DE1262348B - In integrierter Schaltung ausgebildeter Informationsspeicher mit Vierschichtdioden und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GlIc

Deutsche KL: 21 al-37/52

Nummer: 1262 348

Aktenzeichen: M 66981IX c/21 al

Anmeldetag: 19. Oktober 1965

Auslegetag: 7. März 1968

Die Erfindung betrifft einen in integrierter Schaltung ausgebildeten Informationsspeicher und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Integrierte Schaltungen finden immer weitere Verbreitung bei Elektronenrechnern, weil sie im Verhältnis zu üblichen Schaltungen wesentlich kleiner sind, weniger Leistung verbrauchen, schneller arbeiten und zuverlässiger sind. Es gibt jedoch bisher noch keine zufriedenstellenden Speichersysteme in integrierter Ausführung; Rechner mit integrierten Schaltungen benutzen noch übliche Speichersysteme mit Magnetkernen. Magnetkerne sind zwar billig, und sie haben die gewünschten Speichereigenschaften, aber sie passen nicht völlig zu integrierten Schaltungen. Kernspeicher erfordern wesentlich längere Stromimpulse zum Betrieb, als sie integrierte Schaltungen anbieten, so daß der Strom nicht unmittelbar auf die Kernspeichersysteme gegeben werden kann. Man benötigt vielmehr eine Anzahl von Zwischenkreisen zwischen den Speichersystemen und den integrierten Schaltungen, um die Informationen weiterzuleiten. Diese Zwischenschaltungen, die sogenannten Pufferstufen, erhöhen Kosten und Aufwand der Rechner. Sie haben keinerlei weiteren Nutzen für den Rechner und sind lediglich notwendig, weil die Information nicht unmittelbar zwischen den integrierten Schaltungen und dem Magnetkernspeicher ausgetauscht werden kann.

Bei den einfacheren Magnetkernspeichern geht die Information verloren, wenn sie ausgelesen wird. Gerade dies ist ein wesentlicher Nachteil solcher Kernspeicher, weil die Information für weitere Auslesevorgänge nicht zur Verfügung steht. Zwar gibt es Kernspeichersysteme, deren Informationsinhalt beim Auslesen erhalten bleibt, jedoch sind diese wesentlich aufwendiger als die vorerwähnten Arten. Im Vergleich zu den integrierten Schaltungen, denen sie die Information zur Verfügung stellen, sind beide Speicherarten unerquicklicher und höher im Leistungsverbrauch.

Ein typsicher Speicher für zerstörungsfreies Auslesen erfordert zwei Kerne für jedes zu speichernde Informationsbit. Für einen 100 OOO-Bit-Speicher sind beispielsweise 200 000 Kerne notwendig, und durch jeden Kern müssen mehrere Drähte in besonderer Weise hindurchgeführt werden. Derartige Systeme werden normalerweise von Hand verdrahtet, und die hierbei entstehenden Kosten stellen den größten Teil der Gesamtherstellungskosten dar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Speichersystems in integrierter Schaltung, dessen Information beim Auslesen erhalten bleiben soll, ohne daß dazu eine aufwendige Schaltung notwendig In integrierter Schaltung ausgebildeter
Informationsspeicher mit Vierschichtdioden
und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Motorola, Inc., Franklin Park, JlL (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:

Orville Phillip Frazee, Phoenix, Ariz. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Oktober 1964
(405 993)

ist. Pufferstufen zwischen den integrierten Logikschaltungen und dem Speichersystem sollen entfallen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Speicherelemente als an sich bekannte Vierschichtdioden mit kontaktierten inneren Schichten und an einer Betriebsspannung liegenden äußeren Schichten ausgebildet sind, daß die inneren Schichten mit Speicher-Eingangsleitungen verbunden sind und daß das Dotiermaterial in der einen inneren Schicht auf eine Seite des mittleren pn-Übergangs so stark konzentriert ist, daß es eine feste Lösung mit dem Halbleitermaterial bildet, während die andere innere Schicht eine wesentlich niedrigere, gleichförmige Dotiermittelkonzentration aufweist.

Zwar gehören Vierschichtdioden, bei denen vier verschiedene Halbleiterschichten mit jeweils entgegengesteztem Leitungstyp hintereinander angeordnet sind, zum Stand der Technik, und auch ihre Eignung für den Betrieb als elektronischer Schalter ist bekannt. So kennt man beispielsweise Zähler, deren einzelne Zählstufen mit Vierschichtdioden bestückt sind, deren Leitungs- bzw. Sperrzustand den Zählzustand der betreffenden Stufe bestimmt. Ferner ist ein Sägezahngenerator unter Verwendung einer Vierschichtdiode bekanntgeworden, über die zum Rück-

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lauf der Sägezahnspannung ein Kondensator entladen F i g. 4 eine der F i g. 2 ähnliche Darstellung einer

wird. Auch ist ein Analysator zur Bestimmung der Alternativschaltung, bei der nur drei der vier Anzeitlichen Lage von Impulsen unter Ausnutzung des Schlüsse jedes Schalters benutzt werden,
Speichereffekts von Vierschichtdioden bekannt. F i g. 5 eine Draufsicht auf eine Halbleitereinheit

Demgegenüber besteht die Erfindung in der An- 5 des integrierten Speichers nach Fig. 1 in stark verwendung von Vierschichtdioden als Speicherelemente größertem Maßstab,

einer Speichermatrix, welche in integrierter Schaltung F i g. 6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 durch

ausgebildet ist. Die besonderen Schwierigkeiten dabei die Halbleitereinheit der Fig. 5,
liegen darin, daß bei Vierschichtdioden üblicher Bau- F i g. 7 eine aufgebrochene Darstellung eines ein-

art die Oberflächenkonzentration des Dotiermaterials io zelnen Halbleiterschalters nach einer anderen Ausin den Diffusionszonen, zwischen welchen der für den führungsform der Erfindung,

Schaltcharakter verantwortliche pn-übergang liegt, Fig. 8 eine vergrößerte perspektivische Darstel-

geringfügigen Veränderungen unterworfen ist, weiche lung der Halbleitereinheit nach Fig. 7,
die Schaltspannung jedoch derart beeinflussen, daß F i g. 9 einen Querschnitt längs der Linie 9-9 der

der Aufbau einer Speichermatrix mit Vierschicht- 15 F i g. 8 in einem anderen Maßstab und
dioden aus Gründen der erforderlichen gleichmäßigen Fig. 10 eine Reihe von Darstellungen (1OA bis

Ansteuerung sehr problematisch wird. Zur Verhinde- 10 J) zur Veranschaulichung der Herstellungsschritte rung dieser nachteiligen Effekte lehrt die Erfindung der Halbleitereinheit nach der Erfindung,
eine Dotierung, bei welcher das Dotiermaterial auf Die Vierschichtschalter des erfindungsgemäß aus-

der einen Seite des mittleren pn-Ubergangs, der für 20 gebildeten Speichers, die als pnpn- oder npnp-Halbdas Schaltverhalten maßgebend ist, so stark konzen- leiter ausgebildet werden können, sind bistabile triert ist, daß es eine feste Lösung mit dem Halbleiter- Schalter, da sie beliebig lange entweder im Ein- oder material bildet; bei einer Herstellung in integrierter im Ausschaltzustand bleiben, bis sie in den entgegenBauweise werden die Schaltspannungen sämtlicher gesetzten Zustand umgeschaltet werden.
Vierschichtdioden damit im wesentlichen gleich, so 25 Einer der wichtigsten Parameter eines Vierschichtdaß eine gute Ansteuerung möglich wird. Die Schicht _ . schalters ist seine Schalt- oder Auslösespannung. Dies mit der starken Dotiermittelkonzentration .wird dabei ist die Spannung, die an einen seiner Übergänge anzweckmäßigerweise als diffundierte Schicht ausge- gelegt werden muß, damit der Halbleiter schaltet, bildet, während die gegenüberliegende, niedriger und Der zweite oder mittlere der drei Übergänge ist der gleichförmig dotierte Schicht als epitaktische Schicht 30 sogenannte Schaltübergang und bestimmt die Schaltausgebildet sein kann. Die beiden äußeren Schichten spannung. Sie steht in enger Beziehung zur Lawinenkönnen ebenfalls eine niedrigere, gleichförmige durchbruchsspannung dieses Überganges und ist wie Dotiermittelkonzentration haben. diese bestimmt durch den spezifischen Material-und/

Zur Herstellung von Vierschichtdioden für eine oder Oberflächenwiderstand auf beiden Seiten des Speichermatrix, bei der ein Halbleiterplättchen aus 35 pn-Überganges. Führt man auf beiden Seiten des drei epitaktischen Schichten abwechselnd entgegen- Schaltüberganges an jede Schicht des Halbleitermategesetzten Leitungstyps drei aufeinanderfolgenden rials elektrische Anschlüsse, so kann man, unabhängig selektiven Diffusionsvorgängen ausgesetzt wird, schafft von den Anschlüssen an der ersten und der vierten die Erfindung ferner ein Verfahren, bei welchem im Schicht, eine Spannung zum Ein- und Ausschalten zweiten Diffusionsschritt ein Dotiermaterial bis zu 4° des Halbleiters anlegen. Diese besonderen Anschlüsse einer derartigen Konzentration in und durch die erste ermöglichen auch das Abfühlen des Vierschicht-Schicht hindurchdiffundiert wird, daß an den nicht ' schalters daraufhin, ob er im Ein- oder Ausschaltdurch einen Überzug bedeckten Bereichen der zustand ist, und zwar unabhängig von einem oder Leitungstyp der ersten Schicht umgekehrt wird und von beiden der zum Ein- oder Ausschalten benutzten das Dotiermaterial mit dem Halbleitermaterial an der 45 Anschlüsse. Dies ist eine sehr nützliche Eigenschaft Oberfläche dieser Bereiche eine feste Lösung eingeht. bei einem Schalter oder Informationselement in Dieses Verfahren liefert Vierschichtdioden mit den einem Speichersystem für zerstörungsfreies Auslesen, für den Betrieb in einer Speichermatrix gewünschten da ein Schalter mit dieser Eigenschaft seinen Zustand Eigenschaften. Es eignet sich ferner gut für die Her- nicht zu ändern braucht, wenn man feststellen will, stellung der Speichermatrix in integrierter Schaltung, 50 ob er ein- oder ausgeschaltet ist. Unter diesen Umwobei insbesondere eine große Zahl von Vierschicht- ständen sind die gespeicherten Informationsbits dioden aus einem einzigen Halbleiterplättchen her- jederzeit zugänglich, ohne daß eine besondere Schalgestellt werden, so daß bestimmte wichtige Charak- rung zur Verhinderung der Zerstörung beim Austeristika bei sämtlichen Dioden dieses Plättchens in lesen erforderlich wäre.

sehr engen Toleranzgrenzen gehalten werden können. 55 Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, Hierdurch wird die Verwendung des Plättchens in die einen vollständigen Neun-Bit-Speicher 11 in inteeinem in integrierter Schaltung ausgeführten Speicher grierter Schaltung darstellt. Ein integriertes Halbmöglich. Ieiterelement 13 ist auf einer Unterlage 12 mit zwölf

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung Zuleitungen montiert, dessen Oberseite zu Darstelan Hand der Darstellungen von Ausführungsbei- 60 lungszwecken aufgeschnitten ist. Die Unterlage und spielen erläutert. Es zeigt die oberseitige Abdeckung bestehen aus isolierendem

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Speichers in Material, wie Keramik oder Glas, und wenn sie mitintegrierter Schaltung nach der Erfindung, einander verbunden werden, dient der dabei gebildete

Fig. 2 eine schematische Darstellung der elek- hermetische Mantel dazu, das Halbleiterelement gegen irischen Schaltung des Speichers nach Fig. 1, 65 die Umgebung zu schützen. Die Verbindung zu der

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines der Halbleitereinheit durch die Unterlage hindurch ge-Vierschichtschalter in der in Fig. 2 dargestellten schieht durch Zuleitungen 14 und schließlich von Schaltung, diesen zur Halbleitereinheit 13 mit dünnen Alumi-

niumdrähten 15, die mit den Leitern 14 und mit dem Metallkontaktfaden 16 auf der Halbleitereinheit 13 verbunden sind.

Das schematische Schaltbild für diesen integrierten Speicher ist in F i g. 2 gezeigt. Dieses Speichersystem erlaubt zerstörungsfreies Auslesen und benutzt als Informationselemente neun der jeweils vier Anschlüsse aufweisendem Vierschichtelemente 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 und 27.

Bei dieser Schaltung kann jeder gute, mit vier An-Schlüssen versehene Vierschichthalbleiter als eines der neun Abfühlelemente verwendet werden, sofern alle diese Elemente sehr sorgfältig bezüglich der Schaltspannung aufeinander abgestimmt sind. Das Erfordernis der zueinander passenden Schaltspannung wird im folgenden noch näher erläutert. Während das Anpassen von Einzelelementen durch Auswahl möglich ist, ist dies offensichtlich für die Bauelemente integrierter Schaltungen nicht gut zu machen. Es würde wenig Zweck haben, einfach Widerstände und eine Mehrzahl üblicher Vierschichtdioden auf einem Plättchen aus Halbleitermaterial herzustellen und dann eine Verbindung an jede Schicht anzubringen, da die elektrischen Eigenschaften der Schaltübergänge bei den bisher zur Herstellung dieser Halbleiter benutzten Fabrikationsverfahren nicht gut reproduzierbar sind.

Bei bekannten Vierschichtdioden ist die zum Einschalten erforderliche Schaltspannung schwierig auf einen genauen Wert zu bringen, weil zur Ausbildung des Schaltüberganges mindestens zwei getrennte Diffusionsschritte erforderlich sind. Bei npnp-Halbleitern, wie auch bei pnpn-Halbleitern bisheriger Bauart treten in den den Schaltübergang bildenden Diffusionszonen geringfügige Veränderungen der Oberflächenkonzentration am Schaltübergang und ebenso in der Verteilung des Dotiermaterials innerhalb des Halbleitermaterials auf, die sich auch bei der besten Diffusionssteuerung nicht vermeiden lassen. Diese Abweichungen verursachen von Halbleiter zu Halbleiter Unterschiede in der Schaltspannung, so daß es beim gegenwärtigen Stand der Technik praktisch unmöglich ist, Viersehichtdioden bekannter Bauart als Elemente solcher integrierter Schaltungen zu verwenden.

Bei den mit vier Anschlüssen versehenen Vierschichtschaltern nach der Erfindung läßt man jedoch eine Zone des Halbleiters epitaxial wachsen, so daß in dieser eine sehr gleichmäßige Dotiermaterialkonzentraticn vorliegt. Die andere Zone wird diffundiert, so daß an der Oberfläche des Halbleitermaterials eine feste Lösung eintritt und daher die Oberflächenkonzentration in dieser Zone stets konstant ist. Wo diese feste Lösung besteht, hat die Konzentration des Dotiermaterials im Halbleiter ein Maximum, das sich bei einer ganz bestimmten Diffusionstemperatur erhalten läßt. Da die Schaltspannung, ähnlich wie die Lawinendurchbruchsspannung, üblicherweise durch die Konzentration von Dotiermaterial an Oberflächenbereichen der pn-Ubergänge bestimmt wird, lassen sich Schaltspannungen vorgegebener Werte und in engen Toleranzen leicht herstellen, da die Dotiermittelkonzentration an der Oberfläche des Halbleitermaterials auf jeder Seite des Überganges von Halbleiter zu Halbleiter auf einem einzigen Plättchen im wesentlichen konstant ist. Bei der Herstellung einer großen Anzahl dieser Halbleiter auf einem Halbleiterplättchen besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß alle Halbleiter gut zueinander passen, so daß das Plättchen als Speichereinheit in einer integrierten Schaltung verwendet werden kann.

Die Betriebsweise des Vierschichtschalters in dem Speicher nach Fig. 2 ist an Hand der Fig. 2 und 3 erläutert. Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines einzelnen Vierschichtschalters, und für die Beschreibung soll er die Rolle des Schalters 24 in der Schaltung einnehmen. Zum Einschalten des Vierschichtschalters, d. h. zum Umschalten von einer hohen Impedanz zu einer niedrigen Impedanz, muß der Schaltübergang 29 umgekehrt auf einen Wert vorgespannt werden, der die Schaltspannung übersteigt, wie es bei jedem Vierschichthalbleiter der Fall ist. Bei dem mit vier Anschlüssen versehenen Halbleiter 24 schaltet die an irgendeine Anschlußkombination gelegte Spannung, die die über dem Schaltübergang 29 zu messende Spannung zum Überschreiten der Schaltspannung bringt, in den Zustand niedriger Impedanz um. Der Halbleiter bleibt so lange in diesem Zustand, wie ein Mindeststrom, der sogenannte Haltestrom, über den Schaltübergang 29 fließt. Der Haltestrom wird durch die Vorspannung V_b, die an der ersten und an der vierten Schicht 30 bzw. 31 des Halbleiters anliegt, mittels des strombegrenzenden Widerstandes 33 (F i g. 2) aufrechterhalten.

Die Schichten 34 und 35 des Halbleitermaterials beiderseits des Schaltüberganges sind mit den x-Eingangsanschlüssen 36, 37 und 38 und den y-Eingangsanschlüssen 39, 40 und 41 des Speichers nach F i g. 2 verbunden.

In dem Speicher nach F i g. 2 läßt sich Information durch Anlegen zeitlich bestimmter Spannungsimpulse an irgendeinen der x- und y-Eingänge einspeichern. Diese V_x und V₃, genannten Spannungsimpulse müssen eine solche Höhe haben, daß, gemessen über dem Schaltübergang,

1. ihre Summe zuzüglich der Vorspannung größer als die Schaltspannung ist, d. h.

[V_b+V_s+V_y]>V_B0
und

2. der Wert einer der beiden Eingangsspannungsimpulse plus dem Wert der Vorspannung kleiner ist als der Wert der Schaltspannung, d. h.

und

V_X]<V_BO

< V

₁₃₀.

Wenn die zweitlich bestimmten Spannungsimpulse bei einem bestimmten Halbleiter, beispielsweise dem Halbleiter 24, zur gleichen Zeit ankommen, so wird die Schaltspannung unter diesen Bedingungen überschritten und der Halbleiter 24 schaltet ein. Wenn die Impulse nicht gleichzeitig am Halbleiter 24, sondern nacheinander ankommen, wird die Schaltspannung am Übergang 29 nicht überschritten und der Halbleiter 24 bleibt abgeschaltet. Die Eigenschaft, daß zeitlich aufeinander abgestimmte Impulse in dieser Weise verwendet werden können, wird als Koinzidenzeigenschaft bezeichnet. In Schaltungen, bei denen die Größe ein einschneidender Gesichtspunkt ist, vereinfacht diese Eigenschaft den erforderlichen Schaltungsaufwand wesentlich und verringert ihn, da die Möglichkeit besteht, mit nur wenigen Eingängen eine große Zahl von Halbleitern zu steuern. Wenn diese Eigenschaft nicht ausgenutzt würde, wäre für

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jeden Halbleiter ein besonderer Satz Eingänge not- mit Fig. 10 beschrieben ist, ausgebildet. Bei dieser

wendig. Ausführungsform sind pnpn-Schalter benutzt, wobei

Zur Anwendung dieser Koinzidenzeigenschaft bei die erste und die dritte Schicht p-leitend und die

einem System mit mehreren Schaltern der Art des zweite und die vierte Schicht η-leitend sind. Die Schalters 24 ist es absolut wesentlich, daß die Schalt- 5 Schaltung würde gleich gut arbeiten, wenn man npnp-

spannung jedes Halbleiters etwa die gleiche wie die Schalter benutzte, wobei dann in entsprechenden

der anderen ist, wobei die maximale Abweichung der Schichten der entgegengesetzte Leitungstyp anzu-

Schaltspannung ±10% betragen darf. Sind die treffen sein würde.

Schaltspannungen einiger Halbleiter sehr viel größer Die Strombegrenzungs-Widerstände 33 der F i g. 5 als die von anderen, darm sind große Impulse an io können durch dünne Filme gebildet werden, in dieser den x- und y-Eingängen notwendig, um sie einzu- Ausführungsform sind sie jedoch durch Festkörperschalten, und nur einer dieser Impulse, beispielsweise diffusion entstanden.

ein y-Eingangsimpuls, kann schon.groß genug sein, Die Metallstreifen 36', 37' und 38' sind die x-Ein-

um einen oder mehrere der Schalter mit niedrigerer gänge, und sie sind mit den Metallkontakten 55

Schaltspannung einzuschalten, selbst wenn ein i₅ der zweiten Schicht 51 der Schalter verbunden. Die

x-lmpuls nicht gleichzeitig ankommt. Dies ist jedoch Metallstreifen 39', 40' und 41' sind die y-Eingänge,

nicht zulässig, weil dadurch eine falsche Information und diese sind mit den Metallkontakten 57 der dritten

in den Speicher kommt. Schicht verbunden. Die Metallstreifen 43', 44' und

Wenn die Impulse zeitlich so abgestimmt sind, daß 45' dienen dem Auslesen, und sie sind mit den Metallder Schalter24 (Fig. 2) eingeschaltet wird, befindet 20 kontakten der ersten Schicht 56 und den Stromer sich in seinem Zustand niedriger Impedanz, und begrenzungswiderständen 33 verbunden: Der Metallein Haltestrom fließt durch ihn, um ihn in diesem streifen 70 führt den Schaltern durch die Strom-Zustand zu halten. Zur Informationsprüfung, d. h. begrenzungswiderstände 33, mit denen sie verbunden zum Abfühlen, ob der Schalter ein- oder ausgeschaltet sind, die Vorspannung zu. Der Metallkontakt 30' ist ist, wird ein Abfühlimpuls auf den y-Eingang 40 ge- 25 mit dem Streifen 70 verbunden, und an den Kontakt geben und am Ausleseanschluß 45 wird gemessen. Da kann ein elektrischer Leiter, etwa ein Draht, angeder Schalter im Zustand niedriger Impedanz ist, fließt schlossen sein. Die Unterfiäche der Siliziumhalbleiterein Strom vom y-Eingang 40 zum Ausleseanschluß einheit der F i g. 6 ist mit einem Metall 71 bedeckt, 45, wo er abgekühlt wird und den Einschaltzustand so daß die Einheit auf die Unterlage nach Fig. 1 des Halbleiters 24 anzeigt. Die Pegel der zu diesem 30 aufgelötet werden kann. Ein Metallkontakt 31' leitet Abfühlimpuls gehörigen Ströme und Spannungen sind der vierten Schicht 53, die allen Schaltern gemeinsam derart, daß der Zustand des Schalters erhalten bleibt, ist, die Vorspannung zu. so daß ein zerstörungsfreies Auslesen möglich ist. Außer in den metallisierten Bereichen, in denen

Die Information kann durch Unterbrechung der der Kontakt zu den Komponenten hergestellt wird,

Vorspannung aus dem Speicher entfernt werden; da- 35 ist die obere Fläche der Halbleitereinheit mit einem

durch vermindert sich der Haltestrom auf Null, so Film aus Siliziumdioxyd bedeckt, der die Streifen von

daß der Halbleiter in den Aus-Zustand gebracht wird. der darunterliegenden Siliziumoberfläche elektrisch

Die Ausführungsform nach F i g. 2 ist ein Neun- isoliert. Nicht dargestellte dünne Filme aus Silizium-Bit-Speicher, jedoch kann das gleiche generelle monoxyd zwischen kreuzenden Metallstreifen verSchema auch für größere Speicher benutzt werden. 40 hindern einen Kurzschluß an der Kreuzungsstelle. So werden beispielsweise für einen Hundert-Bit- Eine Ausführungsform des Vierschichtschalters ist Speicher hundert Schalter mit hundert Widerständen in Fig. 7 dargestellt. In der Anordnung75 ist der in zehn Reihen und zehn Spalten in gleicher Weise Halbleiter 76 im wesentlichen der gleiche wie jeder wie die drei Reihen und Spalten der Fig. 2 ange- der Vierschichtschalter der integrierten Halbleiterordnet. Die Vierschichthalbleiter eines integrierten 45 einheit der F i g. 5. Der Halbleiter ist auf einer Metall-Speichers können in verschiedener Weise miteinander unterlage 78 nach Art der Glas-Metall-Verbindung verbunden werden, vorausgesetzt, daß die Schalt- befestigt und hat vier Anschlüsse 79, 80, 81 und 82, spannung für alle Halbleiter der integrierten Schal- von denen drei über dünne Drähte 83, 83' und 83" tungen im wesentlichen die gleiche ist. mit metallischen Elektroden auf der Oberfläche des

Eine Möglichkeit, bei der nur drei der vier An- 50 aktiven Halbleiterelementes verbunden sind, während Schlüsse benutzt werden, ist in F i g. 4 dargestellt. In der vierte durch einen kleinen Draht 83'", der zwidieser Schaltung liegt die Vorspannung F₆ an den sehen dem Leiter 82 und der Unterlage 78 verläuft, x- und y-Eingangsanschlüssen 45 und 46. Gleich- mit dieser verbunden ist. Eine aufgeschnitten darzeitige x- und y-Impulse am Halbleiter schalten ihn gestellte Kappe 89 ist mit der Unterlage 78 verin gleicher Weise wie in Fig. 2 an, und ausgelesen 55 schweißt und bildet so einen hermetischen Abschluß wird durch Abfühlen des Anschlusses 47, wobei der des Halbleiters. Der Halbleiter 76 ist stark vergrößert Abfühlstrom zwischen den y-Eingängen und dem in Fig. 8 und im Schnitt längs der Linie 9-9 in Ausleseanschluß 47 in gleicher Weise, wie es im Fi g. 9 dargestellt. Er besteht aus einem kleinen Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben ist, fließt. Siliziumplättchen mit drei np-Übergängen 87,88 bzw.

Die Silizium-Halbleitereinheit des integrierten 60 89, die an ihren Begrenzungen an der Außenfläche Speichers nach Fig. 1 ist in stark vergrößerter des Siliziumplättchens durch einen passivierenden Draufsicht in F i g. 5 und im Querschnitt in F i g. 6 Film 90 aus Siliziumoxyd abgedeckt sind. Die Angezeigt. Die erste, zweite und dritte Schicht 50, 51 Schlüsse zu der ersten, zweiten und dritten Zone 91, bzw. 52 jedes der neun Vierschichtschalter sind von- 92 bzw. 93 des Halbleiterplättchens sind als kleine einander getrennt, während die vierte Schicht 53 allen 65 quadratische Aluminiumelektroden 94 bzw. als Aluneun Schaltern gemeinsam ist (F ig. 6). Die Schichten minium-Quadrat-Ringelektroden 95 und 96, die konder Halbleitereinheit werden durch ein Festkörper- zentrisch um die Elektrode 94 angeordnet sind, aus-Diffusionsverfahren, wie es später im Zusammenhang gebildet. Die elektrische Verbindung zur vierten

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Schicht 99 des Halbleiterpiättchens geschieht über Siliziumdioxyd als Maske gegen die Diffusion von einen Metallbereich 100, der auf den Boden des Dotiermaterial wirkt, so daß nur die Zonen, an Plättchens aufgedampft ist. Die Vierschichtanordnung denen das Oxyd entfernt ist, diffundiert werden,
der in Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsform Anschließend läßt man Bor zur Bildung der

ist nicht schwierig herzustellen. Die Verfahrensschritte 5 p-Zonel20 (Fig. IOD), die sich an den p-leitenden zur Bildung dieser Halbleitereinheit und auch der Träger 111 des Plättchens 110 anschließt und einen integrierten Halbleitereinheit nach Fig. 5 gleichen der pn-Ubergänge 122 des Vierschichtschalters besieh mit der Ausnahme, daß in der integrierten Schal- grenzt, in das Plättchen eindiffundieren. Während tung ein zusätzlicher Diffusionsschritt zur Bildung des Diffusionsschrittes wächst das Oxyd 123 neu der Strombegrenzungswiderstände erforderlich ist und io über der diffundierten Zone. Ein Teil des Oxyds ein weiterer Verfahrensschritt zur Bildung der für 116' wird dann, wie Fig. 1OE zeigt, zur Bildung die verschiedenen Anschlüsse erforderlichen Metalli- der Öffnung 125 weggeätzt. Dieses dient der Vorsierung benötigt wird. bereitung eines weiteren Schrittes selektiver Dif-

Zunächst sei die Herstellung von Vierschicht- fusion.

halbleiterschaltern beschrieben, da hier weniger 15 Beim nächsten Schritt (Fig. 10F) läßt man Phos-Schritte als bei dem Halbleiter für den integrierten phor durch die öffnung 125 zur Bildung des Speicher erforderlich sind. Diese letztere Einheit um- n-Bereiches 138 in das Silizium diffundieren. Diese faßt mehrere Vierschichtschalter, die gleichzeitig auf Diffusion geschieht so, daß eine besonders starke einem einzigen Siliziumplättchen durch Festkörper- Konzentration des Phosphordotiermaterials sich an Diffusionsverfahren ausgebildet werden, und zwar ao der Oberfläche 132 des Siliziums ansammelt, so daß gleichzeitig mit den erforderlichen Strombegren- eine feste Lösung des Phosphor-Dotiermaterials in zungswiderständen, die alle in der in F i g. 6 be- dem Silizium an der Oberfläche eintritt. Unter diesen schriebenen Weise miteinander verbunden sind. Bedingungen hat die Phosphorkonzentration an der

Die Herstellung beginnt mit der Bildung eines Oberfläche und genau darunter immer einen konplättchenförmigen Trägers 111 aus p-leitendem SiIi- as stanten Wert. Diese Diffusion bildet den Schaltzium, auf dem man epitaktisch eine η-leitende SiIi- pn-übergang 134. Da die Oberflächenkonzentration ziumschicht 112 und dann eine p-leitende Silizium- des Dotiermaterials auf der n- oder phosphordiffunschichtll4 wachsen läßt, wie es Fig. 1OA zeigt. dierten Seite des Überganges konstant ist und die

Die Techniken des epitaxialen Wachstums sind in Konzentration des p-Dotiermaterials auf der durch der Halbleiterherstellung weitaus üblich. Das Wach- 30 epitaxiales Wachsen gebildeten Seite des Überganges sen der Epitaxialschichten 112 und 114 geschieht relativ konstant ist, ist die Schaltspannung für diesen durch Ablagerung von Silizium aus Siliziumdämpfen, Übergang, die durch diese Oberflächenkonzentration die aus der Wasserstoffreduktion einer Silizium- bestimmt ist, von Halbleiter zu Halbleiter auf einem verbindung, wie etwa Siliziumtetrachlorid (SiCl₄), einzigen Träger im wesentlichen die gleiche, und entstehen. Ein flüchtiges n- oder p-Dotiermaterial 35 zwar in Toleranzen innerhalb ±10%. Durch dieses wird dem Siliziumdampf während des Verfahrens zu- Merkmal wird die Schaltspannung in so engen Grengesetzt, so daß das gewachsene epitaxiale Material zen gehalten, und dieses läßt sich durch andere durch und durch eine gleichförmige Verteilung des Methoden nicht erreichen, so daß nur hierdurch ein Dotiermaterials enthält. Folgende Bedingungen für integrierter Speicher mit den erwähnten Koinzidenzdas epitaxiale Wachsen sind typisch: In einem durch 40 eigenschaften verfügbar wird. Dies ist ebenfalls bei Verbrennung beheizten Ofen wird ein Siliziumträger der Herstellung von einzelnen Halbleitern nützlich, auf etwa 1100° C aufgeheizt, während eine gas- da bei der Herstellung genauere Toleranzen einhaltförmige Mischung aus Siliziumtetrachlorid, die eine bar sind und nur Halbleiter mit den gewünschten geeignete Konzentration eines p-Dotiermaterials, bei- Schaltspannungseigenschaften hergestellt zu werden spielsweise Diboran, oder eines η-leitenden Dotier- 45 brauchen. Während der Phosphordiffusion bildet materials, beispielsweise Phosphin, enthält, zusam- sich ein Film 137 aus Phosphorsilikatglas aus, der men mit Wasserstoff über den Siliziumträger geleitet die Siliziumzonen in den Bereichen, wo das Siliziumwird. Unter diesen Bedingungen werden dotierte oxyd vorher weggeätzt worden war, wieder bedeckt. n- oder p-Siliziumschichten auf der Oberfläche des Die Diffusion wird genügend lange fortgesetzt, so Trägers abgelagert. Die Schichten 112 und 114 wer- 50 daß das Material 138 in η-leitendes Material umden zusammen mit dem Träger 111 im folgenden als gewandelt wird und sich an die η-leitende Schicht Plättchen 110 bezeichnet. 112 entlang der gestrichelten Linie 139 anschließt.

Vierschichthalbleiter des erfindungsgemäß aus- Wieder wird mit der photolithographischen Masgebildeten Speichers werden in Mengen zu ein- ken- und Ätztechnik eine Öffnung 141 (F i g. 10 G) hundert oder mehr auf jedem Siliziumplättchen aus- 55 geätzt, um die Oberfläche des Siliziums freizulegen, gebildet. Zur besseren Veranschaulichung ist in den Diese Zone befindet sich im wesentlichen zentrisch Zeichnungen 1OA bis 1OJ genügend von einem über der darunterliegenden p-Zone 142 (Fig. 10H). Plättchen 110 dargestellt, um die Herstellung einer Mit einer kurzzeitigen Phosphordiffusion wird

einzigen Halbleitereinheit zu zeigen. dann die Zone 143 ausgebildet, die die erste Schicht

Schichten 116 und 117 aus Siliziumdioxyd einer 60 des Vierschichthalbleiterschalters darstellt. Der erste Dicke von etwa 2500 A werden auf der Oberseite Übergang 145 wird auf diese Weise gebildet, wie es und der Unterseite des Siliziumplättchens ausgebil- Fig. 1OH zeigt. Während dieser Diffusion bildet det, wie Fig. 1OB zeigt. Mit den bekannten photo- sich eine Schicht aus Phosphorsilikatglas 147 auf der lithographischen Masken- und Ätzverfahren ätzt man Oberfläche des Siliziums, das dessen frei liegende einen Teil der oberen Schicht 116 des Silizium- 65 Fläche wieder bedeckt.

dioxyds zur Ausbildung des in Fig. IOC gezeigten Mit einem dritten und letzten selektiven photo-

Musters weg. Dies geschieht zur Vorbereitung des lithographischen Ätzschritt werden die Öffnungen folgenden Schrittes selektiver Diffusion, bei dem das 150, 151 und 152 im Oxyd über dem ersten, dem

zweiten und dem dritten Bereich 143, 142 und 138 der Siliziumhalbleitereinheit ausgebildet, wie Fig. 101 zeigt. Dann werden Aluminiumelektroden 156, 157 und 158 in diesen offenen Bereichen abgelagert, wie Fig. 1OJ zeigt. Das gesamte Oxyd 117 wird von der gegenüberliegenden Oberfläche des Plättchens entfernt, und Gold 160 wird auf dem Silizium abgelagert. In den folgenden Schritten, die nicht veranschaulicht sind, wird das Plättchen in Halbleitereinheiten 76, wie aus F i g. 8 ersichtlich, zerschnitten, und diese werden auf Unterlagen 78, wie Fig. 7 zeigt, aufgelötet. Während des Lötens ruht die Halbleitereinheit 76 auf der goldüberzogenen Unterlage 78, und beide werden auf eine Temperatur von über 375° C gebracht. Da das Gold und das Silizium in engem Kontakt sind, verbindet sich das Gold mit dem Silizium, und die Halbleitereinheit 76 wird dabei auf der Unterlage 78 befestigt. Man bildet dann elektrische Anschlüsse aus, und die Einheit wird durch Aufschweißen der Kappe 89 auf die Unterlage 78, wie es die F i g. 7 und 8 veranschaulichen, hermetisch abgeschlossen. Der vier Anschlüsse aufweisende Vierschichtschalter ist dann fertig und wird elektrisch geprüft.

Die Herstellung eines integrierten Speichers auf einem Siliziumplättchen unterscheidet sich nur wenig von der Herstellung von einzelnen Vierschichthalbleitern. Bis zur Diffusion der Zone 143 (Fig. 10H) der ersten Schicht sind die Diffusionsschritte die gleichen.

Unterschiede treten in den folgenden Schritten nur darin auf, daß die Strombegrenzungswiderstände 33 (F i g. 2 und 5) auf dem Wege der Festkörper^- diffusion zugefügt werden. Metallisierte Kontakte an die Zonen 120, 138, 142 und 143 jeder der einzelnen Halbleiter, wie einer in Fig. 1OJ dargestellt ist, werden in Form dünner Aluminiurnfilme aufgedampft. Auch werden Metallkontakte für die Strombegrenzungswiderstände und die Elemente der integrierten Halbleiterschaltung in der an Hand der F i g. 5 und 6 beschriebenen Weise ausgebildet. Die Halbleitereinheit 13 wird dann montiert, angeschlossen und zur Bildung des in F i g. 1 gezeigten integrierten Speichers verschlossen.

Das Verfahren zur Herstellung der Schaltübergänge eignet sich für Halbleiter mit zwei, drei oder vier Anschlüssen und ermöglicht ihre Produktion mit engeren Toleranzen der Schaltspannung. Der Ausschuß bei der Produktion guter Vierschichthalbleiter wird damit wesentlich geringer.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. In integrierter Schaltung ausgebildeter Informationsspeicher, dadurch gekennbekannte Vierschichtdioden mit kontaktierten inneren Schichten (34, 35) und an einer Betriebsspannung liegenden äußeren Schichten (30, 31) sind, daß die inneren Schichten (34, 35) mit Speichereingangsleitungen (36, 37, 38; 39, 40, 41) verbunden sind, und daß das Dotiermaterial in der einen inneren Schicht (34) auf einer Seite des mittleren pn-Überganges so stark konzentriert ist, daß es eine feste Lösung mit dem Halbleitermaterial bildet, während die andere innere Schicht (35) eine wesentlich niedrigere gleichförmige Dotiermittelkonzentration aufweist.

2. Informationsspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine der äußeren Schichten der Vierschichtdioden mit einem Ausleseanschluß (43, 44, 45) und über einen Widerstand (33) mit der Betriebsspannung verbunden ist.

3. Informationsspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der inneren Schichten der Vierschichtdioden als epitaktische Schicht (35) gleichförmiger Dotiermittelkonzentration ausgebildet ist, während die andere innere Schicht (34) als diffundierte Schicht ausgebildet ist.

4. Informationsspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Schichten (30, 31) der Vierschichtdioden eine niedrigere gleichförmige Dotiermittelkonzentration haben.

5. Verfahren zur Herstellung von Vierschichtdioden für den Informationsspeicher nach den vorstehenden Ansprüchen, bei dem ein HaIbleiterplättchen aus drei epitaktischen Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps drei aufeinanderfolgenden selektiven Diffusionsvorgängen ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Diffusionsschritt ein Dotiermaterial bis zu einer derartigen Konzentration in und durch die erste Schicht hindurchdiffundiert wird, daß an den nicht durch einen Überzug bedeckten Bereichen der Leitungstyp der ersten Schicht umgekehrt wird und das Dotiermaterial mit dem Halbleitermaterial an der Oberfläche dieser Bereiche eine feste Lösung eingeht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3 072 804;
»Elektronik«, November 1959, S. 329 bis 331;
»radio mentor«, 1960, Nr. 12, S. 965, 966;
Steinbuch,.»Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung«, 1962, S. 244, 245;

»Proceedings IRE«, November 1960, S. 1905,1906; »IRE Transactions on Electronic Computers«,

zeichnet, daß die Speicherelemente an sich 55 Dezember 1962, S. 793 bis 796.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

809 517/506 2.68 © Bundesdruckerei Berlin