Brevet FR2511801A1 — publié le 19830225

La présente invention concerne les mémoires d'in- formations, et notamment celles qui mettent en oeuvre la technologie des circuits intégrés à semi-conducteur. De telles mémoires qui sont actuellement disponi- bles dans le commerce, comportent un circuit intégré planaire dont différentes parties remplissent des fonctions tout à fait distinctes, à savoir le stockage des données et l'accès à la partie de stockage du circuit, c'est-à-dire afin que la lecture, l'écriture et/ou l'effacement soient possibles. Cependant, chaque transistor individuel ou chaque autre élément actif individuel d'un circuit intégré planaire ne peut conserver qu'un seul bit de données et, bien qu'on ait déjà obtenu des densités élevées de tassement des données, la quantité d'informations pouvant être conservées dans un circuit intégré est en pratique très limitée. L'invention concerne une mémoire d'informations qui met en oeuvre la technologie des circuits intégrés à semi-conducteur et ne posant pas le problème précité. Une mémoire d'informations selon l'invention comporte un circuit intégré planaire formé sur une surface d'un corps d'un matériau de mémorisation électronique, ce matériau formant plusieurs colonnes séparées et distantes d'emplacements distantsde conservation de charges électriques séparées, les colonnes étant dirigées perpendiculairement au plan du circuit intégré et ce dernier donnant accès aux emplacements de mémorisation. Le circuit intégré est avantageusement associé à un dispositif de commande placé sur le côté du corps qui est opposé au circuit intégré si bien que, sous la commande du circuit intégré, une charge électrique peut être injectée dans un emplacement de mémorisation qui est adjacent au dis- positif de commande dans une colonne choisie, si bien que les charges d'une commande choisie peuvent être transférées chacune à l'emplacement adjacent suivant dans cette colonne, vers le circuit intégré. Dans un tel arrangement, chaque colonne d'emplace- ments de mémorisation formés dans le matériau est normalement associée à un élément correspondant du circuit intégré dans lequel une charge de l'emplacement adjacent de la colonne associée d'emplacements peut être transférée par le disposi- tif de commande. Dans un mode de réalisation particulier de l'in- vention, le corps du matériau de mémorisation est un matériau semiconducteur, chaque emplacement de mémorisation étant formé d'un matériau de constante diélectrique relativement faible par rapport à celle de la matière qui sépare les em- placements. Dans ce mode de réalisation, les emplacements de mémorisation sont avantageusement formés de silicium et le matériau séparant les emplacements est avantageusement formé de silice, celle-ci pouvant être dopée par des impuretés convenables destinées à accroître la mobilité des charges. Dans un tel arrangement, l'injection d'une charge est assuré de façon convenable par un mécanisme de claquage à avalanche et le transfert d'une charge d'un emplacement de mémorisation à un autre est réalisé de façon convenable par un mécanisme à effet tunnel et de transport Le mécanisme de transport peut, le cas échéant, être facilité par des photons. Dans un tel arrangement, le dispositif de comman- de comporte avantageusement une jonction p-n adjacente à l'ex- trémité convenable de chaque colonne d'emplacements de mé- morisation L'injection des charges peut alors être réalisée par polarisation en inverse, à une valeur élevée convenable, de la jonction pn convenable, et le transfert des charges peut être réalisé par application d'un potentiel convenable entre une électrode de la jonction p-n correspondante et le substrat du circuit intégré. D'autres caractéristiques et avantages d'une mé- moire selon l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'une partie de la mémoire; la figure 2 est une élévation suivant les flèches II de la figure 1; la figure 3 est un graphique représentant la forme d'onde de tension appliquée à la mémoire lors du fonctionne- ment; et les figures 4, 5 et 6 sont des schémas représen- tant différents stades de la fabrication de la mémoire. La mémoire représentée sur la figure 1 est formée sur un substrat 1 de silicium Sur l'une de ses grandes faces, le substrat porte un corps d'un matériau de mémorisation électronique sous forme d'une couche 3 de silice dans laquelle sont formés des flots 5 de silicium Ces flots 5 sont dis- posés suivant une matrice rectangulaire ayant des colonnes disposées perpendiculairement à l'interface 7 du substrat et du matériau de mémorisation, chaque colonne étant repré- sentée sur la figure avec quatre flots, bien qu'elle puisse en comprendre un plus grand nombre, par exemple un nombre égal au nombre de bits d'un octet à mémoriser dans le dispo- sitif Comme décrit dans la suite du présent mémoire, chaque flot constitue un emplacement de mémorisation d'une charge électrique dans la couche 3. Comme l'indique aussi la figure 2, un certain nom- bre de régions distantes p 9 en forme de bandes et un cer- tain nombre de régions distantes N 1 l en forme de bandes sont réalisées dans le substrat 1, près de l'interface 7, les régions n+ étant perpendiculaires aux régions p+, si bien qu'une jonction p-n est formée près de l'llot d'extrémité de chaque colonne 5, la région p 9 de chaque jonction étant plus proche de la couche 3. Une couche de silicium monocristallin 13 dans la- quelle est formé un circuit intégré, est placée sur la face de la couche 3 qui est éloignée du substrat Comme décrit plus en détail dans la suite du présent mémoire, le circuit intégré assure, en coopération avec les régions 9 et 11, l'in- jection d'une charge électrique dans l'îlot 5 adjacent au substrat 1 d'une colonne choisie quelconque d'ilots,-et le transfert de chacune des charges d'une colonne choisie d'îlots à l'îlot adjacent suivant dans cette colonne, vers le circuit intégré Ainsi, chaque colonne d'îlots joue le rôle d'un élément séparé de mémoire à N bits du type à registre à déca- lage, accessible par le circuit intégré, N étant le nombre 11801 d'ilots d'une colonne. Le circuit intégré peut être fabriqué à l'aide des techniques connues de circuits intégrés afin qu'il ait toute forme convenable et le dessin ne représente donc pas ses détails Cpendant, il faut noter que le circuit intégré comprend obligatoirement un élément correspondant tel qu'un transistor à raison d'un par colonne d'îlots, dans lequel la charge de l'îlot d'extrémité de la colonne associée peut être transférée. L'injection d'une charge électrique est assurée lors du fonctionnement par un claquage à avalanche de la jonction p-n associée à la colonne d'îlots dans laquelle des données doivent être conservées, ces dernières étant nor- malement sous forme binaire, un " 1 " et un " O " étant repré- sentés respectivement par la présence et l'absence d'-une charge mémorisée dans un Ilot. Le substrat du circuit intégré est normalement au potentiel de la masse et dans ce cas, le claquage de la jonction p-n nécessaire est assuré avantageusement par ap- plication d'un potentiel positif, par exemple de 5 volts, à la bande N convenable 11 et d'un potentiel négatif rela- tivement élevé, par exemple de -15 volts, à la bande p convenable 9. Le transfert de la charge d'un îlot 5 d'une colonne à l'îlot voisin, vers le circuit intégré, est assuré par ap- plication d'un potentiel négatif à la région p+ associée 9, sans qu'une tension positive correspondante soit appliquée à la région n+ associée 11. Le transfert d'une charge de l'îlot d'extrémité d'une colonne à l'élément associé du circuit intégré est assuré d'une manière analogue. Le mécanisme du transfert d'un îlot à un autre ou au circuit intégré, s'effectue d'abord par effet-tunnel de Fowler-Nordheim des électrons provenant d'un îlot vers la bande de conduction de l'oxyde, puis par transport dans l'oxyde vers l'îlot voisin ou le circuit intégré. Le temps de transport dans l'oxyde est supérieur au temps de passage de la plus grande partie d'une charge qui se trouve dans un îlot à l'intérieur de l'oxyde, par effet tunnel, afin que la charge ne puisse pas s'accumuler dans une colonne, et une impulsion de tension de forme repré- sentée sur la figure 3 est appliquée à la région p+ corres- pondante afin que le transfert soit assuré La partie anté- rieure 15 d'amplitude relativement élevée mais relativement courte de l'impulsion provoque l'introduction de la charge dans l'oxyde, et la partie restante plus longue mais de plus faible amplitude 17 de l'impulsion assure le transport néces- saire de la charge à l'ilot suivant, sans que la charge puisse sortir de cet îlot suivant par effet tunnel avant qu'une autre impulsion de transfert soit appliquée. I 1 faut noter que, dans le dispositif particulier décrit précédemment en référence aux figures 1 et 2, bien que l'accès à des colonnes individuelles soit possible lors de l'injection des charges, toutes les colonnes associées à une même région p+ sont obligatoirement atteintes simulta- nément par l'impulsion de transfert de charge Cependant, il faut noter que, dans d'autres dispositifs selon l'invention, le circuit intégré et le dispositif associé de commande peu- vent être disposés afin qu'ils atteignent individuellement les colonnes à la fois lors de l'injection d'une charge et lors d'un transfert de charge. Dans une variante du dispositif décrit précédem- ment en référence aux figures 1 et 2, les îlots sont éclairés à travers le circuit intégré afin que l'effet tunnel soit facilité par des photons Cependant, la lumière utilisée peut avoir une énergie inférieure à la bande interdite du silicium afin que le circuit intégré ne soit pas perturbé La lumière peut être projetée à travers une grille convenable la limitant aux régions des colonnes seulement et des jonctions p-n pla- cées d'un côté des colonnes, afin qu'un claquage indésirable et une injection correspondante de charge par les jonctions p-n soient évités entre les régions 9 et 11 à la suite de l'éclairement. Dans une variante, la mobilité des charges dans la silice et en conséquence, la vitesse de transfert des charges sont améliorées par introduction de silicium ou d'une autre impureté avec une concentration élevée dans l'oxyde (silice), par implantation ionique, afin qu'il apparaisse une bande d'impuretés et une réduction de la bande interdite. On considère maintenant, en référence aux figures 4 à 6, un procédé de fabrication qui convient à la mémoire représentée sur les figures 1 et 2. D'abord, les régions p+ et ni 9 et 11 sont formées sur une première face du substrat 1 de silicium, par mise en oeuvre d'une technique classique commode quelconque d'im- plantation ou de diffusion d'impuretés. Comme l'indique la figure 4, les couches alternées 19 et 21 de silicium et de silice sont alors formées sur le substrat au-dessus des régions p+ et n+ 9 et 11 L'opération peut être réalisée par croissance épitaxiale alternée de couches de silicium et de silice, ou par croissance épitaxia- le d'une couche de silicium, oxydation partielle de la couche de silicium, croissance d'une autre couche de silicium suivie d'une oxydation partielle, etc. Comme l'indiquent les figures 5 et 6 (la figure 6 étant une vue en plan de la structure de la figure 5), de l'oxygène est alors implanté dans la structure en couches Si/502, suivant un dessin 23 formant une grille rectangulaire placée convenablement par rapport aux jonctions sous-jacentes p-n entre les régions 9 et 11, et l'ensemble est chauffé afin que tout le silicium dans lequel l'oxygène a été implan- té s'oxyde Les parties restantes 25 des couches 19 de si- licium constituent alors des colonnes d'îlots de silicium séparés par de la silice, comme voulu. Enfin, une couche monocristalline de silicium est formée à la surface exposée de la structure en couche, par exemple par recristallisation d'une couche déposée de silicium polycristallin, et le circuit intégré nécessaire est formé dans la couche de silicium monocristallin à l'aide de techniques connues. Il faut noter que, bien que le corps d'un matériau de mémorisation considéré à titre illustratif dans le mode de réalisation décrit précédemment, soit formé de silicium, cette caractéristique n'est pas indispensable Ainsi, le corps du matériau de mémorisation peut être formé par tout matériau pouvant conserver une charge électrique à des em- placements séparés et permettant le transport d'une charge d'un emplacement à un autre. De nombreux matériaux organiques ont des proprié- tés qui permettent leur mise sous forme d'une structure multicouche, par exemple par la technique de Langmuir-Blodgeti et qui permettent la mémorisation et le transfert d'une charge d'une couche à une autre par des mécanismes analogues à ceux qu'on a décrit précédemment, conviennent aussi comme matériaux de mémorisation dans une mémoire selon l'invention. REVENDICATIONS 1 Mémoire d'informations, comprenant une pre- mière partie ( 3) destinée à conserver des données et une seconde partie ( 13) donnant accès aux données conservées, caractérisée en ce que la première partie comporte un corps ( 3) d'un matériau de mémorisation électronique, et la secon- de partie comporte un circuit intégré planaire ( 13) formé sur une face ( 7) du corps du matériau de mémorisation élec- tronique, ce matériau formant plusieurs colonnes distantes et séparées d'emplacements distants et séparés ( 5) de conservation de charges électriques, les colonnes étant disposées en direction normale au plan du circuit intégré. 2 Mémoire selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit intégré est associé à un dispositif de commande ( 9, 11) placé sur le côté du corps ( 3) qui est éloigné du circuit intégré ( 13) si bien que, sous la com- mande du circuit intégré, une charge électrique peut être injectée à un emplacement de mémorisation, près du dispositif de commande, dans une colonne choisie et les charges d'une colonne choisie peuvent être transférées chacune à l'empla- cement adjacent voisin dans cette colonne, en direction du circuit intégré. 3 Mémoire selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque colonne d'emplacements de mémorisation ( 5) formée dans le matériau de mémorisation est associée à un élément correspondant du circuit intégré dans lequel une charge de l'emplacement adjacent de la colonne associée d'emplacements peut être transférée par fonctionnement du dispositif de commande. 4 Mémoire selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le corps ( 3) d'un matériau de mé- morisation est un matériau semi-conducteur, chaque emplace- ment de mémorisation ( 5) étant formé d'un matériau de cons- tante diélectrique relativement faible par rapport à celle du matériau séparant les emplacements. Mémoire selon la revendication 4, caractérisée en ce que les emplacements de mémorisation sont formés de silicium, et le matériau séparant les emplacements est formé d'oxyde de silicium ou silice, dopé ou non d'une impureté destinée à accroître la mobilité des charges. 6 Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'injection d'une charge est effectuée par un mécanisme de claquage à avalanche, et le transfert d'une charge d'un emplacement de mémorisation à un autre est ef- fectué par un mécanisme à effet tunnel et de transport. 7 Mémoire selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de commande comporte une jonction p-n placée près de l'extrémité convenable de chaque colonne d'emplacements de mémorisation. 8 Procédé de fabrication d'une mémoire selon la revendication 5, caractérisé en ce que le corps de ma- tériau de mémorisation est réalisé par formation de couches alternées ( 19, 21, figure 4) de silicium et d'oxyde de sili- cium sur un substrat ( 1), par introduction d'oxygène dans les parties ( 23) de la structure en couche ainsi formée qui sont comprises entre les régions dans lesquelles les colonnes d'emplacements de mémorisation doivent se trouver, et par chauffage de la structure en couche afin que les parties formées par le silicium de cette structure en couche et dans lesquelles de l'oxygène a été introduit, s'oxydent.