DE4020007A1

DE4020007A1 - Nichtfluechtiger speicher

Info

Publication number: DE4020007A1
Application number: DE4020007A
Authority: DE
Inventors: Takashi Morie
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-06-22
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1991-01-10
Anticipated expiration: 2010-06-22
Also published as: US5111430A; DE4020007C2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch löschbaren nichtflüchtigen Speicher.

In den vergangenen Jahren wurde versucht, eine Erkennungseinrichtung mit praktischer Funktion wie der Mustererkennung nach dem Modell eines Nervennetzwerks eines lebenden Körpers herzustellen. Wenn man eine solche Ein- oder Vorrichtung durch einen augenblicklich hoch-integrierten SiLSI realisieren würde, ließe sich ein außerordentlicher Vorteil erzielen. In diesem Fall muß ein Element entwickelt werden, das die gleiche Funktion wie die einer Synapse hat, die ein Koppel- oder Verbindungsteil zwischen Neuronen ist. Diese Funktion beinhaltet bzw. speichert eine analoge Koppelungsstärke oder -wirksamkeit und kann diese durch einen Lernvorgang steigern/mindern. Obwohl ein elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (im folgenden kurz "EEPROM") als bevorzugter Anwärter für ein solches Element betrachtet wird, hat ein solches EEPROM die folgenden Nachteile:

Solche EEPROM's, wie sie derzeit hauptsächlich verwendet werden, werden in solche des Schwebeelektroden-Typs, wie in Fig. 10 gezeigt, und in solche des MNOS (Metall-Nitrid- Oxid-Halbleiter)Typs, wie in Fig. 11 gezeigt, unterteilt. In Fig. 10 und 11 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Steuerelektrode; 2 eine schwebende (anschlußfreie) Elektrode; 3 eine Tunnelisolierschicht; 4 eine Sourcezone; 5 eine Drainzone; 6 einen Aluminiumdraht(-leiter); 7 ein Si-Substrat; 8 ein Gate; 9 eine Oxidschicht; 10 eine Nitridschicht; und T1 einen Stromquellenanschluß. Ein Informationsschreibvorgang wird durch Injektion einer elektrischen Ladung in die schwebende Elektrode bzw. eine Haftstelle in der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und der Nitridschicht mittels eines Tunnelstroms durch die Isolierschicht oder durch Kanalinjektion von energiereichen Elektroden realisiert.

Bei einem jede der vorstehenden Strukturen aufweisenden Element hängt die Ladungsinjektionsrate maßgeblich von einer Potentialdifferenz zwischen den Seiten der Ladungsträgerinjektion und der Speicherung ab. Deshalb wird es, wenn das Potential des Ladungsspeicheranteils bei Speicherung einer elektrischen Ladung sich ändert, schwierig, die elektrische Ladung fortlaufend linear zu speichern. Dieses Phänomen soll nachstehend unter Annahme eines Falles beschrieben werden, bei dem eine elektrische Ladung in eine schwebende Elektrode als Beispiel durch einen Tunneleffekt injiziert wird.

Fig. 12 zeigt eine typische Strom-Spannung-Kennlinie, wie sie in einer Siliziumoxidschicht (Stärke=100 Å=0,1 nm, Bereich=250×250 µm) durch einen Tunneleffekt erzielt wird. Wenn der Strom klein ist, wird der Tunnelstrom in bezug auf die angelegte Spannung exponentiell erhöht. Bei einem allgemeinen EEPROM (s. Fig. 10) wird die Spannung an der über der schwebenden Elektrode 2 gebildeten Steuerelektrode 1 angelegt und wirkt durch kapazitive Kopplung auf die Tunnel-Isolierschicht 3. Durch dieses elektrische Feld werden Elektronen von dem Substrat 7 in die schwebende Elektrode 2 durch den Tunneleffekt injiziert. Wenn die Elektronen in der schwebenden Elektrode 2 gespeichert sind, wird die an die Tunnelisolierschicht 3 angelegte Spannung reduziert. In der Folge wird entsprechend der in Fig. 12 gezeigten Kennlinie der Tunnelstrom exponentiell vermindert. Aus diesem Grunde ändert sich, wenn bei einer konstanten Spannung die Schreiboperation ausgeführt wird, das Potential der schwebenden Elektrode im wesentlichen logarithmisch in bezug auf die Zeit, wie in Fig. 13 gezeigt. In Fig. 13 zeigt die Ordinate den Änderungsbetrag des Schwellenwerts eines MOS-Transistors an, der die schwebende Elektrode 2 als Gate hat, d, h. einen der in der schwebenden Elektrode 2 gespeicherten Ladungsmenge proportionalen Betrag.

Aus dem vorgenannten Grund ist es schwierig, in einen herkömmlichen EEPROM Analoginformation zu schreiben, d. h. es kann darin lediglich Digitalinformation, 1 oder 0 (geschrieben oder nicht-geschrieben) darstellend, gespeichert werden.

Um in einem herkömmlichen EEPROM Analoginformation zu speichern, muß ein Schreibspannungswert, der eine Ladungsmenge injizieren kann, die einem zu schreibenden Analogbetrag(-wert) entspricht, durch einen externen Computer errechnet und angelegt werden; mit anderen Worten muß für eine LSI eine außerordentlich aufwendige und komplizierte Steuerung extern durchgeführt werden. Ein entsprechender Bericht findet sich z. B. bei M. Holler, S. Tam, H. Castro und R. Benson "An Electrically Trainable Artificial Neural Network (ETANN) mit 10240 "Floating Gate Synapses", (International Joint Conference on Neural Network), 1989, Artikel-Band 2, Seite 191.

Zusammenfassung der Erfindung

Daher ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, einen nichtflüchtigen Speicher zu schaffen, der leicht und einfach analoge Information speichern kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen nichtflüchtigen Speicher zu schaffen, bei dem das Verhältnis zwischen Schreib-/Löschzeit und einer gespeicherten Ladungsmenge im wesentlichen bei einer konstanten Schreib-/Löschspannung linear ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen nichtflüchtigen Speicher zu schaffen, der eine höhere Dichte und eine höhere Wirksamkeit als herkömmliche nichtflüchtige Speicher hat.

Zur Erreichung der vorstehenden Ziele der Erfindung ist deshalb ein nichtflüchtiger Speicher vorgesehen, der eine Ladungsträgerinjektionselektrode zur Erzeugung energiereicher/aktiver Ladungsträger mittels eines Tunneleffekts, eine Steuerelektrode, die auf der Ladungsträgerinjektionselektrode gebildet ist und die Tunnelspannung einstellt, und eine über eine Isolierschicht auf der Steuerelektrode gebildete schwebende (potentialfreie, anschlußfreie, erdfreie) Elektrode umfaßt, wobei die durch die Ladungsträgerinjektionselektrode erzeugten energiereichen Träger über eine Energiebarriere der Isolierschicht in die schwebende Elektrode injiziert werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und Ausführungsformen oder -möglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele hervor. Es zeigt

Fig. 1A eine Draufsicht auf die Anordnung einer ersten Ausführungsform eines nichtflüchtigen Speichers nach der Erfindung,

Fig. 1B eine schematische Schnittansicht entlang der Schnittlinie IB-IB′ der Fig. 1A;

Fig. 1C eine schematische Schnittansicht entlang der Linie IC-IC′ der Fig. 1A;

Fig. 2A-2C Energieband-Diagramme zur Erläuterung der ersten Ausführungsform;

Fig. 2D eine graphische Darstellung für das Verhältnis zwischen der Schreibzeit und dem Schwellenwert-Änderungsbetrag eines Transistors mit einer schwebenden Elektrode, deren Gate bei Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem EEPROM erzielt wird;

Fig. 3A in schematischer Draufsicht eine zweite Ausführungsform eines nichtflüchtigen Speichers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3B eine schematische Schnittansicht entlang der Linie IIIB-IIIB′ der Fig. 3A;

Fig. 3C eine schematische Schnittansicht entlang der Linie IIIC-IIIC′ der Fig. 3A;

Fig. 3D eine schematische Ansicht einer Modifizierung der zweiten Ausführungsform;

Fig. 4A-4C Energieband-Diagramme zur Erläuterung der zweiten Ausführungsform;

Fig. 5A und 5B graphische Darstellungen, die jeweils experimentelle Daten zur Darstellung der Wirksamkeit der zweiten Ausführungsform zeigen;

Fig. 6A eine schematische Draufsicht der dritten Ausführungsform eines nichtflüchtigen Speichers nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6B eine schematische Schnittansicht entlang der Linie VIA-VIA′ in Fig. 6A;

Fig. 6C eine schematische Schnittansicht entlang der Linie VIB-VIB′ in Fig. 6B;

Fig. 7A und 7B Energieband-Diagramme zur Erläuterung des Betriebs der dritten Ausführungsform;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform eines nichtflüchtigen Speichers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9A und 9B Energieband-Diagramme zur Erläuterung des Betriebs der vierten Ausführungsform;

Fig. 10 und Fig. 11 schematische Schnittansichten typischer herkömmlicher nichtflüchtiger Speicher;

Fig. 12 eine graphische Darstellung einer typischen Tunnel-Kennlinie bei einer Silizium-Oxid-Schicht;

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schreibzeit und dem Schwellenwertänderungsbetrag eines Transistors, der eine schwebende Elektrode als Gate in einem EEPROM aufweist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein durch die Erfindung offenbarter nichtflüchtiger Speicher ist ein solcher des Schwebeelektrodentyps und dadurch gekennzeichnet, daß eine sehr dünne Steuerelektrode zum Einstellen einer Tunnelspannung zwischen einer Ladungsträgerinjektionselektrode und einer Schwebeelektrode gebildet ist. Das Betriebsprinzip dieses Speichers wird im folgenden beschrieben.

Träger (Elektronen oder Löcher), die von der Ladungsträgerinjektionselektrode zu der Steuerelektrode mittels eines durch einen Potentialunterschied zwischen der Ladungsträgerinjektionselektrode und der Steuerelektrode begründeten Tunneleffekt injiziert werden, werden in die Steuerelektrode in einem aktiven (energiereichen) Zustand injiziert. Da die Steuerelektrode sehr dünn ist, passieren diese Träger die Steuerelektrode unter Aufrechterhaltung ihres aktiven Zustandes. Die Ladungsträger überspringen eine Energiebarriere einer zwischen der Steuerelektrode und der schwebenden Elektrode gebildeten Isolierschicht und erreichen die Schwebeelektrode.

Auf der Basis obigen Prinzips können entweder eine positive oder eine negative Ladung in der Schwebeelektrode gespeichert werden. Ein Potentialunterschied für einen Tunnel wird durch den Potentialunterschied zwischen der Ladungsträgerinjektionselektrode und der Steuerelektrode bestimmt und nicht durch das Potential der schwebenden Elektrode beeinflußt. Deshalb hängt die Ladungsinjektionsrate nicht von der gespeicherten Ladungsmenge ab. Deshalb kann, da die gespeicherte Ladungsmenge im wesentlichen proportional der Schreibzeit ist, Analoginformation leicht gespeichert werden.

Bei einem herkömmlichen Aufbau ist die an die Tunnelisolierschicht angelegte Spannung eine kapazitive Partialspannung der Spannung zwischen der Ladungsinjektionselektrode und der Steuerelektrode, da die Steuerelektrode über einer schwebenden Elektrode gebildet ist. Da diese Spannung von einer gespeicherten Ladungsmenge abhängt, wird die Ladungsspeicherrate bei Erhöhung der gespeicherten Ladungsmenge exponentiell reduziert.

Eine entsprechend dem Prinzip der vorliegenden Erfindung angeordnete Ausführungsform unter Verwendung von SiLSI Herstellungstechniken wird im folgenden beschrieben. Diese Ausführungsform kann gleichermaßen unter Verwendung eines Verbindungshalbleiters wie GaAs angeordnet werden.

Fig. 1A-1C zeigen den Aufbau der ersten Ausführungsform eines nichtflüchtigen Speichers gemäß der Erfindung, und Fig. 2A-2C sind Energieband-Diagramme, die bei einer Schreib-Betriebsart oder dergleichen erzielt werden. Aufbau und Betriebsprinzip der ersten Ausführungsform werden im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1A-1C und 2A-2C beschrieben.

Da bei dieser Ausführungsform ein Anreicherungs-PMOS- Transistor als Lesetransistor 11 verwendet wird, kann dieser Speicher als Analogspeicher nur verwendet werden, während die Gate-Spannung negativ ist. Deshalb wird der Zustand, bei dem in einer schwebenden Elektrode 2 insgesamt eine positive elektrische Ladung gespeichert ist, nicht weiter betrachtet. Es ist zu bemerken, daß der Lesetransistor 11 ein Depletion-Transistor-Typ oder ein NMOS sein kann. Mit anderen Worten kann irgendein Transistor als Lesetransistor 11 verwendet werden, solange er eine Potentialänderung in der schwebenden Elektrode 2 feststellen kann. Die Art der in der schwebenden Elektrode 2 zu speichernden elektrischen Ladung unterscheidet sich entsprechend der Anordnung des Lesetransistors 11.

Anders als bei einem Digitalspeicher sind bei einem Analogspeicher die Ausdrücke "Schreib-Betriebsart" und "Lösch-Betriebsart" unbefriedigend. Durch Injizieren von Elektronen in die schwebende Elektrode 2 kann bei dieser Ausführungsform das Potential der schwebenden Elektrode reduziert werden, und der Kanalwiderstand des Lesetransistors 11 kann verringert werden. Im Gegensatz kann durch Injizieren von Löchern das Potential der schwebenden Elektrode 2 erhöht und der Kanalwiderstand gesteigert werden. In diesem Fall nennt man die erstgenannte Betriebsart eine "Negativ-Schreibbetriebsart" und die letztere eine "Positiv-Schreibbetriebsart".

Außerdem wird bei dieser Ausführungsform eine auf einem Si-Substrat gebildete Diffusionsschicht als Ladungsinjektionselektrode verwendet, und es werden in Anbetracht der Symmetrie des Tunneleffekts bei positiven und negativen Schreibbetriebsarten Diffusionsschichten sowohl des p als auch n-Leitfähigkeit-Typs verwendet. Theoretisch kann jedoch die Ladungsinjektionselektrode eine Diffusionsschicht eines Leitfähigkeitstyps oder ein der auf einem Substrat gebildeten Steuerelektrode ähnliches Metall sein.

Der Aufbau dieser Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1A bis 1C beschrieben. Als Material einer Steuerelektrode 1 und der schwebenden Elektrode 2 kann jedes Material verwendet werden, solange es eine Leitfähigkeit aufweist. Materialbeispiele sind dotiertes Polysilizium, Aluminium, Gold, Molybdän und Wolfram. Die Stärke der Steuerelektrode 1 gehört auf ein Maß so klein wie möglich verringert, d. h. auf ungefähr 100 Å (=10 nm), um ein Streuen/eine Absorption energiereicher Ladungsträger zu minimieren. Die Stärke der schwebenden Elektrode 2 wird auf 1000 Å (100 nm) oder mehr gesetzt, um zu vermeiden, daß injizierte Ladungsträger hindurchtreten können.

Als (dünne) Tunnel-Isolierschicht 3 und Isolierschicht 12 zwischen den Steuer- und schwebenden Elektroden 1 und 2 werden Siliziumoxidschichten verwendet. Der Unterschied in der Arbeits- bzw. Betriebsfunktion zwischen den oben aufgeführten Steuerelektrodenmaterialien und der Siliziumoxidschicht beträgt ungefähr 3 bis 4 eV. Wenn deshalb die maximale Potentialänderung, die in der schwebenden Elektrode 2 durch eine in der schwebenden Elektrode gespeicherte elektrische Ladung verursacht wird, 3 V beträgt, so ist die unmittelbar nach dem Tunneln auftretende erforderliche Ladungsträgerenergie von der Seite der schwebenden Elektrode 2 her mindestens 7 eV. Bei diesem Energieunterschied beträgt die Stärke der dünnen Oxidschicht, die ohne Verursachung eines dielektrischen Durchbruchs das Fließen eines ausreichenden Tunnelstroms ermöglicht, ungefähr 80 Å (8 nm). In diesem Fall ist der Tunnelstrom vom Fowler-Nordheim-Typ, und die Ladungsträger erreichen ein Leitungsband der Oxidschicht durch den Tunneleffekt und werden darin beschleunigt.

Die Stärke der Isolierschicht 12 wird wie folgt bestimmt. Bei einem Schreib-Betrieb treten energiereiche Ladungsträger durch das Leitungsband der Isolierschicht 12 und werden durch Phononen gestreut, wodurch sie ihre Energie verlieren. Um diesen Energieverlust zu minimieren, wird die Stärke der Isolierschicht vorzugsweise so verringert, daß sie so dünn wie möglich ist. Die Isolierschicht 12 muß jedoch eine Stärke aufweisen, die es verhindert, daß die in der schwebenden Elektrode 2 gespeicherte elektrische Ladung hindurchtreten und die Seite der Steuerelektrode 1 durch den Tunneleffekt während eines Warte- oder eines Lesezustandes erreichen kann. Wenn, wie oben beschrieben, der Maximalwert der Potentialänderung in der schwebenden Elektrode 2 3 V beträgt, so ist die Stärke der Isolierschicht 12 ungefähr 70 Å (7 nm).

Ladungsträgerinjektionselektroden 13 und 14 sind diffundierte Schichten, die eine Störstellenkonzentration von ungefähr 10²⁰ cm^-3 oder mehr haben.

In Fig. 1A bezeichnet das Bezugssymbol WB einen Graben mit guter Trennwirkung, während WL eine n-Senke angibt. Fig. 1B ist ein Schnitt entlang IB-IB′ der Fig. 1A, und Fig. 1C ist ein Schnitt entlang IC-IC′ der Fig. 1A.

Der Betrieb der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2A, 2B und 2C beschrieben. Fig. 2A zeigt ein Energieband-Diagramm, das man erhält, wenn in der schwebenden Elektrode 2 keine Ladung gespeichert ist und keine Schreibvorspannung angelegt wird. In diesem Fall ist der Kontaktpotentialunterschied zwischen den Elektrodenmaterialien vernachlässigbar, da er keine Bedeutung hat, d. h. nicht groß genug ist. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß die Ladungsträgerinjektionselektroden 13 und 14 normal auf das 0-Potential eingestellt sind. In Fig. 2A bis 2C entsprechen Bezugszeichen 2a der schwebenden Elektrode (metallisch) 2, 12a der Isolierschicht 12, 1a der Steuerelektrode (metallisch) 1; 3a der dünnen Tunnelisolierschicht 3; und 13a der Ladungsträgerinjektionselektroden, (n⁺ Si) 13. Außerdem zeigen die Längsrichtung die Energiehöhe und der schraffierte Bereich den Energiebereich an, in dem Elektronen vorhanden sind.

Fig. 2B zeigt einen negativen Schreibzustand. Bei dem negativen Schreibbetrieb wird eine positive Vorspannung (7 V oder mehr) der Steuerelektrode 1 angelegt, um von der Ladungsträgerinjektionselektrode 13, wie durch den Pfeil AR1 angedeutet, Elektronen zu injizieren. Selbst wenn das Potential der schwebenden Elektrode 2 verringert wird, wenn die Elektronen gespeichert sind, können die Elektronen unabhängig von dem Potential der schwebenden Elektrode 2 injiziert werden, solange wie die Energieverteilung der auf der Isolierschicht 12 vorhandenen Elektronen viel höher als die Energiebarriere der Isolierschicht 12 ist.

Fig. 2C zeigt einen positiven Schreibzustand. Bei dem positiven Schreibzustand wird eine negative Vorspannung (z. B. -4 V oder mehr) der Steuerelektrode 1 angelegt, um Löcher von der Ladungsträgerinjektionselektrode (p⁺ Si) 14, wie durch den Pfeil AR2 angedeutet, zu injizieren. Da, wie oben beschrieben, das Potential der schwebenden Elektrode 2 normalerweise bei diesem Aufbau niedriger als das der Steuerelektrode 1 ist, braucht die den Löchern zugeführte Energie nur den Arbeitsfunktionsunterschied (ungefähr 4 eV) oder mehr zwischen der Steuerelektrode 1 und der Isolierschicht 12 auszumachen.

Fig. 2D zeigt eine Darstellung zu der Beziehung zwischen der Schreibzeit und der Schwellwert-Spannung eines Transistors, der die schwebende Elektrode als sein Gate hat, was erreicht wird, wenn die vorliegende Erfindung auf ein EEPROM angewendet wird. Bei der Anordnung der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 2D gezeigt ist, kann, da der Tunnelpotentialunterschied durch den Potentialunterschied zwischen der Ladungsträgerinjektionselektrode und der Steuerelektrode bestimmt wird, die elektrische Ladung in der schwebenden Elektrode im Verhältnis zur Injektionszeit gespeichert werden.

Anders als bei herkömmlichen Techniken wird als Verfahren der Anlegung einer Spannung an die Tunnelisolierschicht ein Verfahren der kapazitiven Kopplung nicht angewendet. Deshalb kann, da die Kapazität jedes Abschnitts bzw. Bereiches nicht beschränkt ist, der Zellenbereich im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen verringert werden. Weiterhin kann man, da die Kapazität der schwebenden Elektrode verringert werden kann, durch einen geringen Ladungswert eine ausreichende Spannungsänderung erreichen.

Bei der oben angegebenen ersten Ausführungsform wird das Potential der schwebenden Elektrode 2 niedriger als das der Steuerelektrode 1 gehalten, und zwar durch eine elektrische Ladung, die in der schwebenden Elektrode 2 gespeichert ist, und die Ladungsträger fließen über die Energiebarriere der Isolierschicht 12. Deshalb müssen die Ladungsträger eine Energie einer Höhe haben, die der Potentialverminderung in der schwebenden Elektrode 2 entspricht. Aus diesem Grunde wird, wenn die (dünne) Tunnelisolierschicht aus einer Siliziumoxidschicht gebildet wird, diese Schichtstärke begrenzt, und der Tunnelstrom wird zu dem eines Fowler-Nordheim-Typs. In diesem Fall verbreiten sich die Ladungsträger über einen langen Zeitabschnitt durch das Leitungsband der Isolierschicht, was zu einem hohen Energieverlust führt. Außerdem werden Ladungsträger mit höherer Energie gestreut und viel stärker absorbiert, und im ganzen wird die Menge der Elektronen, die die schwebende Elektrode 2 erreichen, reduziert. Deshalb soll unter Bezugnahme auf Fig. 3A, 3B und 3C bei der nachfolgend vorgestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Anordnung offenbart werden, die diese Nachteile beseitigt und es ermöglicht, eine willkürliche Ladungsmenge in der schwebenden Elektrode 2 zu speichern, ohne dabei die Ladungsträger eine überschüssige Energie aufweisen zu lassen.

Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform gleiche Teile, und eine zweite Steuerelektrode (die im folgenden als "Hilfssteuerelektrode" bezeichnet wird) 16 wird auf einer schwebenden Elektrode 2 über eine Isolierschicht 15 zusätzlich zu dem Aufbau der ersten Ausführungsform (Fig. 3B) gebildet. Deshalb ist der Aufbau der zweiten Ausführungsform im Vergleich mit der der ersten Ausführungsform kompliziert, aber es können die folgenden Vorteile erreicht werden.

Das Material der Hilfssteuerelektrode 16 ist das gleiche wie das der Steuerelektrode 1 oder der schwebenden Elektrode 2. Da die Hilfssteuerelektrode 16 erforderlich ist, um nur die Potentialeinstellung auszuführen, ist ihre Schichtstärke nicht besonders beschränkt, und sie beträgt beispielsweise 1000 Å (100 nm). Ähnlich den Isolierschichten 3 und 12 ist das Material der Isolierschicht 15 Siliziumoxid. Die Schichtstärke der Isolierschicht 15 ist im wesentlichen die gleiche wie die der Isolierschicht 12, d. h. 70 Å (7 nm).

Bei negativem Schreibbetrieb wird eine positive Vorspannung, die tiefer/niedriger als die der Steuerelektrode 1 angelegte Vorspannung ist, an die Hilfssteuerelektrode 16 angelegt, so daß das Potential der schwebenden Elektrode 2 höher als das der Steuerelektrode 1 ist, und zwar selbst dann, während Elektronen in der schwebenden Elektrode 2 (Fig. 4B) gespeichert sind. In der Folge kann eine Erhöhung der Energiebarriere der Isolierschicht 12, die verursacht wird, wenn das Potential der schwebenden Elektrode 2 durch Speichern von Elektronen erniedrigt wird, verhindert werden. Deshalb braucht die Energie der Elektronen nur dem Betriebfunktionsunterschied (ungefähr 4 eV oder mehr) zwischen der schwebenden Elektrode 2 und der Steuerelektrode 1 zu sein. Dieses hängt nicht von der Ladungsmenge, die in der schwebenden Elektrode 2 gespeichert ist, ab. Es ist darauf hinzuweisen, daß in Fig. 4A bis 4C die Bezugssymbole 15a der Isolierschicht 15 und 16a der Hilfssteuerelektrode (metallisch) 16 entsprechen und im übrigen gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 2A bis 2C gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen.

Da die durch die Elektronen erforderliche Energie kleiner als bei dem ersten Ausführungsbeispiel sein kann, wird ein weiterer Vorteil erreicht. Mit anderen Worten kann die Stärke der dünnen Tunnelisolierschicht 3 klein gehalten werden, da die an die schwebende Elektrode 2 anzulegende Spannung nur ungefähr 4 V oder mehr zu sein braucht. Deshalb kann als nicht durch das Leitungsband der Oxidschicht hindurchgehender Tunnelmechanismus vorteilhaft eine Oxidschicht in einem Bereich nahe einem direkten Tunnel verwendet werden. Da Elektronen nur über einen kurzen Weg in dem Leitungsband fließen, werden Energieverluste reduziert. In dem Fall, in dem dotiertes Polysilizium als Gatematerial verwendet wird, sind die Bedingungen zur Erzielung eines Direkttunnels eine dünne Oxidschicht-Stärke von 40 Å (4 nm) oder weniger und ein angelegtes elektrisches Feld von 10 MV/cm oder weniger. Da unter diesen Bedingungen jedoch die Stromdichte niedrig bei ungefähr 10^-6 A/cm² ist, muß der Tunnelbereich vergrößert werden, um eine Schreiboperation bei hoher Geschwindigkeit ausführen zu können. Bei der zweiten Ausführungsform wird die Schichtstärke der dünnen Tunneloxidschicht 3 auf 50 Å (5 nm) eingestellt. Außerdem ist das Verhältnis von gestreuten/absorbierten Elektronen klein, da die Energie der Elektronen, die bei Hindurchtreten von aktivierten Ladungsträgern durch die Steuerelektrode erreicht wird, kleiner als die im ersten Ausführungsbeispiel ist. Deshalb wird im Verhältnis zu der ersten Ausführungsform das Verhältnis bzw. die Menge der die schwebende Elektrode 2 erreichenden Elektronen vorteilhaft erhöht.

Bei positivem Schreibbetrieb wird an die Steuerelektrode eine negative Vorspannung (z. B. -4 V oder mehr) angelegt, um von der Ladungsträgerinjektionselektrode (p⁺-Elektrode) 14 Löcher zu injizieren. Dabei wird an die Hilfssteuerelektrode 16 eine negative Vorspannung, die niedriger als die an die Steuerelektrode 1 angelegte Vorspannung ist, angelegt, so daß das Potential der schwebenden Elektrode 2 niedriger als das der Steuerelektrode 1 gehalten wird, selbst dann, während Löcher in der schwebenden Elektrode 2 gespeichert sind. Da jedoch normalerweise eine negative Schreiboperation ausgeführt wird, um das Potential der schwebenden Elektrode zu erniedrigen, braucht als Steuerpotential nur die gleiche Vorspannung an die Hilfssteuerelektrode 16 (Fig. 4C) angelegt zu werden.

Weiterhin kann die Ladungshalte-Kennlinie verbessert werden, da die Schichtstärke der Isolierschicht 12 nicht besonders beschränkt ist, sondern auf 100 Å (10 nm) oder mehr gesteigert werden kann. Dieses ist einer der maßgeblichen Vorteile dieser Ausführungsform, während bei einem herkömmlichen Schwebeelektroden-Typ EEPROM die Halte-Kennlinie nicht verbessert werden kann, da die Stärke der Tunnelisolierschicht zur Realisierung einer niedrigen Schreibspannung herabgesetzt wird bzw. werden muß.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Hilfssteuerelektrode 16, da sie nur mit der schwebenden Elektrode 2 kapazitiv- gekoppelt werden muß, nicht auf der gesamten Oberfläche der schwebenden Elektrode ausgebildet zu werden braucht, wie dies in Fig. 3A bis 3C gezeigt ist. Wie beispielsweise in der schematischen Ansicht der Fig. 3D gezeigt, wird die Hilfssteuerelektrode 16 auf einem Abschnitt der schwebenden Elektrode 2 in einer Position, die von der der unter der schwebenden Elektrode 2 angeordneten Steuerelektrode 1 verschoben ist, ausgebildet. Außerdem kann die Hilfssteuerelektrode durch Verwendung kapazitiver Koppelung des Lesetransistors 11 weggelassen werden. Ähnlich wie Fig. 2A zeigt Fig. 4A einen Energiebandspalt, der einen Initialzustand ohne Vorspannung oder elektrische Ladung andeutet.

Im folgenden werden die Ergebnisse eines Versuchs be schrieben, der zur Demonstration der Wirksamkeit des zweiten Ausführungsbeispiels durchgeführt worden ist. Bei diesem Versuch wurde an der schwebenden Elektrode ein Anschluß befestigt, um einen Strom zu prüfen, der in die schwebende Elektrode fließt, während die Spannung der schwebenden Elektrode verändert wurde. Da diese Elektrode keine "schwebende (anschlußfreie)" Elektrode mehr ist, wird sie in der folgenden Beschreibung als Meßelektrode (Prüfelektrode) bezeichnet. Die Schichtstärke der dünnen Tunnelisolierschicht betrug 75 Å (7,5 nm), und der Tunnelbereich 1,1 µm². Als Steuerelektrode wurde eine phosphor-dotierte Polysiliziumschicht mit einer Stärke von 130 Å (13 nm) und einer Störstellenkonzentra tion von ungefähr 5×10¹⁹ cm^-3 verwendet. Als Meßelektrode wurde die gleiche phosphor-dotierte Polysiliziumschicht mit einer Stärke von 1500 Å (150 nm) verwendet. Als Isolierschicht (entsprechend der Isolierschicht 12) zwischen den Steuer- und Meßelektroden wurde eine Si-Oxidschicht von 150 Å (15 nm) Stärke verwendet. Fig. 5A und 5B zeigen das Verhältnis zwischen dem Potential der Meßelektrode und dem durch die Steuer- und die Meßelektrode fließenden Strom. In Fig. 5A und 5B ist die Spannung der Steuerelektrode auf 0 V eingestellt. In Fig. 5B beginnt, wenn eine Spannung von ungefähr -11,3 V an die Ladungsträgerinjektionselektrode angelegt wird, der Meßelektrodenstrom zu fließen, wenn die Spannung der Meßelektrode 0,7 V übersteigt, und wird um nur 15% oder weniger erhöht, wenn die Meßelektrodenspannung von 1 V auf 3 V erhöht wird. Im Vergleich zu der Tatsache, daß der Strom bei einem herkömmlichen EEPROM-Aufbau exponen tiell erhöht wird, zeigt dieses Ergebnis an, daß der Meß elektrodenstrom fast überhaupt nicht abhängig von der Meßelektrodenspannung ist. Mit anderen Worten ist so die Wirksamkeit der zweiten Ausführungsform dargelegt und dargestellt.

Es sei darauf hingewiesen, daß fast überhaupt kein Meß elektrodenstrom fließt, wenn die Meßelektrodenspannung 0,7 V oder weniger beträgt. Der Grund für dieses Phäno men wird wie folgt angenommen: Da die Verunreinigungskon zentration des als Steuerelektrode verwendeten Polysili ziums nicht ausreichend hoch ist, wird die dünne Steuer elektrode durch eine hohe angelegte Spannung entleert bzw. verarmt, und die Spannung der Steuerelektrode wird nicht bei 0 V gehalten. Wenn die Meßelektrodenspannung gesteigert wird und 0,7 V übersteigt, wird durch die Spannung der Meßelektrode eine Verarmung der Steuerelek trode ausgelöst, und die Spannung der Steuerelektrode wird fixiert. Im Ergebnis fließt der Meßelektrodenstrom abrupt. Diese Annahme erläutert genau und richtig die Kennlinien (Fig. 5A) des Steuerelektrodenstroms. Wenn die Spannung der Steuerelektrode genau fixiert ist, so muß der Steuerelektrodenstrom konstant unabhängig von der Meßelektrodenspannung aufrechterhalten werden. Des halb wird von Fig. 5B das Prinzip, daß ein Strom fließt, während die Spannung der Meßelektrode niedriger als die der Steuerelektrode ist, wie dies im ersten Ausführungs beispiel beschrieben worden ist, nicht widerlegt.

Die dritte Ausführungsform ist eine praktischere Anord nung der zweiten Ausführungsform, und zwar erhält man sie unter Verwendung eines Polysilizium-Gateverfahrens als herkömmliche EEPROM-Herstellungstechnik. Dieses dritte Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezug nahme auf Fig. 6A, 6B, 6C, 7A und 7B beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform werden zwei Paare Ladungsträ gerinjektionselektroden und eine Steuerelektrode mit un terschiedlichen Leitfähigkeitseigenschaften (n-Elektroden 17 und 18 und p-Elektroden 19 und 20) entsprechend positiven und negativen Schreiboperationen vorbereitet. Eine in einem Siliziumsubstrat ausgebildete, eindiffun dierte Schicht wird als Ladungsträgerinjektionselektrode verwendet, während dotiertes Polysilizium als Steuerelek trode Verwendung findet. Weiterhin werden eine dünne Tun nelisolierschicht 3 und eine Isolierschicht 12 (Silizium oxidschicht), zwischen einer schwebenden Elektrode 2 und den Steuerelektroden 18 und 20 ausgebildet, verwendet.

Ein Lesetransistor 11 zum Ermitteln der in der schweben den Elektrode 2 gespeicherten Ladungsmenge umfaßt ein Gate 21. Dieses Gate löst das Problem des Lesetransi stor-Typs, wie er am Anfang der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist. Mit anderen Worten wird ähnlich einer herkömmlichen Anordnung die in der schwebenden Elektrode gespeicherte Ladungsmenge als Schwellenwertver änderung in dem Lesetransistor ermittelt. Deshalb ent spricht das Gate 21 einer Steuerelektrode eines konven tionellen EEPROM. Nach der vorliegenden Erfindung arbei tet das Gate 21 ebenfalls als im zweiten Ausführungsbei spiel beschriebene Hilfssteuerelektrode. Die Stärke der Gateisolierschicht 22 muß viel höher als die der dünnen Tunnelisolierschicht 3 sein, um zu vermeiden, daß eine elektrische Ladung aus diesem Teil in die schwebende Elektrode bei einem Schreibbetrieb injiziert wird. Bei spielsweise beträgt die Stärke der Gate-Isolierschicht 22 120 Å (12 nm) oder mehr.

Fig. 7A zeigt ein Energieband-Diagramm, erhalten bei ne gativem Schreibbetrieb. Da das Gate 21 mit der schweben den Elektrode 2 kapazitiv gekoppelt ist, wird bei negati vem Schreibbetrieb an das Gate 21 eine positive Vorspan nung angelegt, die niedriger als eine an die Steuerelektrode 18 angelegte Vorspannung ist, so daß die Spannung der schwebenden Elektrode 2 höher als die der Steuerelektrode 18 gehalten wird, selbst wenn in der schwebenden Elektrode 2 Elektronen gespeichert sind.

Fig. 7B wird ein bei positivem Schreibbetrieb erhalte nes Energieband-Diagramm. In ähnlicher Weise wird eine geeignete Vorspannung an das Gate 21 angelegt, um die Spannung der schwebenden Elektrode 2 niedriger als die der Steuerelektrode 20 zu halten, selbst wenn in der schwebenden Elektrode 2 Löcher gespeichert werden.

Der Grund dafür, daß Elektrodenpaare mit unterschiedli chem Leitfähigkeitstyp in Übereinstimmung mit den positi ven und negativen Schreibarten erforderlich sind, wird nachfolgend beschrieben. Erstens ist ein n-Halbleiter für die Ladungsträgerinjektionselektrode bei negativem Schreibbetrieb und ein p-Halbleiter dafür bei positiven Schreibbetrieb im Verhältnis zur Stromzuführung geeig net. Zweitens fließen, wenn an eine Steuerelektrode 18 (n⁺-Polysilizium) als Steuerelektrode zum Injizieren von Löchern in die Steuerelektrodenseite eine negative Vor spannung angelegt wird, Elektronen gleichzeitig von der Steuerelektrode 18 zu der Ladungsträgerinjektionselektro de. Da aufgrund dieses Stroms kein höheres bzw. stärke res elektrisches Feld an die dünne Tunnelisolierschicht 3 angelegt werden kann, wird es schwierig, aktive (ener giereiche) Löcher zu injizieren. Dieses ist das gleiche wie im umgekehrten Fall.

Bei jeder der ersten bis dritten Ausführungsformen wird das Tunneln zwischen der Ladungsträgerinjektionselektrode und der Steuerelektrode durch die Isolierschicht 3 hin durch ausgeführt. Bei der vierten, in Fig. 8, 9A und 9B gezeigten Ausführungsform hingegen werden Ladungsträger injektionselektroden 13 (p⁺⁺) und 14 (n⁺⁺) und eine Steu erelektrode 1 (n⁺⁺ und p⁺⁺) aus hochkonzentrierten dif fundierten Schichten entgegengesetzter Leitfähigkeitsty pen gebildet, während Ladungsträger durch Zwischen band-Tunneln, erhalten durch eine scharfe Bandkrümmung bei einem p-n-Übergang unter einer Sperrvorspannung, in jiziert werden.

Wie oben beschrieben, umfaßt die vorliegende Erfindung eine Ladungsträgerinjektionselektrode zur Erzeugung akti ver/energiereicher (hot) Ladungsträger durch einen Tun neleffekt, eine zwischen der Ladungsträgerinjektionselek trode und der schwebenden Elektrode ausgebildete Steuer elektrode zum Einstellen der Tunnelspannung und eine zwi schen den Steuer- und schwebenden Elektroden gebildete Isolierschicht. Da aktive Ladungsträger über eine Ener giebarriere der Isolierschicht, die die schwebende Elek trode bedeckt, in die schwebende Elektrode injiziert werden, wird der Spannungsunterschied für einen Tunnel durch die Spannungsdifferenz zwischen den Ladungsträger injektions- und Steuerelektroden bestimmt, ohne daß sie durch die Spannung der schwebenden Elektrode beeinflußt wird. Deshalb wird, wenn die Steuerelektrode sehr dünn ist, der Tunnelstrom nicht durch eine in der schwebenden Elektrode gespeicherte elektrische Ladung vermindert. So kann eine elektrische Ladung in der schwebenden Elektrode im Verhältnis zu bzw. in Abhängigkeit von der Injek tionszeit gespeichert werden, und der Schwellenwert eines Transistors, der die schwebende Elektrode als sein Gate aufweist, kann im Verhältnis zu bzw. in Abhängig keit von der Injektionszeit geändert werden. Demzufolge wird ein nichtflüchtiger Speicher erhalten, der leicht einen Analogwert speichern kann.

Wenn, wie im zweiten Ausführungsbeispiel, eine Hilfssteu erelektrode auf der schwebenden Elektrode über die Iso lierschicht gebildet wird, kann die schwebende Elektrode mit einer Isolierschicht bedeckt werden, die eine größe re Stärke als die einer EEPROM-Zelle vom herkömmlichen Schwebeelektronentyp hat. Deshalb kann man ein EEPROM mit hervorragenden Halteeigenschaften für die elektri sche Ladung erzielen.

Bei einem herkömmlichen EEPROM wird der kapazitive Quo tient einer Kapazität zwischen einer Ladungsträgerinjek tionselektrode und einer schwebenden Elektrode und einer Kapazität zwischen der schwebenden Elektrode und der Steuerelektrode verwendet, um eine Spannung an eine dünne Tunnelisolierschicht anzulegen, die zwischen der Ladungsträgerinjektionselektrode und der schwebenden Elektrode gebildet ist. Deshalb muß, um wirksam eine an die Steuerelektrode angelegte Schreibspannung für die dünne Tunnelisolierschicht zu verwenden, das Verhältnis der Kapazität zwischen den Ladungsträgerinjektions- und Schwebeelektroden zu der zwischen schwebenden und Steu elektroden minimiert werden. Eine Verringerung bei der erstgenannten Kapazität ist jedoch beschränkt, und es ist nicht vorteilhaft, die Stärke der Isolierschicht zwi schen den schwebenden Steuerelektroden zu verringern, um die letztgenannte Kapazität zu erhöhen, da die Ladungs haltecharakteristik dadurch verschlechtert wird. Deshalb wird es schwierig, den Zellenbereich zu verringern, da der Überschneidungsbereich zwischen den schwebenden und Steuerelektroden maximiert werden muß. Da bei der Erfin dung das Verfahren kapazitiver Koppelung nicht angewen det wird, ist die Kapazität jedes Teils bzw. Bereichs nicht beschränkt. Deshalb kann der Zellenbereich leicht und einfach verringert werden. Außerdem kann, da die Ka pazität der schwebenden Elektrode verringert werden kann, eine ausreichende Schwellenspannungsänderung des Lesetransistors bei geringer Ladungsmenge effektiv er zielt werden.

Deshalb kann man gemäß der vorliegenden Erfindung, die die obigen Vorteile aufweist, einen Speicher hoher Dichte und hoher Leistungsfähigkeit erzielen, der geeig net ist, in einfacher Weise Analoginformation nichtflüch tig zu speichern. Mit anderen Worten kann ohne Verwen dung irgendeiner komplizierten externen Steuerschaltung ein Schreibspannungsimpuls mit vorbestimmten Spannungs wert verwendet werden, um Information proportional zur Zahl der Impulse in einem Speicher nichtflüchtig zu spei chern, während eine hohe Haltecharakteristik aufrechter halten wird. Wenn der Speicher auf einen nach dem Modell eines Neural-Netzwerks gebildeten LSI angewendet wird, kann ein LSI analoger Neural-Netzwerk-Typ hoher Dichte und Leistungsfähigkeit angeordnet und verwendet werden, um beispielsweise einen Apparat sehr hoher Leistungsfä higkeit zur Muster- oder Spracherkennung herzustellen.

Claims

1. Nichtflüchtiger Speicher umfassend
eine Ladungsträgerinjektionselektrode zur Erzeu gung energiereicher/aktiver Ladungsträger mittels eines Tunneleffekts;
eine auf der Ladungsträgerinjektionselektrode ge bildete Steuerelektrode zum Einstellen der Tunnel spannung; und
eine schwebende Elektrode, die auf der Steuerelektrode über eine erste Isolierschicht gebildet ist,
wobei die durch die Ladungsträgerinjektionselektrode erzeugten energiereichen Ladungsträger über eine Energiebarriere der ersten Isolierschicht in die schwebende Elektrode injiziert werden.

2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß eine zweite Isolier schicht zur Erzeugung eines Tunnelphänomens zwischen der die Tunnelspannung einstellenden Steuerelektrode und der Ladungsträgerinjektionselektrode gebildet ist.

3. Speicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Tunnelphänomens ein p-n-Übergang zwischen der die Tunnelspannung einstellenden Steuerelektrode und der Ladungsträgerinjektionselektrode gebildet ist.

4. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die schwebende Elektrode stärker als die Steuerelektrode ausgebildet wird, um den Durchgang injizierter La dungsträger zu vermeiden.

5. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die erste Isolierschicht eine solche Stärke aufweist, daß eine in der schwebenden Elektrode gespeicherte bzw. vorhandene elektrische Ladung daran gehindert wird, bei einer Bereitschafts- oder Lesebetriebsart zu der Steuerelektrode zu fließen.

6. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerinjektionselektrode auf einem Halblei tersubstrat ausgebildet ist.

7. Speicher nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ladungsträgerin jektionselektrode aus einem n-Halbleiter besteht.

8. Speicher nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ladungsträgerin jektionselektrode aus einem p-Halbleiter besteht.

9. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerinjektionselektrode verschiedene ener giereiche Ladungsträger erzeugt.

10. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß er eine über der schwebenden Elektrode ausgebildete Hilfssteuerelektrode derart umfaßt, daß sie mit der schwebenden Elektrode kapazitiv gekoppelt ist.

11. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß er eine weitere Ladungsträgerinjektionselektrode zur Er zeugung von energiereichen Ladungsträgern unter schiedlichen Typs gegenüber den durch die (erste) Ladungsträgerinjektionselektrode erzeugten; und eine weitere auf der vorgenannten weiteren La dungsträgerinjektionselektrode gebildete Steuerelektrode umfaßt,
wobei energiereiche Ladungsträger verschiedener Typen in die schwebende Elektrode injiziert werden.

12. Nichtflüchtiger Speicher umfassend
erste und zweite Ladungsträgerinjektionselektroden zur Erzeugung unterschiedlicher Typen von ener giereichen Ladungsträgern/Ladungsträgern hoher Trä gerbeweglichkeit mittels Tunneleffekt;
erste und zweite, auf den Ladungsträgerinjektions elektroden gebildete Steuerelektroden zum Einstellen der Tunnelspannung; und
eine auf den Steuerelektroden über eine erste Iso lierschicht gebildete schwebende Elektrode,
wobei durch eine der Ladungsträgerinjektionselektroden erzeugte energiereiche Ladungsträger über eine Energiebarriere der ersten Isolierschicht in die schwebende Elektrode injiziert werden.