DE1949484B2 - Leitungskreuzung fuer monolithisch integrierte halbleiterschaltungen und deren verwendung in einer speichermatrix - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitungskreuzuiig für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen, bei der die erste, nichtunterbrochene Leitungsführung oberhalb einer die Halbleiterschaltung passivierenden Abdeckschicht verläuft und der Strom )^r> der zweiten unterbrochenen Leitungsführung im Bereich der Kreuzung unterhalb der passivierenden Abdeckschicht fließt.

Bei monolithischen Schaltungen mit nur einer Leitbahnebene sind Leitungskreuzungen nicht ohne weiteres realisierbar. Jedoch hat man bereits bei der Auslegung von gedruckten Schaltungen gelernt, durch Wahl einer geeigneten Topologie nicht unbedingt erforderliche Leitungskreuzungen zu vermeiden. Weiterhin ist es bekannt, unvermeidbare Leitungskreuzungen an den Stellen vorzusehen, an denen eine der beiden zu kreuzenden Leitungen über einen Widerstand geführt wird. Die andere Leitung wird in diesem Falle zwischen beiden Anschlußkontakten des Widerstandes über diesen hinweggeführt, wobei dieser selbst durch eine geeignete isolierende Abdeckschicht, beispielsweise eine solche aus Siliciumdioxid, an der Kreuzungsstelle gegen Kurzschluß geschützt ist. Eine derartige schützende, oft aus Siliciumdioxid bestehende Schicht ist häufig zur Passivierung auf der gesamten Oberfläche von monolithischen Strukturen vorgesehen. Bei Schaltungskonfigurationen, bei denen in der zu kreuzenden Leitung kein Widerstand vorgesehen ist, wurden auch bereits in der Technik der integrierten Schaltungen eine der beiden zu kreu- bo zenden Leitungen über eine kurze Strecke hinweg durch das Innere des Halbleiterkörpers geführt. Aus der französischen Patentschrift 1529953 ist es beispielsweise bekannt, eine solche Unterführung durch Eindiffusion eines Bereiches hoher Leitfähigkeit in b5 den Halbleiterkörper zu realisieren, der gegen seine Umgebung durch eine Isolationsdiffusion isoliert ist. Eine derartige Unterführung, auch als »underpass« bekannt, ist in Fig. I der vorliegenden Patentanmeldung im Schnitt und in der Draufsicht dargestellt. Auf der Figur sind die einander kreuzenden Leitungen, die z. B. aus Aluminium bestehen können, oberhalb der z. B. aus Siliciumdioxid bestehenden isolierenden Abdeckschicht klar ersichtlich. Das gleiche gilt für den N '-leitenden, die Unterführungeiner der beiden Leitungen bewirkenden Bereich, so daß von einer weiteren Erläuterung der Fig. 1 abgesehen werden kann.

Stehen für die monolithische Schaltung nach Fig. H der US-Patentschrift 3 21Κ6Ϊ3 zwei Metallisierungsebenen zur Verfugung, so lassen sich Leitungskreuzungen durch Verwendung einer isolierenden Zwischenschicht leicht realisieren.

Bei komplexeren monolithischen Schaltungsgebilden, als welche z. B. eine größere Anzahl von matrixförmig angeordneten bipolaren Speicherzellen zu betrachten ist, ergeben sich ebenfalls eine große Anzahl von unvermeidbaren Kreuzungsstellen, die bei der Auslegung derartiger Schaltungen oft erhebliche Schwierigkeiten bereiten, insbesondere, wenn nur eine einzige Leitbahn- bzw. Metallisierungsebene vorgesehen ist.

Wegen der hohen Anzahl der bei Matrixanordnungen zu realisierenden Kreuzungsstellen reichen die eingangs erwähnten Möglichkeiten nicht aus, denn meist ist die Zahl der vorhandenen Widerstände, in deren Bereich eine Kreuzungsstelle angeordnet werden könnte, zu gering oder ihre Lage innerhalb der Schaltung ist nicht in jedem Falle für diesen Zweck geeignet. Andererseits möchte man auch durch eigens eingebrachte unterführende Dotierungsgebiete nicht unnötig Flächenverluste auf dem Halbleiterplättchen in Kauf nehmen, da es besonders bei Speicherproblemen unter anderem auf eine möglichst hohe Speicherelementdichte, d. h. auf eine möglichst gute Ausnutzung des Halbleiterkörpers ankommt.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß bei in Planartechnik ausgeführten monolithischen Schaltungen die obenerwähnten Isolations- oder Trenndiffusionen besonders platzraubend sind. Hierbei werden einzelne Schaltelemente oder Teilschaltungen aus mehreren, auf geeignetem Potential liegenden Schaltelementen gegeneinander bzw. gegen das Substrat dadurch isoliert, daß sie in sogenannten Isolationswannen angeordnet werden, wobei die Isolation durch in Sperrichtung vorgespannte PN-Ubergänge realisiert wird. Bei der Einbringung derartiger Trenndiffusionen ergeben sich auf Grund der Querdiffusion relativ breite »Gräben«. Dies ist zurückzuführen auf die seitliche Ausdehnung der diffundierenden Halbleiterzone unter den Rändern der Oxidmaskenfenster, die dadurch zustande kommt, daß sich die Diffusionsfronten nicht nur in Richtung der Dickenerstreckung des Halbleiterplättchens, sondern auch senkrecht hierzu in seitlicher Richtung ausbreiten. Der hierdurch bedingte Mehrbedarf an Platz auf dem Halbleiterplättchen kann nach einer in der Praxis angewendeten Faustregel abgeschätzt werden, die davon ausgeht, daß sich die Diffusionsfront etwa mit der gleichen Geschwindigkeit in seitlicher Richtung ausbreitet, wie dies für die Tiefenerstreckung der Fall ist. Diese Tatsache fällt nun bei Trenndiffusionen besonders ins Gewicht, weil diese meist die ganze epitaktische Schicht durchdringen muß. Andererseits ist aber eine Mindestdicke der epitaktischen Schicht mit Rücksicht auf elektrische Eigenschaften der Gesamtstruktur bzw. der Schaltungselemente erforderlich.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zur Realisierung von platzsparenden Leitungskreuzungen aufzuweisen, die auch für umfangreichere Schaltungsgebilde mit einer Vielzahl von Leitungskreuzungen geeignet ist.

Die genannte Aufgabe wird nach der Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß ein hinreichend niederohmiger Elektrodenbereich eines Schailtungselementes der monolithisch integrierten Schaltung verlängert und an beiden äußeren Enden mit AnscMußkontakten für einen Leiterzug versehen ist, so daß der genannte Elektrodenbereich als Leitungsunterführung dient.

Erläuterungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels sowie aus den Figuren. Es zeigt

Fig. 1 Aufbau einer Leitungskreuzung für monolithische Schaltungen nach dem Stande der Technik, 1 a Draufsicht, 1 b Längsschnitt,

Fig. 2 Schaltschema der dem Ausfüh/ungsbeispiel zugrunde liegenden Speicherzelle,

Fig. 3 Prinzipielle Auslegung einer Halbzelle der Schaltung nach Fig. 2, 3a Draufsicht, 3b Längsschnitt,

Fig. 4 Schematische Darstellung der Auftrennung der Speicherzelle nach Fig. 3 in zwei Halbzellen. Die zur Funktion beider Halbzellen als Gesamtzelle erforderlichen Verbindungen sind die zwischen den Punkten C₁-C₁ und C₂-C₁,

Fig. 5 Darstellung eines Ausschnitts einer Speicherzelle aus einer Matrix mit 8x8 Speicherzellen nach dem Ätzen der aus Aluminium bestehenden Metallisierungsebene.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens sei als spezielles Beispiel eine monolithische Schaltung mit )5 einer matrixartigen Anordnung einer Vielzahl von bipolaren Speicherzellen mit beliebigem Zugriff gewählt. Derartige Speichersysteme erlangten in neuerer Zeit durch die Fortschritte der monolithischen Schaltungstechnik eine gewisse Bedeutung und zur Zeit kann ihre Konkurrenzfähigkeit bezüglich ähnlicher, jedoch aus Feldeffekt-Transistoren als Speicherelemente aufgebauten Speichersysteme, als erwiesen betrachtet werden. Eine derartige Speichermatrix besitzt wegen der Forderung eines beliebigen Zugriffes zu den einzelnen Speicherzellen eine Vielzahl von Kreuzungsstellen.

An Speicherzellen für monolithische Speicher mit beliebigem Zugriff sind eine Reihe von Anforderungen zu stellen, wobei die Lehre der vorliegenden Erfindung einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der Hauptforderung nach geringem Flächenbedarf zu leisten vermag. Zum besseren Verständnis des Erfindungsgedankens seien nunmehr zunächst die der als Beispiel gewählten Speichermatrix zugrunde liegende Speicherzelle bzw. deren Auslegung näher beschrieben. Fig. 2 zeigt das Schaltschema einer derartigen Zelle, die im wesentlichen aus einem bistabilen Multivibrator mit Doppelemittertransistoren und mit Dioden parallel zu den Kopplungswiderständen besteht. Die Dioden bringen unter anderem den Vorteil, daß die Zellenspannung nur schwach mit dem Zellenstrom ansteigt, weil die Diode auf der Seite des eingeschalteten Transistors leitet. Diese Niederohmigkeit der Zelle macht das gewünschte Umschalten von kleinen zu großen Strompegeln sehr einfach. Hebt man nämlich zum Adressieren die obere Wortleitung bezüglich des Potentials an, dann wird sich der Strom durch die adressierten Zellen etwa um den Spannungssprung, dividiert durch den Widerstand, erhöhen.

Denkt man an eine konventionelle Auslegung dieser Schaltung für den normalen monolithischen Prozeß, so wird man zunächst erstaunt sein über die Zahl der Komponenten, über den damit verbundenen Flächenbedarf durch Isolationswannen und über die Verdrahtungsschwierigkeit in einer Matrix, die sich durch das Kreuzen von Wort- und Bitleitungspaaren ergeben. Insbesondere werden reguläre basisdiffundierte Kopplungswiderstände viel Platz benötigen, weil sie für kleine Verlustleistung große Werte annehmen müssen.

Es sind aber seit langem doppelt-diffundierte Widerstände bekannt, sogenannte Pinchwiderstände, deren Flächenwiderstände in der Größenordnung von K) ΚΩ/± liegen im Vergleich zu 200 Ω/± der einfachen Basisdiffusion. Sie werden im gleichen monolithischen Prozeß erzeugt, in dem ein basisdiffundierter Widerstand mit der Emitterdiffusion überbrückt wird, so daß der Querschnitt des Widerstandes auf die relativ niedrig dotierte Basisdicke eines Transistors eingeengt wird.

Einem weiteren Bedenken bezüglich der betrachteten Schaltung, daß man vielleicht zu viel platzraubende Isolationswannen benötigen würde, wird durch eine weniger naheliegende Aufteilung der Zellen in zwei identische Halbzellen begegnet. Im Schaltbild sind beide Halbzellen durch verschieden strichlierte Verbindungsleitungen markiert. Jede Halbzelle läßt sich in der Auslegung in einer einzigen Wanne unterbringen, wie dies im Prinzip in der Fig. 3 gezeigt ist. Durch P' -Isolationsdiffusion wird die Wanne in der N-dotierten epitaktischen Schicht abgegrenzt, in die ein P-dotierter Basisstreifen eindiffundiert wird. Wie üblich werden die beiden Emitter des Transistors durch zwei N ^f-Diffusionen hergestellt. Die epitaktische Schicht unter der Basisdiffusion bildet den Kollektor des Transistors. Der Kollektorkontakt wird auf einem ebenfalls mit der Emitterdiffusion hergestellten N * -Streifen geöffnet, der den Basisstreifen überlappt und dadurch Verbindung zum Kollektor besitzt. Der N^f-Streifen erzeugt gleichzeitig einen Pinchwiderstand am oberen Ende des Basisstreifens zwischen dem Basiskontakt P und dem Kontakt Q. Die Diode zwischen Q und C ist nun bereits eingebaut, denn zwischen dem P-Gebiet bei Q- und N-dotierten Kollektorgebiet ist ein PN-Übergang wirksam. Die Zelle besteht demnach aus zwei gleichen Halbzellen, von denen jede wie eine Einzel komponente aussieht, obwohl sie jeweils aus mehreren Komponenten bestehen und zur Funktion der gesamten Zelle mehr beisteuern, als dies für eine Einzelkomponente der Fall ist. Dies ist ein Beispiel für das, was oft »zweite Stufe der Integration« genannt wird. Der Vorteil der genannten Auslegung liegt nicht nur im Flächengewinn, sondern auch in e'er Verringerung der Anzahl von Kontakten und in der Reduzierung der parasitären Kapazitäten, wodurch sowohl die Arbeitsgeschwindigkeit der Speicherzelle als auch ihre Zuverlässigkeit erhöht wird.

Der vorstehende Sachverhalt ist aus der Fig. 3 ersichtlich. Fig. 3 zeigt die aus dem P^-Ieitenden Substrat sowie aus den P⁺ Isolierdiffusionen bestehende Isolationswanne 6, die als Kollektor wirkende N-leitende epitaktische Schicht 7, den P-Ieitenden Basisstreifen 8, die beiden N* -leitenden Emitter 1 und 2 sowie den Basiskontakt 4, den Kollektorkontakt 5 und den in der Fi e. 1 mit O bezeichneten Knntakt

über den der Kopplungswiderstand an der Wortleitung liegt. Weiterhin ist in Verbindung mit Fig. 3a ersichtlich, daß die P-Ieitende Basiselektrode 8 in Höhe des Kollektorkontaktes 5 völlig von N-leitendem Material umgeben ist, nämlich auf der Oberseite von dem N-leitenden, den Pinchwiderstand erzeugenden Streifen 9, der gleichzeitig die Verbindung des Kollektorkoniaktes 5 zur Kollektorelektrodc herstellt. Der N ' -leitende überlappende Streifen 9 erfüllt somit gleichzeitig drei verschiedene Aufgaben:

1. Durch Einschnüren des zwischen dem Kontakt Q und dem Basiskontakt 4 liegenden Widerstandes R₍ trägt er wesentlich zu dessen Erhöhung bei;

2. er stellt eine leitende Verbindung zwischen dem Kollektorkontakt 5 und der eigentlichen N-leitenden Kollektorelektrode her;

3. er stellt einen Teil der Diode sowie die Verbindung der Kathode dieser Diode mit dem Kollektorkontakt 5 dar, wobei diese Diode zwischen der Kollektorelektrode und dem am Kontakt Q liegenden Pol des Kopplungswiderstandes R₍ wirksam ist.

In Fig. 4 ist nunmehr eine Aufteilung des Schaltschemas von Fig. 2 in die den beiden Halbzellen zuzuordnenden Schaltungskomponenten herausgezeichnet, wobei jede der beiden Halbzellen im wesentlichen einer Auslegung entsprechend der soeben beschriebenen und in der Figur gezeigten Konfiguration besitzen möge.

Nimmt man nunmehr eine geringfügige gestaltliche Modifikation der Halbzellen vor, bei der diese etwa die Form eines eckigen C annehmen, so lassen sich eine Vielzahl von Halbzellen zu einem matrixförmigen Speichersystem zusammenfassen, wobei sich die in Fig. 4 eingezeichneten Leitungsführungen zur schaltungsmäßigcn Zusammenfassung beider Halbzellen zwanglos so erweitern lassen, daß diese Verbindung bei im wesentlichen gradliniger Verlängerung gleichzeitig die Wort- und Bitleitungen der Matrix darstellen.

Im einzelnen geht dies aus der Fig. 5 hervor, die einen Ausschnitt aus der aus Aluminium bestehenden Metallisierungsebenc der Matrix nach Durchführung der Ätzung darstellt.

Auch die soeben erwähnte gestaltliche Modifikation der Halbzellen ist aus der Fig. 5 zu ersehen. Innerhalb der zu einem eckigen C geformten Halbzelle liegt ein Emitter E₁ mit nur einem Kontakt 11 ganz rechts oben. Links daneben, in etwa gleicher Höhe ist der obere Kontakt 12 des zweiten Emitters E₂ zu sehen. Der Emitter ist verlängert und nimmt den größten Teil des etwa senkrecht verlaufenden Teiles des C ein. Etwas oberhalb der linken unteren Ecke des C liegt am unteren Ende des verlängerten Emitters Λ\ ein zweiter Kontakt 13, während in der linken unteren Ecke des C der Basiskontakt 14 angeordnet ist, der gleichzeitig einen Pol des Kopplungswiderstandes Ii, darstellt. Der Kollcktoikontakt 15 ist in der rechten unteren Ecke des eckigen C zu sehen, während darüber, etwa in dem offenen Bereich des C tier Kontakt Q₁ angebracht ist, der dem zweiten Pol des Kopp lungswiderstandes R₍ entspricht. Die in Fig. 5 mit dei vorstehenden Kontaktbezeichnungen versehene Halbzelle wird von der rechten benachbarten HaIbzelle zu einer vollständigen Speicherzelle ergänzt. Die entsprechenden Kontakte dieser Halbzelle sind mi 21, 22, 23, 24, 25 und Q₂ bezeichnet. Wie ein Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 5 zeigt, werden zur Sicherstcllungder Funktion beider Halbzellen als Gesamtzelle die beiden singulärcn Verbindungen C₂-C₂ und C₁-C, in Fig. 4 bzw. 15-24 und 14-25 in Fig. 5 benötigt, die jeweils nur einmal für jede Gesamtzelle vorkommen und zu den entsprechenden Leitungen der übrigen Zellen keinerlei galvanische Verbindungen aufweisen. Für diese Leitungszüge sind daher keinerlei Kreuzungen erforderlich. Anders verhält es sich dagegen mit der Verbindung zwischen Q₁ und Q₂ sowie zwischen dem ersten Emitter 11 und 21. Diese Verbindungen vereinigen zwar ebenfalls beide HaIbzellen zu einer funktionsfähigen Gesamtzelle, stellen jedoch gleichzeitig das Wortleitungspaar der Zelle dar, über die jeweils die Information einer Matrixzeile abgefragt wird. Diese Leitungen verbinden daher alle Kontakte einer Matrixzeile und sind daher mit den Bitleitungspaaren Bit 1 und Bit 2 zu kreuzen, die ihrerseits im wesentlichen senkrecht zu dem Wortlcitungspaar verlaufen, wobei die Bit 1-Leitung alle Emitter der ersten Halbzellen und die Bit O-Leitung alle Emitter der zweiten Halbzellen je einer Matrix-

JO spalte zusammenfaßt. Diese Leitungen verlaufer nunmehr über eine Längserstreckung, die der Verlängerung der zweiten Emitter beider Halbzellen entspricht, innerhalb des im Halbleiterkörper eingebetteten gutleitenden Bereiches des zweiten Emitters wobei die Wortleitungen über die von dem verlängerten Emitter gebildeten Unterführung hinweggeführt sind. Eine zwischen verlängertem Emitter und den Wortleitungen befindliche isolierende Schicht, die z. B. aus Siliziumdioxid bestehen kann, übernimmt die

■to Isolation zwischen Wort- und Bitlcitungen an den jeweiligen Kreuzungsstellen. Es sei noch erwähnt, daß der Widerstand R'_c2 der rechten Halbzelle, über den die Bit O-Leitung führt, in der eingangs als Stand dei Technik beschriebenen Weise zur Betätigung diesel Leitungskreuzung ausgenutzt wurde. Abschließent sei nochmals darauf hingewiesen, daß sich die vorliegende Erfindung zwar nur auf die zuletzt beschriebene Konfiguration der Leitungskreuzungen erstreckt, zi deren Beschreibung als besonders geeignetes Beispie eine monolithische Speichermatrix mit beliebigen· Zugriff gewählt wurde. Erst alle im vorstehenden beschriebenen Maßnahmen zusammen, d. h. im wesentlichen die Einführung der Integration der zweiter Stufe in Verbindung mit der Realisierung der Leitungskreuzungen nach der Lehre der vorliegender Erfindung ermöglichen den Aufbau einer Speicher matrix mit den obenerwähnten günstigen Speicher eigenschaften. Diese Maßnahmen waren dahei zum Zwecke der Vcrständlichmachung des Erfin

wi dungsgedankens in ihrer Gesamtheit zu beschrei hen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Leitungskreuzung für monolithisch integrierte Halbleiterschaltungen, bei der die erste, nichtunterbrochene Leitungsführung oberhalb einer die Kalbleiterschaltung passivierenden Abdeckschicht verläuft und der Strom der zweiten unterbrochenen Leitungsführung im Bereich der Kreuzung unterhalb der passivierenden Abdeckschicht fließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein hinreichend niederohmiger Elektrodenbereich eines Schaltungselementes der monolithisch integrierten Schaltung verlängert und an beiden äußeren Enden mit Anschlußkontakten (12, 13) für einen Leiterzug versehen ist, so daß der genannte Elektrodenbereich als Leitungsunterführung dient.

2. Leitungskreuzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verlängerte Elektroden- -° bereich der Emitterbereich eines Transistors ist.

3. Verwendung einer Leitungskreuzung nach den Ansprüchen 1 und 2, bei der Herstellung einer bipolaren monolithischen Speichermatrix mit wahlfreiem Zugriff. ^