Brevet FR2033346A1 — publié le 19701204

-1- 2033346 Des dispositifs à mémoire dits "à corps solide" constitués par des structures en sandwich- (semi-conducteur)-isolant-isolant dans lesquels des porteurs chargés sont accumulés dans des pièges d'intersurface isolant-isolant sont connus. Un transistor à effet 5 de champ à grille isolée (TECGI) dans lequel la grille est isolée du canal par deux couches isolantes de matière est un exemple d'un tel dispositif dans lequel trois modes: de fonctionnement sont possibles : un mode "mémoire", un mode "lecture" et un mode "effacement". 10 Dans le mode "lecture" le TECGI joue le même rôle qu'un am plificateur dans lequel les porteurs partent de la source et aboutissent à la plaque en passant par le canal. La tension de grille module le courant du canal. Dans le mode "mémoire", une tension différente est appliquée à la grille de manière à permettre aux 15 porteurs chargés circulant dans le canal de pénétrer dans l'isolant. Cette pénétration dans l'isolant est accompagnée d'un franchissement de la barrière de potentiel par effet de tunnel. La bande'de conduction inférieure de l'isolant correspond à une énergie supérieure à celle du canal semi-conducteur; par conséquent, 20 les électrons du bas de la bande de conduction du semi-conducteur ne peuvent pas pénétrer dans la bande de conduction de l'isolant à cause de leur énergie insuffisante. Cette barrière rencontrée par les électrons dans le canal est connue sous le nom de barrière de Schottky. Cependant, quand un potentiel plus important est 25 appliqué à la grille, l'énergie de la bande de conduction de l'isolant est modifiée de manière à augmenter la probabilité d'apparition d'électrons, en provenance de la bande de conduction du semi-conducteur, dans la bande de conduction de la couche isolante. Quand ce potentiel est suffisamment grand, ces électrons tra-30 versent cette barrière par effet de tunnel. (Si les porteurs du canal sont'des lacunes et non des électrons, il faut considérer les énergies des bandes de valence et non celles des bandes de conduction). Dans le mode "effacement", la tension de polarisation de la grille -est inversée, obligeant les porteurs captés à 35 traverser la barrière en sens inverse, en direction du semiconducteur. Un TECGI est en général destiné à amplifier un signal électrique. Pour réaliser une amplification, une tension supérieure à un certain minimum doit être appliquée à la grille du TECGI. 70 05683 -2- 2033346 Cette tension est dénommée "tension de seuil" du TECGI. Si cette tension de seuil n'est pas appliquée à la grille, aucun porteur ne traverse le canal et il n'y a pas d'amplification. Quand le TECGI fonctionne suivant le mode mémoire, la tension de seuil est 5 modifiée. Des mémoires utilisant la variation de tension de seuil d'une structure en sandwich, anhydride silicique-nitrure de silicium (SiC^-Si^N^) sont décrites par /B. V. .Keshavan et H. C. Lin (Non-Volatile MNOS Memory, 1968 GOMAC, p. 34-Oj?et par /R. E. Oleksiak, A. J. Lincoln et H. A. R. Wegener (An Electrically Al-10 terable Won-Volatile Semiconductor Memory, 1968 GOMAC, p. 34-2. Le travail sus-mentionné de Keshavan et autres décrit une structure en sandwich métal-nitrure de silicium-anhydride silici-que-silicium dans laquelle le métal constitue la grille d'un transistor à effet de champ. Quand la polarité correcte est appliquée 15 au dispositif, des porteurs provenant du silicium franchissent la barrière de potentiel de la couche d'anhydride silicique SiÛ2 et sont captés dans les défauts de 1 ' intersurf ace 3102-31^11^. Par conséquent, une information numérique peut être inscrite dans 1'intersurface puisque la présence ou l'absence de charge dans 20 ces pièges constitue une information. Le travail sus-mentionné d'Oleksiak et autres décrit une mémoire comportant un transistor à effet de champ à grille isolée dans lequel la tension de seuil du dispositif est modifiée quand l'information est écrite. L'écriture est réalisée, comme précédem-25 ment, par une accumulation de porteurs dans les pièges de Si^N^, à 1 ' intersurf ace 8102-31^1^. Si le mécanisme d'écriture dans une telle structure en sandwich est le franchissement de la barrière de potentiel, le potentiel appliqué à la grille tend vers un niveau qui provoque un 30 court-circuit entre le canal et la grille, à travers les couches isolantes. Le risque d'apparition de ce phénomène, dénommé "claquage par champ électrique intense", peut être toléré si l'on désire un franchissement de la barrière de potentiel, puisque ce potentiel élevé est nécessaire pour que les porteurs traversent 35 la- barrière de Schottky située à 1 ' inter surf ace isolant-semiconducteur. Par conséquent, plus ce potentiel est élevé,.plus le franchissement de la barrière de potentiel est facile. Cependant, ce fonctionnement à potentiel élevé présente l'inconvénient que des claquages par champ électrique intense sont possibles et, par 70 05683 -3- 2033346 conséquent, le dispositif devient moins fiable. La présente invention a par conséquent pour objets un dispositif de mémoire nouveau, perfectionné, fiable, à corps solide, dont le potentiel d'écriture est très inférieur à la tension de 5 claquage diélectrique par champ intense. Selon l'invention, l'écriture ne passe pas par franchissement de la barrière de potentiel. Une polarisation convenable permet une déformation appropriée de la bande de conduction du semi-conducteur, grâce à laquelle certains des porteurs de charges du substrat peuvent acqué-10 rir une énergie suffisante pour dépasser plutôt que franchir la barrière de Schottky à 1'intersurface semi-conducteur-isolant. Ceci permet à ces porteurs de pénétrer dans, et de traverser, le premier isolant et d'être captés à 1'intersurface isolant-isolant ou dans le second isolant. L'avantage de ce procédé par rapport 15 à la traversée de la barrière de potentiel est le suivant : le potentiel de grille est nettement inférieur à celui nécessaire pour ladite-traversée. Par conséquent, la présente invention a également pour objet "une mémoire à corps solide dans laquelle les porteurs de charge 20 peuvent dépasser la barrière de Schottky. Ces objets et avantages ainsi que d'autres sont atteints selon une forme de réalisation de l'invention par une mémoire à corps solide comprenant : un substrat semi-conducteur dans lequel les régions de la source et de la plaque s'ont espacées pour for-25 mer entre elles un canal de circulation des porteurs de charge; une première couche d'isolant placée contre, et en contact physique avec, une surface du substrat de manière à définir sur celle-ci une barrière de Schottky; une première couche formant grille disposée contre, et en contact physique avec, une partie de la 30 première couche isolante et également contiguë à une partie du canal; une seconde couche isolante.en contact physique avec la première grille et avec la partie à découvert de la première couche isolante, et une seconde couche formant grille contiguë à la seconde couche isolante pour créer une tension destinée à accélé-55 rer les porteurs de charges de plus haute énergie au-dessus de la barrière de Schottky .dans la première couche isolante sus-men-tionnée. Lorsque des tensions de polarisation appropriées sont appliquées* au dispositif, on crée une situation dans laquelle les 70 05683 -4- 2033346 porteurs proches de 1*intersurface semi-conducteur-isolant, ayant une énergie suffisamment élevée, peuvent"franchir-la barrière de Schottky. Ces porteurs à haute énergie traversent ensuite la première couche isolante et sont captés et accumulés dans des pièges 5 de la seconde couche isolante, près de 1'intersurface isclant-iso-lant. Ces pièges sont en général constitués par des défauts de structure de la couche isolante. Ces défauts peuvent être des dislocations ou des vides causés par des atomes ayant quitté leurs emplacements dans le réseau ou d'autres irrégularités de l'isolant 10 ou une combinaison de ces défauts. Une fois les porteurs captéa, ils restent en place sans nouvelle application d'énergie au dispositif. L'effet "mémoire" ainsi obtenu est donc permanent. L'invention est décrite ci-après plus en détail en se repor-15 tant aux figures dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'une mémoire à corps solide selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 représente les bandes d'énergie de la structu-20 re (semi-conducteur)-isolant-isolant selon l'invention en Isabsence de polarisation, dans laquelle l'axe vertical représente l'énergie des électrons et l'axe horizontal représente la hauteur au-dessus de la base du cristal ou épaisseur ; - la figure 3 représente les bandes d'énergie d'une grille 25 polarisée pour la traversée de la barrière de potentiel - à couches superposées - d'un dispositif à effet de champ classique selon la technique .antérieure; dans cette figure l'axe vertical représente l'énergie des- électrons et l'axe horizontal représente l'épaisseur ; et : 30 - la figure 4 représente les bandes d'énergie de la structu re (semi-conducteur)-isolant-isolant d'une forme de réalisation de l'invention polarisée pour le mode de fonctionnement en mémoire; dans cette figure l'axe vertical représente l'énergie des électrons -et l'-axe horisontal représente l'épaisseur. 35 La figure 1 représente une partie d'un substrat semi-conduc- "teur 100 dans lequel se trouvent les régions espacées .de la source 102 et de_la plaque 104, contiguës à une surface commune 106. Un trajet/pour porteurs est situé à l'intérieur du support 100 et contigu à la surface commune 106. Ce trajet part de la source 102 BAD ORIGINAL 70 05683 2033346 en direction de la plaque 104 et comprend trois régions. La première région 105a dudit trajet part de la source 102 jusqu'à une certaine distance de la plaque 104. La troisième région 105ç de ce trajet part de la plaque 104 jusqu'à une certaine distance de 5 la source 102. La seconde région 105b dudit trajet est comprise entre sa première région 105a et sa troisième région 105ç. Une couche isolante 108 est disposée contre, et en contact physique avec, la surface commune 106. Quand on utilise comme substrat semi-conducteur du silicium, 10 on peut oxyder sa surface pour former -une couche isolante d'anhydride silicique Si02* Cependant, la matière du substrat semi-conducteur n'est pas limitée au silicium et la matière de la couche isolante n'est pas limitée à l'anhydride sili-cique. Cependant, la couche isolante 108 doit être telle qu'une barrière de Schottky 15 se forme à la surface 106 entre elle et le substrat 100. L'expression "barrière de Schottky" employée ici et dans les revendications correspond à une relation énergétique existant à 1'intersurface entre un isolant et un semi-conducteur, dans laquelle l'énergie minimale de la bande de conduction de l'isolant est supérieu-20 re à celle de la bande de conduction du semi-conducteur. Ceci dans le cas où les porteurs sont des électrons et/ou l'énergie en question est l'énergie des électrons. Si les porteurs sont des lacunes, l'énergie minimale de la bande de valence de l'isolant est supérieure à celle de la bande de valence du semi-conducteur, 25 l'énergie en question étant celle des lacunes, de signe contraire à l'énergie des électrons. Une grille 110 est placée contre, et en contact physique avec, la partie de la surface 112 de la couche isolante 108 qui est elle-même contiguë à la première région 105a du canal. La 30 grille 110 est en général au-dessus de la source 102 ; cependant, elle peut être moins longue parce qu'elle est suffisamment près de la source 102 pour créer le trajet désiré 105 pour les porteurs avec une polarisation appropriée. Dans ces conditions, les porteurs (des lacunes dans le matériau du type ÏÏT ou des électrons 35 dans celui du type P) peuvent se diriger de la source 102 vers la plaque 104. On indique que la grille 110 est en métal, cependant il suffit qu'elle soit en une matière telle qu'une tension-de pola risation appropriée puisse lui être appliquée pour créex> le canal 105- Par exemple, un transducteur non métallique, par exemple -un 70 05683 -6- 2033346 cristal piézoélectrique ou un autre transducteur qui peut convertir d'autres formes d'énergie en tensions électriques doit suffi-re. Une seconde couche isolante 114- est placée contre, et en con-5 tact physique avec, la partie à découvert de la surface 112 ainsi que la partie à découvert de la grille 110 de manière à recouvrir complètement la grille 110 afin de l'isoler. Une seconde grille 116 est placée contre, et en contact physique avec, la surface 118 de la seconde couche isolante 114-, de manière à recouvrir la 10 plus grande partie des seconde et troisième régions 105b et 105c du canal. L'ensemble de la polarisation de la seconde grille 116 et de la polarisation de la plaque 104- doit engendrer un effet de champ dans le canal 105 de manière que les porteurs de faible, énergie soient entraînés en direction de la plaque, ceci ayant 15 pour conséquence que la seconde région 105b du canal s'appauvrit en porteurs de faible énergie. La troisième région 105c du canal ressemble à la première région 105a du canal du fait qu'il y a une accumulation de porteurs de faible énergie dans ces régions. La création de cette zone d'appauvrissement dans la seconde région 20 105b a pour conséquence une absence de charges accumulées qui, autrement, constituerait un point d'aboutissement du champ électrique partant de la seconde grille 116, empêchant ainsi ce champ de pénétrer dans le canal 105 et, ainsi, d'attirer les porteurs de grande énergie dans la première couche isolante 108. La seconde 25 grille 116 recouvre normalement la plaque 104- et la grille 110 ; cependant cela n'est pas nécessaire tant que la seconde grille 116 recouvre la seconde région 105b du canal et la troisième région 105ç du canal pour aboutir assez près de, respectivement, la première région 105a du canal et la plaque 104-, de manière à être 50 certain que les potentiels de la plaque et de la seconde grille auront l'influence appropriée,nécessaire pour la mémorisation, sur • les porteurs partant de lâ source 102. On est ainsi certain qu'une région d'appauvrissement existera dans la seconde région 105b du canal et que les porteurs de faible énergie seront attirés en di-55 rection de la plaque de façon que les porteurs à haute énergie puissent être attirés en direction de la première couche isolante 108. Il est à noter que si l'on utilisait une .structure--tie-.±r3tru5jlstor dans laquelle la grille unique recouvrirait le canal, une région 70 05683 -7- 2033346 d'appauvrissement ne pourrait être créée que si la tension de polarisation de la plaque était supérieure à la tension appliquée à la grille. Le champ résultant provenant de la grille repousserait alors, au lieu de les attirer, les porteurs chargés dans le 5 canal. Par conséquent, un dispositif à grille unique, tel qu'un transistor classique, ne pourrait être utilisé pour la mémorisation. On a utilisé du nitrure de silicium (SL^N^.) comme seconde matière pour couche isolante quand on utilisait l'anhydrique silici-10 que SIO2 pour la première couche isolante. Cependant, la matière de la seconde couche isolante n'est pas limitée à Si^îT^ si elle peut fournir les pièges à porteurs nécessaires en vue de la mémorisation. Avec une longueur du canal de 15 microns, une première couche O 15 isolante épaisse de 1500 A et une seconde couche isolante épaisse O de 2500 A, les tensions de fonctionnement type pour le mode mémorisation sont : Vgl = O, 7g2 = 30 v = 20 f et 7g = O, 7gl, 7g2 Yjj. et 7g étant, respectivement, les potentiels de la première grille, de la seconde grille, de la plaque et de la source. Des 20 tensions de fonctionnement typiques pour le mode lecture et le même dispositif sont : Ygl = 0, 7g2 "=' 10 Y, 7^ = 10 v et 7g- = 0. A noter que la seconde couche isolante peut séparer complètement la première grille 110 de la première couche isolante 108. Ceci doit permettre de réduire l'épaisseur de la première couche 25 isolante 108 si la première grille "110 est maintenue à la même dis tance que précédemment du substrat 100. Cela présente l'avantage que, puisque les porteurs sont captés plus près du substrat, l'information mémorisée peut être consultée en appliquant un potentiel plus faible à la seconde grille 116. Cependant, ceci exigerait une 30 troisième couche isolante pour séparer la première grille 110 de la seconde grille 116. La mémorisation se produirait dans des pièges proches de 1'ihtersurface des première et seconde couches isolantes, mais cette intersurface devrait alors être plus près du support. La matière pour les seconde et troisième couches isolan-35 tes pourrait probablement être la même, bien que cela ne soit pas indispensable. Si l'on désire faire fonctionner ce dispositif suivant le mode effacement (afin que ce dispositif puisse alternativement lire et écrire), la première couche isolante 108 doit être suffisam 70 05683 -8- 2033346 ment mince pour que les porteurs mémorisés sortent des pièges en traversant la barrière de potentiel et la première couche isolante 108, en direction du substrat "100 du semi-conducteur. La structure sus-mentionnée à trois couches isolantes faciliterait ce mo-5 de de fonctionnement parce que la première couche isolante sèrait suffisamment mince pour permettre la traversée de la barrière de potentiel. La seconde grille 116 est également représentée comme étant en métal, cependant on peut employer d'autres matières. La seule 10 condition nécessaire pour la seconde grille 116, à ce point de vue, est qu'elle facilite l'application de la tension nécessaire (dénommée tension d'écriture ou de mémorisation) pour accélérer les porteurs circulant dans le canal, de manière à les pousser à travers la barrière de Schottky et dans la structure en sandwich 15 de l'isolant. Par exemple, un»transducteur qui transforme des sons en tensions électriques pourrait être utilisé comme grille, tout comme d'autres transducteurs qui transforment d'autres formes d'énergie en tension électrique. Un transducteur acoustique permettrait de mémoriser dans un groupe de ces dispositifs des 20 échantillons de voix, par exemple. La mémorisation d'échantillons de voix pourrait être exécutée en-utilisant des transducteurs acoustiques comme seconde grille dans un groupe de dispositifs de ce genre. Sur la figure 2, l'axe vertical 200 représente l'énergie des 25 électrons et l'axe horizontal 202 représente l'épaisseur dans le cristal, la coupe transversale passant par un point au-dessous de la seconde grille, entre la source et la plaque.. La région 210 est le substrat semi-conducteur; la région 220 est la première couche isolante; la région 230 est la seconde couche isolante. 30 Les lignes horizontales 212, 222 et 232 représentent respectivement les bandes inférieures de conduction des régions 210, 220 et 230. Avec cette absence de polarisation, les électrons dans le semi-conducteur 210 n'ont pas une énergie suffisante pour pénétrer dans la bande de conduction 222 du premier isolant 220. Ceci res-35 sort du fait que la bande de-conduction 212 est au-dessous de la bande 222. Cette description s'applique au cas où les porteurs en question sont des électrons. Quand ce sont des lacunes, les lignes 212, 222 et 232 représentent respectivement les bandes de valence des régions 210, 220 et 230 et-l'axe vertical 200 représente 70 05683 -9- 2033346 l'énergie des lacunes. Sur la figure 3, l'axe vertical 300 représente l'énergie des électrons et l'axe horitontal 302 représente l'épaisseur dans le cristal, la coupe transversale étant effectuée à travers un point 5 au-dessous de la seconde grille, entre la source et la plaque. Les régions 310, 320 et 330 représentent respectivement le substrat semi-conducteur, la première couche isolante et la seconde couche isolante. Les courbes 312, 322 et 332, respectivement, sont les parties inférieures des bandes de conduction des régions 310, 10 320 et 330• Les inclinaisons des bandes 322 et 332 et la courbure de la bande 312 sont la conséquence de la tension de polarisation appliquée à la grille. Les lignes en pointillé 322a, 322b et 322c représentent la bande 322 pour des tensions dè polarisation progressivement croissantes. Plus, la pente de la'bande 322 est for-15 te, plus la probabilité de réaliser une traversée de la barrière de potentiel est élevée. Dans ce cas, les électrons dans la bande de conduction 312 traversent la barrière de surface entre les régions 310 et 320 et ensuite se déplacent jusqu'à l'emplacement des pièges, à proximité de 11 intersurface entre les régions 320 20 et 330 où ils s'accumulent. Cependant, plus la pente est forte, c'est-à-dire plus la tension de polarisation est élevée, plus le risque de claquage par champ électrique intense est élevé. Ces explications s'appliquent au cas où les porteurs de charge en question sont des électrons. Si ce sont des lacunes, les courbes 25 312, 322 et 332 correspondent respectivement aux bandes de valence des régions 310, 320 et 330 et l'axe des ordonnées 300 représente l'énergie des lacunes. Sur la figure 4-, l'axe, des ordonnées 4-00 représente l'énergie des électrons et l'axe des abscisses 4-02 représente l'épais-30 seur dans le cristal, la section transversale étant faite à travers un point au-dessous de la seconde grille entre la source et la plaque. Les régions 4-10, 4-20 et 4-30 représentent respectivement le substrat semi-conducteur, la première et la seconde couches isolantes. Les niveaux inférieurs 4-22 et 4-32 des bandes de conduc-35 tion des première et seconde couches isolantes, respectivement, sont inclinées à cause de la polarisation appliquée à la seconde grille. La courbure du niveau inférieur 4-12 de la bande de conduction du substrat s'explique également par la polarisation appliquée à la seconde grille. Mais le fait que la partie horizontale 70 05683 -10- 2033346 du niveau inférieur 412 de la bande a une énergie supérieure à celle du niveau inférieur 422 de bande est dû en partie à la polarisation appliquée à la plaque qui attire les électrons de faible énergie provenant du canal. Ceci empêche l'accumulation de 5 charges présentes pendant le fonctionnement selon le mode "traversée de la barrière de potentiel" décrit à propos de la -figure 3 et crée une région d'appauvrissement dans le canal. Par conséquent, certains électrons acquièrent line énergie supérieure à celle représentée par la ligne 404 en pointillé et peuvent par 10 conséquent franchir la barrière de Schottky et pénétrer dans l'i- " solant. Ces explications s'appliquent au cas où les porteurs en question sont des électrons. Quand ce sont des lacunes, les lignes 412, 422 et 432 correspondent respectivement aux bandes de valence des régions 410, 420 et 430 et l'axe des ordonnées 400 15 représente l'énergie des lacunes. On a représenté et décrit un dispositif à mémoire à corps solide capable de mémoriser l'information pour des tensions sensiblement inférieures à celles correspondant au claquage par champ intense, conduisant à une mémoire beaucoup plus fiable. 20 Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à l'exem- - pie décrit et représenté, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on sorte pour cela de son cadre. 70 05683 -11- 2033346 EEYESDIGATIOKS 1. Dispositif mémoire à corps solide, caractérisé en ce t qu'il comprend : un substrat semi-conducteur dans lequel sont formées une région source et une région plaque espacées à proximité 5 de l'une de ses surfaces; une première couche de matière isolante dont une surface est en contact avec ladite surface dudit substrat pour constituer une barrière de Schottky; une première couche formant grille étant en contact avec la première couche isolante et étant isolée électriquement dudit substrat; un premier 10 dispositif pour appliquer une tension de polarisation à ladite première grille afin de créer un canal dans ledit substrat entre ladite source et ladite plaque pour y faire circuler des porteurs de charges; une seconde couche de matière isolante en contact avec la première couche isolante et isolant ladite première gril-15 le, ladite seconde couche isolante comportant des pièges internes répartis susceptibles de capter des porteurs de charges; une seconde couche formant grille en contact avec ladite seconde couche isolante et s'étendant sur au moins une partie dudit canal pour faciliter dans ce dernier la création d'une région d'appauvrisse-20 ment; un second dispositif pour appliquer une tension à ladite plaque de manière à créer une région d'appauvrissement dans ladite partie dudit canal au-dessous de ladite seconde grille; et un troisième dispositif pour appliquer une tension d'accélération à ladite seconde grille afin d'accélérer les porteurs de charges du 25 canal qui traversent la barrière de Schottky et sont captés par les pièges. 2. Dispositif selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur est du silicium, la première matière isolante est de l'anhydride silicique Si02? la seconde ma- 30 tière isolante est du nitrure de silicium Si^N^, et les première et seconde grilles sont en métal. 3. Dispositif selon l'une des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les régions source et plaque ont une conductivi-té du type R et les porteurs de charges sont des électrons. 35 4. Dispositif selon l'une des Revendications 1 et 2, caracté risé en ce que les régions source et plaque ont une conductivité du type P et les porteurs de charges sont des lacunes. 5. Dispositif selon l'une quelconque des Revendications 1 à 4-, caractérisé en ce que la première grille recouvre une partie 70 05683 -12- 2033346 dudit canal et la seconde grille recouvre une autre partie dudit canal. 6. Dispositif selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit canal est entièrement recouvert par l'ensemble desdites première et seconde grilles. 7- Dispositif selon l'une quelconque des Revendications *1 à 6, caractérisé en ce que lesdits pièges peuvent être des défauts de structure de ladite seconde couche.