Brevet FR2211728A1 — publié le 19740719

La présente invention concerne les éléments de commutation intégrés, et plus particulièrement une résistance bistable, son procédé de fabrication et son application à la fabrication d'une matrice de mémoire. Dans le domaine de la technologie du traitement de l'information, il existe une grande demande d'éléments actifs de mémorisation et de#commutation de mémoire de petites dimensions et bon marché. Cette demande a donné lieu à la recherche de divers effets électriques bistables, de même qu'à la construction de nombreux dispositifs de matériaux monocristallins, polycristallins et amorphes, fonctionnant avec ou sans barriere, ou dotés de diverses jonctions de barrière entre des matériaux constituants identiques ou différents. Les dispositifs indépendants de l'énergie sont particulièrement intéressants, en l'occurrence, les dispositifs dotés d'un état de mémorisation permanent lorsque l'alimentation d'énergie est interrompue. La présente invention concerne une résistance bistable dotée d'un état ohmique haut et d'un état ohmique bas. Chaque état de la résistance est indépendant de l'énergie, et, de ce fait, le dispositif convient comme mémoire de données permanente. En d'autres termes, la résistance peut être commutée d'un état à l'autre et retiendra cet autre état, même si toute alimentation d'énergie est interrompue. Si l'alimentation d'énergie est ultérieurement réactivée, le dispositif restera toujours dans le même état. Néanmoins, des dispositifs de ce type, du type à diode, ont déjà été décrits dans les demandes de brevets français n0 71 16461 et n0 72 33370 déposées respectivement par la demanderesse le 29 avril 1971 et le 12 septembre 1972. L'on se reportera à ces brevets, de même qu'à la littérature mentionnée ci-après. La présente résistance bistable est préférable, dans beaucoup de cas, aux dispositifs décrits dans les demandes de brevet mentionnées. Sa fabrication est particulièrement simple et n'exige qu'une étape pour fabriquer le corps de la résistance et une étape pour réaliser les connexions d'électrode. En outre, la commutation d'un état à l'autre se fait rapidement et n'exige que de petites quantités d'énergie. De plus, la résistance n'est pas polarisée, c'est-à-dire qu'en ce qui concerne les valeurs électriques, ces électrodes sont interchangeables. La résistance convient particulièrement comme composant d'un circuit intégré occupant un espace minimum. Il convient d'ajouter que la résistance présente l'avantage de se comporter en élément bistable sans nécessiter de formation particulière. Les avantages mentionnés ci-dessus sont obtenus par une résistance constituée par une multitude de zones granuleuses de matériau bon conducteur enrobées d'un matériau isolant. La distance mutuelle de ces zones est assez petite pour que l'effet tunnel des porteurs de charge à travers le matériau isolant soit possible. La dimension des zones est telle que l'énergie électrostatique, nécessaire pour charger une zone jusqu'à l'apparition de l'effet tunnel, s'élève au moins à kT,-k étant la constante de Boltzmann, et T, la température absolue de la résistance. L'invention sera maintenant décrite à l'aide de réalisations exemplaires représentées dans les dessins. La figure 1 représente une coupe transversale et une vue supérieure d'un dispositif comprenant une résistance bistable. La figure 2 représente une autre réalisation. La figure 3 représente une partie d'une matrice de mémoire intégrée utilisant des résistances bistables. La commutation électrique réversible entre un état de haute résistivité et un état de faible réestivité est connue dans diverses structures de métal-isolant-métal stratifiées constituées par des structures de films minces et de semiconducteurs. Il est possible d'introduire un comportement bistable dans la plupart de ces dispositifs, par un processus de formation qui se traduit par des altérations visibles du matériau, par exemple, par l'apparition d'un filament condudoteur entre les électrodes. La commutation entre les états statiques a été expliquée comme étant un phénomène électrique impliquant la présence de pièges dans le matériau. Cette explication est plausible, du fait que la déformation de la structure cristalline provoque habituellement l'apparition de nombreux pièges.Dans le voisinage d'un filament conducteur, présent dans un dispositif formé, de nombreux piéges seront, en conséquence, présents. L'expérience a néanmoins montré qu'il existe des amas atomiques proviennant des contacts, et il conviendrait mieux, en conséquence, de parler de particules, plutôt que de piégea. Le filament conducteur entrevues électrodes peut alors être décrit comme une matrice de semiconducteurs dans laquelle de fines particules métalliques sont dispersées. Dans un tel système, un transfert de charge est possible, du fait que l'énergie électrostatique Eao exigée pour transférer un électron entre deux grains neutres, peut être, de façon appréciable, plus grande que l'énergie thermique kT.La conduction du système est le transport d'électrons et de trous dû à l'effet tunnel entre particules chargées et particules- neutres, si la distance entre les particules est plus petite que 50 A. [ se reporter à C.A. Neugebsuer et M.B. Webb, dans le Journal of Appl. Phys., 33, 74 - 1-962. Lorsque, dans de tels systèmes, il existe une activation soutenue par un champ, et que des particules neutres sont polarisées par les particules chargées qui les environnent, et diminuent de ce fait l'énergie d'activation thermique, ceci peut amener des instabilités de conducteur qui con duisent à la commutation dans de nouvelles phases; tcf. Sandominkii et al., Sov. Phys.,#JETP-31, 902 (1970)?. Le système, de ce fait, consiste en un isolant comportant des piégea provenant de la frication, en l'occurence: un semiconducteur avec des donneurs. Une condition nécessaire à l'obtention d'une nouvelle phase stable-est que la densité N des donneurs, ou piégea, soit supérieure à la densité réelle des électrons dans le semiconducteur ou-- isolant. Dans le GaAs, elle doit être de N # 1019 cm-3. On sait que les semiconducteurs comportant des concentrations de donneurs de l'ordre de N = 1019 cm-3 1019sont dégénérés. Ceci signifie que le niveau de donneurs, qui est discret dans le cas d'une faible concentration, s'étale et déborde dans la bande de conduction. Dans le cas d'une matrice semicon ductrice comportant de très fines particules, il est très possible que ces concentrations soient dotées d'une énergie d'activation thermique Ea métallique granulaire est le plus prometteur pour les transitions de phase électroniques telles que celles décrites dans la référence mentionnée -ci- dessus en dernier lieu, Des dispositifs utilisant de tels systèmes conviennent tout à fait comme mémoire stable, du fait qu'ils se comportent de la même façon que les systèmes connus à métal-isolant-métal, les jonctions de matériaux d:#++érents ou les jonctions à barrière qui exigent ous des processus de formation. La fabrication de films minces de substances isolantes contenant des inclusions granulaires bonnes conductrices, en l'occurrence, des grains métalliques, n'est pas difficile. Divers procédés pour réaliser ces films sont connus, par exemple, l'évaporation thermique ou la pulvérisation catho dique, telle qu'elle est décrite par K.L. Chopra dans "Thin film phenomena", McGraw-HillJ New York 1969. il est important, dans la fabrication des résis tances bistables, de choisir judicieusement les dimensions du film, la taille des grains, et la distance mutuelle des grains, de même que de sélec tionner le matériau isolant. Ces points seront abordés plus loin. Les instabilités de concentration de porteurs peuvent généralement être assimilées à des effets de masse. Pour le fonctionnement bistable, deux trànsitions sont nécessaires: une caractéristique de résistance négative commandée par le courant, pour la transition basse conductivité/ haute conductivité, et une caractéristique de résistance négative, contré lés par la tension, pour la transition opposée. La transition de conduction basse/haute, limite la section transversale du film de la résistance, du fait que la commutation se produit dans une concentration à courant élevé an forme de filament.En outre, les dimensions longitudinales sont limitées par la tension d'alimentation désirée, du fait qu'une force de champ.supé- rieure à Ceci montre qu'un film de résistance granulaire a une longueur appropriée largeur masque métallique ou par gravure soustractive. La résistance décrite ci-dessus est représentée dans la figure 1. Les électrodes métalliques 2 et 3 sont produites de la façon dont le sont les circuits imprimés sur un support isolant approprié 1, et le film de résistance granulaire 4 est déposé entre les électrodes. Différentes façons sont connues pour régir les dimensions des grains de même que la densité des grains métalliques dans le matériau de film isolant pendant le dépôt. I1 a été remarqué, à ce sujet, que l'énergie activée Eao dépend de la dimensi on des grains, selon la formule: Eao = e/Er où e est la charge de l'électron, E la constante diélectrique de l'isolant, et r le rayon d'un grain. D'une façon similaire, la charge électrique du système est déterminée comme étant Ea= ftn/N).s/Eres3.Eao, dans laquelle n est la concentration de particules chargées, N le nombre total de particules, et s la distance mutuelle entre les particules, ou grains.Afin de faciliter la création de deux états définis, l'un de haute conductivité et l'autre de basse conductivité, Eao doit être grand, par exemple, grade à une faible#valeur de r, s doit être aussi faible que possible, afin de rendre l'expression s/(r+s) aussi faible que possible. Ces conditions peuvent être remplies par -un nombre N élevé de points de cristallisation. I1 est possible, pendant le dépôt, d'obtenir -2 N ~ 1015 cm dans une sursaturation poussée. Ainsi qu'il est décrit dans le livre mentionné, les conditions d'une sursaturation poussée sont une température basse du support, de même qu'une source de vapeur à température élevée, et des matériaux d'un-choix approprié.De bons résultats sont obtenus avec le trioxyde de bismuth (Bi203) et l'or. Le phénomène de commutation de la mémoire est fondé sur les grains chargés. Sous l'influence des charges, les grains développent des forces d'attraction ou de répulsion. Pour éviter le cisaillement des grains, lesdits grains doivent être enrobés dans un diélectrique. Un isolant constitué par un semiconducteur à grand pouvoir isolant convient à cette fin. Si -des grains sont présents sur la surface du film isolant, il convient de déposer un supplément du diélectrique. Pendant le dépôt, le support doit rester froid, afin d'éviter la croissance des grains métalliques. Un dispositif conforme à la figure 1 peut également être réalisé par implantation d'ions. fies ions métalliques peuvent être implantés dans le matériau isolant à travers un masque de métal, ou à l'aide d'un faisceau concentré. Un support semiconducteur semi-isolant, ou légèrement dopéj peut être utilise, comportant une densité d'état effective relativement faible, par exemple: un composé III/V, porteur de deux contacts métalliques au sommet. La surs-aturation des ions implantés se traduira par des amas d'atome du métal implanté. Des métaux tels que le plomb, l'indium ou le niobium, conviennent particulièrement, si lion envisage un fonctionnement dans des conditions superconductrices [ cf. J.H. Myer, Journal of Appl. Physics 42, 1851 (1971).). Dans la réalisation conforme à la figure 1, la résistance bistable stétend horizontalement sur la surface du support. Dans le cas de nombreuses applications, cependant, il conviendra mieux de disposer les éléments de résistance verticalement par rapport à la surface du support. Ceci peut s'implifier l'intégration d'autres éléments, par exemple des éléments semiconducteurs, tels que des transistors, etc. La figure 2 montre ce genre d'agencement. La couche épitaxique 6, dont l'épaisseur est approximativement de 4#, est déposée sur un support semiconducteur fortement conducteur 5. De la façon décrite ci-dessus, l'élément de résistance 7 est introduit dans une cavité appropriée de la couche, dont le diamètre est d'un ordre inférieur à 1p. Une bande métallique 8 est agencée en tant qu'électrode d'alimentation de signaux et d'interconnexion d'une pluralité d'éléments. La figure 3 représente, en coupe partielle, un point de croisement d'une matrice de mémoire de données dans laquelle les bits de données binaires sont stockés sous la forme d'état de-résistance bistable. Une pluralité de lignes de mots identiques 12 dont une seule est représentée, sont déposées sur un support 11. Une couche isolante 13, par exemple en arséniure de gallium à faible conductivité, est déposée sur le sommet de la ligne de mots. Un isolant pûr, tel que Six2, peut être utilisé à la place de l'arseniure de gallium. #Une pluralité de lignes de bits 14 sont déposées sur le sommet de la couche isolante. Les lignes de bits 14 sont faites d'un métal qui convient pour constituer les grains conducteurs dans la résistance bistable. Pour fabriquer les résistances bistables, un faisceau électronique concentrique 15 est dirigé sur chaque point de croisement des lignes de mots et de bits. L'énergie du faisceau crée un microplasma au point d'impact, faisant fondre, de ce fait, la couche métallique mince de la ligne, de même que le matériau isolant sous-jacent, dans une région suffisamment petite. L'énergie du faisceau provoque aussi la distribution de particules métalliques dans la zone en fusion, créant, de ce fait, la résistance bistable. il convient de remarquer que la densité de courant dans la résistance bistable-dépasse généralement l'ordre de 10 A.cm lors de la commutattn. La section transversale, ou la forme, ou ces deux caractéristiques de la résistance doivent, en conséquence, être ainsi choisies, que cette densité de courant ne puisse pas produire un acroisement significatif de température. En outre, il est évident qu'une varIété étendue de matériau peuvent être utilisés; par exemple, les grains conducteurs aussi bien que les isolants peuvent être constitués par le même matériau semiconducteur, avec seulement une différence dans le dopage. Il est avantageux pour la réalisation conforme à la figure 3 que la ligne de mots 12 ne soit pas constituée par un métal, mais plutôt par une bande semiconductrice diffusée dans le matériau du support 11. Il est évident qu'une ligne de mots métallique gêne beaucoup le dépôt épitaxique de la couche isolante 13, qui consiste en un matériau semiconducteur. Les résistances bistables du genre décrit ont des valeurs de l'ordre de 1 KOhm dans leur état de haute conductivité, et de l'ordre de 1 MOhm dans leur état de basse conductivité. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Résistance bistable dont les états sont indépendants de l'énergie qui lui est appliquée, constituée par une multitude de zones granuleuses d'un matériau bon conducteur enrobées dAns un matériau isolant, caractérisée en ce que: la distance mutuelle des zones est suffisamment petite pour permettre un effet tunnel des porteurs de charge à travers le matériau isolant, et la dimension des zones est telle que l'énergie électrostatique nécessaire pour charger une zone conductrice pour produire l'effet tunnel soit au moins égale à kT, où k est la constante de Boltzmann et T la température absolue 2.- Résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau isolant est un verre choisi dans le groupe comprenant notamment l'oxyde de silicium, le bioxyde de silicium et le nitrure de silicium. 3.- Résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau isolant et le matérieu conducteur sont constitués par le même matériau semiconducteur avec des degrés différents de dopants. 4.- Résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau isolant est un semiconducteur faiblement dopé du groupe comprenant le silicium, l'arseniure de gallium, et le germanium. 5.- Résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que les grains sont constitués par un métal du groupe comprenant notamment l'or, le nickel, le rhodium et le palladium. 6.- Résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que les grains sont constitués par un métal supraconducteur du groupe comprenant ootamment le plomb, l'indium tt le niobium. 7.- Résistance selon la revendication 1 caractérisée en ce que sa section transversale est dimensionnée et formée -de telle sorte qu'aucune élévation de température n'apparaisse pour une densité de courant d'au moins 10 A.em#2. 6.- Procédé da fabrication de la résistance bistable conformer à la revendi-- cation 1, caractérisée en ce qu'il comprend: le dépôt d'une première électrode conductrice sur la surface d'un support, le dépôt d'une couche isOlante sur la première électrode conductrice, le dépôt d'une seconde électrode conductrice sur la couche isolante, et le chauffage d'une région de la couche isolante entre les électrodes conductrices jusqu'à ce que le métal des électrodes diffuse dans la couche isolante. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'opération de chauffage est obtenue- par l'utilisation d'un faisceau d'électrons. 10.- Matrice -de mémoire faisant application de la résistance bistable conforme à la revendication 1, caractérisée-en ce que: plusieurs résistances bistables sont disposées dans une couche isolante. des lignes de mots sont disposées sur une face de la couche isolante, et des lignes de bits sont disposées sur l'autre face de la couche isolante.