonders vorteilhaft, wie anhand der Fig. 8 und 9 beschreiben wird.
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Die Fig. 4 zeigt im Aufriß den Schnitt entlang der Schnittlinie
A-A, die Fig. 5 den entsprechend angedeuteten Schnitt entlang der Schnittlinie B-B. Die integrierten Gate-Elektroden
G1 und G2 werden zweckmäßigerweise in hochdotiertem PoIy-Silicium,
Molybdän oder einem anderen höher schmelzenden und inerten Metall ausgeführt. Methoden zum Abscheiden oder Aufdampfen
sowie zum Ätzen von Schichten aus derartigen Materialien zum Herstellen der bandförmigen Gate-Elektroden G1 und G2 sind
bekannt. Die ebenfalls bandförmig ausgebildeten integrierten Drain-Elektroden D1 und D2, welche die Drain-Zonen 2 am inneren
Ende des Kanalbereichs 3 kontaktieren, werden vorzugsweise in Aluminium wie üblich ausgeführt.
Die außerhalb des rahmenförmigen Kanalbereichs 3 liegenden
Source-Zonen 1 werden spaltenweise zu einer Diffusionszone SI
bzw. S2 zusammengefaßt.
Die Fig. 6 zeigt in Teilschnittansicht die Gate-Elektrode G und den
Kanalbereich 3 des linken Feldeffekt-Speichertransistors 11
der Fig. 3. Insbesondere ist die unter der Gate-Elektrode G extrem dünn ausgebildete (typische Dicke etwa 20 Ä) Gate-Oxidschicht
5 mit der darüberliegenden wesentlich dickeren (ca. 500 Ä) Siliciumnitridschicht dargestellt.
Die Fig. 7 zeigt den gleichen Ausschnitt, jedoch entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Die Ausschnittansichten
der Fig. 6 und 7 zeigen ferner die leitbahnförmig integrierte Drain-Elektrode D1, welche auf einer Silox-Isolatorschicht 7
verläuft. Da die Silicium-Gate-Technik heute eine Standardtechnik geworden ist, bietet sie gegenüber den Gate-Elektroden
aus Aluminium eine alternative Möglichkeit zur Herstellung der Gate-Elektroden G auch aus polykristallinem Silicium
ohne besondere Schwierigkeiten.
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Bei der in Aufsicht dargestellten Speichermatrix gemäß der Fig. 8 werden Feldeffekt-Speichertransistoren nach der Erfindung
verwendet, bei denen die Drain-Zonen 2 am äußeren Rande des Kanalbereichs 3 als zusammenhängende, an der Halbleiteroberfläche
liegende Zone ausgebildet sind. Diese Zone schließt Flächenteile ein, innerhalb derer die Source-Zonen
1 mit den die letzteren rahmenförmig umgebenden Kanalbereichen 3 angeordnet sind. Eine solche Speichermatrix ist,
wie ohne weiteres anhand der Fig. 8 und 9 ersichtlich wird, besonders flächensparend und bedingt einen gemeinsamen Zugang
zum Drain-Potential für alle Speichertransistoren der Speichermatrix. Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise
auch ein Problem gelöst, das bei einer besonderen Ausführungsfrom
von MNOS-Speichertransistoren auftritt, nämlich den Speichertransistoren mit kurzer Kanallänge L, bei denen sowohl
beim Einschreiben als auch beim Löschen des Substrat auf Nullpotential liegen darf. Beim Einschreiben liegt die Gate-Elektrode
für eine Pulslänge auf der Programmierspannung U (z.B. U = -30 V bei p-Kanal) und die Source-Zone auf Null.
Beim Löschen liegt die Gate-Elektrode auf Null und sowohl die Source-Zone als auch die Drain-Zone auf U . In diesem Zu-
P sammenhang wird auf K.H.Horninger, Bull.ASE 64 (1973) 20,29 Sept.,
S. 1258-1263; Y.Uchida et al, IEEE Journal of Solid-state Circuits , vol. SC-10, Nr.5, Okt.75, S, 288-293, verwiesen.
Dabei befindet sich der Kanalbereich in einer "Punchthrough"-Situation
und nahe dem Lawinendurchbruch, so daß die Ladungsträger durch Multiplikation erzeugt werden, die dann durch
diß Gate-Oxidschicht in die in der Nitridschicht befindlichen
"Traps" tunneln können, um die Schwellenspannung zu verändern,
- 10 -
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- 10 F.G. Adam - 31 Fl 944
d.h. zu programmieren. Mit derartigen Speichertransistoren wird das Dekodieren auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen erleichtert,
Es ist ferner sogar möglich, einzelne Speichertransistoren einer Speichermatrix zu programmieren, ohne daß diffundierte Wannen
erforderlich wären. »
Beim Lösch-Puls tritt bei solchen Speichertransistoren mit
kurzer Kanallänge L jedoch ein Effekt auf, welcher die Wirksamkeit dieses Lösch-Pulses infolge frühzeitiger Sättigung
mit der Pulsdauer beeinträchtigt. Diese Beeinträchtigung kommt dadurch zustande, daß ein größerer Teil der Ladungsträger,
die im sattelförmigen "Punchtrough"-Feld durch Lawinenmultiplikation erzeugt wurden und eigentlich durch die Gate-Oxidschicht
in die "Traps" tunneln sollten, quer über die "Sidewalk"-Grenze - sozusagen über den "Rinnstein der Kanalstraße" - abfließt.
Dieser laterale Abfluß der Ladungsträger wird durch die ringförmige Struktur der Speichertransistoren nach der
Erfindung wollig ausgeschlossen, da dieser Ausweichpfad für die Ladungsträger im Potentialfeld der Ringstruktur
nicht mehr existiert.
4. Blatt Zeichnung
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Leerseite
Claims (1)
- DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNGFREIBURG I.BR.F.G. Adam - 31 Fl 94 4PatentansprücheFeldeffekt-Speichertransitor, dessen Gate-Isolierschicht aus zwei Schichten unterschiedlicher Dielektrica besteht und dessen Gate-Elektrode auf der Gate-Isolatorschicht im Kanalbereich zwischen einer Drain-Zone und einer Source-Zone angeordnet ist, deren Potential im Betrieb auf ein Potential zwischen den Potentialen der Drain-Zone und dem Potential des Substrats oder auf das Potential des Substrats gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalbereich (3) rahmenförmig in sich geschlossen ausgebildet ist, so daß entweder die Source-Zone (1) die Drain-Zone (2) oder die Drain-Zone (2) die Source-Zone (1) vollständig umgibt.2. Speichermatrix mit einer Mehrzahl von Feldeffekt-Speichertransistoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Zonen(2) der Feldeffekt-Speichertransistoren als zusammenhängende, an der Halbleiteroberfläche liegende Zonenausgebildet sind, welche Flächenteile einschließen, innerhalb denen die Source-Zonen (1) mit den die letzteren rahmenförmig umgebenden Kanalbereicten(3) angeordnet sind.7. Oktober 1977
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| DE3242370A1 (de) * | 1981-11-18 | 1983-05-26 | Mitsubishi Denki K.K., Tokyo | Feldeffekttransistor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2406308A1 (fr) | 1979-05-11 |
| JPS5461883A (en) | 1979-05-18 |
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