Brevet FR2006554A1 — publié le 19691226

La présente invention a pour objet un dispositif semiconducteur et plus particulièrement une structure de mémoire du type MIS (métal - isolant - semiconducteur) et un procédé de fabrication correspondant. 5 les dispositifs semiconducteurs sont peu utilisés à l'heure actuelle dans les mémoires à grande capacité de calculateurs numériques. Ceci est dû. essentiellement au fait que l'on ne sait pas emmagasiner pendant longtemps une information dans un unique élément semiconducteur. Cet emmagasinage s'effectue à 10 l'aide de circuits combinés, par exemple en utilisant des transistors connectés en basculeurs. Cette utilisation est peu intéressante parce qu'elle demande plusieurs éléments par chiffre binaire et» par suite, elle augmente trop les dimensions et le prix même de circuits intégrés* Bn outre, la puissance d*alimenta-15 tion doit être constamment appliquée pour conserver l'information enregistrée dans un tel circuit qui est donc de nature "volatile", cette information disparaissant en l'absence de cette puissance. On a proposé d'utiliser l'emmagasinage de charges électriques dans des couches diélectriques sur des surfaces semiconduc-20 trices pour enregistrer une information • Un tel système utilisant la migration d'ions positifs dans du bioxyde de silicium est décrit dans l'article de Mac Connel du "IEEE Journal of Solid State Circuits", Vol. SC-1, pp. 94 à 99, Décembre 1966, intitulé "MOS adaptive memory elements as weights in an adaptive pattern clas-25 sifier? la pellicule de charges ioniques peut s'établir en chauffant à environ 100°C ou plus tout en appliquant un champ de polarisation modéré avec une polarité appropriée à l'isolant, la chaleur nécessaire pour élever la température de la structure jusqu'au point oîi la migration des ions est suffisamment rapide peut être 30 fournie par le chauffage résistant local du silicium. 0e procédé est cependant peu efficace du fait que les éléments voisins sont perturbés et l'isolement thermique des éléments augmente trop le prix du système. Un autre type de modification de charges dans un isolant 35 qui a été envisagé utilise la production de charges à l'intérieur d'un isolant par l'action d'un rayonnement ionisant. Un tel système est décrit dans l'article de Szedon de la Revue "Applied Physics ietters", Vol. 6, pp. 181 et 182, Mai 1965, intitulé : "Effect of 69 12219 2 2006554 Low Energy electron irradiation of Môs structures" et dans l'article de Speth de la même Revue, Vol. 7, pp. 145 et 146, Septembre 1965, intitulé ï "Effects of low energy electron irradiation on Si-insulated gâte PET1s". L'utilisation de cet effet 5 dans une mémoire nécessite des dispositifs compliqués ayant une - configuration permettant une irradiation individuelle. Par suite* la migration des ions et l'irradiation sont des effets peu intéressants dans une aémoire, parce qu'ils nécessitent une localisation de l'énergie extérieure pour effectuer 1'emmaga-10 sinage de charges souhaité. La localisation de l'énergie dans un élément unique pour l'enregistrement d'une information est difficile à réaliser. En outre, les mécanismes d'emmagasinage de charges à l'aide de migration de charges ou d'irradiation n'ont pas d'hystérésis, ce qui rend difficile la protection de l'information enre-15 gistrée dans le cas de bruit ou de coupure de la puissance d*alimentation. Un dispositif à effet de champ utilisant des charges en déplacement permanent et commutable dans un matériau ferro-électrique a été proposé par exemple dans le brevet américain 1T° 2 791 760 20 du 7 mai 1967. Des inconvénients de ce dispositif en ce qui concerne . sa faible vitesse et ses perturbations irréversibles ont cependant été signalés dans l'article de Rahng de la Revue "The Bell System Technical Journal'-1, Juillet-Août 1967, pp. 1288 à 1295, intitulé : MA floating gâte and its application to memory devices". Ce dernier 25 article décrit également un autre système de mémoire utilisant une électrode de commande flottante dans une structure MIS avec un isolant classique. L'électrode flottante est chargée'par l'émission d'un champ contrôlé provenant d'une électrode de commande extérieure. La durée de l'enregistrement de l'information est limitée 30 à la période de relaxation du diélectrique, qui est d'environ 10 heures au plus pour des isolants organiques. Les "buis de l'invention consistent à. supprimer les inconvénients indiqués ci-dessus en mettant en oeuvre un élément de mémoire à l'état solide, compatible avec la technologie des cir-35 cuits intégrés à semiconducteurs, qui peut fonctionner à l'aide d'énergie localisée, même quand il forme des réseaux importants, ne demandant pas d'excitation thermique et présentant des propriétés de mémorisation de longue durée (par exemple plusieurs 69 12219 3 2006554 mois) nais pouvant être modifia es rapidement (par exemple en moins de 100 nanosecondes). Oes buts étant présents à l1 .-'.esprit, l'invention réside dans mie structure de mémoire à l'état solide comprenant un bloc 5 semiconducteur, une électrode, et un diélectrique disposé entre cette électrode et ce bloc, ce diélectrique comportant un cycle d'hystérésis reproductible de la charge totale en fonction de la tension «VMS électrode - semiconducteur, ledit bloc semiconducteur comportant un élément de circuit semiconducteur commandé par un 10 potentiel de surface répondant à une variation du niveau de charge total du diélectrique. L'état de la charge de l'isolant qui indique l'information enregistrée peut être lu par un dispositif de réponse à une charge du bloc semiconducteur, tel qu'un courant de canal d'un transistor MIS, le gain de courant d'un transistor bi-15 polaire, ou la tension de coupure d'une jonction p-n. Un procédé préféré permettant de mettre en oeuvre une structure de mémoire à l'état solide comprend un bloc semiconducteur, une électrode et un diélectrique disposé entre cette électrode et ce bloc et présentant un cycle d'hystérésis reproductible 20 de la charge totale en fonction de la tension électrode-semiconducteur Vjjg, ce bloc semiconducteur incorporant un élément de circuit semiconducteur commandé par un potentiel de surface et répondant à une variation du niveau de charge totale du diélectrique, ce cycle d'hystérésis étant caractérisé par une première par-25 tie de courbe indiquât une charge totale assez importante à un premiçr niveau dans le diélectriaue quand Y..„ augmente jusqu'à premier " MS un/niveau de tension V, une deuxième partie de la courbe c d'hystérésis montrant une charge totale augmentant sensiblement linéairement jusqu'à un deuxième niveau de charge totale en aug-30 mentant au delà de VQ jusqu'à un deuxième niveau de tension "V"mS (max) au-dessous du niveau de la tension de coupure du diélectrique, une troisième partie de la courbe indiquant une charge totale sensiblement constante pour ledit deuxième niveau de charge, Vjjg diminuant de la valeur jusqu'à un troisième 35 niveau de tension V . dénotant une charge totale diminuant sensiblement linéairement . ,dit jusqu'à peu près au/premier niveau de charge quand diminue encore depuis la valeur V , jusqu'à un quatrième niveau de tension v 69 12219 4 2006554 ^MS (min) 7c" ffia*s encoro supérieur au niveau de la tension de coupure inverse du diélectrique» ce procédé comportant l'enregistrement d'une information par une variation de la charge totale du diélectrique depuis le premier ou le deuxième niveau 5 de charge jusqu'à un autre niveau de charge en soumettant ce diélectrique à une tension variable tms qui passe d'un niveau de tension initiale jusqu'au niveau V, puis ou bien jus qu'au niveau VQt et VHg sans cependant dépasser VMg ou Yjyjg (min), en allant vers ledit niveau de tension initiale. 10 Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le bloc semiconducteur est en silicium, et le diélectrique comporte une première couche, contigUe au silicium, de bioxyde de silicium et une couche suivante de nitrure de silicium contigue à l'électrode qui peut fonctionner comme une électrode de commande* Quand 15 vuae telle structure est commandée par un potentiel de polarisation appliqué entre le métal et le semiconducteur suivant une gamme de valeurs positives et négatives, avec des valeurs maximales comprises entre 15 et 80 volts dans chaque sens à la température ambiante, la charge totale dans la couche isolante, indiquée par 20 exemple par la tension de la bande plate de la structure qui est la tension métal - semiconducteur nécessaire pour supprimer l'effet de la charge de l'isolant et pour fournir une valeur nulle de la composante du champ électrique normale à la surface du semiconducteur, présente une caractéristique unique. Cette caractéristique 25 a une première partie comportant une charge de l'isolant totale sensiblement constante pour une polarisation V^, croissant dans le sens positif jusqu'à line valeur critique Vc, de 7wa, une deuxième partie d'une charge totale augmentant sensiblement linéairement avec au-dessus de V ,, jusqu'à une valeur maximale 30 arbitraire de VMS au-dessous de la tension de coupure de la couche isolante, une troisième partie d'une charge de l'isolant totale sensiblement constante pour une valeur VMS' moins positive et plus négative comparée à la valeur maximale de 7M 69 12219 5 2006554 la structure indiquée ci-dessus permet un fonctionnement d'un élément de mémoire renfermant une information d * emmagasinage en faisant varier la charge totale dans l'isolant en alimentant le potentiel de polarisation entre le métal et le semiconducteur 5 positivement ou négativement à partir d'un premier potentiel de polarisation jusqu'à une deuxième valeur en passant par une tension critique positive ou négative pour laquelle se produit une variation de la charge totale. la modification de l'information s'effectue en faisant varier le potentiel de polarisation en sens 10 inverse dans une gamme de valeurs algébriques analogue à celle appliquée dans la phase d'emmagasinage. Suivant une fome préférée» les deux valeurs du potentiel entre lesquelles l'enregistrement • d'une charge et la modification ou l'élimination de la charge se produisent sont toutes les deux égales à zéro, bien que générale-15 ment elles puissent avoir une valeur quelconque inférieure aux valeurs critiques positives et négatives de la structure. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés sur lesquels : - la £Lg. 1 est une vue coupée d'un mode de réalisation 20 d'un dispositif MIS selon l'invention» les éléments de circuits étant représentés sohématiquement ; - les fig. 2, 3 et 4 sont des courbes montrant les valeurs mesurées de la tension de bande plate de structures selon l'invention en fonction du potentiel de polarisation entre le 25 métal et le semiconducteur j - la fig. 5 est une courbe montrant les valeurs calculées de la variation de la tension de bande plate par rapport au potentiel de polarisation métal - semiconducteur pour des structures analogues à celles des fig. 3 et 4 ; 30 - les fig. 6, 7 et 8 sont des schémas permettant d'expli quer le mécanisme de fonctionnement de dispositifs selon l'in?-vention. la fig. 1 représente une structure MIS renfermant un bloc 10 d'un matériau semiconducteur ayant une face 11. Une couche 35 isolante 12 se trouve sur la face 11. Une couche 14 constituant une électrode se trouve sur la couche isolante 12 à l'opposé du bloc semiconducteur 10. Une source de potentiel de polarisation 16 est connectée entre la coucha 14 et le semiconducteur 10. 69 12219 6 2006554 Cette source 16 peut être rendue variable dans une gamme de valeurs positives et négatives en sorte que, du fait des propriétés de l'isolant 12, une variation de la source de polarisation induit dans l'isolant 12 un cycle d'hystérésis cylique de la charge iso-5 lante totale en fonction de la tension métal - semiconducteur. A l'intérieur du bloc semiconducteur 10 se trouve un dispositif répondant électriquement à des variations de la charge de l'isolant. Dans cet exemple, ce dispositif comprend les éléments d'un transistor MIS à effet de chaupo ayant des zÔnes de 10 source et de drain 18 et 20, de types opposés de conductibilité, ainsi que la plus grande partie du bloc. 10. les zÔnes 18 et 20 délimitent une zone de canal 22 dont la conductibilité est modulée suivant les variations de la charge de l'isolant qui la recouvre» Dans ce but, les zones de source et de drain 18 et 20 sont connec-15 tées aux bornes d'un ou de plusieurs éléments de circuits 24 qui renferme un dispositif permettant de faire passer un courant dans le canal 22 ainsi qu'un dispositif d'utilisation ou indicateur répondant à l'état de la modulation du courant du canal, ou bien indiquant cet état. 20 Le bloc semiconducteur 10 peut être en un matériau connu quelconque, et il peut avoir un type de conductibilité quelconque. Ce bloc semiconducteur 10, particulièrement sur la face 11, doit permettre l'injection de porteurs dans l'isolant 12, par exemple par un mécanisme tunnel décrit ci-après. Dans un mode de fabrica-25 tion d'un tel dispositif semiconducteur, le bloc semiconducteur peut être en silicium quand il est utilisé dans la fabrication de dispositifs semiconducteurs et de circuits intégrés- la couche d'isolement 12 recouvre au moins la partie de la face 11 située entre les zônes de source et de drain 18 et 20. 30 le matériau constituant la couche isolante 12 est choisi de façon à présenter certaines propriétés électriques qui seront indiquées plus en détail ci-après. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, la couche isolante 12 peut renfermer une première partie 12A conti-35 g"fiïe à la face 11 en bioxyde de silicium et une deuxième partie 12B de nitrure de silicium. On se référera à l'article de Chu, Szedon et lee de la Revue "Solid State Electronics", Vfcl. 10, pp. 897 à 905, 1967 et à la demande de brevet américain 69 12219 7 2006554 H° 616 695 du 16 février 1967 de la demanderesse, pour une description plus détaillée de couches isolantes osiyde de silicium -- nitrure de silicium et de procédés pour leur préparation pouvant être utilisés dans la mise en pratique de l'invention. 5 la couche 14 jouant le rôle d1électrode peut être consti tuée par un matériau conducteur connu quelconque. Sa surface de séparation avec l'isolant 12 doit d'ordinaire fournir une barrière pour l'injection des porteurs dans l'isolant de façon à empêcher la suppression des charges emmagasinées. Pour permettre une fabri-10 cation plus facile, cette couche peut être constituée par de l'aluminium déposé sous vide ou bien par un autre métal. Dans l'exemple décrit d'un transistor à effets de champ, cette couche peut être considérée comme une électrode de commande. Une couche conductrice non métallique, constituée par exemple par de l'oxyde d'étain, 15 peut en outre être utilisée pour l'électrode 14. Cependant, cette électrode 14 sera considérée ici, à titre d'exemple, comme un métal, et la polarisation sera donc une polarisation métal - semiconducteur* la aurce de polarisation 16 peut être une source de poten-20 tiel d'un type connu quelconque variable, de façon continue ou par degrés, et capable d'appliquer des potentiels positifs ou négatifs à la couche 14 par rapport au bloc semiconducteur 10. Une source d>'une polarité unique comportant un dispositif d'inversion de la polarité peut être utilisé. Cette gamme de valeurs 25 positive ou négative de la source dépend des propriétés de l'isolant 12, lesdites valeurs pouvant être comprises entre 15 et 80 volts dans les sens positifs et négatifs, la source 16 peut être commandée par un dispositif de commande convenable quelconque,-par exemple par un calculateur central. Cette source 16 a seule-50 ment besoin de fournir un faible courant suffisant pour maintenir le processus de transfert de charge dans l'isolant 12. Par exemple, un courant de quelques micro-ampères est suffisant pour des dispositifs ayant une su^^ de 0,0015 mrn^. la configuration de la source, du drain et du canal peut 35 être celle d'un transistor à effet de champ du type MIS» les zones de source et de drain 18 et 20 peuvent être formées par exemple par une diffusion sélective à travers un masque d'oxyde. On peut également utiliser une structure de transistor à film mince. En 69 12219 8 2006554 outre, le dispositif répondant à une charge peut être un transistor bipolaire ayant une jonction se terminant sous la couche isolante 12 de telle sorte que les caractéristiques de cette jonction et, par suite, le gain du transistor puissent être influencés 5 par la charge de l'isolant 12. En outre, le dispositif répondant - à une charge peut être une diode à jonction p-n située sous l'isolant 12. Une caractéristique de la jonction de cette diode, par exemple sa tension de'coupure, est influencée par la chârge de l'isolant. Un réseau d1 éléments semiconducteurs répondant à une 10 charge et, si on le désire, d'éléments classiques, peut être formé dans un unique bloc par des technique» de circuit intégré connues» les éléments de circuit indiqués par la référence 24 peuvent être d'un type connu utilisé dans des dispositifs particuliers répondant à une charge utilisée dans une structure» Oe dis-15 positif 24 peut renfermer un dispositif calculateur, ou bi«n un appareil de lecture ou. un appareil.de représentation. la fig. 2 est un exemple d'une caractéristique d'un isolant pouvant être utilisé comme couche 12 dans la présente invention. Dans ce cas, l'isolant est du niirure de silicium déposé 20 sur une surface de silicium nettoyée, sans oxyde, et ayant une . électrode d'aluminium sur sa face la plus éloignée du semiconducteur. l'état de charge de l'isolant est indiqué par la tension de la bande plate 7EB représentée sur l'axe vertical. Cette tension est la tension appliquée entre le métal et le semiconducteur 25 nécessaire pour supprimer l'effet de la charge de l'isolant et pour donner une valeur nulle de la composante du champ électrique normale à la surface du semiconducteur. 12219 9 2006554 appliquée permettant d1engendrer un champ de valeur nulle sur la surface du semiconducteur est donnée par l'expression suivante : où : X est la profondeur du métal dans l'isolant, e,j est la peimittivité de l'isolant, 10 est son épaisseur. lia charge de l'isolant fournit une tension de valeur Quand aucune tension n'est appliquée à la surface du semiconducteur, il y a un champ électrique identique à celui obtenu qu si-la polarisation est égale à — V^, dans le'cas d'un isolant libre 15 de charge. Ainsi, la polarisation effective peut être considérée comme celle appliquée par une source extérieure ajoutée à la tension de bande plate négative. Bn particulier, dans le mode de réalisation de type PET donné à titre d'exemple sur la fig. 1, la tension de la bande 20 plate affecte les paramètres électriques du dispositif FEI, c'est-dire la tension et le courant source - drain qui i-dépendent de la tension effective métal-semiconducteur (électrode de commande -- semiconducteur). Une courbe telle que celle représentée sur la fig. 2 où la tension de bande plate est représentée en fonction 25 du potentiel de polarisation appliquée extérieurement montre que, pour certains isolants, cette tension peut varier d'une façon stable et contrôlable dans une gamme appropriée de valeurs avec une hystérésis cyclique. 30 polarisation est appliquée à la structure à une température donnée pour des périodes allant de 15 secondes à 5 minutes. Si la température est différente de la température ambiante, le potentiel de polarisation est maintenu pendant une période dans laquelle la structure est refroidie à la température ambiante. Une 35 variation de la capacité de la structure MIS par rapport à la tension appliquée est alors obtenue en utilisant une variation limitée de la polarisation autour de la valeur de la tension de bande plate qui pourrait être estimée à partir des mesures précédentes. ¥ 5 Dans le cas des données de la fig. 2?, une tension de 69 12219 10 2006554 Dans 1s oas où. la tension de bande plate aurait changé pendant la mesuref ce procédé doit être répété en utilisant un temps de mesure plus court. Des variations transitoires des tensions de bande plate après l'application d'une nouvelle tension 5 de polarisation demandent au moins une à deux minutes à s'établir, et ainsi les données sont obtenues environ 4 minutes après l'application du potentiel de polarisation, les variations du potentiel de polarisation sont rendues monotones entre des valeurs extrêmes symétriques positives et négatives. 10 Des résultats caractéristiques sont représentés sur la fig. 2 pour un élément ou une unité comportant une couche de nitrure de silicium ayant une épaisseur d'environ 1000 angstroms wQ 2 et ayant une capacité d'environ 7,6 x 10 farads/cm . La courbe en traits pleins A représente la tension de bande plate en fonc-15 tion du potentiel de polarisation appliqué à la température ambiante ou au voisinage de cette température en utilisant un potentiel de polarisation maximum de +60 volts et de -60 volts* Après avoir été poussé au maximum, c'est-à-dire après que l'amplitude maximum du potentiel de polarisation a été appliquée, l'élément 20 rentre dans un mode de relaxation avec une faible variadjion d'environ 5 à 7 volts de la tension de bande plate quand le potentiel de polarisation est réduit à 25 - 30 volts» Quand on réduit encore le potentiel de polarisation, la tension de bande plate reste inchangée jusqu'à ce que la polarité du potentiel de pola-25 risation soit inversée. Un deuxième type de comportement de la tension est celui caractérisé par une relation preewque linéaire entre la tension de bande plate et le potentiel de polarisation, avec une pente comprise entre +0,67 et 1 dans une certaine gamme de valeurs. 30 II n'y a pas de variations observables de cette tension pour des températures allant jusqu'à 80°C. Pour 200°G, l'effet de relaxation est plus prononcé mais la partie linéaire de la caractéristique existe encore. Ceci est représenté par la courbe B en traits interrompus. Pour la température de l'azote liquide, 35 l'effet de relaxation est supprimé tandis que le mode linéaire de nouveau n'est pas affecté. L'autre courbe 0 en traits interrompus de la fig. 2 montre la relation obtenue après un cycle à la température de l'azote liquide entre + et r-60 volts et un 69 12219 il 2006554 retour à la température ambiante quand le potentiel de polarisation maximale est égal à plus ou moins 35 'volts® la tension de la bande plate dans ce cas, qui est égale à -10 volts, change X seulement au maximum de - 2,5 volts. Un isolant ayant une carac-5 téristique analogue à celle représentée sur la fig. 2 peut être utilisé dans la pratique de l'invention, en permettant un emmagasinage de charge lors de l'application d'un potentiel de polarisation allant de zéro à une valeur positive maximum, puis décroissant par exemple jusqu'à zéro* 10 Cependant, les résultats correspondant à un potentiel de polarisation appliqué à la température ambiante et fournissant la ' courbe A ne sont pas parfaits et les isolants préférables sont ceux présentant une caractéristique telle que celle représentée 15 sur les fig. 3 et 4» Des résultats peuvent être obtenus comme ceux de la fig. 2 mais avec des éléments avec lesquels l'isolant renferme du nitrure de silicium, d'une épaisseur de 1000 angstrôms, placé sur une couche de bioxyde de silicium de 100 angstrôms* la fig. 1 montre les deux parties de couche 12A et 12B qui 20 constituent la couche isolante 12. la partie 12A peut être en bioxyde de silicium agissant comme une barrière isolante et la partie 12B peut être en nitrure de silicium agissant comme une couche d'emmagasinage de charge. D'autres descriptions des fonctions de ces parties de couches seront indiquées ci-S-après. 25 la fig. 3 correspond au cas d'un substrat de silicium du type -N et la fig. 4 correspond au cas d'un substrat de silicium du type -P. Un potentiel de polarisation est appliqué pour chaque point dans des intervalles de temps d'environ 1 minute à la température ambiante» les résultats sont en bon accord avec la 30 courbe théorique montrant les effets de la charge des électrons, avec une polarisation positive telle que représentée sur la fig. 5-la fig. 5 représente la tension de bande totale se produisant après une application de la polarisation pendant 200 secondes» Théoriquement, la tension critique est d'environ + 42 volts. 35 la valeur mesurée est d'environ + 35 volts* Pour un potentiel de polarisation négatif, la tension critique des fig. 3 et 4 est d'environ - 15 volts. Gomme la tension de bande plate avant cela est égale à +18 volts, la tension critique effective est d'environ - 33 volts. 12219 12 2006554 La structure à double couche oxyde-nitrure présente une tension de bande plate constante (partie de courbe A) jusqu'à une valeur critique caractéristique Vc de la polarisation positive métal - semiconducteur. Pour des tensions supérieures à la ten- 5 . sion critique, la tension de bande augmente linéairement avec la polarisation appliquée (partie B). D'une façon générale, aucun changement de la tension de bande ne se produit quand il y a une réduction de la polarisation appliquée (partie 0) jusqu'à ce que l'on atteigne une certaine valeur négative critique V .. Pour une c 10 valeur plus négative de la polarisation métal-silicium, la tension de bande décroît (partie D) et après une période d'application de cette polarisation, la courbe d'hystérésis se reproduit. En d'autres termes, un cycle complet est suffisant pour empêcher la structure de revenir à son état de charge initial représenté par 15 la partie E en bas des courbes , et la courbe fermée représentée en dessous de celle là est reproductible avec sécurité. Les parties en traits interrompus F montrent que l'application initiale d'un potentiel de polarisation négatif ne peut pas faire varier de façon importante la tension de bande dans l'un ou l'autre type. 20 L'état de charge produit par un potentiel de polarisation positif est maintenu jusqu'à une température de l'ordre de 150°G. Bien que présentant une légère réduction d'environ 10 5^ de la tension de bande, on remarquera qu'après 20 heures d'un emmagasinage à 25°C, l'effet rémanent est stable pendant plusieurs mois 25 au moins et'ne change pas. Même pour une température de 15Ô°C pendant environ 10 minutes, il n'y a pas de variations sensibles de la tension de bande au delà de la légère variation initiale d'environ 10 tfo. Les effets de la variation de l'épaisseur des couches 30 diélectriques ont également été mesurés» Dans une série d'ex-périènces de dépôts, des couches de nitrure ayant une épaisseur nominale de 1000 angstroms ont été préparées sur-des couches d'oxyde d'épaisseurs nominales respectives égales à 70, 140 et 200 angstroms. Les t'ensions critiques positives effectives dûes 35 aux effets des électrons sont égales respectivement à 40, 47 et 57 volts, et elles correspondent à une valeur du champ dans l'oxyde d'environ 8 à 9 x 10^ volts/cm? Oes valeurs sont en 69 12219 13 2006554 général en accord avec la théorie- D'une façon générale, on a trouvé que, pour obtenir les effets, d*emmagasinage de charge, dans le cas d'une structure silicium-bioxyde de silicium-nitrure de silicium-métal, avec une polarisation suffisante V_, le champ 5 dans l'oxyde de la structure est égal à au moins 5 x 10 volts/cm. Une autre série d'expériences a été exécutée dans laquelle des couches d'oxyde de 100 angstroms d'épaisseur nominale sont placées sur des couches de nitrure de 100 à 1000 angstroms d'épaisseur. Les tensions critiques positives effectives dans cette 10 série d'expériences sont comprises entre 15 et 40 volts. Oes valeurs sont en accord avec la théorie» La référence à des épaisseurs nominales signifie qu'il peut y avoir une variation d'épaisseur de - 20 $ paf rapport aux épaisseurs indiquées. L'effet d'emmagasinage des charges utilisé dans cette 15 invention est limité par le champ apparaissant à travers la couche d'enmagasinage des charges. Oet effet d'emmagasinage nécessite l'application d'un champ ne dépassant pas celui pour lequel une conduction électrique notable se produit dans les diélectriques. Dans le cas du nitrure de silicium, seul ou 20 combiné avec de l'oxyde, il est évident que le champ maximum doit être inférieur à 7 x 10® volts/cm, qui est un peu inférieur au champ de coupure de 10^ volts/cm. Comme la valeur de la conduction et la valeur du champ électrique maximal peuvent dépendre de la préparation des matériaux, aucune valeur maximale absolue 25 du champ électrique ne peut être indiquée» Le champ existant à un moment quelconque dans l'isolant est à son tour influencé par la durée d'application du potentiel de polarisation ainsi que par l'amplitude de ce potentiel» Par exemple, un champ initialement appliqué peut se diviser entre 30 une couche d'oxyde et une couche de nitrure, de telle sorte que le champ de la couche de nitrure est inférieur à la valeur maximale» Au fur et à mesure de l'écoulement du temps, des porteurs S'introduisent dans des pièges de la couche de nitrure et réduisent le champ, dans la couche d'oxyde en élevant le champ dans 35 la couche de nitrure» Des exemples caractéristiques de cela peuvent être donnés pour un dispositif ayant une couche d'oxyde d'environ 200 angstroms d'épaisseur et une oouche de nitrure d'environ 1000 angstroms d'épaisseur. . Des impulsions de polarisa 12219 14 2006554 tion de +60 volts peuvent être appliquées pendant plusieurs minutes, avec un emmagasinage de charge comme décrit ci-dessus, en provoquant une variation de la tension de bande plate d'environ + 20 volts* Une polarisation ultérieure de + 62 volts pendant 5 plusieurs secondes provoque une réduction de la charge précédemment emmagasinée * Des réductions analogues sont observées pour des potentiels de polarisation d'environ 70 volts après 50 micro-secondes et de 80 volts après 5 microsecondes. Dans tous ces cas, le champ électrique dans le nitrure donnant une 10 réduction de la charge emmagasinée est de l'ordre de 5 à 6 x 10^ volts/cm. Pour des durées inférieures à celles indiquées précédemment, les potentiels de polarisation provoquent un emmagasinage de charges suffisant pour permettre le fonctionnement du dispositif comme élément de mémoire. 15 D'une façon générale, l'utilisation d'impulsions de durée limitée est sans inconvénient parce qu'il est d'habitude souhaitable de fonctionner avec une vitesse maximale. Par ailleurs, un système peut être mis en oeuvre qui utilise des tensions de polarisation ou des durées de polarisation dépassant celles pro-20 duisant le champ maximal dans l'isolant qui peuvent être utilisée» quand on ne veut pas d'enmagasinage de charges* Le dépassement du champ maximal, d'emmagasinage, sans dépasser la tension de coupure de l'isolant, ne crée p&ç d'effets défavorables, et permet une souplesse accrue dans l'utilisation du dispositif selon l'inven-25 tion. Comme le montrent clairement les résultats des fig. 3 et 4, un fonctionnement normal sans emmagasinage du type PET peut être effectué dans des gammes de tension nè dépassant pas les tensions critiques pour lesquelles se produit la charge de l'isolant. 30 Ainsi, il y a trois modes permis de fonctionnement î un premier mode pour des tensions relativement basses (faible champ) à la façon du dispositif FET classique, un deuxième mode avec des tensions provoquant un effet d'emmagasinage de charges, un troisième mode avec des tensions provoquant des champs dépassant ceux pour 35 lesquels un effet d'emmagasinage de charges se produit» 69 12219 15 2006554 Les durées de commutation dans le mode d1 emmagasinage de charge peuvent être de 100 nanosecondes ou inférieures, comme on l'a observé avec des dispositifs comportant une couche de nitrure de 1000 angstroms d'épaisseur, placée sur une couche d'oxyde de 5 100 angstroms d'épaisseur. La durée de commutation signifie la durée minimale nécessaire pour appliquer le potentiel de polarisation nécessaire, puis pour le supprimer, par exemple en partant d'une polarisation zéro en bas de la fig. 3 jusqu'à une polarisation zéro en haut de la courbe de la fig. 3» D 'une façon géné-10 raie, avec une source de polarisation qui n'est pas limitée à des courants inférieurs à quelques micro-ampères, des durées de commutation de l'ordre de 1 microseconde peuvent être obtenues avec des dispositifs selon l'invention. L'explication qui va suivre du mécanisme de base de la modi-15 fication de la charge d'espace de l'isolant d'un dispositif selon l'invention permettra de mieux comprendre l'invention, bien que cette invention puisse être mise en oeuvre sans la compréhension de ce mécanisme. La fig. 6 montre schématiquement la structure du dispositif dans le cas où. ce dispositif comporte une couche 20 de bioxyde de silicium, une couche de nitrure de silicium, et une couche métallique. Les paramètres si et e2 sont les permitti-vités et les paramètres et Wg sont les épaisseurs des couches respectives d'oxyde et de nitrure. Pour une polarisation zéro appliquée entre le métal et le silicium, les barrières contre 25 les électrons et les trous à partir du silicium sont relativement élevées, comme représenté schématiquement sur la fig. 7 où 0^ est la hauteur de la barrière d'énergie contre les électrons. Pour une polarisation positive croissante, la probabilité de transfert d'électrons à partir du silicium reste faible, aucune 30 modification de la charge d'espace dans l'isolant ne se produit, et la tension de bande reste à sa valeur initiale. Pour "ne polarisation positive suffisamment élevée, cependant, un effet-tunnel des électrons à travers la barrière jusqu'à l'oxyde peut se produire comme représenté sur la fig. 8. 35 En supposant que les électrons ne sont pas pris au piège dans l'oxyde, ils passent dans la couche de nitrure où ils sont capturés à une profondeur modérée près de la surface de séparation entre le nitrure et l'oxyde, la génération d'une charge 69 12219 16 2006554 d'espace négative dans les pièges de nitrure abaisse le champ dans l'oxyde depuis sa valeur initiale déterminée par la polarisation appliquée, en réduisant donc le débit du courant dû à l'effet tunnel. Un transistor à effet de champ et à électrode 5 de commande isolée commandé à des niveaux de tension de commande convenables inférieurs à ceux mettant en oeuvre l'effet tunnel peut être utilisé pour détecter la présence des électrons pris au piège» Si les pièges sont profonds, une émission spontanée pour une polarisation normale du type MISPET, même à des tempé-10 ratures élevées, n'est pas importante. Ainsi, la mémoire n'est pas volatile» Pour une polarisation négative suffisamment importante, des trous pourraient provoquer un effet tunnel dans le silicium et neutraliser la charge d'espace négative de l'isolant, en ramenant la tension de bande à sa valeur initiale» 15 La valeur du courant dû, à l'effet tunnel dépend de la source frappant la barrière silioium-bioxydte de silicium à partir du silicium et de la probabilité de cet effet* Comme la probabilité de cet effet dépend exponentiellement de la réciproque négative du champ dans l'oxyde, le courant-tunnel augmente 20 rapidement avec le champ. Ainsi, une quantité donnée d'électrons peuvent se déplacer par effet tunnel dans des périodes de temps de plus en plus eourl/s quand le champ dans l'oxyde dépasse de peu la valeur critique initiale, les résultats expérimentaux coïncident avec cette explication. 25 En plus de la couche unique de nitrure de silicium et de la double couche oxyde de silicium - nitrure de silicium indiquées ci-dessus, d'autres matériaux peuvent être choisis pour la mise en oeuvre de l'invention. Des mélanges de bioxyde de silicium et de nitrure de silicium, par exemple ceux décrits dans 1*arti-30 cle indiqué ci-dessus, peuvent être utilisés et engendrent l'effet d'hystérésis nécessaire à la mise en pratique de l'invention» De tels mélanges, cependant, ne sont pas les meilleurs. On obtient des résultats peu favorables apparemment parce que le mélange isolant doit supporter une migration des ions, la modifi-35 cation de la charge d'espace due à la migration des ions, particulièrement aux températures élevées, peut neutraliser celle due à l'injection proposée et au maintien des porteurs dans le silicium* 69 12219 17 2006554 Des structures MIS utilisant une couche unique d*oxyde de silicium peuvent être utilisées pour engendrer l'effet de mémoire. Cependant, elles sont efficaces seulement à des températures basses, par exemple à la température de l'azote liquide 5 parce qu'il apparaît que, à la température ambiante, la migration des ions de nouveau supprime en partie les effets d'emmagasinage nécessaires pour une mémoire. D'une façon générale, un grand nombre d'isolants, seuls ou-combinés, renfermant par exemple le bioxyde de silicium et l'oxyde d'aluminium, permettent, si on 10 les dispose de façon à rendre minimale la migration des ions ou si on les protège par une couche de nitrure de silicium, d'éviter les effets de la migration des ions* les structures à double couche sont beaucoup plus intéressantes dans la pratique de l'invention, Coispe couche initiale sur 15 le semiconducteur, le bioxyde de silicium est le matériau le meilleur, particulièrement sur du silicium sur lequel il peut facilement être formé suivant une couche continue mince avec de bonnes caractéristiques à la surface de séparation. D'une façon générale, le premier isolant ou isolant-barrière doit avoir plu-20 sieurs caractéristiques. Il ne doit pas présenter de pièges pour les porteurs injectés par le semiconducteur ; il doit avoir une constante diélectrique très inférieure à celle de l'isolant extérieur de façon à conserver une plus grande fraction de champ appliqué, il doit avoir une force de coupure suffisante sous 25 forme de film mince (normalement supérieure à celle sous fonae massive) de façon à permettre l'application de champs produisant un effet tunnel, il ne doit pas présenter d'autres phénomènes de polarisation qui suppriment l'effet de l'emmagasinage de charges dans le deuxième isolant, et il doit être capable d'être préparé 30 suivant une couche mince continue et homogène sur la surface voulue du dispositif. l'isolant extérieur d'une structure à double couche doit de préférence avoir une constante diélectrique supérieure (d'au moins un facteur 2) à celle de l'isolant-barrière (la constante 35 diélectrique relative du nitrure de silicium est égale à 9 ou 1Û et celle du bioxyde de silicium égale à 4), avoir des pièges profonds des porteurs, de préférence sur la surface de séparation avec l'isolant-barrière ou près de cette surface, ou uniformément 69 12219 18 2006554 distribués, qui peuvent se charger et se décharger, de préférence par communication ave® le semiconducteur. Il doit aussi ne pas comporter de mécanisme de polarisation supprimant l'effet des charges emmagasinées et avoir un coefficient de claquage du 5 diélectrique capable de supporter les champs demandés pour réa-- liser un effet tunnel à travers l'isolant-barrière. l'épaisseur de la couche de bioxyde de silicium dans la structure à double couche peut être comprise entre 50 et 500 angstroms et celle de la couche de nitrure de silicium entre 10 50 et 1000 angstroms» w'Il est généralement souhaitable que la couche d'oxyde ait une épaisseur au plus égale à celle de la couche de nitrure de façon à permettre une commande plus efficace de la charge. L'épaisseur minimale est de 50 angstroms parce que des couches de cette épaisseur peuvent constituer facilement 15 des couches continues. Des couches plus minces et suffisamment continues pourraient cependant être utilisées. L'épaisseur maximale de 500 angstroms pour la couche d'oxyde est celle qui convient pour appliquer des tensions de commutation d'amplitudes modérées. De même, l'épaisseur maximale de 1000 angstroms de la 20 couche de nitrure permet d'appliquer des niveaux de tension modérés nécessaires pour le fonctionnement du dispositif. Les caractéristiques des dispositifs dépendent peu du procédé de fabrication des couches isolantes» La couche d'oxyde peut être déposée par croissance en présence de chaleur, par un 25 procédé pyrolytique, etc..» La couche de nitrure peut être déposée par croissance pyrolytique ou autrement. H'importe quel procédé produisant des couches amorphes peut être' utilisé. Une couche d'un seul cristal conviendrait mais est normalement très difficile à préparer. Une couche polycristalline doit être évitée 30 du fait de la probabilité de conduction aux limites des grains* L'invention est particulièrement utilisable dans des réseaux intégrés d'éléments» La partie semiconductrice de la structure peut être formée par des opérations classiques, par exemple par croissance épitaxiale et diffusion s élective, de 35 façon à créer une série de transistors MIS à effet de champ ou d'autres éléments selon l'invention» Des éléments classiques peuvent être intégrés dans la même structure* 69 12219 19 2006554 L'invention peut aussi utiliser une structure de film mince engendrée sur un substrat isolé sur lequel est formée une couche conductrice, par exemple une couche métallique servant d'électrode» La couche isolante et la couche semiconductrice 5 (avec des électrodes appropriées de source et de drain par exemple entre elles) pourraient être déposées sur l'électrode du substrat par des techniques de dépôt de vapeur. En conclusion, on a décrit ici des dispositifs d'emmagasinage d'information utilisant une modification de la charge d'espace 10 dans un isolant du fait de l'injection de porteurs par effet tunnel et du blocage des charges. De tels dispositifs sont par exemple des structures MNOS associés à un dispositif approprié répondant à un champ dans le semiconducteur et à des éléments de eircuit convenables permettant d'appliquer-sélectivement une pola-15 risation métal-semiconducteur pour charger ou décharger l'isolant. L'invention présente un certain nombre d'avantages par rapport à d'autres mémoires MIS ou d'autres mémoires magnétiques» La structure de base MNOS peut être utilisée comme une commande isolée d'un transistor MIS à effet de champ. L'enregistrement 20 et la lecture de l'information sont efficacement isolées, parce qu'elles se produisent dans deux domaines très différents de la tension de polarisation métal-silicium. L'utilisation des avantages de dimensions, et d'économie dans une fabrication de masse en utilisant une technologie analogie à celle des circuits inté-25 grés au silicium, est possible. Les avantages par rapport à .d'autres mémoires MIS non volatiles sont la facilité de localisation de l'énergie d'emmagasinage des charges et la plus grande vitesse en utilisant l'effet tunnel et l'effet d'emmagasinage au lieu des effets d'emmagasinage 30 de charges plus lents utilisant la migration des ions ou un rayonnement. En ce qui concerne la vitesse, les dimensions, les prix, la puissance d'alimentation, les dispositifs selon l'invention peuvent se comparer favorablement aux mémoires à noyaux magnétiques et aux mémoires à films minces magnétiques* 69 12219 20 2006554 Malgré les inconvénients de l'utilisation d'un rayonnement appliqué à un élément miniaturisé, il est clair que les dispositifs selon l'invention peuvent être commandés par un rayonnement ionisant pour modifier la charge d'espace de l'isolant. Par exem-5 pie, dans un réseau d'éléments ayant des électrodes transparentes 14, par exemple en oxyde d'étain, un rayonnement peut être utilisé pour effacer l'information enregistrée dans tout ou partie du réseau. Un autre mode de réalisation de l'invention consiste à 10 utiliser une injection de charges eh provenance de la couche 14 en oxyde d'étain par exemple, un rayonnement pouvant être utilisé pour effacer l'information enregistrée dans le réseau en totalité ou partiellement. Un autre mode de réalisation possible de l'invention uti-15 lise une injection de charge de l'électrode 14 dans l'isolant 12. Par exemple, au lieu d'utiliser simplement une structure semiconducteur - oxyde - nitrure - métal, on pourrait utiliser une couche d'oxyde supplémentaire entre la couche de nitrure et l'électrode métallique, de sorte que les pièges de charges se 20 trouvent sur cette surface de séparation. Dans ce cas, les pentes des parties B et D de la fig. 3 auraient un signe opposé. 69 12219 21 2006554 REVENDICATIONS 1 « — Structure de mémoire à 1* état solide comportant un bloc semiconducteur, une électrode et un diélectrique placé entre cette électrode et ce bloc, ce diélectrique ayant un cycle d'hystérésis reproductible de la charge totale en fonction de la ten-5 sion Vyg électrode - semiconducteur, ledit bloc semiconducteur incorporant un élément de circuit à semiconducteur commandé par un potentiel de surface et répondant à une variation du niveau de charge totale dans le diélectrique» 2. - Structure de mémoire selon revendication 1, dans la-10 quelle le cycle d'hystérésis établi dans le diélectrique est caractérisé çar une première partie de courbe dénotant une charge totale sensiblement constante pour un premier niveau de charge dans le diélectrique quand VMS augmente 'jusqu'à un pôemier niveau de tension Vc, une deuxième partie de courbe dénotant une 15 charge totale croissant sensiblement linéairement jusqu'à un deuxième niveau de charge quand VMS croit au delà de VQ jusqu'à un deuxième niveau de tension 7MS (max) inférieur au niveau de tension de coupure du diélectrique, une troisième partie de courbe dénotant une charge totale sensiblement constante pour ledit deu-20 xième niveau de charge quand VMS déoroît depuis la valeur Vjjg (max) jusqu'à un troisième niveau de tension Vc, 25 un quatrième niveau de tension V-w- / . \ supérieur au niveau de la tension/du diélectrique. 3. - Structure de mémoire selon revendications 1 ou 2, dans laquelle ledit élément de circuit à semiconducteur est un transistor à effet de champ comportant des zones de source et 30 de drain d'un premier type de conductibilité formant une jonction p-n avec line zône semiconductrice du type opposé de conductibilité et délimitant entre elles un canal, ledit diélectrique étant placé de façon à recouvrir au moins une partie de ce canal et ladite électrode étant placée sur au moins une partie du 35 diélectrique qui recouvre le canal, cet arrangement étant tel que l'impédance effective du canal répond à la charge totale du diélectrique et est commandé en accord avec cette charge. 69 12219 22 2006554 4. - Structure de mémoire selon revendications 1, 2 ou 3, dans laquelle le diélectrique comprend une première couche con-tigïïe au bloc semiconducteur et une deuxième couche placée en sand>?ich entre la première couche diélectrique et l'électrode, 5 cette première couche ne compoi-tant sensiblement pas de pièges de porteurs de charge, la deuxième couche ayant une constante diélectrique supérieure à celle de la première couche d'un facteur au moins égal à deux et comportant des pièges profonds des porteurs de charge. 10 5. - Structure de mémoire selon revendications 1, 2 ou 3» dans laquelle le diélectrique comprend une couche de nitrure de silicium. 6. - Structure de mémoire selon revendication 5, dans laquelle le diélectrique comprend une couche de bioxyde de silicium 15 placée entre le bloc semiconducteur et la couche de nitrure de silicium. 7. - Structure de mémoire selon revendications 5 ou 6, dans laquelle le bloc semiconducteur est un bloc de silicium et dans laquelle la couche de bioxyde de silicium, quand elle est 20 présente, a une épaisseur comprise entre 50 et 500 angstroms, la couche de nitrure de silicium ayant une épaisseur comprise entre 50 et 1000 angstroms. 8. - Procédé de fabrication d'une structure de némoire. à l'état solide comportant un bloc semiconducteur, une électrode, 25 et un diélectrique placé entre cette électrode et ce bloc et présentant un cycle d'hystérésis reproductible de .la charge totale en fonction de la tension électrode-semiconducteur Vj,jg» ce bloc incorporant un élément de circuit à semiconducteur commandé par ion potentiel de surface et répondant à une variation du niveau 30 de charge totale du diélectrique, ce cycle d'hystérésis étant caractérisé par une première partie de courbe dénotant une charge totale sensiblement constante pour ton premier niveau du diélectrique quand la tension augmente jusqu'à un premier niveau de tension V , une deuxième partie de courbe dénotant une charge 35 totale croissant sensiblement linéairement jusqu'à un deuxième niveau de charge, la tension 7^ augmentant au delà de jusqu'à un deuxième niveau de tension (max) inf®rieur au niveau de la tension de claquage d.u diélectrique, une troisième partie de 69 12219 23 2006554 courbe dénotant une charge totale sensiblement constante sur le deuxième niveau de charge, V^g diminuant à partir de V^g (ma2C) jusqu'à un troisième niveau de tension VQt 9» - Procédé selon revendication S, dans lequel on modifie l'information emmagasinée en faisant varier la tension VMS depuis le niveau de tension obtenu à la fin de la phase d'emmagasinage 20 dans l'un ou l'autre sens. 10. - Procédé selon revendications 8 ou 9, permettant de mettre en oeuvre une structure de mémoire à l'état solide tel qu'indiqué dans l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on effectue la lecture de l'information emmagasinée 25 en utilisant une variation de la caractéristique de l'élément de circuit à semiconducteur commandé pat un potentiel de surface en réponse à une variation du niveau de charge total du diélectrique comme paramètre d'indication. 11. - Procédé selon revendication 10 permettant de fabri-30 quer une structure telle qu'indiquée dans les revendications précédentes, dans lequel l'information emmagasinée est lue en utilisant le courant du canal entre la source et le drain comme paramètre d'indication. 12. - Procédé selon une quelconque des revendications 8 à 35 11, dans lequel le niveau de tension initial de la tension V^g est égal à zéro, la tension 7^, après l'emmagasinage de l'information, revenant à zéro.