DE2011851B2

DE2011851B2 - Elektrische speichermatrix in kompaktbauweise

Info

Publication number: DE2011851B2
Application number: DE19702011851
Authority: DE
Inventors: Ronald George Birmingham Mich. Neale (V.StA.)
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1969-03-13
Filing date: 1970-03-12
Publication date: 1976-03-25
Also published as: NL170201B; FR2037195B1; BE747342A; NL170201C; NL7003605A; FR2037195A1; CH523573A; DE2011851C3; GB1308711A; DE2011851A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Speichermatrix in Kompaktbauweise, mit einem Trägerkörper, mit einer Gruppe von in Reihen isoliert voneinander angeordneten ^-Leitern, mit einer Gruppe von in Spalten angeordneten Y-Leitern, von denen mindestens eine Gruppe in den Trägerkörper integriert bzw. eingebettet ist, mit im Bereich der Kreuzungsstellen der Leiter angeordneten, zur Speicherung dienenden, halbleitenden, bistabilen Schalterelementen, die bei Überschreiten einer Schwellenspannung vom Zustand hohen elektrischen Widerstands plötzlich in den Zustand niedrigen elektrischen Zustande umschalten und durch einen Stromimpuls wieder in den Zustand hohen elektrischen Widerstands zurückschalten, und mit jeweils in Reihen zu den bistabilen Schalterelementen geschalteten, halbleitenden Trennelementen, die ihrerseits mit den Leitern der anderen Gruppe in Verbindung stehen.

Eine Speichermatrix dieser Gattung ist bereits be-

kannt (DT-AS 12 12 155). Bei dieser bekannten Ausbildung ist eine Gruppe von Leitern in einen Isolierkorper und die andere Gruppe von Leitern in einen zweiten Isolierkörper eingebettet. Zwischen buden Leitergruppen befindet sich eine Schicht aus dem einen Festkörper bildenden Material, beispiels-„» iise aus Tellur mit einem Zusatz eines Elements aus

*--ier Gruppe FV des periodischen Systems, wie Germanium. Die Massenproduktion läßt jedoch hinsichtlich der Kosten und der kompakten Bauweise noch zu wünschen übrig.
Darüber hinaus ist es bekannt (FR-PS 15 33 269),

κ bei einer Transistorschaltung die Transistoren durch 'Dotieren des leitenden Trägerkörpers in diesen ein-'zubetten und "Isolierschichten auf den aus Silizium -bestehenden Trägerkörper aufzutragen. Zum Verbinden der entsprechenden Bereiche dienen zusätzliche aufgetragene Leiterbahnen.

Ferner sind Halbleiterschaltkreise in Festkörperbauweise bekannt( US-PS 32 95 031), bei denen leitfähige Streifen auf Trägerkörpern, die Flip-Flop-Schaltungen enthalten, aufgetragen sind und bei denen isolierende Streifen in den Trägerkörper integriert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Speichermatrix der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß sie in Massenproduktion einfacher herstellbar und kompakter, d. h. unter Beanspruchung eines noch geringeren Raumes, ausbildbar ist.

Die Erfindung besteht darin, daß der Trägerkörper aus Halbleitermaterial besteht, in das die Trennelemente eingebettet bzw. integriert sind und von dem leitfähige Streifen eines gegebenen Leitfähigkeitstypus die Leiter der in den Trägerkörper eingebetteten bzw. integrierten Leitergruppe bilden, während die andere Leitergruppe und die Schalterelemente an einer Seite des Trägerkörpers abgeschiedene bzw. niedergeschlagene Filme sind.

Hierdurch wird die genannte Aufgabe auf sehr einfache Weise gelöst, ohne daß erst zwei getrennte Trägerkörper mit Leitern versehen und dann unter Einfügen einer Festkörpe-schicht vereint werden müßten, was besonders dann zu einer sehr komplizierten Herstellung führt, wenn im Bereich der betreffenden Kreuzungsstellen der Leiter echte Trennelemente, wie Dioden, anzubringen sind. Mit anderen Worten, ermöglicht die Erfindung die Realisierung des seit vielen Jahren bekannten Wunsches, derartige elektrische Speichermatrizen in einer All-kompakt-Bauweise im Sinne der an sich bereits bekannten integrierten Herstellungsart aufzubauen. Hierdurch ist es möglich, selbst unter Verwendung elektrischer Speichermatrizen aufgebaute Schaltungen in einem derartigen Ausmaß zu verkleinern, wie dies bisher noch nicht möglich war. Die Anwendung der Erfindung auf Matrizen einer Koinzidenz-Spannungs-Speichermatrix ist insofern besonders vorteilhaft, als diese billiger herstellbar und leichter verwendbar ist als andere bereits bekannte magnetische oder sonstige Speichermatrizen. So können nach dieser bevorzugten Anwendungsform der Erfindung zwei Arbeitsschritte beim Lesen eingespart werden und ist es im Unterschied zu Magnetspeichern auch weniger leicht möglich eingespeicherte Daten ungewollt zu löschen, wodurch »zerstörungsfreies Lesen« möglich ist.

Es empfiehlt sich, die Trennelemente aus dem Halbleitermaterial des Trägerkörpers selbst zu bilden, in dem insbesondere in der Nähe jeder Kreuzungsstelle pn-dotiertc Übergangsbereiche des vor allem aus Silizium eines im wesentlichen einzigen Leitfähigkeitstypus bestehenden Trägerkörpers Trennelemente angeordnet sind. Die leitfähigen Streifen des Trägerkörpers sollten dabei einen stark dotierten entgegengesetzten Leitfähigiceitstvpus aufweisen.

Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung trägt der Trägerkörper eine mit einer der Leitergruppen versehene Isolierschicht, die im Bereich der Kreuzungsstelle jeweils ein Loch aufweist, das mit im wesentlichen amorphem Halbleitermaterial des Schalterelements und gegebenenfalls mit elektrodenbildendem Material gefüllt ist, das mit dem Schalterelement kontaktiert ist.

Beispiele für das im wesentlichen amorphe Halbleitermaterial des Schalterelements sind insbesondere in der US-PS 32 71 591 beschrieben. Ein solches Halbleitermaterial kann aus seinem stabilen Sperrzustand hohen elektrischen Widerstands schlagartig in einen stabilen Leiterzustand niedrigen elektrischen Widerstands überführt werden, wenn beispielsweise eine an die im Abstand voneinander liegenden Teilen des Materials angelegte Spannung eine gegebene

Schwellenspannung überschreitet und der Stromfluß während einer genügenden Zeitdauer, beispielsweise 1 bis 100 ms oder darüber, gewährleistet ist. Der Leiterzustand niedrigen Widerstands bleibt dann auch nach Abschalten der Spannung bzw. Beseitigen des Stromflusses aufrechterhalten. Zum Wiederherstellen des Sperrzustands hohen Widerstands wird beispielsweise ein Stromimpuls verhältnismäßig kurzer Zeitdauer von 10 μ? oder darunter angewendet. Die Zustandsänderungen können insbesondere auf Änderungen der Atom- bzw. Molekularstruktur des vorzugsweise polymeren Halbleitermaterials erfolgen, wobei der im wesentlichen amorphe Zustand in einen Zustand größesrer Ordnung beispielsweise bis in den Kristallinzustand übergeht. Solche Änderungen kön-

nen auch im wesentlichen nur innerhalb einer Größenordnung liegen, die sich über einen kurzen Bereich erstrecken, wobei jedoch immer noch ein im wesentlichen ungeordneter bzw. im allgemeinen amorpher Zustand vorhanden ist. Die Änderungen können auch von der Größenordnung eines kurzen Bereichs zu einer solchen eines langen Bereiches erfolgen, bei der in kristallinartiger oder pseudokristalliner Zustand geschaffen wird. Das Halbleitermaterial des Schaltevelements braucht daher das Loch nur zu einem Bruch-So teil seiner Tiefe auszufüllen, so daß das elektrodenbildende Material das Loch schließlich vollständig ausfüllt und mit den entsprechenden auf dem Trägerkörper bzw. der Isolierschicht aufgetragenen Y- bzw. AT-Leitem kontaktiert ist. Im Interesse der Zweckmäßigkeit und Verläßlichkeit des Betriebs wird hierdurch der Stromleitungspfad durch das Halbleitermaterial auf einen zweckmäßigen Querschnitt begrenzt, in dem unter jedem Halbleitermaterial ein punktartiger Bereich aus isolierfähigem Material mit einem

6b porenartigen Loch aufgetragen ist, so daß nur ein kleiner Teil der Außenfläche jedes X- oder Y-Leiters an dieser Stelle für den Schichtauftrag des betreffenden Halbleitermaterials frei liegt. Wenn dann die Schicht des Halbleitermaterials über der in dem punktförmigen Bereich aus Isoliermaterial gebildeten Pore aufgetragen wird, tritt das Halbleitermaterial in die Pore ein und gelangt in Kontakt mit dem betreffenden X- bzw. Y-Leiter in dem verhältnismäßig

kleinen Flächenbereich beispielsweise einer Größenordnung von etwa 5 bis 40 μηι und insbesondere 20 μηι oder darunter. Durch die Halbleiterschicht wird dann praktisch immer an der gleichen Stelle ein fadenförmiger Stromleitungspfad gebik'et.

Ein solches porenartiges Loch in dem Isoliermaterial wird beispielsweise dadurch hergestellt, daß ein lichtempfindliches saures oder Säureschutzmaterial aufgetragen wird, das fixiert wird, wenn es einer Bestrahlung mit Licht auf der Filmauftragsfläche der betreffenden Trägerschicht ausgesetzt wird. Zum Verdecken derjenigen Teile der Schutzmasse, die durch Säure oder andere chemische Behandlung nicht beseitigt werden sollen, kann eine Fotoemulsionsmaske mit lichtdurchlässigen Bereichen dienen, deren lichtundurchlässigen Bereiche sich in denjenigen Maskenteilen befinden, die über der Stelle des Isoliermaterials liegen sollen, die das porenartige Loch enthalten soll. Nach dem Belichten wird die belichtete, lichtempfindliche Schutzmasse entwickelt und werden die nicht belichteten und nicht fixierten Teile der Schutzmasse mit e^:nem geeigneten chemischen Mittel fortgeät?t, worauf die belichteten, fixierten Teile der Schutzmasse abgelöst werden. Das Halbleitermaterial selbst und auch die X- oder y-Leiter, die sich außerhalb des Trägerkörpers befinden, können auf ausgewählten Bereichen des isolierenden Trägerkörpers durch geeignete Ätzverfahren oder auch durch Auftrag durch durchbrochene Masken hindurch aufgebracht werden.

Das elektrodenbildende Material sollte im wesentlichen amorph und hitzebeständig sein und gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung aus der Gruppe Molybdän, Titan, Tantal, Niob und hitzebeständigen Metalloxyden, -carbiden und -sulfiden ausgewählt sein.

Der oben bereits genannte Übergangsbereich sollte die Steuer- und Lastelektroden eines Transistors bilden und zwei der Elektroden sollten in Reihe mit dem zugehörigen Schalterelement geschaltet sein; dabei sollte sich die andere Elektrode zu einem Außenanschluß der Matrix erstrecken.

Im übrigen empfiehlt es sich, wenn der Trägerkörper aus einer Grundschicht des Leitfähigkeitstyps η besteht, auf der die stark p-dotierten leitfähigen Streifen und darüber eine Epitaxialschicht des Leitfähigkeitstypus η angeordnet ist, die in sich bis zu den zugeordneten anderen Leitern erstreckenden, gegenseitig isolierten Bereichen über den leitfähigen Streifen schwach p-dotiert sind. Hierbei ist es ratsam, wenn die Außenbezirke der Übergangsbereiche der schwach p-dotierten Bereiche schwach η-dotiert sind.

Schließlich sollte das Trennelement mit dem Schalterelement über einen Kontaktstreifen verbunden sein.

An Hand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darstellt, ist diese im folgenden noch näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 ein Ausschnitt eines Schaltschemas einer Spannungsspeichermatrix, bei der die Erfindung Anwendung finden kann, sowie Beispiele von Stromkreisen zum Einspeichern von Informationen in die Matrix bzw. zum Lesen von darin gespeicherten Informationen,

Fig. 2A ein Schaubild mit den Spannungen, die an einem gewählten Kreuzungspunkt der Matrix zur Wirkung gebracht werden, um diese einzustellen, (A. h. »1« des Binärsystems an dem betreffenden Kreuzungspunkt einzuspeichern), den betreffenden Kreuzungspunkt der· Matrix rückzustellen fd. h. eine »0« des Binärsystems an dem Kreuzungspujikt einzuspeichern) und das an einem bestimmten Kreüzüngspunkt der Matrix eingespeicherte Symbol des Binärsystems zu lesen,

Fi g. 2B ein Diagramm zur Veranschaulichung der verschiedenen Ströme, die durch den gewählten Kreuzungspunkt beim Einstellen, Rückstellen und Lesen des Symbols »1« des Binärsystems an einem bestimmten Kreuzungspunkt der Matrix fließen,

F i g. 3 eine Strom-Spannungs-Charakteristik eines speicherfähigen Schalterelements im Zustand hohen elektrischen Widerstands,

Fig. 4 eine Strom-Spannungs-Charakteristik des speicherfähigen Schalterelements im Zustand niedrigen elektrischen Widerstands,

Fig. 5 eine weggebrochene perspektivische Darstellung eines Teiles einer Siliziumscheibe, die derart dotiert ist, daß sie die 7-Leiter und die Dioden der Speichermatrix gemäß Fig. 1 enthält, und auf der auf einer isolierten oberen Fläche derselben die Z-Lcitcr und die speichernden Schalterelemente gemäß F i g. 1 aufgetragen sind,

Fig. 6A eine ausschnittsweise Schnittdarstellung der Speichermatrix gemäß F i g. 5 in größerem Maßstab entlang der Schnittlinie 6A-6A dieser Figur,

F i g. 6 B eine Draufsicht auf den Teil der Speichermatrix, der in F i g. 6 A dargestellt ist,

F i g. 7 eine im wesentlichen abgewandelte Spei-

chermatrix, ähnlich der gemäß Fig. 5, jedoch mit

noch größerer Packungsdichte, da die Diode und die

speichernden Schalterelemente übereinandergelegt

sind,

F i g. 8 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung durch die Speichermatrix gemäß F i g. 7 entlang der Schnittlinie 8-8 dieser Figur,

F i g. 9 eine weggebrochene, perspektivische, ausschnittsweise Darstellung einer Speichermatrix bei der an jedem Kreuzungspunkt der Speichermatrix in Reihe mit einem speichernden Schalterellement an Stelle einer Diode ein Transistor verwendet wird,

Fig. 10 eine Schnittdarstellung der Speichermatrix gemäß Fi g. 9 entlang der Schnittlinie 10-10 in dieser Figur in größerem Maßstab,

Fig. 11 ein Schnitt durch die Speichermatrix gemäß Fig. 9 entlang der Schnittlinie 11-11 in dieser Figur in größerem Maßstab,

Fig. 12 ein Schema der Speichennalrix gemäß F i g. 9 unter Veranschaulichung der verschiedenen, damit verbundenen Lese- und Schreibschaltungen,

Fig. 13 eine Ansicht eines Teiles einer als integrierte Schaltung ausgebildeten Speichermaitrix zur Veranschaulichung einer abgewandelten Ausführungsform einer Konstruktion gemäß der Erfindung, in größerem Maßstab,

Fig. 13A ein Schnitt durch die Matrix gemäß Fig. 13 entlang der Linie 13A-13A in Fig. 13,

Fig. 14 ein Schnitt entlang der Linie 14-14 in Fig. 13 in größerem Maßstab,

Fig. 15 ein Ausschnitt einer Ansicht einer als integrierte Schaltung ausgebildeten Speicherrnatrix gemäß einer weiteren abgewandelten Ausführuiigsform der Erfindung in größerem Maßstab,

Fig. 15A ein Schnitt durch die Matrix gemäß Fig. 14 entlang der Linie 15 A-15 A und

Fig. 16 ein Schnitt entlang der Linie 16-16 in Fig. 15.

Gemäß Fig. 1 weist die Soeichermatrix 2 ρϊπρ

20 Π

Reihe von zueinander unter rechten Winkel stehenden X- und Y-Leiterriauf, die als Leiter X_n X„ usw. beziehungsweise Y₁, Y₂ usw. bezeichnet sind". Die X- und Y-Leiter erscheinen in einer zweidimensionalen Zeichnung als einander schneidende Linien, stehen jedoch im Räum nicht körperlich miteinander -in Berührung. Die; X- und Y-Leiter sind vielmehr an jedem Kreuzungspunkt oder in dessen Nähe durch eine Reihenschaltung miteinander verbunden, die aus einem speicherfähigen Schalterelement 4 und (bei einer »Lese- und Schreibe-Matrix) einem isolierenden Trennclement 6, hier eine Diode 6 besteht. Die Information wird an jedem Kreuzungspunkt vorzugsweise in der Forn-, eines Binärsymbols »1« oder »0« gespeichert, die durch den Zustand des Schalterelements 4 angezeigt wird. Gemäß der Erfindung ist die binär codierte Information an jedem Kreuzungspunkt dadurch bestimmt, ob sich das Schalterelement 4 an diesem Punkt im Zustand niedrigen Widerstands

— der hier willkürlich als dem Binärsymbol »1« zugeordnet gelten soll — oder im Zustand hohen Widerstands — der hier willkürlich als dem Binärsymbol »0« zugeordnet gelten soll — befindet. Das Trennelement 6 isoliert jeden Kreuzungspunkt von den übrigen Kreuzungspunkten.

Zum Anschließen einer oder mehrerer Spannungsqueilen zwischen einem gewählten X- und einem gewählten Y-Leiter für das Einstellen, Rückstellen bzw. Lesen der Information an diesem Kreuzungspunkt

— wobei das Einstellen ein »Schreibvorgang« ist — ist ein Schaltsystem vorgesehen, dessen Einzelheiten sehr unterschiedlich sein können. Wie dargestellt, ist jeder ΛΤ-Leiter mit dem einen der Enden eines Satzes von drei parallelgeschalteten Schaltern 8, 8' und 8" verbunden (deren Bezugszeichen noch um die Angabe der Nummer des zugeordneten ^-Leiters erweitert sind), und die anderen Anschlüsse der Schalter sind mit Einstell-, Rückstell- und Leseleitungen 11, 11', 11" verbunden. Die Einstelleitung 11 ist über einen Widerstand 12 mit einer positiven Klemme 14 einer Gleichspannungsquelle 116 verbunden, die eine Spannung von + V 2 in Volt liefert. Die negative Klemme 14' der Gleichspannungsquelle 16 ist an Masse 20 gelegt, so daß die Spannung der Klemme 14 in bezug auf Masse 20 -4- V 2 Volt beträgt. Die Rückstelleitung 11' ist über einen verhältnismäßig kleinen Widerstand 22 mit der positiven Klemme 24 einer Gleichspannungsquelle 26 verbunden, deren negative Klemme 24' an Masse 20 lieg". Die positive Klemme 24 gibt eine Spannung von + V 1 Volt über die Masse 20 ab. Die Leseleitung 11" ist: ebenfalls mit der positiven Klemme 24 der Spannungsquelle 26, jedoch über einen Widerstand 28, verbunden.

Jeder Y-Leiter ist mit einem der Anschlüsse eines Satzes paralleler Schalter 10, 10', 10" verbunden, deren Bezugszeichen ebenfalls durch eine weitere Nummer erweitert ist, die der Nummer des entsprechenden X- oder Y-Leiters entspricht. Die anderen Anschlüsse dieser Schalter sind mit einer gemeinsamen Masseleitung 30 verbunden. δο

Die Schalter 8, 8', 8'", 10, 10' und 10" können mit hoher Geschwindigkeit arbeitende elektronische Schalter oder Kontakte sein. Es werden elektronische Schnellschalter bevorzugt. Zum Schließen eines bestimmten Paares von Schaltern zum Anschluß der ausgewählten X- und Y-Leiter mit der betreffenden positiven bzw. negativen Spannungsquelle sind (nicht dargestellt) Schaltersteuereinrichtungen vorgesehen.

Wie bereits angedeutet,, ist jedes speichernde Schalterelement 4 eine Schwellenvorrichtung, d. h., daß, wenn es sich im Zustand Hohen Widerstands befindet, eine Spannung, die mindestens gleich einer gegebenen Schwellenspannung ist, angelegt werden muß, um das Element in den stabilen Zustand, niedrigen Widerstands zu treiben Oder überzuführen, der darm erhalten bleibt, selbst wenn die angelegte Spannung oder der Strom völlig verschwinden, bis es durch einen Rückstellstromimpuls zurückgestellt wird; d. h., daß eine stabile bzw. nicht flüchtige Speichervorrichtung vorliegt. Um ein Binärsymbol »1« in das Schalterelement an einem beliebigen Kreuzungspunkt einzuspeichern, muß eine Spannung an den ausgewählten X- und Y-Leiter angelegt werden, deren Polarität derart ist, daß ein Strom durch die zugeordnete Diode — das Trennelement 6 — geschickt wird, die in ihrer leitfähigen Richtung einen im Vergleich zu dem hohen Widerstand des Schalterelements 4 verhältnismäßig geringen Widerstand haben soll, wobei die Größe der Spannung gleich oder größer als die Schwellenspannung der Schalterelemente 4 ist. Wenn beispielsweise das speichernde Schalterelement 4 eine Schwellenspannung von 20 V hat, so bedeutet dies, daß die Lieferspannung V₂ der Gleichspannungsquelle 16 größer als 20 V sein sollte. Wenn in einem bestimmten Schalterelement 4 das Binärsymbol 1 gespeichert ist, wird durch das Anlegen einer Lesespannung V₁ (Fig. 2A) an den betreffenden X- und Y-Leiter, die kleiner ist als die Schwellenspannung des betreffenden Schalterelements 4 ein nennenswerter Lesestrom (Fig. 2B) durch den Widerstand 28 zum Fließen gebracht, der mit der Leseleitung 11" in Reihe geschaltet ist, da sich das Schalterelement 4 im Zustand niedrigen Widerstands befindet. Wenn sich andererseits das gewählte Schalterelement 4 im Zustand hohen Widerstands befindet, ist diese Lesespannung nicht hoch genug, um das speichernde Schalterelement 4 in den Zustand niedrigen Widerstands zurückzuführen, so daß durch den Widerstand 28 im wesentlichen kein Strom fließt. Dementsprechend ist ein Lesestromkreis 31 vorgesehen, der den Spannungsabfall über den Widerstand 28 ermittelt, um festzustellen, ob sich der ausgewählte Kreuzungspunkt in seinem dem Binärsymbol »1« oder dem dem Binärsymbol »0« zugeordneten Zustand befindet.

Um ein speicherndes Schalterelement 4 in den »0«-Zustand oder den Zustand hohen Widerstands zurückzuführen, wird die Lieferspannung V₁ der Gleichspanmingsquelle 26 an den betreffenden X- und Y-Leiter angelegt. Bei den z. B. in der US-PS 32 71591 beschriebenen speichernden Halbleitermaterialien wird diese Spannung während einer sehr kurzen Zeitspanne, beispielsweise 10 με oder -weniger, angelegt, um einen kurzen Rückstellstromimpuls zu erzeugen (Fig. 2B), der den WeIlL₁ überschreitet. Wie in Fig. 2A angedeutet, beträgt die dort beispielsweise angegebene Rückstellspannung V₁ 17,5 V; das ist weniger als die Schwellenspanmmg V_m (20 V) des Schalterelements 4. Der Widerstand 22 ist natürlich so gewählt, daß ein Rückstellstrom zum Fließen gebracht wird, der mindestens gleich dem in F i g. 2 B angedeuteten Wert L₁ ist

Gemäß F i g. 3 ist die typische Strom-Spannungs-Charakteristik jedes speichernden Schalterelements 4 im Zustand hohen Widerstands, und gemäß Fig. 4 diejenige für jedes speichernde Schalterelement 4 im Zustand niedrigen Widerstands verständlich. Ein ty-

9 ' 10

pischer Bereich niedriger Spannungswerte für eine leitenden Trägerkörper 32 bildet, innerhalb dessei

als Schalterelement anzusehende Speichervorrichtung die die y-Leiter bildenden Bereiche Y₁, Y₂ usw

des in der obengenannten Patentschrift offenbarten tief eingebettet sind. Die Bereiche der Epitaxialschich

Typs ist von 1 bis lOOOß, und ein typischer Bereich 326, die über den Bereichen Y₁, Y₂ usw. liegen

hoher Widerstandswerte für eine solche Vorrichtung 5 sind dann leicht dotiert, so daß sie Bereiche 6 a von

liegt beim Hundertfachen des letzteren Wertes in Ω p-Leitfähigkeitstyp bilden, die sich durch die ganz«

oder darüber. Epitaxialschicht 326 hindurch bis zur Berührung mi

Im Betrieb dieser Schalterelemente 4 erfolgt das dem ihnen zugeordneten Y-Leiter erstrecken. Diesi Umschalten zwischen den Zuständen hohen Wider- leicht dotierten Bereiche 6 a bilden die Anoden Verstands und niedrigen Widerstands im wesentlichen io hältnismäßig hohen Widerstands von isolierender augenblicklich, und es wird angenommen, daß diese pn-Flächendioden 6' und sind durch die n-leitender Zustandsänderung entlang eines fadenförmigen Pfades Bereiche 6 c an ihren gegenüberliegenden Seiten isozwischen im Abstand voneinander liegenden Punkten liert. Die Bereiche 6 c vom n-Leitfähigkeitstyp isolieauftritt, die durch die mit dem Film oder der Schicht ren auch die Bereiche Y₁, Y₂ usw. voneinander. Bei des das betreffende Schalterelement bildenden Halb- 15 der Matrix gemäß Fig. 5, 6Ä und 6B sind die Anleitermaterials in Berührung befindlichen leitfähigen öden der Dioden 6' mit den zugehörigen y-Leitern Elektroden bestimmt sind. Das in der genannten Pa- vereinigt, die von den Bereichen Y₁, Y₂ usw. untentschrift beschriebene Halbleitermaterial ist in zwei mittelbar darunter gebildet sind. Die Kathoden 6 b Richtungen wirksam, so daß das Umschalten ohne der einzelnen Dioden 6' sind durch wahlweises, leich-Rücksicht auf die Polarität der angelegten Spannung 20 tes Dotieren der oberen Flächen der Epitaxialschicht erfolgt. Es ist ferner beim Betrachten der F i g. 4 er- 32 b über einen Flächenbereich in der Nähe jedes sichtlich, daß im Zustand niedrigen Widerstands die Kreuzungspunktes der Matrix mit Dotiermaterial vom Stromleitung im wesentlichen dem Ohmschen Gesetz n-Leitfähigkeitstyp gebildet, so daß der die Kathode folgt, d. h. einer Erhöhung des Spannungsabfalls über der Diode bildende Bereich jedes Kreuzungspunktes das Schalterelement 4 eine Erhöhung des hindurch- 25 der Matrix von den die Kathoden der Dioden bildenfließenden Stromes entspricht. In manchen Fällen den Bereiche ai.derer Kreuzungspunkte der Matrix hat es sich jedoch gezeigt, daß die Stromleitung durch isoliert ist.

das Schalterelement 4 bei verhältnismäßig hohen Der Trägerkörper 32 trägt den Film oder die

Stromstärken unter im wesentlichen konstanten Span- Schicht 34 aus isolierendem Material derart, daß sich

nungsabfall über das Schaiterelement 4 stattfindet, 30 die Öffnungen 34 a in Deckung mit den die Kathoden

obwohl die Stromleitung bei niedrigeren Stromstärken bildenden Bereichen 6 b des Trägerkörpers 32 befin-

dem Ohmschen Gesetz folgt. den. Die Isolierschicht 34 kann einfach eine an der

Wie oben bereits angedeutet, befaßt sich die An- Luft oxydierte Fläche der Siliziumscheibe sein. (Es

wendung der Erfindung auf Matrizen mit einzigarti- muß darauf hingewiesen werden, daß, wenn die ver-

gen physikalischen Formen speichernder Matrizen, 35 schiedenen Bereiche des Trägerkörpers mit Mate-

von denen eine in Fig. 5, 6 A und 6B veranschaulicht rialien von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen do-

isi: tiert wären, die Öffnungen 34 a sich nicht in Deckung

Diese und andere Ausführungsformen der Erfin- mit den die Kathoden, sondern mit den die Anoden

dung weisen innerhalb eines halbleitenden Träger- der Dioden bildenden Bereichen in Deckung befin-

körpers 32 (F i g. 5 und 6 A) entweder die X- oder 40 den würden.) Der elektrische Anschluß jedes eine

die y-Leiter (im dargestellten Fall die y-Leiter) der Kathode bildenden Bereichs 6 ft des Trägerkörpers

Matrix auf, und bei »Schreib- und Lese«-Matrizen 32 wird durch einen aufgetragenen Kontaktstreifen

sind innerhalb des Trägerkörpers 32 auch isolierende 37 aus leitfähigem Material, wie Aluminium, herge-

Elemente, wie Dioden oder Transistoren gebildet. stellt, der auf der Isolierschicht 34 einen Leiter bil-

Die speichernden Schalterelemente 4 und die übrigen 45 det und sich in die zugehörige Öffnung 34 a in der

Leiter, also Y- oder Z-Leiter (hier die λ'-Leiter) der Isolierschicht 34 hinein erstreckt. Jeder leitfähige

Matrize sind an der Oberseite des Trägerkörpers 32 Kontaktstreifen 37 erstreckt sich unter das zugehö-

aus Halbleitermaterial als Filme aufgetragen. Der rige speichernde Schalterelement 4.

Trägerkörper 32 ist von einer Isolierschicht 34 über- Obwohl jedes Schalterelement 4 mannigfaltige

deckt, die in denjenigen ausgewählten Flächenteilen 50 Formen annehmen kann, besteht die bei der in

weggeätzt ist, in denen je die Diode oder den Tran- Fig. 6A und 6B gezeigten Ausfuhrungsform aus

sistor bildende Bereiche des Trägerkörpers 32 elek- einer unteren Elektrode 4 a, die aus einem im we-

trisch kontaktiert werden müssen. sentlichen amorphen (d. h. nicht makrokristallinen),

Der in Fig. 5 und 6 A dargestellte halbleitende hitzebeständigen, leitfähigen Material, vorzugsweise Trägerkörper 32 ist vom n-Leitfähigkeitstyp (wobei 55 Molybdän besteht, das nicht ohne weiteres in die benatürlich darauf hingewiesen werden muß, daß alle nachbarte Schicht des darauf aufgetragenen spei-Teile des Trägerkörpers 32 von dem dem dargestell- chernden Halbleitermaterials hineinwandert. Andere ten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sein können). bevorzugte hitzebeständige Materialien sind Wolfram, Der Trägerkörper 32 weist einen unteren Hauptteil Niob, Tantal und hitzebeständige Metalloxyde, -carals Grundschicht 32 α auf, der eine Siliziumscheibe 60 bide und -sulfide.

sein kann, auf der parallele Bereiche Y₁, Y₂ usw. von Im vorteilhaftesten Fall ist die hitzebeständige

stark ρ-I--dotiertem Leitfähigkeitstyp gebildet sind. Elektrode 4 a im amorphen Zustand aufgetragen, so

Es können bekannte Maskierverfahren verwendet daß sie mit dem im allgemeinen amorphen Zustand

werden, um zur Bildung der y-Leiter der Matrix des bevorzugten speichernden Halbleitermaterials ver-

Stromleitungspfade niedrigen Widerstands zu erzeu- 65 träglicher ist. Dies wird dadurch erreicht, daß ein

gen. Es ist eine Epitaxialschicht 32 δ aus Material verdampftes, hitzebeständiges Material auf einen

vom n-Leitfähigkeitstyp dargestellt, die auf der verhältnismäßig kalten Trägerkörper 32 aufgedampft

Grundschicht 32 a aufgewachsen ist und einen halb- wird, so daß das Molybdän schnell erstarrt und

amorph bleibt. Es ist anzunehmen, daß der Stromfluß durch ein Schalterelement 4 in einem begrenzten oder fadenförmigen Pfad in dem Körper aus Halbleitermaterial auftritt. Zur Sicherung gleichbleibender Leitfähigkeitseigenschaften in einem solchen Schallerelement 4 dürfte es wichtig sein, den Stromfluß auf den gleichen Bereich und vorzugsweise auf denselben fadenförmigen Pfad durch den Körper aus Halbleitermaterial bei jeder Überführung desselben in den leitfähigen Zustand zu beschränken. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Isolierschicht 4 b aus beispielsweise Aluminiumoxyd oder Silizium über jeder Elektrodenschicht 4 a aufgetragen wird, die sich, wie dargestellt, vorteilhafterweise über die Stirnkanten der Aluminiumschicht und Molybdänschicht hinaus erstreckt. Der Teil der Isolierschicht 4 b, der über der aus Molybdän bestehenden Elektrodenschicht 4 a liegt, weist eine Pore oder ein darin gebildetes kleines Loch 4 c auf, so daß nur ein kleiner Teil der oberen Fläche jeder unteren Elektrodenschicht 4 a so für die Anbringung eines Films oder einer Schicht eines speichernden Halbleitermaterials 4 d, das über jedem Loch 4 c und innerhalb desselben aufgetragen wird frei liegt, so daß das speichernde Halbleitermaterial 4 d, das darin aufgetragen wird, mit der unteren Elektrodenschicht 4 a über einen äußerst geringen Flächenbereich in Berührung steht. Beispielsweise ist die Breite jedes Loches 4 c vorteilhafterweise im Bereich von etwa 5 bis 40 μ, vorzugsweise etwa 20 μ. Dieses speichernde Halbleitermaterial 4d wird im vorteilhaftesten Fall durch Verfahrensweisen der Kathodenzerstäubung oder des Niederschiagens im Vakuum aufgetragen.

Obwohl das speichernde Halbleitermaterial 4d so angebracht werden könnte, daß es die einzelnen Löeher 4 c gerade ausfüllt, können noch verläßlichere Schalterelemente 4 geschaffen werden, indem solches Material über einen Flächenbereich aufgetragen wird, der größer als das Loch 4 c ist und dessen Dicke so beschaffen ist, daß es nur einen Teil des Loches 4 c ausfüllt. Der Rest des Loches 4 c wird dann vorteilhafterweise mit einem im wesentlichen amorphen, hitzebestandigen, leitfähigen Material, wie Molybdän, ausgefüllt. Wenn das speichernde Halbleitermaterial 4d nicht in dieser Weise isoliert wäre, wie wenn es über das Loch 4 c überströmen würde, könnte die Anbringung eines Films aus Molybdän von geringerer Dicke als der des speichernden Halbleitermaterials 4d zur Folge haben, daß eine Kante des speichernden Halbleitermaterials 4d frei liegt und eine darüber angebrachte Schicht aus Aluminium das Halbleitermaterial berühren würde.

Die obere Elektrodenschicht 4 e aus Molybdän ist bei der vorteilhaftesten Ausführungsform der Erfindung direkt von einer zugehörigen aufgetragenen Schicht eines die Z-Leiter bildenden Materials, wie Aluminium., überdeckt, so daß eine maximale Packungsdichte der Matrizenleiter erzielt werden kann.

Natürlich ist es erforderlich, die innere Elektrode 4 α jedes Schalterelements 4 von den äußeren leitfähigen Schichten durch eine Isolierung von ausreichender Dicke elektrisch zu isolieren, so daß die in der Schaltung vorhandenen und an den dünnen Filmen angelegten Spannungen nicht zu einem Zusammenbrechen der Isolierung führen. Die Kanten der inneren aufgetragenen Kontaktstreifen 37 und Elektroden 4 α aus leitfähigem Material sind besonders schwierig zu isolieren, da die Isolierschicht 4 b an den Kanten dünner wird oder verschwindet. In einem solchen Fall ist über der Isolierschicht 4 b, wie in F i g. 6 A gezeigt, vor dem Auftragen der die Z-Leiter bildenden Schicht (X₆ in F i g. 6 A) über dem Schalterelement 4 eine zweite Schicht 4 b' aus Isoliermaterial aufgetragen, die diese Kanten bedeckt und wie dargestellt, eine ziemlich wesentliche Dicke aufweist.

Die die Z-Leiter bildenden Auftraget,, Af₂, X₃ usw. haben abwechselnd verbreiterte Endabschnitte, wie 40-2, 40-4, usw., die geeignete Anschlußpunkte für den Anschluß äußerer Leiter an die ^-Leiter bilden. F i g. 5 zeigt nur eines der Enden der verschiedenen Ä'-Leiter, und natürlich haben auch die gegenüberliegenden Enden der Leiter X₁, X₃, X₅ usw. solche verbreiterten Endabschnitte, ähnlich den verbreiterten Endabschintten 40-2, 40-4 usw. Diese abwechselnde Ausbildung der Z-Leiter ermöglicht die Anordnung der verschiedenen Leiter in geringerem Abstand voneinander und ermöglicht damit eine maximale Packungsdichte für diese Ausbildung von integrierten Speichermatrizen.

Jeder ^-Leiter ist durch Ausätzen einer seichten öffnung oder eines Fensters 42 aus der darüberliegenden Isolierschicht 34 zugänglich gemacht, so daß der p-Bereich 6a der Epitaxialschicht 32f> freigelegt h,t. In dem Fenster 42 ist Aluminium od. dgl. aufgetragen, so daß es mit dem p-Bereich eine Legierung oder eine enge elektrische Verbindung eingeht. (Wenn die n- und p-Bereiche des Trägerkörpers 34 gegenüber der dargestellten Anordnung vertauscht werden, muß der Bereich unter dem Fenster 42 vor Auftragen des Aluminiums in dem Fenster schwer dotiert werden, um einen « + -Bereich zu schaffen).

In Fig. 7 und 8 ist eine Speichermatrix 2' mit einem halbleitenden Trägerkörper 32' dargestellt, die im wesentlichen ähnlich der gemäß F i g. 5 ist, bei der jedoch die Grundschicht 32 a des Trägerkörpers 32 anstatt aus η-leitendem aus p-leitendem Material hergestellt ist und die Epitaxialschicht 32 b' eine Schicht eines η-leitenden Materials ist, die auf der p-leitenden Grund schicht 32 a des Trägerkörpers 32 aufgewachsen ist. In einem solchen Fall sind die y-Leiter der Matrix 21 in einem Abstand voneinander angeordnet und stark mit « + -leitenden Bereichen Y₁, Y₂' usw. an der oberen Fläche der Grundschicht 32 a des Trägerkörpers 32 dotiert. Auch sind dann die Bereiche 6c' der Epitaxialschicht 32 b an jeder Seite der Bereiche Y₁, Y₂' stark dotiert, so daß ρ τ -leitende Bereiche geschaffen sind, die sich vollständig durch die Epitaxialschicht 32 b' hindurch erstrecken und mit der ursprünglichen Träger- oder Grundschicht 32 α in Berührung stehen. Es bleiben dann getrennte Kanäle 6 a' in der ursprünglichen Epitaxialschicht oberhalb jedes Y-Leiters erhalten, die mit diesen elektrisch leitend in Verbindung stehen' Jeder dieser n-Ieitenden Isolierbereiche 6 a' wird zur Kathode der isolierenden pn-Flächendiode 6'. Die schwer ρ + -dotierten Bereiche 6 c' isolieren außerdem die ?i+-leitenden, die Leiter bildenden Bereiche der Matrix voneinander.

Die die Anoden bildenden Bereiche 6b' (Fig. 7) sind in engen Abständen voneinander angeordnet, so daß eine Matrix von größerer Packungsdichte als bei der Ausführungsfonn gemäß Fig. 5 geschaffen ist. Diese größere Packungsdichte wird dadurch ermöglicht, daß die verbreiterten Endabschnitte der AT-Lei-

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ter in der Ausführungsform gemäß F i g. 5 entfallen, so daß die Af-Leiter in geringeren Abständen angeordnet werden können und daß die Schalterelemente 4' und die Af-Leher direkt oberhalb der die Anoden bildenden Bereiche 6 b' angeordnet sind. In einem solchen Fall entfallen die ieitfähigen Kontaktstreifen 37 gemäß F i g. 5. Die Schalterelemente 4' an jedem Kreuzungspunkt der Matrix ähneln im Aufbau den früher beschriebenen Schalterelementen 4, und in Fig. 8 werden entsprechende Bezugszeichen mit hinzugefügtem Apostroph (') verwendet. Da Molybdänfilme in Dicken über 2,5 μ verhältnismäßig schwierig herzustellen sind, wenn die Tiefe der Löcher 34 α' in der Isolierschicht derart ist, daß die zum Füllen der öffnung und zum Übertreten über dieselbe erforderliehe untere Molybdänelektrode diese Dicke überschreitet, kann jedes Loch 34 a', wie in F i g. 8 veranschaulicht, mit Aluminium 37' aufgefüllt werden.

Ein weiterer Unterschied zwischen den Schalterelementen 4' und 4 besteht darin, daß die zweite Schicht 4 b' aus siolierendem Material (F i g. 6 A) bei den Schalterelementen 4' gemäß F i g. 7 und 8 entfällt, da die Kante der unteren aus Molybdän bestehenden Elektrodenschicht 4 a' so dünn ist, daß die das Loch bildende Isolierschicht 4 b genügend dick ist, um deren Kante zu bedecken. (Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 erstreckt sich die Elektrodenschicht 4a direkt über die doppelte Dicke des Ieitfähigen Kontaktstreifens 37, und die Elektrodenschicht 4 α ist von der einzigen porenbildenden Isolierschicht 4 b nicht ausreichend überdeckt.)

Die in F i g. 9 bis 11 dargestellte Speichermatrix 2" weist innerhalb eines halbleitenden Trägerkörpers 32" vom p-Typ, der von einer Isolierschicht 34" überdeckt ist, als isolierende Trennelemente 6" pnp-Transistoren an jedem Kreuzungspunkt der Matrix auf. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die y-Leiter Y₁", Y₂", Y_?" usw. an der Oberfläche des halbleitenden Trägerkörpers 32" gebildet.

In diesem Fall weist der Trägerkörper 32" einen einen gemeinsamen Transistorkollektor bildenden Bereich auf, der von dem Hauptteil des Trägerkörpers 32" gebildet ist und bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Material vom p-Leitfähigkeitstyp dargestellt ist. An der Stelle jedes der Transistoren ist ein eigener, eine Basis bildender Bereich 6 α vom n-Leitfähigkeitstyp gebildet. Wie in der Halbleitertechnik bekannt, sind die die Basen bildenden Bereiche 6 a" durch Dotieren mit einem Material gebildet, dessen Leitfähigkeitstyp dem des darunterliegenden Teiles des Trägerkörpers 32" entgegengesetzt ist. In ähnlicher Weise weist der Trägerkörper 32" getrennte, Emitter bildende Bereiche 6 b" aus Material vom p-Leitfähigkeitstyp auf, die an der Oberfläche des Trägerkörpers 32" und innerhalb der Umgrenzungen der die Basis bildenden Bereiche 6 a" desselben angeordnet sind, wie dies in der Transistortechnik bekannt ist.

Die Isolierschicht 34" hat eine öffnung 34 α" oberhalb jedes als Transistor ausgebildeten Trennelements 6", durch die die obere Fläche des zugehörigen, einen Emitter bildenden Bereiches 6b' frei liegt. Die Isolierschicht 34" hat ebenfalls eine Öffnung 34 6" gegenüber jedem einen Transistor bildenden Bereich des Trägerkörpers 32", der über einem Teil des die Basis bildenden Bereiches 6a" liegt und diesen Bereich des Trägerkörpers 32" freigibt. Ein durch Auftrag hergestellter Kontaktstreifen 47 aus leit

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45 fähigem Material an der Isolierschicht 34" erstreckt sich zwischen der frei liegenden Fläche des die Basis bildenden Bereiches 6 a" des Trägerkörpers 32" zu dem zugehörigen Af-Leiter. Jedem Kreuzungspunkt der Matrix ist ein durch Auftrag hergestellter Kontaktstreifen 37" aus leitfähigem Material zugeordnet, der sich von dem zugehörigen, einen Emitter bildenden Bereich 6 b", der durch die Öffnung 34 a" in der Isolierschicht freigelegt ist, zu der oberen aus Molybdän gebildeten Elektrodenschicht 4 e" des zugehörigen Schalterelements 4" erstreckt.

Das speichernde Schalterelement 4" an jedem Kreuzungspunkt bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 9 bis 11 stimmt im wesentlichen mit dem Schalterelement4' gemäß Fig. 8 überein, und entsprechende Teile wurden daher ähnlich bezeichnet. Jedes dieser Schalterelemente 4" ist oberhalb einer öffnung 34 c" angeordnet, die über dem zugehörigen Y-Leiter liegt, wie dies in F i g. 11 für den Υ Leiter Y₁" veranschaulicht ist. Die Öffnung 34 c" unterhalb der unteren Elektrodenschicht 4 a des Schalterelements 4" ist durch eine leitfähige Kontaktschicht 37' aus Aluminium od. dgl. aufgefüllt, die also den zugeordneten Y-Leiter und die untere Elektrodenschicht 4 α miteinander verbindet.

Die A--Leiter X₁", X₂" usw. der Matrix 2" (F i g. 9) sind ähnlich denen gemäß Fig. 5. Die Enden der Y-Leiter Y₁", Y₂" usw. der Matrix 2" sind mit abwechselnd verbreiterten Endabschnitten 50 versehen, die durch öffnungen 52 an der Oberseite der Matrix zugänglich sind, so daß Leitungsdrähte direkt an die Y-Leiter angelötet werden können. Ein Überzug 54 aus leitfähigem Material kann an einer Seitenkante des halbleitenden Trägerkörpers 32" angebracht werden, so daß der untere Teil desselben, der den gemeinsamen Kollektor der Transistoren der Trennelemente 6" bildet, wie in Fig. 12 veranschaulicht, an eine Gleichspannungsquelle 56 angeschlossen vterden kann.

Obwohl die Dicke, die Breite und die Fläche der mannigfaltigen Schalterelemente der bisher beschriebenen Matrizen in weiten Grenzen variabel sind, kann zur Verdeutlichung der Dank der vorliegenden Erfindung ermöglichten Miniatursierung der Matrix das folgende Abmessungsbeispiel gegeben werden:

Größe der Schalterelemente 5 bis 50 μΐη

Breite Platzbedarf der Diode als

Trennelement 25 bis 130 μπι

Breite

Platzbedarf der Transistoren

als Trennelemente 25 · 5 μπι bis

150 · 200 μπι

Dicke des Aluminiumauftrags 1 bis 5 μπι

Dicke der Elektrodenschichten aus Molybdän 0,3 bis 1 μΐη

Dicke der Isolierschicht 1 bis 2 μΐη

Dicke des speichernden Halbleitermaterials 0,5 bis 1 um

Breite des Y-Leiterbereiches 100 bis 200 μπι
Breite der Z-Leiteraufträge 20 bis 60 μπι

Abstand der ΛΓ-Leiter (Ausführungsbeispiel nach
F i g. 8) 10 bis 200 μηι

Abstand der Y-Leiter (Ausführungsbeispiel nach
Fig. 8) 20 Η5 200μηι

Fig. 12 veranschaulicht die Schaltung der Matrix 2" und beispielsweise die Lese- und Schreibschaltungen für diese. Wie dargestellt, sind Basis- und Emitter-Elektroden jedes als Trennelement 6" dienenden Transistors zwischen dem X- und dem Y-Leiter des zugehörigen Kreuzungspunktes der Matrix 2" in Reihe geschaltet. Ein Vorteil der Verwendung eines Transistors anstatt einer Diode in der Matrix besteht darin, daß dadurch ein Stromstärkeoder Spannungsgewinn (im Falle der dargestellten Schaltung ein Stromstärkegewinn) erzielt wird, durch den der Strom- oder Spannungsbedarf der Antriebsschaltungen weitgehend vermindert wird.

Da die Transistoren (Trennelemente 6") der im Beispiel dargestellten Schaltungen pnp-Transistoren sind, sind die betreffenden ΛΓ-Leiter, die mit den Basiselektroden der Transistoren verbunden sind, über geeignete Schalteinrichtungen 51-1, 51-2, usw. mit der negativen Klemme 53 α der Gleichspannungsquelle S3 verbunden, deren gegenüberliegende Klemme 53 b an Masse gelegt ist. Jeder Y-Leiter ist mit einem eigenen Satz Schaltereinrichtungen (die vorzugsweise elektronische Schalter und nicht mechanische Kontakte sind) beispielsweise der Y-Leiter Y₁" mit Schalteinrichtungen 55-1, 55'-l und 55"-l und der Y-Leiter Yn" mit Schalteinrichtungen 55-n, S5'-n und 55"-n, verbunden. Die verschiedenen Sätze von Schalteinrichlungen sind mit einem gemeinsamen Leiter 61 über je einen Widerstand, beispielsweise 60-1, 60-1' und 60"-l sowie 60-n, 6O'-n und 60 "n und mit der positiven Klemme 62 a einer Gleichspannungsquelle 62 verbunden, deren negative Klemme 62 b an Masse liegt.

Die gemeinsamen Kollektoren sämtlicher Transistoren sind mit der negativen Klemme 56 α einer Spannungsquelle 56 verbunden, deren positive Klemme 56 b an Masse liegt. Die Speisespannung der Gleichspannungsquelle 56 ist geringer als die der Gleichspannungsquelle 53. Für einen Einstellvorgang wird der betreffende Satz der oben beschriebenen Schalteinrichtungen eingeschaltet, um die ausgewählten X- und Y-Leiter an die Gleichspannungsquellen 53 und 62 anzuschalten, so daß zuerst ein Strom in der Basis- und der Emitter-Elektrode des Transistors an dem gewählten Kreuzungspunkt der Matrix und durch diese Elektroden zum Fließen gebracht wird. Da durch Anlegen der Spannungsquelle 53 an das betreffende Schalterelement 4" die Schwellenspannung überschritten wird, wird dieses aus dem ursprünglichen Sperrzustand hohen Widerstands in einen Leiterzustand niedrigen Widerstands übergeführt. Dann fließt der verstärkte Kollektorstrom in dem Transistor in der oben angedeuteten Weise. Die Spannung sollte an dem betreffenden Kreuzungspunkt während einer verhältnismäßig langen Zeitspanne angelegt werden, um zu gewährleisten, daß der Leiterzustand niedrigen Widerstands sicher herbeigeführt wird. Zum Rückstellen werden die geeigneten Schalteinrichtungen eingeschaltet, um die Schaltung während einer kurzen Zeitspannung an die Spannungsquellen 53 und 62 anzuschalten, so daß der erforderliche Rückstellstrom, der durch den Wert der betreffenden Widerstände 6O'-l, 60'n usw. des Rückstellstromkreises bestimmt ist. In ähnlicher Weise werden für einen Lesevorgang die zugeordneten Schalteinrichtungen geschlossen, um in der bereits beschriebenen Weise die Schaltung für den Lesevorgang an die geeigneten Spannungen und Stromstärken anzuschalten.

ίο Wenn über Aluminium, beispielsweise über die Aluminiumschicht der Kontaktstreifen 37', andere leitfähige Elemente aufgelegt werden sollen, muß darauf geachtet werden, daß ein Oxydieren der oberen Fläche des Aluminiums, das die Bildung eines guten leitfähigen Pfades behindern könnte, ausgeschlossen oder auf ein Mindestmaß beschränkt bleibt. Das Problem der Verhinderung oder äußersten Verminderung der Oxydation der oberen Fläche des Aluminiums kann zur Gänze dadurch beseitigt werden, ao daß das Schalterelement in der für die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 13, 14 und gemäß Fig. 15,, 16 gezeigten Weise ausgebildet ist. Bei diesen Ausführungsformen ist die elektrische Verbindung mit den Dioden oder Transistoren in den Trägerkörpern mittels Aluminiumschichten hergestellt, über denen keine Leiter liegen, so daß ein Oxydieren der oberen Fläche der Aluminiumschichten keine abträgliche Wirkung hat.

In Fig. 13, 13A und 14 ist eine integrierte Speichermatrix 70 innerhalb und auf einem Trägerkörper 72 gebildet. Sie unterscheidet sich von den anderen beschriebenen Matrizen in der Eeziehung zwischen jedem speichernden Schalterelement 78 mit Löchern bzw. Porenkonstruktion und der zugeordneten, innerhalb der Isolierschicht 82 gebildeten öffnung 86 zum Freilegen des im Trägerkörper 72 gebildeten isolierenden Trennelements (Diode oder Transistor). Die öffnungen 86 sind also seitlich jedes Schalterelements 78 angeordnet. Die untere Elektrodenschicht 88 aus Molybdän od. dgl. ist direkt auf der Isolierschicht 82 aufgetragen und erstreckt sich in die Nähe der zugeordneten öffnung 86. Eine Schicht 96 aus Aluminium od. dgl. ist über einen ausgedehnten Teil 88 a jeder Elektrodenschicht 88 aufgetragen und reicht in die öffnung 86 hinein.

Der Trägerkörper 72 hat im Abstand voneinander liegende Bereiche aus einem Material vom n-Leitfähigkeitstyp, die voneinander durch Bereiche eines Materials vom p-Leitfähigkeitstyp isoliert sind, wie bei der Ausführungsform nach Fig.7 und 8. Der Trägerkörper 72 weist ferner mehrere anodenbildende Übergangsbereiche 72 c auf, die getrennte pn-Flächendioden bilden und die sich bis unter die öffnungen 86 erstrecken, so daß sie von den Aluminiumschichten kontaktiert werden.

Innerhalb des Trägerkörpers 72 sind durch kräftiges Dotieren schmaler Bereiche, leitfähige Streifen 74-1, 74-2, 74-3, 74-6 usw., mit Dotiermaterial vom η+-Leitfähigkeitstyp zahlreiche AT-Leiter gebildet Die Y-Leiter sind vorzugsweise durch Auftrag hergestellte leitfähige Streifen 76-1, 76-2, 76-3 usw. au: Aluminium, die über den E'ektrodenstreifen 81-1 81-2, 81-3 aus amorphem Molybdän oder einen anderen ähnlichen hitzebeständigen Material liegen das durch Auftrag direkt auf die Isolierschicht 82 an Trägerkörper 72 hergestellt ist. Die Aluminium- um Molybdän-Streifen 76-1, 76-2, 76-3 usw., 81-1, 81-2 81-3 usw. haben verbreiterte Endteile, die Ar

xno ςι -vac

20 II 85!

Schlüsse in Form von Streifen 76-1', 76-2', 76-3' usw. und 81-1', 81-2', 81-3' usw. bilden. Der Anschluß äußerer Stromkreise an die verbreiterten Endabschnitte 81-1', 81-2', 81-3' usw. wird durch Anlöten od. dgl. hergestellt.

Eine Reihe verbreiterter öffnungen 84-1, 84-2, 84-3 usw. ist innerhalb der Isolierschicht 82, vorzugsweise entlang der einen Seite des Trägerkörpers 72, gebildet, und diese erstrecken sich in diese Schicht bis zu einer solchen Tiefe, daß ein Anschluß an die von den η+ -dotierten Streifen 74-1, 74-2, 74-3 usw. gebildeten A'-Leiter möglich ist.

In F i g. 15, 15 A und 16 ist eine weitere abgewandelte Ausführungsform der integrierten Speichermatrix 110 gezeigt. Hier sind in einem Trb'gerkörper 112 aus Material vom p-Typ mehrere parallele, im Abstand voneinander angeordnete Bereiche 112a vom η-Typ gebildet, unter denen eine Reihe von A'-Leitern pIs leitfähige Streifen 114-1, 114-2, 114-3 usw. gebildet ist, die aus schwer dotiertem η + -Material zo bestehen. Am Trägerkörper 112 sind mehrere ebene speichernde Schalterelemente 118 in Zeilen und Spalten gebildet. Innerhalb des Trägerkörpers 112 sind in Abständen auf streifenförmigen Bereichen 112a vom η-Typ fluchtende, anodenbildende Übergangsbereiche 112fe vom p-Typ gebildet, die, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13, pn-Flächendioden bilden. Uijer dem Trägerkörper 112 ist eine Isolierschicht 123, beispielsweise, wenn der Trägerkörper 112 aus Silizium besteht, aus Siliziumoxyd, gebildet, und durch geeignetes Ausätzen sind innerhalb der Isolierschicht 123 mehrere öffnungen bzw. Löcher 124 gebildet, deren jedes mit einem der anodenbildenden Übergangsbereiche 1122» vom p-Typ in Deckung liegt. Eine Anzahl von parallelen, in Abständen voneinander liegenden, y-Leiter bildenden Streifen 116-1, 116-2, 116-3 usw. aus Aluminium od. dgl. ist über entsprechenden, durch Auftrag hergestellten Streifen aus elektrodenbildendem, hitzebeständigem Material, wie Molybdän, vorzugsweise in amorphem Zustand, 117-1, 117-2, 117-3 usw. durch Auftrag hergestellt. Gleichzeitig, während die Streifen des elektrodenbildenden Materials 117-1, 117-2, 117-3 usw. aufgetragen werden, werden mehrere, im wesentlichen kreisringförmige, leitfähige Bereiche 126 aus dem gleichen Material auf die Isolierschicht 123 aufgebracht. Jeder kreisringförmige Auftrag 126 aus Molybdän hat einen eine Elektrode bildenden Teil 126 a, der sich in Richtung auf einen zugeordneten elektrodenbildenden Teil 127 erstreckt und in einem kurzen Abstand vor diesem endet, wobei dieser Teil 127 von einer Verlängerung des zugeordneten, benachbarten Streifens 116-1,116-2,116-3 usw. aus Molybdän gebildet ist. Der zwischen je zwei elektrodenbildenden Teilen 126a und 127 gebildete Spalt 129 ist mit einem Auftrag aus speicherndem Halbleitermaterial 130 ausgefüllt, der ebenfalls über den elektrodenbildenden Teilen 126 a und 127 liegt und mit diesen ein koplanares speicherndes Schaltelement bildet. Die Schwellenspanniing eines solchen Schalterelements hängt unter anderem von dem Abstand zwischen den mit dieser in Berührung befindlichen Elektroden ab.

Jedes Loch 124 ist mit einer im wesentlichen kreisringförmigen Aluminiumschicht 128 ausgefüllt, die mit dem zugeordneten, anodenbildenden Bereich 112 b in Berührung steht und über dem zugeordneten, kreisringförmigen leitfähigen Bereich 126 aus Molybdän liegt. Das Aluminium geht mit dem Trägerkörper 112 eine gute Bindung ein und verteilt den Strom im Interesse einer Verminderung der Wärme- und Energieverluste, denn es ist ein besserer Leiter als das Molybdän. Das unter dem Aluminium liegende Molybdän wird als elektrodenbildcndes Material für das betreffende speichernde Schalterelement und als ein gutes Bindematerial gegenüber der Isolierschicht 123 gebraucht. Wie bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung haben die Aluminium- und Molybdänstreifen 116-1, 116-2, 116-3 usw., 117-1, 117-2, 117-3 usw. verbreiterte, Anschlüsse bildende Enden 116 a und 117 a, die in geeigneter Weise für den Anschluß der Matrix 110 an die Steuerschaltungen anschließbar sind. In ähnlicher Weise sind die innerhalb de-, Trägerkörpers 112 von den η+-dotierten Bereichen 114-1, 114-2, 114-3 usw. gebildeten Z-Leiter durch Löcher 122-1, 122-2, 122-3, 122-4 usw. freigelegt, die aus der Isolierschicht 123 und dem Trägerkörper 112 herausgeätzt sind.

Wie aus dem Obigen ersichtlich, schafft die Erfindung also eine Kombination einer durch Filmaufträge hergestellten Speichermatrix mit integrierten Schaltungen mit folgenden wesentlichen Merkmalen:

Ein halbleitender Trägerkörper, beispielsweise eine Siliziumscheibe mit verschiedenen dotierten Bereichen, die Schaltungsbauelemente bilden, hat darauf durch Auftrag hergestellte, schalterbildende Bauelemente aus Halbleitermaterial. Die Kombination einer integrierten Schaltung und eines Halbleiterschalters bildet in wünschenswerter Weise eine Speichermatrix, bei der der Trägerkörper im Abstand voneinander liegende, dotierte, leiterbildende Bereiche von einem gegebenen Leivfähigkeitstyp hat, die sich im allgemeinen parallel zueinander in Abständen voneinander erstrecken. Im Abstand voneinander parallelliegende Streifen aus leitfähigem Material sind auf einer filmartig dünnen Isolierschicht an einer Fläche des Trägerkörpers durch Auftrag hergestellt und erstrecken sich im allgemeinen in der Querrichtung der im Abstand voneinander liegenden, parallelen leiterbildenden Trägerkörperbereiche. In der Nähe jedes wirksamen Kreuzungspunktes der in der Querrichtung verlaufenden Leiter ist am Trägerkörper ein speicherndes Schaltelement mit zwei Anschlüssen gebildet, das ein durch Filmauftrag aufgebrachtes speicherndes Halbleitermaterial aufweist, dessen im Abstand voneinander liegende Teile elektrisch zwischen die einander kreuzenden Leiter an diesem Kreuzungspunkt geschaltet sind.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Speichermatrix in Kompaktbau-

mit einem Trägerkörper, mit einer Gruppe von in Reihen isoliert voneinander angeordneten X Leitern, mit einer Gruppe von in Spalten ange^yx, ordneten Y-Leitern, von denen mindestens eine ^Gruppe in den Trägerkörper integriert bzw. ein- ^ gebettet ist, mit im Bereich der Kreuzungsstellen der Leiter angeordneten, zur Speicherung die- ·» _snenden, halbleitenden, bistabilen Schalterelemenvten die bei Überschreiten einer Schwellspannung -^vom Zustand hohen elektrischen Widerstands - plötzlich in den Zustand niedrigen elektrischen Zustands umschalten und durch einen Stromimpuls wieder in den Zustand hohen elektrischen Widerstands zurückschalten, und mit jeweils in Reihen zu den bistabilen Schalterelementen geschalteten, halbleitenden Trennelementen, die ihrerseits mit den Leitern der anderen Gruppe in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (32; 72; 112) aus Halbleitermaterial besteht, in das die Trennelemente (6) eingebettet bzw. integriert sind und von dem leitfähige Streifen (Yn; 74; 114) eines gegebenen Leitfähigkeitstypus die Leiter der in den Trägerkörper (32; 72; 112) eingebetteten bzw. integrierten Leitergruppe bilden, während die andere Leitergruppe und die Schalterelemente (4; 78; 118) an einer Seite des Trägerkörpers (32; 72; 112) abgeschiedene bzw. niedergeschlagene Filme sind.

2. Speichermatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennelemente (6) aus dem Halbleitermaterial des Trägerkörpers (32; 72; 112) gebildet sind.

3. Speichermatrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (32; 72; 112) aus Silizium eines im wesentlichen einzigen Leitfähigkeitstypus besteht und daß dessen leitfähige Streifen (Yn; 74; 114) einen stark dotierten entgegengesetzten Leitfähigkeitstypus aufweisen.

4. Speichermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennelemente (6) in der Nähe jeder Kreuzungsstelle angeordnete pn-dotierte Ubergangsbereiche (6b; 72c; IUb) des Trägerkörpers (32; 72; 112) sind.

5. Speichermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (32; 112) eine mit einer der Leitergruppen versehene Isolierschicht (4 b; 123) trägt, die im Bereich der Kreuzungsstelle jeweils ein Loch (4 c; 124) aufweist, das mit im wesentlichen amorphem Halbleitermaterial (4d; 130) des Schalterelements (4; 78; 118) und gegebenenfalls mit elektrodenbildendem Material (4e; 81; 117) gefüllt ist, das mit dem Schalterelement kontak- So tiert ist.

6. Speichermatrix nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterelemente (4; 78; 118) mit den Trennelementen (6) an den betreffenden Kreuzungsstellen buchtend angeordnet S5 sind.

7. Speichermatrix nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (4d; 130) des Schalterelements (4; 78; 118) das Loch (4 c; 124) nur zu einem Bruchteil seiner Tiefe ausfüllt und das elektrodenbildende Material^ e; 81; 117) das Loch (4 c; 124) schließlich vollständig ausfüllt und mit den entsprechenden auf dem Trägerkörper (32; 72; 112) bzw. der Isolierschicht (4 b; 123) aufgetragenen Y- bzw. AT-Leiter (76; 117) kontaktiert ist.

8. Speichermatrix nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrodenbildende Material (4e; 81; 117) im wesentlichen amorph und hitzebeständig ist.

9. Speichermatrix nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrodenbildende Material (4e; 81; 117) aus der Gruppe Molybdän, Titan, Tantal, Niob und hitzebeständige Metalloxyde, -carbide und -sulfide gewählt ist.

10. Speichermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (6b; 72c; 1125) die Steuer- und Lastelektroden eines Transistors bildet und zwei der Elektroden mit dem zugehörigen Schalterelement (4) in Reihe geschaltet sind und sich die andere Elektrode zu einem Außenanschluß der Matrix erstreckt.

11. Speichermatrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (32) aus einer Grundschicht (32a) des Leitfähigkeitstyps η besteht, auf der die stark p-dotierten leitfähigen Streifen (Yn) und darüber eine Epitaxialschicht (32 b) des Leitfähigkeitstypus η angeordnet ist, die in sieb bis zu den zugeordneten anderen Leitern erstreckenden, gegenseitig isolierten Bereichen (6 a) über den leitfähigen Streifen (Yn) schwach p-dotiert sind.

12. Speichermatrix nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenbezirke der Übergangsbereiche (6 ft) der schwach p-dotierten Bereiche (6 a) schwach η-dotiert sind.

13. Speichermatrix nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (6) über einen Kontaktstreifen (37) mit dem Schalterelement (4) verbunden ist.