DE2201109C3

DE2201109C3 -

Info

Publication number: DE2201109C3
Application number: DE2201109A
Authority: DE
Inventors: Joseph Richard Trenton N.J. Burns (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-01-14
Filing date: 1972-01-11
Publication date: 1980-08-14
Also published as: NL183153B; DE2201109B2; NL7200520A; CA1019442A; NL183153C; FR2121869A1; IT946551B; DE2201109A1; GB1374042A; SE381942B; JPS525232B1; FR2121869B1; AU459676B2; AU3766772A

Description

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Die Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Speicherschaltung mit einem Halbleitersubstrat eines gegebenen Leitungstyps und mit einer wahlweise aktivierbaren Ladungsträgerquelle zum Erzeugen von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat, worin die FIachenpotentiale zweier benachbarter Bereiche steuerbar sind, deren einer als Speicherbereich ein Sammelbecken für Ladungsträger mit einem von seinem Flächenpoteniial abhängigen Fassungsvermögen darstellt und deren anderer als Übertragungsbereich beim Aufweisen eines bestimmten Flächenpotentials einen mit dem Speicherbereich verbundenen leitenden Kanal für Ladungsträger bildet.

Inder Arbeit von W. S. Boyle und G. E. Smith »Charge Coupled Semiconductor Devices« (veröffentlicht in der Zeitschrift »Bell Systems Technical Jounal«, April 1970, Seiten 587 bis 593) und in der Arbeit von G. F. Amelio, M. F. Tompsett und G. E. Smith: »Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept« (veröffentlicht auf den Seiten 593 bis 600 derselben Zeitschrift) sind ladungsgekoppelte Halbleiterschaltungen (sogenannte CCD-Schaltungen) beschrieben, bei denen in Potentialwannen oder -gruben, die an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers erzeugt werden, Ladungen gespeichert und mit Hilfe von angelegten Spannungen entlang dieser Oberfläche fortgeleitet werden. Bei diesen Ladungen handelt es sich um Minoritätsträger, die an den Silizium/Siliziumdioxid-Grenzflächen von ähnlich wie ein Kondensator wirkenden MOS-Strukturen gespeichert werden. Die Ladungen werden durch Manipulieren der an diese »Kondensatoren« gelegten Spannungen von Kondensator zu Kondensator auf demselben Halbleiterkörper oder Substrat übertragen.

Durch Hintereinander '^ltung einer Vielzahl von ladungsgekoppelten Syeicherschaltungen der eingangs beschriebenen Gattung läßt sich eine nach dem vorstehend erläuterten Prinzip arbeitende ladungsgekoppelte Übertragungseinrichtung erhalten. In den h^r> Unterlagen der älteren deutschen Patentanmeldung P 2162140.9-53 ist vorgeschlagen worden, solche Speicherschaltungen in einer Reihe räumlich dicht beieinander anzuordnen, und zwar so, daß sich der Speicherbereich jeder folgenden Stufe an den Übertragungsbereich der jeweils vorhergehenden Stufe anschließt, um durch Manipulieren der einzelnen Flächenpotentiale die im Speicherbereich der vorhergehenden Stufe angesammelte Ladung über den Übertragungsbereich in den Speicherbereich der nachfolgenden Stufe fließen zu lassen. Eine Ladungsträgerquelle ist hierbei nur neben dem ersten Speicherbereich als gesonderte Eingangsstufe vorgesehen, während die nachfolgenden Speicherschaltungen keine solche Quelle haben, da sie ihre Ladung von der jeweils vorhergehenden Stufe empfangen. Die Auslesung einer über die Eingangsstufe eingekuppelten Information erfolgt über eine der letzten Speicherschaltung zugeordnete Ausgangsstufe. Die Information steht also für die Auslesung erst dann zur Verfügung, nachdem sie alle Stufen nacheinander durchlaufen hat.

Die in der vorgeschlagenen CCD-Einrichtung verwendeten Speicherstufen eignen sich also nur dazu, nach Art eines Schieberegisters hinterainandergeschaitet zu werden. Ein mit derartigen Stufen entsprechend aufgebautes Speicherwerk hat keinen wahlfreien Zugriff, und die in einer bestimmten Stufe gespeicherte Information kann nicht isoliert, sondern nur seriell gemeinsam mit den Informationen der anderen Stufen ausgelesen werden. Wenn also die gewünschte Information in einer Stufe gespeichert ist, die N Positionen vom Ausgang entfernt liegt, dann benötigt man N Taktintervalle, um diese Information zum Ausgang zu schieben. Da die Zahl Λ relativ groß sein kann (z. B. in der Größenanordnung von 1000), muß man unter Umständen mit einer relativ langen Zugriffszeit rechnen. Ähnliches gilt für das Einschreiben einer Information in eine bestimmte Stufe.

Für ein Speicherwerk mit wahlfreiem Zugriff benötigt man für jede Stufe oder Zelle eine Speicherschaltung, die mit Mitteln zum direkten Einschreiben und Auslesen einer Ladungsträgerinformation versehen ist. Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine ladungsgekoppelte Speicherschaltung der gattungsgemäßen Art mit Einrichtungen zum unmittelbaren Einschreiben und Auslesen einer Information zu versehen.

Zwei verwandte Prinzipien zur Lösung dieser Aufgabe sind in den Patentansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet.

Beide erfindungsgemäße Lösungen haben zunächst einmal das gemeinsame Merkmal, daß sich im Halbleitersubstrat angrenzend an den Übertragungsbereich ein Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps befindet, das zum Auslesen der im Speicherbereich gespeicherten Information (gleichzeitig mit der Wahl bestimmter Flächenpotentiale für den Speicherbereich und den Übertragungsbereich) auf eine Spannung gelegt wird, die dieses Gebiet zu einer Senke für die den Sperrbereich über den leitenden Übertragungsbereich verlassenden Ladungsträger macht. Bei der einen erfindungsgemäßen Lösungsart (Patentanspruch 1) wird das besagte Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps auch beim Einschreiben der Information verwendet, und zwar als Ladtingsträgerquelle in entsprechender Vorspannung. Bei der anderen Lösungsart beruhen die Mittel zum Einschreiben der Information auf Ladungsträgererzeugung durch Strahlungsenergie, so daß das Einschreiben optisch erfolgen kann.

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Im Gegensatz zu den Speicherschaltungen, wie sie in der besagten vorgeschlagenen Anordnung zu finden sind, kann die erfindungsgemäße Speicherschaltung in direktem Zugriff sowohl bespeichert als auch ausgelesen werden. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können zur Bildung des Speicherbereichs und des Übertragungsbereichs Feldelektrodenanordnungen verwendet werden, wie sie im Patentanspruch 3 gekennzeichnet sind. Im Fall einer Speicherschaltung mit optischer Einschreibmöglichkeit können darüber hinaus die dem Übertragungsbereich zugeordnete Feldelektrode und die darunterliegende Isolierschicht strahlungsdurchlässig sein.

Erfindungsgernäße Speicherschaltungen, in einer Vielzahl angeordnet, eignen sich zum Aufbau eines Speicherwerks mit wahlfreiem Zugriff, da jede Speicherschaltung wegen der ihr eigenen Einrichtung zum direkten Einschreiben und Auslesen uanbhängig betrieben werden kann. Insbesondere die eben beschriebene besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Speicherschaltung erlaubt es, mehrere solche Schaltungen zeilen- und spaltenweise auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat zu einem matrixartigen Speicherwerk mit wahlfreiem Zugriff zu kombinieren. Besondere Ausführungsformen solcher Speicherwerke, die eine Weiterbildung der Erfindung darstellen, sind in den Patentansprüchen 5 bis 9 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Grundrißdarstellung eines Speicherwerks, das mit Speicherschaltungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist,

Fig. 2 und 3 Schnittdarstellungen entlang den Schnittlinien 2-2 bzw. 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Schnittdarstellung unter Fortlassung gewisser in Fig. 2 gezeigter Einzelheiten,

Fig. 5 ein Diagramm, das im Speicherwerk nach Fig. 1 auftretende Signalverläufe wiedergibt,

Fig. (S ein Blockschaltbild, das ein Speicherwerk gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, und

Fig. 7 im Grundriß eine abgewandelte Ausführungsform des Aufbaus der Steuerleitungen des Speicherwerks nach Fig. 1.

Das in Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Speicherwerk enthält ein Substrat 10 aus einem Halbleitermaterial wie η-Silizium. Im Substrat befinden sich mehrere p + -leitende Datenleitungen, von denen drei in Fig. 1 dargestellt und mit B₁, B₂ und B₃ bezeichnet sind. Diese Leitungen seien beispielsweise durch Eindiifundieren einer erheblichen Menge von p-leitendem Material wie Bor in das Substrat gebildet. Das Substrat und die Datenleitungen sind mit einer Isolierschicht 12, beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO₂), bedeckt.

Auf dem Substrat sind mehrere Paare von Steuerleitungen W_la, W_lb; W_lB, W_2b; W^, W_ib aus irgendeinem Metall wie Aluminium od. dgl. aufgebracht. Über den größeren Teil ihrer Länge sind diese Steuerleitungen durch eine verhältnismäßig dicke Siliziumdioxidschicht, die ionon bis 15000 A stark sein kann, vom Substrat getrennt. An beanstandeten Stellen, beispielsweise bei 14 und 16, sind diese Steuerleitungen vom Siliziumsubstrat jedoch nur durch eine sehr dünne Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 1000 A getrennt. Die dichter am Substrat liegenden Zonen der Sleuerleitungen (wie z. B. 14 und

16) haben die Wirkung von Feldelektroden, welche das Flächenpotentialprofil am Substrat beeinflussen. Jeweils zwei benachbarte Feldelektroden an zu einem Paar gehörenden Steuerleitungen definieren eine »Stelle« des Speicherwerks. So definieren beispielsweise die Elektroden 14 und 16 die Speicherstelle 1-1. Aus noch zu erläuternden Gründen wird die eine Elektrode (14) als »Speicherelektrode« und die andere als »Übertragungselektrode« bezeichnet.

Die einzelnen Speicherstellen wie 1-1,1-2 und 1-3 sind matrixförmig angeordnet, wobei jeder Matrixspalte eine gesonderte Datenleitung B₁ bzw. B₂ bzw. B₃ zugeordnet ist. Allen Speicherstellen jeder Matrixzeile ist ein gesondertes Steuerleitungspaar W₁₀, W_lb bzw. W_2a, W_2h bzw. W_ia, W_Jb zugeordnet.

Jede Datenleitung (wie B₁) hat über ihre Länge einen erheblichen Abstand, beispielsweise 5 bis 13 μΐη, von den Speicherelektroden (wie 14,14a und 14t), aber einen kleinen Abstand (ungefähr 1000 A)

von den Übertragungselektroden 16, 16a und 16b. Dieser in Fig. 2 dargestellte kleine Abstand wird dadurch erhalten, daß die Datenleitungen mit zu den Übertragungselektroden hinweisenden Vorsprüngen 20 versehen sind, die sich mit den Übertragungselektroden überlappen (vgl. Fig. 1 und Fig. 2), und daß die Übertragungselektroden über dem dünnen Gebiet der Siliziumdioxidschicht angebracht sind. Der verhältnismäßig große Abstand zwischen den Speicherelektroden in jeder Spalte und der Datenleitung der betreffenden Spalte hat den Zweck, diese Speicherelektroden elektrisch von der Datenleitung zu entkoppeln. (Der sogar noch größere Abstand zwischen einer Datenleitung und den Speicherelektroden anderer Datenieitungen stellt sicher, daß die betreffende Datenleitung von den nicht zu ihr gehörigen Speicherelektroden entkoppelt wird.) Entsprechend stellt der dichte Abstand der Vorsprünge 20 von den Übertragungselektroden 16 eine gute elektrische Kopplung zwischen den einzelnen Datenleitungen und den dazugehörigen kapazitiven Übertragungsbereichen (gebildet durch die Elektroden 16, die dünne Siliziumdioxidschicht und das gemeinsame Halbleitersubstrat 10) sicher.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält ferner eine Steuerspannungsquelle 22, welche die einzelnen Steuerleitungen W_a und W_b mit negativen Impulsen 0_jr 0_rl; 0_s2, 0_c2 usw. beaufschlagt. Wie in Fig. 5 angegeben, reicht ein Impuls 0_S von der Basis — 10 Volt bis entweder 0 Volt oder einem negativeren Wert wie

50—15 Volt. Ein Impuls 0_C kann von einer Nullbasislinie bis — 20 Volt reichen. Der Impuls 0_C eines Impulspaares 0_C, 0_S ist gleichlaufend mit 0_S desselben Paares (womit die Flanken zeitlich zusammenfallen können). Jedes Impulspaar wird jeweils unabhängig von den anderen Paaren erzeugt.

An die Datenleitungen ist eine Schreibsignalquelle 24 angeschlossen. Ferner sind drei Leseverstärker, dargestellt durch den Block 26, jeweils an eine entsprechende der drei Datenleitungen angeschlossen. Im Betrieb des Speicherwerks nach Fig. 1 werden Ladungen zwischen den Datenleitungen und Speicherbereichen an gewählten Speicherstellen der Matrix übertragen. Die nachstehende Erläuterung beschränkt sich auf die Arbeitsweise der Speicherstelle 1-1 am Schnittpunkt der Datenleitung B₁ mit den JK d W

Steuerleitungen

und W

g ₁₀ _n

Zunächst sei aber noch auf die Speicherstelle 3-1 eingegangen, welche die Elektroden 14i? und 16fr

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enthält. Bei Anwesenheit eines negativen Spannungs- der Steuerleitungen

impulses an einer Steuerleitung wie W_3b führen sämtliche Übertragungselektroden 16b, 16e und 16A dieser Steuerleitung die gleiche Spannung. Im Gebiet des Substrates 10 bei jeder dieser Übertragungselektroden 16 wird eine Potentialwanne erzeugt, wie es mit der gestrichelten Linie 30 in Fig. 4 angedeutet ist. Diese Potentialwannen entstehen bei den Übertragungselektroden, weil diese einen dichten Abstand vom Substrat haben und daher elektrisch fest mit ihm gekoppelt sind, während die übrigen Teile jeder Steuerleitung W_b, die lsehr viel (um mindestens das Zehnfache) weiter vom Substrat beabstandet sind, effektiv vom Substrat entkoppelt sind. Sind Minoritätsträger (im vorliegenden Fall Löcher oder Defektelektronen) an der Siliziumoberfläche im Gebiet nahe der Übertragungselektrode wie 16Λ anwesend, wenn 16Λ verhältnismäßig stark negativ wird, so werden diese Minoritätsträger unter diese Elektrode gezogen, wie durch die Pluszeichen in Fig. 4 angedeutet. In Fig. 4 sind die Leitung B₃ sowie ihr Vorsprung 20 weggelassen, um die Potentialwanne 30 zu zeigen.

Die Übertragungselektrode hat die Aufgabe, die Ladung zwischen der Datenleitung B₃ (in Form des ρ+ -Gebietes) und dem einen Kondensator darstellenden Speicherbereich zu koppeln. Die Ladung kann von der Datenleitung zum Speicherkondensator der Speicherstelle übertragen werden, wenn die Übertragungselektrode um einen gegebenen Betrag negativer als die Spannung der Datenleitung gemacht wird. Und zwar bildet eine der Übertragungselektrode zugeleitete negative Spannung eine Inversionsschicht (die als »Kanal« von Löchern angesehen werden kann) von der ρ+ -Datenleitung zum Speicherkondensator. Notwendige Voraussetzung für die Ausbildung dieses Leitungskanals ist, daß die Steuerspannung 0_C (- 20 Volt im vorliegenden Fall) negativer als die Summe von V_B (Spannung der Datenleitung) und V₇ (Schwellenspannung) ist. Die Schwellenspannung V_T entspricht der Schwellenspannung eines MOS-Transistors, und ihr Wert hängt von einer Reihe von Faktoren, darunter dem spezifischen Widerstand des Substrats, in dem der Kanal ausgebildet ist, ab. Beispielsweise kann V_T den Wert 2 Volt haben.

Der Ladungsfluß, der stattfindet, wenn 0_C ausreichend negativ ist, hat zur Folge, daß eine ähnliche Potentialwanne, die unter der Speicherelektrode (Speicherkondensatorplatte) 146 gebildet wird, sich auffüllt. Da die Ladungen (Löcher) eingebracht werden, hat das Oberflächenpotential unter der Speicherelektrode 14b das Bestreben, sich dem Potential der Datenleitung B₃ anzunähern.

Nachstehend sei willkürlich vorausgesetzt, daß die Abwesenheit von Löchern (Defektelektronen) unter einer Speicherelektrode der Binärziffer (Bit) »1« entspricht und die Abwesenheit von Löchern unter der Speicherelektrode der Speicherung des Bits »0« entspricht. Um eine »1« in eine Speicherstelle wie die hier betrachtete Speicherstelle 1-1 einzuschreiben oder einzuspeichern, werden die Datenleitung B₁ auf Masse- oder Nullpotential gebracht und gleichzeitig die Steuerleitung W_lb mit einem negativen Impuls 0_cl von — 20 Volt und die Steuerleitung W_u mit einem Impuls von - 15 Volt beaufschlagt. (Die übrigen b-Steuerleitungen W_2b und W_3b werden auf Null- oder Massepotential gehalten, und die Steuerleitungen W_la und PF₃₀ werden auf - 10 Volt gehalten. Letzteres dient dem Zweck, die zuvor in Speicherstellen längs

W_2a und

W_3a gespeicherte Information beizubehalten.) Da die Datenleitung B₁ ρ+ -leitend und gegenüber der die Übertragungselektrode 16 beaufschlagenden Spannung von — 20 Volt relativ positiv ist, wirkt die Datenleitung als Minoritätsträgerquelle (Löcherquelle), und diese Minoritätsträger (Löcher) fließen zum Substratgebiet unter der Speicherelektrode 14, die eine Spannung von — 15 Volt führt. Es ist nicht notwendig, die Speicherelektroden mit einer erhöhten negativen Spannung zu beaufschlagen wie beim Einschreiben in eine Ladungsspeicherstelle. Jedoch ist die Anwesenheit der erhöhten negativen Spannung, beispielsweise — 15 Volt, an einer derartigen Speicherelektrode vorteilhaft, weil dadurch Ladungsträger (die selbst bei Abwesenheit der Spannung fließen würden) in die Potentialwanne unter der Speicherelektrode hineingezwungen werden.

Um in die hier betrachtete Speicherstelle 1-1 eine »0« einzuschreiben, wird in der gleichen Weise wie oben beschrieben vorgegangen, außer daß die Datenleitung B₁ während des negativen Impulses 0_cl auf eine Spannung (beispielsweise — 20 Volt) gebracht wird, die unter dem Potential der speichernden Potentialwanne liegt. Dies hat zur Folge, daß keine Ladung zur speichernden Potentialwanne übertragen werden kann; tatsächlich ist etwaige in der speichernden Potentialwanne anwesende Ladung bestrebt, von der Potentialwanne zur Datenleitung zu fließen. Bei Beendigung des negativen Impulses 0_cl ist daher unter der Speicherelektrode die »Abwesenheit von Löchern«, entsprechend dem Bit »0«, gespeichert.

Wie bereits erwähnt, werden während des Einschreibens oder Einspeicherns von Daten in die erste Zeile (Steuerleitungen W₁) die Steuerleitung W_2b und W_3b auf Nullpotential gehalten. Selbst wenn daher eine Datenleitung wie B₁ als Minoritätsträgerquelle wirkt, werden diese Minoritätsträger (Löcher) durch die Übertragungselektroden wie 16a und 16i> nicht übertragen. Andererseits bleiben die Steuerleitungen W_2a und W₃₀ auf einer Ruhespannung von - 10 Volt, so daß die zuvor an deh Speicherelektroden 14a und 14 b gespeicherte Information dort gespeichert bleibt. Bei einem Material wie η-Silizium beträgt die zu erwartende Speicherzeit ungefähr 10 Sekunden, was für viele Speicherzwecke durchaus angemessen ist.

Das Auslesen des Speichers erfolgt ähnlich wie das Einschreiben einer »0«, außer daß jetzt die Spannung an der Speicherelektrode, 0_S, weniger negativ gemacht

so (im vorliegenden Fall auf Nullpotential angehoben) wird. Dadurch wird die unter der Speicherelektrode gespeicherte Ladung (falls vorhanden) gezwungen, zur Datenleitung oder, wenn V_B (die Spannung der Datenleitung) negativer als 0_C (die Spannung der

Übertragungselektrode) ist, zu einer Zwischenpotentialwanne, die durch die die Übertragungselektrode beaufschlagende Spannung erzeugt wird, zu fließen. Wenn dagegen 0_C negativer als Vg ist, so erzeugt die Übertragungselektrode einen Leitungskanal von der Datenleitung zur Speicherstelle. In diesem Fall verlängert der gebildete Leitungskanal effektiv die Datenleitung bis zum Gebiet beim Speicherkondensator, so daß etwa unter diesem gespeicherte Ladung entfernt wird.

Zum Auslesen der an einer Speicherstelle wie 1-1 gespeicherten Information wird die Datenleitung B₁ auf eine negative Spannung wie - 20 Volt gebracht, die Spannung der Speicherelektrode auf beispiels-

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ίο

weise 0 VpIt angehoben und die Steuerleitung W_lb mit einem negativen Impuls 0, von — 20 Volt oder negativer beaufschlagt. Die Ubertragungselektrode 16 wird dadurch erheblich negativer als die Speicherelektrode 14, und wenn im Gebiet unter letzterer Löcher gespeichert sind (entsprechend dem Bit »1«), so werden diese Löcher vom Gebiet unter der Speicherelektrode unter Steuerung durch die Übertragungselektrode zur Datenleitung B₁ übertragen. Der Fluß dieser Minoritätsträger zur Datenleitung B₁ ergibt einen Stromfluß in dieser Datenleitung, der vom an die β,-Datenleitung angeschlossenen Leseverstärker im Block 26 als Strom oder als Spannungsänderung erfaßt werden kann. Wie üblich kann der Leseverstärker über die Leitung 28 mit einem Abtastimpuls beaufschlagt werden, der den Leseverstärker nur während des Leseintervalls (während des negativen Impulses 0_cl) einschaltet.

Ferner kann man, damit die Spannung der Datenleitung B₁ sich vor dem Abfühlen der Ladung aus dem Gebiet unter der Speicherelektrode 14 »einpendeln« kann, den Impuls von — 20 Volt an der Datenleitung B₁ so einstellen, daß seine Vorderflanke vor der positiv gerichteten Vorderflanke des Impulses in der Steuerleitung W_u auftritt. Aus dem gleichen Grund kann man dafür sorgen, daß die negativ gerichtete Vorderflanke des der Steuerleitung W₁₆ zugeleiteten Impulses von — 20 Volt zu einem Zeitpunkt zwischen den Vorderflanken des Datenleitungsimpulses und des Impulses 0_si auftritt. (Die letztere Zeiteinteilung ist in Fig. 5 nicht gezeigt.)

Eine »0« kann aus einer Speicherstelle in genau der gleichen Weise ausgelesen werden, wie oben beschrieben. Jedoch wird, wenn der Kondensator mit der Speicherelektrode eine »0« speichert (Abwesenheit von Löchern), bei Auftreten des negativen Impulses 0_C] keine Ladung von 14 über 16 zur Datenleitung B₁ übertragen. Der an diese Datenleitung angeschlossene Leseverstärker erzeugt daher ein Ausgangssignal mit im wesentlichen Nullamplitude, entsprechend der Auslesung des Bits »0«. Nach dem Auslesen eines Informationswortes kann die gleiche Information in der bereits für den Schreibvorgang erläuterten Weise »regeneriert« (in dieselben Speicherstellen der Steuerleitung wiedereingeschrieben) werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird, wie oben erläutert, Information elektrisch in den Speicher eingeschrieben und aus dem Speicher ausgelesen. Das Einspeichern von Information kann jedoch auch auf andere Weise, beispielsweise durch Einstrahlen, z. B. von Licht, oder durch Wärmebeaufschlagung erfolgen. Im ersteren Falle kann die Information anfänglich in einem optischen Speichermedium wie dem holographischen Speicher 40 nach Fig. 6 gespeichert werden. Jedes Hologramm kann eine verhältnismäßig kleine Fläche auf einem Speichermedium wie einem photographischen Film, einem photochromischen Material oder einem magnetischen Material, beispielsweise Mangan-Wismut, einnehmen. Während in der Praxis jedes Hologramm 1000 oder mehr Bits speichern kann, sei für die Zwecke der vorliegenden Erläuterung vorausgesetzt, daß jedes Hologramm 9 Informationsbits enthält und daß das rekonstruierte Bild des Hologramms aus 9 Flächenbereichen besteht, welche den 9 Übertragungselektroden 16 des Speichers nach Fig. 1 überlagert sind.

Beim Wählen einer Speicherstelle (Ablenkung des Strahlenbündels 42 des Lasers 40 auf diese Speicherstelle durch den Lichtablenker 46) überlagert das rekonstruierte Bild des gewählten Hologramms den Speicher 48. Dabei erscheint eine »1« als helle Lichtquelle an einer Übertragungselektrode und eine »0« als Dunkelfläche an einer Übertragungselektrode. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Übertragungselektroden aus transparenten Leitern, oder das Licht wird durch das Siliziumsubstrat eingestrahlt. In beiden

ίο Fällen bewirkt das Licht, falls vorhanden, daß Minoritätsträger (Löcher) erzeugt werden, die in der bereits erläuterten Weise gespeichert und später ausgelesen werden können. Ferner können alle 9 Bits gleichzeitig gespeichert und wortweise (d. h. zeilenweise) ausgelesen werden.

Der Speicher nach Fig. 1 kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Dabei wird vom n-leitenden Substrat 10 ausgegangen. Das Muster der Datenleitungen kann auf dem Substrat mit Hilfe einer entsprechenden Photolackmaske angelegt werden. Danach können die den Datenleitungen entsprechenden Bereiche der Photolackmaske entfernt (beispielsweise weggeätzt) und die Datenleitungen dadurch gebildet werden, daß man soviel Bor in das Substrat eindiffundiert, daß die den Leitungen entsprechenden Bereiche leitend, und zwar ρ+ -leitend, gemacht werden. Danach kann man die übrigen Teile der Photolackmaske von der Substratoberfläche entfernen und eine dicke Siliziumdioxidschicht 12 thermisch auf die

ω Oberfläche aufwachsen lassen.

Als nächstes können auf ähnliche Weise, wie oben beschrieben, die Muster der Speicher- und Übertragungselektroden auf die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 12 aufgebracht werden. Sodann kann das

j5 Siliziumdioxid an den Stellen der Speicher- und Übertragungselektroden voll weggeätzt werden. Danach kann eine weitere · Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 1000 A aufgebracht werden.
Anschließend kann auf die gesamte Oberfläche des Siliziumdioxids eine Metallschicht, z. B. aus Aluminium, beispielsweise im Vakuum aufgedampft werden. Danach können in ähnlicher Weise, wie bereits erläutert, diejenigen Teile der Metallschicht, die nicht von den Steuerleitungen und den Übertragungs- und

v> Speicherelektroden eingenommen werden, weggeätzt werden.

Wie bereits erwähnt, beträgt die Speicherzeit der erfindüngsgemäßen Speicherzellen ungefähr 10 Sekunden. Nach dieser Zeit sind thermisch erzeugte Mi-

■30 noritätsträger in solcher Menge vorhanden, daß die gespeicherte Information beeinflußt wird. Jedoch kann man die Speicherzeit des Speichers mit Hilfe einer »Nachspeicherung« verlängern. Dazu wird die im Speicher gespeicherte Information periodisch ausge-

■55 lesen und anschließend in dieselben Speicherstellen, beispielsweise mittels einer Anzahl von Schieberegistern, wiedereingespeichert.

Statt, wie oben beschrieben, mit einem n-Siliziumsubstrat und ρ +-leitenden Datenleitungen kann man

ho den Speicher auch anders aufbauen. Beispielsweise können das Siliziumsubstrat p-leitend und die Datenleitungen η-leitend sein. In diesem Falle liefert bei entsprechenden Betriebsspannungen die Datenleitung, wenn sie als Quelle von Minoritätsträgern be-

h5 trieben wird, Elektronen statt Löcher.

Der Speicher kann auch aus einem Saphirsubstrat gefertigt werden, auf dessen einer Oberfläche eine verhältnismäßig dünne Siliziumschicht angebracht

22 Ol

wird, die dem gleichen Zweck dient wie das Siliziumsubstrat der oben erläuterten Speicherausführung. Auch in diesem Fall kann, wenn als Halbleitermaterial η-Silizium verwendet wird, jede Datenleitung aus einem stark dotierten Gebiet dieser Siliziumschicht bestehen, so daß sich ein Leiter vom ρ+ -Typ ergibt. Im übrigen kann der Speicher gleich ausgebildet sein wie die Ausführung nach Fig. 1 bis 3.

Typische Abmessungen für den Speicher nach ι ο Fig. 1 sind beispielsweise wie folgt:

Breite der Steuer- und Datenleitungen

Abstand zwischen den beiden
Leitungen eines Paares

Abstand zwischen der H^-Leitung
und der benachbarten !-^-Leitung

= 7,6 μίτι

= weniger als

2.5 μΐη bis

7.6 μηι
= 7,6 μίτι

Gewünschtenfalls können die Übertragungselektroden einen dichteren Abstand von den Speicherelektroden haben als die übrigen Teile der W_b~ und

20

H^-Leitungen, wie in Fig. 7 gezeigt. In diesem Fall ist die untere Grenze des Abstands (2,5 μΐη oder weniger) zwischen jeder Übertragungselektrode und der dazugehörigen Speicherelektrode vorzuziehen, während die übrigen Teile der Leitung von der anderen Leitung des Paares einen Abstand von 7,6 μίτι haben können.

Wichtige Vorteile des beschriebenen Speichers bestehen darin, daß für jede Speicherstelle nur zwei sehr kleinflächige MOS-Kondensatoren erforderlich sind, so daß der Speicher einfach, kompakt und wirtschaftlich ist, und daß keine Metall-Siliziumkontaikte in der Speicherzelle erforderlich sind.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Ladungsspeicherstellen durch die beabstandeten Gebiete entlang den Steuerleitungen in denjenigen Bereichen, die fest mit dem Halbleitersubstrat gekoppelt sind, in Verbindung mit den dazugehörigen Steuerleitungen gebildet werden, die an beabstandeten Stellen ihrer Länge mit dem Substrat gekoppelt sind und die Übertragung von Ladungsträgern zwischen den entsprechenden Ladungsspeicherstellen und den Datenleitungen des Speichers steuern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

22 Ol Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppelte Speicherschaltung mit einem Halbleitersubstrat eines gegebenen Leitungstyps und mit einer wahlweise aktivierbaren Ladungsträgerquelle zum Erzeugen von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat, worin die Flächenpotentiale zweier benachbarter Bereiche steuerbar sind, deren einer als Speicherbereich ein Sammelbecken für Ladungsträger mit einem von seinem Flächenpotential abhängigen Fassungsvermögen darstellt und deren anderer als Übertragungsbereich beim Aufweisen eines bestimmten Flächenpotentials einen mit dem Speicherbereich verbundenen leitenden Kanal für Ladungsträger bildet, dadurch gekennzeichnet,

daß sich im Halbleitersubstrat (10) angrenzend an den Übertragungsbereich (unterhalb 16) ein Gebiet (20) entgegengesetzten Leitungstyps (F⁺) befindet;

daß ferner eine Schreib/Lese-Einrichtung (B, 14,16) vorgesehen ist, die zum Einschreiben einer Information das Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps an eine der Information entsprechende Spannung legt, um dieses Gebiet zur Abgabe von Ladungsträgern entsprechend der Information zu veranlassen, und gleichzeitig das Flächenpotential des Übei tragungsbereichs zur Leitendmachung dieses Bereichs für Ladungsträger einstellt und gleichzeitig das Flächenpotential des Speicherbereichs (unterhalb 14) auf ein ausreichendes Fassungsvermögen zur Aufnahme der abgegebenen Ladungsträger einstellt;

daß die Schreib/Lese-Einrichtung zum Auslesen der im Speicherbereich gespeicherten Informationen das Flächenpotential des Übertragungsbereichs zur Leitendmachung dieses Bereichs für Ladungsträger einstellt und demgegenüber das Flächenpotential des Speicherbereichs so einstellt, daß dieser Bereich als Quelle die darin gespeicherten Ladungsträger in den Übertragungsbereich entläßt, und daß die Schreib/Lese-Einrichtung gleichzeitig das Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps auf eine Spannung legt, die dieses Gebiet zu einer Senke für die den Speicherbereich über den leitenden Übertragungsbereich verlassenden Ladungsträger macht.

2. Ladungsgekoppelte Speicherschaltung mit einem Halbleitersubstrat eines gegebenen Leitungstyps und mit einer wahlweise aktivierbaren Ladungsträgerquelle zum Erzeugen von Ladungsträgern im Halbleitersubstrat, worin die Flächenpotentiale zweier benachbarter Bereiche steuerbar sind, deren einer als Speicherbereich ein Sammelbecken für Ladungsträger mit einem von seinem Flächenpotential abhängigen Fassungsvermögen darstellt und deren anderer als Übertragungsbereich bpim Auftreten eines bestimmten Flächenpotentials einen mit dem Speicherbereich ω verbundenen leitenden Kanal tür Ladungsträger bildet, dadurch gekennzeichnet,

daß sich im Halbleitersubstrat (10) angrenzend an den Übertragungsbereich (unterhalb 16) ein Gebiet (20) entgegengesetzten Leitungstyps (P⁺) b% befindet;

daß ferner eine Schreib/Lese-Einrichtung (B, 14,16) vorgesehen ist, die zum Einschreiben einer Information mindestens einen der besagten Substratbereiche mit einer der Information entsprechenden Menge an Strahlungsenergie beaufschlagt, um in diesem Bereich Ladungsträger entsprechend der Information zu erzeugen, und gleichzeitig das Flächenpotential des Speicherbereichs (unterhalb 14) auf ein ausreichendes Fassungsvermögen zur Aufnahme der erzeugten Ladungsträger einstellt;

3. Ladungsgekoppelte Speicherschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Speicherbereichs und des Übertrasgungsbereichs an den entsprechenden Stellen jeweils eine Feldelektrode (14,16) vorgesehen ist, die kapazitiv über eine Isolierschicht mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gekoppelt ist und elektrisch über eine Steuerleitung mit einer zugehörigen Steuerpotentialquelle (0_S, 0_C) verbunden ist, um das Oberflächenpotential im betreffenden Halbleiterbereich zu steuern.

4. Ladungsgekoppelte Speicherschaltung nach Anspruch 3, in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Übertragungsbereich zugeordnete Feldelektrode (16) und die darunterliegende Isolierschicht strahlungsdurchlässig sind.

5. Speicherwerk aus einer Vielzahl von auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat zeilen- und spaltenweise angeordneten ladungsgekoppelten Speicherschaltungen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zeile (x) ein gesondertes Paar von Steuerleitungen ( W_m, W_xb) zugeordnet ist, deren erste (W_xa) mit allen die Speicherbereiche in den Schaltungen dieser Zeile bildenden Feldelektroden (14) verbunden ist und deren zweite ( W_xb) mit allen die Übertragungsbereiche in den Schaltungen dieser Zeile bildenden Feldelektroden (16) verbunden ist, und daß jeder Spalte (y) eine gesonderte Datenleitung (B_y) zugeordnet ist, die mit allen zu den Schaltungen dieser Spalte gehörenden Gebieten entgegengesetzten Leitungstyps (20) verbunden ist.

6. Speicherwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuerleitung ( W_fa, W_xh) ein sich in Zeilenrichtung über das Halbleitersubstrat (10) erstreckender Leiter ist, der von der Substratoberflache durch eine Isolierschicht getrennt ist. und daß die Feldelektroden (14, 16) durch Bereiche dieser Steuerleitung gebildet sind, unter denen die ansonsten relativ dicke Isolierschicht wesentlich dünner ist.

7. Speicherwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Datenleitung (B_y) ein sich in Spaltenrichtung erstreckendes Gebiet

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des besagten entgegengesetzten Leitungstyps ist.

8. Speicherwerk nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenze jedes eine Datenleitung bildenden Gebiets {B_y, 20) dicht an den Übertragungsbereichen (unterhalb 16) der zur betreffenden Spalte gehörenden Speicherschalrungen verläuft und in weitem Abstand von den Speicherbereichen (unterhalb 14) der Speicherschaltungen verläuft.

9. Speicherwerk nach einem der Ansprüche 5 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zeilen- und Spaltenmuster (48) der ladungsgekoppelten Speicherschaltungen ein optisches Muster (40) aus die einzuspeichernde Information darstellenden dunklen und hellen B ereichen derart überlagerbar ist, daß diese Bereiche in Deckung mit Substratbereichen sind, die nahe genug an den Speicherbereichen liegen, damit die durch das optische Muster erzeugten Ladungsträger in den Speicherbereichen gespeichert werden.