DE2845328C2 - Speichertransistor - Google Patents
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Description
a) aus n+-dot!ertem polykristallinem Silicium,
Germanium, Aluminiumarsenld, Alumlniumantlmonid, Galliumarsenid oder
b) aus einem der Metalle Aluminium, Gold, Titan, Magnesium, Mangan, Tantal, Wolfram, Molybdän,
Thallium in Form einer kompakten metallischen Schicht.
12. Speichertransistor nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (G) aus einer kompakten Schicht des gleichen Materials besteht,
wie das Material -des Speichermediums (Gm).
Aus der US-PS 38 77 054 Ist ein Speichertransistor mit
einem Halbleiterkörper aus Silicium bekannt, in dem eine
Source- und eine Drain-Zone angeordnet sind. Dieser Speichertransistor weist eine Gate-Elektrode und eine
zwischen einer Oberfläche des Halblelterkörpers und der Gate-Elektrode angeordnete Gate-Isollerschlcht auf, die
aus einer an die Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzenden Tellschicht und elnsr an die Gate-Elektrode
angrenzenden Tellschicht besteht, wobei an der Grenzfläche der Teilschichten ein Spelchermedium vorhanden Ist.
Arr^dle Gate-Elektrode wird zum Einbringen bzw. Entnehmen einer Ladung In das bzw. aus dem Spelchermedium
ein Schreibimpuls bzw. ein Löschimpuls zur Verschiebung der Schwellenspannung und zum Abtasten
der Größe der Schwellenspannung ein Leseimpuls angelegt.
Die Erfindung betrifft einen solchen Speichertransistor gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Bei dem bekannten Speichertransistor beträgt die Programmierspannung 30 bis 60 Volt.
Aufgabe der Erfindung Ist die Verringerung der
Programmierspannung bei einem solchen Speichertransistor.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene
Ausbildung gelöst.
Aus der GB-PS 13 83981 1st zwar ein Speichertransistor
bekannt, bei dem die Gate-Isollerschlcht aus zwei je
etwa 100 nm dicken Teilschichten besteht, und bei dem zwischen den Teiischichten ein Spelchermedium aus
einer Schicht eines halbleitenden Materials angeordnet Ist und bei dem die Schicht des Speichermediums die
Projektion der Gate-Elektrode auf das Spelchermedium seitlich so weit überragt, daß das Verhältnis des die
Projektion überragenden Flächentells des Spelchermedlums zu der Projektion wesentlich größer als eins Ist. Bei
diesem Speichertransistor wird aber nur zum Entnehmen von Ladung aus dem Spelchermedium an die Gate-Elek-
trade ein Löschimpuls angelegt, während das Einbringen der Ladung in das Speichermedium mittels eines Avalanche-Durchbruchs
zwischen einer der Zonen und dem Substrat erfolgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren
Fig. 1 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B
der Fig. 3 senkrecht durch die Source- und Drainzone
eines Speichertransistors nach der Erfindung veranschaulicht, deren
Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Speichertransistors nach der Erfindung enthält, deren
Flg. 3 ausschnittsweise die Aufsicht auf zwei Speichertransistoren
einer Speichermatrix zeigt, und deren
F1 g. 4 die Schnittansicht längs der Schnittlinie A -A der
F1 g. 3 veranschaulicht.
In der Fig. 1, die einen Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B der Fig. 3 zeigt, liegt das Speichermedium
Gm zwischen der am Halbleiterkörper 1 angrenzenden Telfschicht Λ und der an die Gate-Elektrode G
angrenzenden Teilschicht I2. Die Kanaizone, volche die
Sourcezone S mit der Drainzone D verbindet, enthält einen mittleren aktiven Bereich, da das Speichermedium
Gm sich lediglich über einen mittleren Flächenbereich der Kanalzone erstreckt. An den äußeren Teilflächenbereichen
Λ ist die Gate-Isolatorschlcht verdickt, um dort
einen .Spannungsdurchbruch auszuschließen. An die äußeren Teilflächenbereiche U schließt sich die Passivierungsschicht
/5 an, welche die größte Dicke von allen Schichten aufweist.
Die Fig. 3, welche ausschnittsweise In Aufsicht zwei
Speichertransistoren nach der Erfindung Innerhalb einer Speichermatrix zeigt, läßt erkennen, daß das Speichermedium
Gm neben den wirksamen Flächentellen der Gate-Elektrode G Flächentelle aufweist, die die wirksamen
Flächenteile der Gate-Elektroden G seitlich überragen.
Die FI g. 4 zeigt die Schnittansicht entlang der Schnittlinie
A-A der Fig. 3. Innerhalb der Projektion des wirksamen
Fläche..tells Fa der Gate-Elektrode G liegt ein bestimmter Flächenanteil Fa des Speichermediums Gm,
welcher Anteil in der F i g. 3 In der einen Richtung gestrichelt gezeichnet ist. Außerhalb der Projektion des wirksamen
Flächenteils Fa der Gate-Elektrode G auf das Speichermedium Gm liegt der den wirksamen Flächenteil
Fa seitlich überragende Flächenteil Fb, der In einer anderen
Richtung gestrichelt Ist.
Wählt man nun eine Dicke d, zwischen 10 und ?.O nrn
für die an den Halbleiterkörper angrenzende Tellschlcht /1 und eine Dicke d2 zwischen 20 und 50 nm für die an
die Gate-Elektrode G angrenzende Teilschicht I2 sowie
ein Flächen verhältnis zwischen 2 und 3 von FbIFa, so erhält man Speichertransistoren, die gegenüber
herkömmlichen MIlOS-Feldeffekttransistorstrukturen
eine größere Speicherzelt bei kurzer Programmlerzelt
aufweisen, wobei Programmlerspannungen zwischen 20 und 25 V erforderlich sind.
Bei der Speichermatrix, die ausschnittsweise In
Aufsicht In der Flg. 3 gezeigt Ist, werden spaltenweise
durchgehende Sourcezonen S und Dralnzpnen D In die
Haibileiteroberflächen durch Diffusion oder Ionenlmplantationen eingebracht und, wie auch die FI g. 1 veranschaulicht,
rechtwinklig dazu die Gate-Elektroden G als zusammenhängende Streifen auf die Passivierungsschicht
/5 aufgebracht, die abgestuft In die Gate-Isollerschlchten
U und I2 mit Λ übergeht. Das Aufbringen der
Speichermedien Gm erfolg nach dem Aufbringen der an
den Halbleiterkörper 1 aus Silicium angrenzenden TeIlschlchten Λ durch Aufdampfen oder Ausscheiden aus
der Gasphase.
Bei dem Speichertransistor des Ausführungsbelspiels erstreckt sich das Speichermedium Gm unter der Gate-Elektrode
G lediglich über einen mittleren Flächenbereich der Kanalzone zwischen der Sourcezone S und der
Drainzone D, wogegen die an die Sourcezone S und die Drainzone D angrenzenden Teile von einem einheitlichen
äußeren Gate-Isolierschichtteil U bedeckt sind. Dieser äußere Gate-Isollerschichtteil /4 erhält zur Verbesserung
des Durchschlagverhaltens vorzugsweise eine größere Dicke als der mittlere Gate-Isolierschlchtteil /, und
I2 mli dem eingebetteten Speichermedium Gm. Der
äußere Gate-Isolierschlchttell /4 kann beispielsweise eine
einheitliche Dicke im Bereich zwischen etwa 70 und 200 nm aufweisen.
Die an die Halbleiteroberfläche angrenzende Teilschicht
/, der Gate-Isolatorschlcht kann natürlich auch aus Teilschichten bestehen und muß nicht unbedingt aus
einem einheitlichen dielektrischen Material bestehen, sollte jedoch eine kleinere Dielektm !tätskonstante ε,
aufweisen, als die an die Gate-Elektrode H angrenzende Teilschicht I2. So kann beispielsweise die an die Halbleiteroberfläche
angrenzende Teilschicht /, der Gate-!solatorschlcht aus SlO2 und die an die Gate-Elektrode
angrenzende Tellschlcht I2 der Gate-Isolatorschlcht aus
SI3N*, AI2O3 oder aus Ta2O5 bestehen.
Vom Standpunkt der Herstellbarkelt Ist es natürlich
am einfachsten, sämtliche Teilschlchun Λ, I2, I3 und U
der Gate-Isolatorschicht aus einem chemisch einheitlichen Material, beispielsweise SiO2, SIjN4 oder Al2Oj
herzustellen. Das Abscheiden dieser Materlallen und das Herstellen von Strukturen daraus erfolgt In bekannter
Weise unter Anwendung photolithographischer Ätzprozesse.
Die bisher In der Praxis bekanntgewordenen nichtflüchtigen
Halbleiterspeicherzellen mit Speichertransistoren der hier beschriebenen Art weisen durchwegs eine
sogenannte »konventionelle Hysteiese« auf, bei welcher
eine negative Programmierspannung an der Gate-Elektrod."
eine positive Ladung Ins Speichermedium Gm treibt und damit die Schwellenspannung U0 In negativer
Richtung verändert und entsprechend umgekehrt in positiver Richtung bei positiver Programmlerspannung an die
Gate-Elektrode. Bei dieser konventionellen Hysterese
findet der Netto-Ladungstransport zwischen dem Speichermedium und der Slllclumoberfiäche der Kanalzone
statt.
Bei Speichertransistoren nach der Erfindung wird dies
In erster Linie dadurch erreicht, daß man die Feldstärke
in der inneren an G1Ie Slllciumoberfläche angrenzende
Tellschlcht /, größer macht als In der äußeren TellschlciU
/2, indem man für die beiden Teilschichten /; und /,
soiche Isolatormateriallen wählt, daß die an die Gate-Elektrode
G angrenzende Tellschlcht e'ne größere Dielektrizitätskonstante aufweist. In der Praxis wählt
man dazu Sl1N4 oder auch AI2O3 für die äußere Tellschlcht
I2 und SlO2 für die Innere Tellschlcht /,, so daß
die Innere Tellschl-ht eine Dielektrizitätskonstante von
BiIEo = 3,9 und die äußere Teilschicht I2 eine Dielektrizitätskonstante
von £2/ε0 ca. 6,8 bzw. 8,5 aufweisen.
Außerdem macht man die innere aus S'.C^ bestehende
Tellschlcht I, Im Interesse erhöhter Schreib- und Löschgeschwlndlgkelt
so dünn, daß direktes Tunneln möglich wird, was nachtelllgeuvelse aber auch zu erhöhtem Rücktunneln
und damit zu einer relativ schlechten Speicherdauer führt.
Die Flg. 2 zeigt das Ersatzschaltbild des Speichertransistors
nach der Erfindung, welches Grundlage der durch-
geführten Berechnung Ist. Das Speichermedium Gm Ist
zwischen die Gate-Elektrode G und das Substrat eingefügt und über eine Ersatzschaltbildkapazität C mit dem
Substrat I verbunden.
Der Speichertransistor nach der Erfindung 1st auch for
die komplementäre Hysterese geeignet, da die Parasltärkapazltät
des Speichermediums Gm neben der Gate-Elektrode G zu einer Anhebung der Feldstärke In der In die
Gate-Elektrode G angrenzende Tellschlcht I1 führt und
man diese Tellschlcht I1 so dünn machen kann, wie es
die angestrebte Speicherdauer gerade noch zuläßt. Dadurch werden hohe Feldstärken In der Tellschlcht I1
mit relativ kleinen Gate-Spannungen ermöglicht.
Die komplementäre Hysterese kann auch mit einem
Speichertransistor nach der Erfindung realisiert werden, dessen Gate-Isolatorschlcht In allen Teilschichten nur
aus einem einzigen Material, beispielsweise aus SlO2,
besteht. Die Umkehrung der bisher betrachteten Schichtenfolge, d. h. eine Tellschlcht /; aus SiU1 und eine Tellschlcht
I] aus Sl)N4 hat dann sogar noch bessere Eigenschäften
zur Folge.
Für das Speichermedium Gm sollte im Hinblick auf eine möglichst kleine Programmlerspannung eine kompakte
Schicht eines Materials mit kleiner Elektronenaustrittsarbeit verwendet werden. Geeignete Materialien sind
poly kristall Ines Silicium, Germanium, Alumlnlumarsenld,
Alumlnlumantlmonld oder Galliumarsenid, welche Halbleitermaterialien n*-dotlert werden. Geeignete
Metalle für die Schicht des Spelcheredlums Gm mit kleiner Elektronenaustrlttsarbelt sind Aluminium, Gold,
Titan, Magnesium, Tantal, Wolfram, Molybdän, Mangan oder Thallium.
Bei einem Speichertransistor für komplementäre Hysterese sollte auch die Gate-Elektrode G aus einer
kompakten Schicht des gleichen Materials bestehen, wie das Material des Speichermediums Gm.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
40
45
50
55
60
Claims (11)
1. Speichertransistor mit einem Halbleiterkörper aus Silicium, in dem eine Source- und eine Drain-Zone
angeordnet sind, mit einer Gate-Elektrode (G), mit einer zwischen einer Oberfläche des Halbleiterkörpers
und der Gate-Elektrode angeordneten Gate-Isolatorschicht,
die aus einer an die Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzenden Teilschicht Uo und einer an
die Gate-Elektrode angrenzenden Teilschicht (Z2)
besteht, und mit einem an der Grenzfläche der Teilschichten angeordneten Speichermedium (Gm), wobei
an die Gate-Elektrode (G) zum Einbringen bzw. Entnehmen einer Ladung in das bzw. aus dem Speichermedium
ein Schreibimpuls bzw. Löschimpuls zur Verschiebung der Schwellenspannung und zum Abtasten
der Größe der Schwellenspannung ein Leseimpuls angeltet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die an die Oberfläche des Haibleiterkörpers angrenzende Teilschicht Ui) eine Dicke zwischen 10
und 20 nm und die an die Gate-Elektrode (G) angrenzende
Teilschicht eine Dicke zwischen 20 und 50 nm aufweist, daß das Spelchermedium (Gm) aus einer
Schicht eines halbleitenden oder leitenden Materials besteht und daß die Schicht des Speichermediums
(Gm) die Projektion des wirksamen Flächenteils (Fa) der Gate-Elektrode (G) auf das Speichermedium (Gm)
seitlich so weit überragt, daß das Verhältnis des den wirksamen F'ächenteil (Fa) überragenden Flächenteils
(Fb) des Spelchermeriiums IGm) zum wirksamen
Flächentell (Fa) zwischen 2 und 3 liegt.
2. Speichertransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an aer Grenzfläche der
beiden Teiischichten (A, I1) angeordnete Speicherndedium
(Gm) unter der Gate-Elektrode (G) zwischen der Sourcezone (5) und der Drainzone (D) sich über einen
mittleren Flächenbereich der Kanalzone erstreckt, deren an die Source- und die Drainzone angrenzende
Teile von einem einheitlichen äußeren Gate-Isolatorschichtteil (/<) bedeckt sind.
3. Speichertransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den beiden Teilschichten
(/,, /j) bestehende Gate-Isolatorschichttell mit dem
eingebetteten Speichermedium (Gm) dünner ist als der äußere Gate-Isolatorschichttell (Λ).
4. Speichertransistor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Gate-Isolatorschichttell
(I4) eine einheitliche Dicke Im Bereich
zwischen etwa 70 und 200 nm aufweist. so
5. Speichertransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Halbleiteroberfläche
angrenzende Teilschicht (Λ) der Gate-Isolatorschicht aus einem einheitlichen dielektrischen
Material besteht.
6. Speichertransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Halbleiteroberfläche
angrenzende Teilschicht (/,) der Gate-Isolatorschlcht
eine kleinere Dielektrizitätskonstante aufweist als die
an die Gate-Elektrode angrenzende Teilschicht (/2).
7. Spelchertranslslor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Halbleiteroberfläche
angrenzende Tellschicht (I1) der Gate-Isolatorschlcht
aus SlO2 besteht, während die an die Gate-Elektrode
angrenzende Teilschicht Ui) der Gate-Isolatorschlcht aus SIjN4, Al2O1 oder aus Ta2O5 besteht.
8. Speichertransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche TeIlschlchten
Ui, Z2, /j und /4) der Gate-Isolatorschlcht aus
einem chemisch einheitlichen Material bestehen.
9. Speichertransistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das einheitliche Material aus
SiO2, Si3N4 oder Al2O3 besteht.
10. Speichertransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium
(Gm) aus einer kompakten Schicht eines Materials mit kleiner Elektronenaustrittsarbeit besteht.
11. Speichertransistor nach einem der Ansprüche 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spelchermedium (Gm) aus einem der folgenden Materialien
besteht:
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
DE2845328A DE2845328C2 (de) | 1978-10-18 | 1978-10-18 | Speichertransistor |
US06/080,869 US4295150A (en) | 1978-10-18 | 1979-10-01 | Storage transistor |
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FR7925432A FR2439480A1 (fr) | 1978-10-18 | 1979-10-12 | Transistor d'emmagasinage |
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