DE3316675A1

DE3316675A1 - Halbleiterspeichervorrichtung

Info

Publication number: DE3316675A1
Application number: DE19833316675
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Harima; Tsuyoshi Toyama; Makoto Itami Hyogo Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-05-07
Filing date: 1983-05-06
Publication date: 1983-11-10
Also published as: JPS58194368A

Description

Halbleiterspeichervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterspeichervorrichtung.
Feldeffekttransistoren, in denen durch Injizieren von Ladungen in die freischwebenden Gates, welche von einem isolierenden Film umgeben sind, Daten gehalten werden, werden als Speicherzellen einer Speicheranordnung, welche eine Halbleiterspeichervorrichtung bilden, verwendet. Derartige Feldeffekttransistoren sind allgemein unter der Bezeichnung FAMOS (Metalloxidhalbleiter mit freischwebenden Gate und Lawineninjektion) bekannt.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines typischen FAMOS.
Dieser enthält ein p-Halbleitersubstrat10tit einer Störstellendichte von 7x1 o14 cm ; einen n-Sourcebereich 11 und einen n-Drainbereich 12 mit Phosphorstörstellen und einer Störstellendichte von 101 cm 3, und ein freischwebendes Gate 13 und ein Steuergate 14 aus Polysilizium, die durch einen isolierenden Film 15 (Dicke unmittelbar unter dem freischwebenden Gate 13 von 500 bis 800 Å und zwischen dem freischwebenden Gate 13 und dem Steuergate 14 900 bis 1300 Å) derart formiert sind, daß sie sich über Source- und Drainbereich 11 bzw. 12 hinwegerstrecken.
Substrat 10 und Sourcebereich 11 werden auf Massepotential gehalten, während der Drainbereich 12 und die Steuerelektrode 14 eine hohe Spannung zugeführt bekommen, so daß nahe dem Drainbereich 12 ein Lawinendurchbruch erfolgt. Dadurch werden Elektronen in das freischwebende Gate 13 injiziert. Dies ändert den Schwellwert des FAMOS und stellt das Einschreiben einer Information in die Vorrichtung dar, wenn sie als Speicherelement verwendet wird.
Da das freischwebende Gate 13 von dem Isolierfilm 15 umgeben ist, werden die auf diese Weise injizierten Elektronen darin festgehalten. Die gespeicherte Information kann auf folgende Weise gelöscht werden. Es wird den im freischwebenden Gate 13 festgehaltenen Elektronen Energie durch ultraviolette Strahlen zugeführt, so daß die Elektronen vom freischwebenden Gate 13 wieder abwandern und der alte Schwellwert wieder-hergestellt ist.
Befindet sich der FAMOS im Einschreibzustand, so kann die Zahl der in das freischwebende Gate injizierten Elektronen durch folgende einfache Rechnung erhalten werden.
Man nimmt an, daß das Potential des Steuergates 14, das Potential des Sourcebereichs 11 und des Drainbereichs durch VcG, V5 bzw. VD zu bezeichnen sind, das Potential des freischwebenden Gates 13 VFG ist, die Kapazität zwischen Steuergate 14 und freischwebendem Gate C2 die Kapazität zwischen freischwebendem Gate 13 und Drainbereich 12 C3, die Summe der Kapazitäten zwischen dem freischwebenden Gate 13 und dem Substrat 10 C1 und die Summe der Ladungen auf dem freischwebenden Gate 13 Q sind. Dann gilt folgende Gleichung: cl FG#Vs)+C2(V -V )+C (V D - 0 = 0 (1) (V FG CG 3 FG D Sind VCG = 7,5 V und VD = 1 V, so ist VFG etwa 0,6 V.
Es wird angenommen, daß in diesem Fall ein Kanal zwischen Source 11 und Drain 12 gebildet wird. Mit folgenden Werten für C1 C2 und C3 C2 = 256,2 x 10 1 F C3 = 8,88 x 10 1 F C1 = 102,9 x 10 6F erhält man aus der Gleichung (1) die Ladung Q = 7,4 C2 + 0,4 C3 - 0,6 C1 = 1837,692 x 10-16 (Coulombs).
Da die Ladung eines Elektrons 1,602 x 10 Coulombs beträgt, ergibt sich die Zahl der Ladungsträger N zu: N = 1837,692 x 10-16 /1,602 x 10-19 = 1,15 x 106.
Ein freischwebendes Gate speichert also etwa 1 150 000 Elementarladungen. So lange diese Ladungen festgehalten werden, ist die Kanalbildung zwischen Source 11 und Drain 12 verhältnismäßig schwer. Es kann also dazwischen kein Kanal gebildet werden, wenn an das Steuergerät 14 nicht eine Spannung von wenigstens 7,5 V angelegt wird.
Die im freischwebenden Gate 13 gespeicherten Ladungen können aus verschiedenen Gründen verloren gehen. Auch werden.bewegliche Ionen von zu der Elektronenladung entgegengesetzter Polarität durch die Elektronen im freischwebenden Gate 13 angezogen. Diese Ionen, die in dem beschriebenen Beispiel positiv sind, werden nahe dem freischwebenden Gate 13 gespeichert, so daß der Effekt der Elektronen auf dem freischwebenden Gate 13 aufgehoben wird.
Dieser Mechanismus, der beim Stand der Technik auftritt, wird weiter anhand der Fig. 2 beschrieben, die eine Schnittdarstellung nach der Linie II-II in Fig. 1 ist.
Wenn von anderen Elementen irgendwo im FAMOS (z.B. im Halbleitersubstrat 10 oder in dem isolierenden Film 16) bewegliche Ionen vorhanden sind, werden diese durch das elektrische Feld, das durch die Elektronen im freischwebenden Gate 13 hervorgerufen wird, in Bewegung gesetzt, so daß sie sich nahe dem freischwebenden Gate ansammeln. Die so gespeicherten Ladungen heben die Wirkung der im freischwebenden Gate enthaltenen Elektronen auf.
Obgleich also die Zahl der im freischwebenden Gate 13 enthaltenen Ladungen nicht vermindert worden ist, ist das Ergebnis so, als wären die Elektronen abgewandert, so daß die gespeicherten Daten verloren sind. Diese Erscheinung kann in einer Halbleiterspeichervorrichtung, in der sich eine Gruppe von Speichertransistoren befindet, in der FAMOS-Elemente in Matrixform angeordnet sind, nicht vernachlässigt werden.
Fig. 3 zeigt das Beispiel eines Blockschaltbildes einer Speichervorrichtung mit FAMOS-Elementen. Es gelten folgende Bezeichnungen: Adressenpuffer 17, Adressendekodierer 18, Dateneingangs/ausgangsschaltung 20 und Programmsteuerschaltung 21, Speicheranordnung 19, in der FAMOS-Elemente gemäß Fig. 2 in Matrixform angeordnet sind, wobei jedes FAMOS-Element eine Speicherzelle darstellt, eine Adresseneingangsklemme A, eine Dateneingangsklemme B und eine Programmsteuerklemme C. Eine solche Halbleiterspeichervorrichtung kann mit hoher Genauigkeit gefertigt werden, weil die Speicherfertigungs technik neuerdings wesentlich verbessert worden ist, so daß die Speicherkapazität erheblich vergrößert werden konnte, die Zahl von Transistoren pro Speicheranordnung in Fig. 3 also beträchtlich gesteigert wurde. Damit ist aber auch die Zahl an in der Speicheranordnung nach dem Einschreiben gespeicherten Elektronen wenn eine 64K-Bit-Speicheranordnung die oben beschriebenen Speichertransistoren verwendet, beträgt die Zahl von Elektronen 1 150 000 x 64 000 = 7,3 x 10 . Damit wird die Anziehungskraft auf freibewegliche Ionen von anderen Elementen recht groß, was zur Folge hat, daß die Zahl von Elektronen augenscheinlich so stark vermindert wird, daß die Daten nicht gehalten werden. Dieses Ergebnis ist'eine sehr ernstzunehmende Schwierigkeit, wenn die Speicherkapazität vergrößert wird.
In Anbetracht der obigen Darlegungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterspeichervorrichtung zu schaffen, bei der eine Störstellenschicht von derselben elektrischen Leitfähigkeit, welche auch die Störstellen besitzen, die den Source- und Drainbereich eines FAMOS bilden, formiert wird, eine Gruppe von Speichertrans#storen, bei der FAMOS-Elemente in Matrixform angeordnet sind, umgeben, wodurch die Verschiebung mobiler Elektronen von anderen Elementen verhindert und damit die Datenspeicherzeit vergrößert und letztlich die Zuverlässigkeit der Speicheranordnung verbessert wird.
Die Zeichnung zeigt im einzelnen in: Fig. 1 eine-Schnittansicht eines herkömmlichen FAMOS; Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 das Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Halbleiterspeichervorrichtung; Fig. 4 ein Erläuterungsschaubild, das die Gestaltung einer Halbleiterspeichervorrichtung in einer Aus- führungsform gemäß der Erfindung wiedergibt; Fig. 5 einen Schnitt, der die wesentlichen Teile der Vorrichtung in Fig. 4 zeigt; Fig, 6 die Abhängigkeit zwischen Speichertransistor-Schwellspannung und Speicherdauer.
Fig. 4 zeigt die räumliche Gestaltung eines integrierten Schaltungschips, der durch Formieren einer Speichervorrichtung gemäß Fig. 3 auf einem Halbleitersubstrat 10 entsteht. In Fig. 4 sind die Adressenspeicher 17, die Adressendekodierer 18, eine Dateneingabe/ausgabeschaltung 20 und eine Programmsteuerschaltung 21 zu sehen, die auf ein und demselben Halbleitersubstrat 10 gebildet sind, während mit 19 eine Speicheranordnung aus einer Gruppe von Transistoren bezeichnet ist, in der eine Vielzahl von FAMOS-Elementen, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, in Matrixform angeordnet sind. Eine Diffusionsschicht von Störstellen 22 derselben Leitfähigkeit wie die Störstellen, die für die Bildung der Source- und Drain-Bereiche der FAMOS-Elemente verwendet wurden, umgibt die Speicheranordnung 19 vollständig.
Fig. 5 zeigt das FAMOS-Element, das am äußersten Rand der Speicheranordnung 19 eine Speicherzelle bildet. (Die Einzelheiten des FAMOS sind gleich wie diejenigen in Fig. 1 oder 2.) In der Fig. 5 ist um die Matrix der FAMOS-Elemente und zwischen den isolierenden Filmen 16 und 16 eine Störstellenschicht 22 angeordnet, die eine Dichte von 1016 cm-3 Phosphorstörstellen hat und eine Breite von 4 bis 5 um und eine Diffusionstiefe von 0,5 um besitzt.
Die Schicht 22 wird gleichzeitig mit dem Sourcebereich 11 und dem Drainbereich 12 formiert.
In der Halbleiterspeichervorrichtung mit diesem Aufbau werden bewegliche Ionen (in diesem Fall positive Ionen), die sich außerhalb der Speicheranordnung 19 (in Fig. 5 auf der rechten Seite) befinden, durch das elektrische Feld, das durch die Elektronen im freischwebenden Gate 13 erzeugt wird, zum FAMOS (in Fig. 5 nach links) hin bewegt. Die beweglichen Ionen werden jedoch von den freischwebenden Gates durch die Störstellenschicht 22 abgehalten. Vermutlich beruht diese Erscheinung darauf, daß die Feldwirkung der Elektronen in dem freischwebenden Gate 13 des FAMOS nach rechts durch die Störstellenschicht 22 geschwächt wird. Die Störstellen in der Schicht 22 sind in dem beschriebenen Beispiel Phosphoratome, so daß die Ionen eine Abfangwirkung haben. Die Störstellen der Schicht 22 können auch aus Arsen (As) gebildet sein.
Die in Fig. 4 gezeigte Speichervorrichtung und eine ohne Störstellenschicht 22 wurden untersucht. Bewegliche Ionen wurden dabei von außen an die Speicheranordnung 22 herangeführt, und es wurde die Speichertransistor-Schwellspannung gegenüber der Speicherdauer (in Stunden) gemessen . Die Fig. 6 zeigt die Ergebnisse, wobei die Gerade (a) sich auf die erfindungsgemäße Anordnung und die gekrüm.mte Linie (b) sich auf eine herkömmliche Anordnung beziehen. Daraus geht hervor, daß die Speichertransistor-Schwellspannung (proportional zur Anzahl der Elektronen auf deni freischwebenden Gate 13) bei einer herkömmlichen Anordnung nach 100 h steil abfällt und bei etwa 200 h den Wert 0 V annimmt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung dagegen vermindert sich die Speichertransistor-Schwellspannung auch nach 500 h und mehr nur geringfügig.
Die Erfindung wurde an einem Beispiel beschrieben, bei dem als Speicherzellen n-Kanal-FAMOS-Elemente verwendet werden. Dieselbe Wirkung wird jedoch auch bei p-Kanal-FAMOS-Elementen erhalten, sofern Störstellenschichten an- gebracht werden, die dieselbe elektrische Leitfähigkeit wie die Source- und Drainbereiche haben.
Bei der Halbleiterspeichervorrichtung mit einer Gruppe von Transistoren, in der FAMOS-Elemente in Matrixform angeordnet sind, ist also gemäß der Erfindung eine Störstellens.chicht derselben elektrischen Leitfähigkeit wie die Source- und Drainbereiche der FAMOS-Elemente um die Gruppe der Speichertransistoren herum formiert.
Diese Störstellenschicht vermindert bedeutend die negative Auswirkung, die bewegliche Ionen auf die Ladungsspeicherzeit der FAMOS-Elemente, die den Speicher bilden, haben. Es läßt sich somit auf einfache Weise eine Halbleiterspeichervorrichtung mit FAMOS-Transistoren mit großer Kapazität und hoher Zuverlässigkeit erzeugen.
Leerseite

Claims

Halbleiterspeichervorrichtung Patentansprüche 1. Halbleiterspeichervorrichtung, in der in Matrixform eine Gruppe von n-Kanalfeldeffektspeichertransistoren angeordnet ist, die jeweils einen Source- und einen Drain-Bereich aufweisen, welche auf der Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats formiert sind, während zwischen Source- und Drain-Bereich ein freischwebendes Gate durch einen Isolierfilm hindurch und durch diesen Isolierfilm über das freischwebende Gate ein Steuergate formiert sind, wobei zum Speichern von Daten das freischwebende Gate Ladungen festhält, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptober fläche des Halbleitersubstrats (10) eine Störstellenschicht (22) derselben elektrischen Leitfähigkeit wie zur Bildung von Source- und Drain-Bereich (11,12) verwendet, ausgebildet ist, die die Gruppe von Speichertransistoren (19) umgibt.
2. Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t,daß die Source- und Drain-Bereiche (11,12) sowie die Störstellenschicht (22) n-Leitfähigkeit haben.
3. Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenschicht (22) so angeordnet ist, daß- sie sich in Erhöhung der Speicherhaltedauer der Speichertransistoren auswirkt.
4. Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Störstellenatome Phosphor sind.
5. Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Störstellenatome Arsen sind.
6. Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Sourcebereiche, Drainbereiche und Störstellenschicht p-Leitfähigkeit haben.