DE2405210C3 - Monolithisches Halbleiterspeicherelement mit Speicherzellen aus Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein monolithisches Halbleiter speicherelement, wie es im Oberbegriff des Palenianspruchcs 1 näher angegeben ist.

Hinsichtlich des Standes der Technik für Speicherelemente auf dem Halbleitcrgebiel kann /iniiichsl auf die beulen l.itcratiirslcllcn »IEI.I |ourn. of Solid-Slate Circuits«. Vol. SC-1 (September I %8). Seilen 280 bis 280 und »N I/« (147 3). Heft I. Seilen ¹I bis I ^r> hingewiesen werden. Die dort beschriebenen Speicherelemente sind durch Feldeffekttransistoren mil MIS I >p gebildet. Diese weisen einen Halbleiterkörper des einen Lei tungstyps auf. η η dessen Oberfläche /wei voneinander getrennte Zonen vom entgegengesetzten l.citungstyp angeordnet und mit je inier I lcktmde sperrfrei kontaktiert sind. Als dritle Elektrode ist eine durch eine Isolierschicht vom I lalbleiter getrennte Steuerelektrode vorgesehen.

Aber auch normale Planartransistoren lassen sieh als Schalter und damit auch für Speicherelemente verwenden. Dies gilt auch für eine Bauart entsprechend den Ausführungen des ersten Absatzes dieser Beschreibung.

In der Halbleiter-Speichertechnik gibt es das suiische und das dynamische Speicherprinzip. Der Vorteil der Speicher in statischer Technik (Flip-Flops) liegt darin, daß die gespeicherte Information ständig zur Verfügung steht, während der große Flächenbedarf der statischen Elemente einen beträchtlichen Nachteil darstellt. Die dynamische Technik (Speicherung der Information in Halblcitcrkapazitäten) zeichnet sich zwar durch einen geringen Flächenbedarf der Einzelelemente aus, jedoch ist als erheblicher Nachteil zu verzeichnen, daß die gespeicherte Information durch Lcckströmc abgebaut wird. Man muß deshalb einen periodischen Regenerierungsvorgang für alle Elemente in einer dynamisch aufgebauten Speicheranordnung vorsehen, was neben einem beträchtlichen Aufwand an Schaltungsmitteln einen beträchtlichen Verlust an Speicherbetriebszeit bedeutet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiteranordnung für Speicherelemente anzugeben, welche die Entladung der Speicherkapazitäten durch Lccksiröme kompensiert und somit die Vorteile der statischen mit den Vorteilen der dynamischen Technik vereinigt, ohne die Nachteile dieser Techniken in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch ein im Oberbegriff des Patentanspruches I angegebenes monolithisches Halbleiterspeicherelenieni gelöst, das erfindungsgemäß in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches I angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den llnteransprüchcn angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Fig. I bis } näher beschrieben. Dabei zeigt die F i g. 2 -Sm Schaltbild eines erfindungsgcniätSen monolithischen I lalbleiterspcicher elemenles, die F i g. 1 zeigt, wie die 1 lalbleiteranordmingen dieses Speieherelementes aufgebaut sind.

Die in dem nienoliihischen Halbleiterspeicherelement befindliche Halbleiteranordnung besieht (vergl. Fig. I) aus einem dotierten scheibenförmigen 1 IaIbleiterkrisiall des einen l.eilungstyps. an dessen einer Seite durch maskierte Diffusion zwei nebeneinanderliegendc Zonen 2 und 3 vom entgegengesetzten l.eitungslyps erzeugt sind. Ihre pn Übergänge sind mit 4 und 5. die sie einbellende und von dem Rest des ursprünglichen Materials der Halbleiterscheibe I gebildete Zone des einen l.eiiiingsiyps mi· '.bezeichnet.

Die pnlJbcrgänge 4 und 5 sind zweckmäßig von einer Isolierschicht 7. z.B. ans SiO;, abgedeckt, um definierte Verhältnisse M schaffen. Die Zone 2 isl mil einer Elektrode 8, die Zone 1 mit einer Elektrode 9 und die Zone f> mit einer Elektrode 10 sperrfrei kontakiieri. Im Bcispiclsfalle isl die Zone f> ρ leitend, während die Zonen 2 und 1 n-leitend sind.

Zwischen den Elektroden 8 uiul IO isl eine Slcucrimpulsquclle Il derart vorgesehen, daß sie sperrende elektrische Impulse./ II. Rechieckimpulse, an den pn-l !bergung 4 legt, so dal) ;ilso dieser pn-l Ibcrgang niemals durch eine äußere Spannung in I liiltrichtung. sondern nur in Spcrnilining geu liallel wird. In den Pansen /wischen den einzelnen Impulsen ist der pn I Ibergang entweder ohne eine aullere Spannung oder mit einer konstanten Sperrspannung beaufschlagt.

/.wischen den Elektroden 9 und IO ist andererseits eine Arbeitsimpedanz, /- B. eine Parallelschaltung einer Kapazität 13 mit einem ohmschen Widerstand 14, vorgesehen.

Stau der dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsamen Elektrode 10 können auch zwei solcher Elektroden 10 vorgesehen sein, von denen die eine dem Eingangskreis, also der Zone 2, die andere dem Ausgangskreis, also der Zone 3, zugeordnet ist. Ferner kann die die beiden Zonen 2 und 3 einbettende Zone 6 nicht unmittelbar, sondern über einen pn-Übergang kontaktiert sein, obwohl der in der F i g. I dargestellte Fall der wichtigere ist.

Durch die Impulse derStetierimpulsquelle 11 »atmet« die Raumladungszone des pn-Überganges 4, wodurch auch die Zone 3, ihr pn-Übergang 5 und der mit ihr verbundene Stromkreis elektrisch beeinflußt wird. Rei geeignetem Abstand zwischen den beiden voneinander getrennten pn-Übergängen fließt überJie Impedanz 13, 14 ein mußbarer Strom. Diese Impedanz ist t'urch die Impedanz der an die Halblciieranordnungen angeschlossenen bistabilen Kippstufe gegeben. Sie ist in F i g. I als Ersatzschallbild aus einem Widerstand 14 und einer parallel liegenden Kapazität 13 dargestellt. Gegebenenfalls kann auch im Ausgangskreis eine eine konstante Sperrspannung an den pn-Übergang 5 liefernde Gleichspannungsquelle vorgesehen sein, die beispielsweise in Serie oder parallel zur Kapazität 13 liegen kann. Es ist erwünscht, daß auch bei der höchsten anzuwendenden Hetriebsspannung der Steuerimpulsquellc 11 die Raumladungszonen der beiden pn-Übergänge 4 und 5 getrennt bleiben. Andererseits soll der kürzeste Abstand der beiden pn-Übergänge 4 und 5 nicht größer sein, als zur Erreichung dieses Zieles gerade erforderlich ist.

Werden an die Zone 2 Spannungsimpulsc in Sperrichtung des pn-Überganges 4 angelegt, so kann dann bei genügend geringem Absland zur Zone } in dem dieser angeschlossenen gesteuerten Stromkreis ein Strom auftreten, der proportional zur Frequenz und unabhängig von der Breite der steuernden Impulse ist. Dieser Strom ist darauf zurückzuführen, daß sich in der Zone 6 durch die Verdrängung beweglicher Ladungen aus der a'menden RaiimladungszcTie ein Potential aufbaut, das die durch den benachbarten pn-übergang 5 gegebene Diode in Fliißrichtung poll und einen Stromfluß über den pn-übergang 5 hervorruft. Die Menge der verdrängten Ladungsträger und damit die sich bildende inlerne Spannung am pn-Übergang 5 isl unabhängig von der Brei'.e der am pn I Ibcrgang 4 angelegten Sperrimpulse. Beim Abbau der Rauinladungszone des pn-Überganges 4 kann infolge der Diodenwirkung de¹. pn-Überganges 5 kein Rückstrom einsetzen. D.is Potential in der Zone 6 und damit die Menge der in die Zone J einfließenden elektrischen Ladungen ist von der Dotierung der Zone 6, den Abmessungen der Zone 2. dein Absland /wischen den Zonen 2 und 1 sowie vom Bahiiwidersiand der Ladungen auf ihrem Wog durch die /ulic¹ h /Il tier Elektrode 10 abhängig. Durch einen in der Zuleitung der Elektrode 10 vorgesehenen Widerstand 15 kann der Effekt gesteigert werden, da sich dann die Raumladungen und damit die elektrischen Spannungen am pn-Übcrgang 5 im'olgc einsprechend langsameren Abwaiulerns der l.adui.gMragcr langer hallen.

In Ii^. 2 und 1 isl der erfindungsgemäße Aulbaii eines Spen herelemcnles mit .ms Dioden bestehenden llalblcitcranordnungcn M, 24 dargestellt. Dabei stellt I"ig. 2 das .Schaltschema des Speicherelements und F i g. J die Realisierung in monolithischer Silizium Gate-MOS-Technik dar. Der Flüchenbedarf des integrierten Elementes entspricht dem eines entsprechenden konventionellen dynamischen Speicherelements.

Das einzelne Speicherelement an sich ist eine Flip-Flop-Schaltung mit MOS-Feldeffekttransistoren, die mit zwei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen 23 und 24 als Ladeelemente gekoppelt ist, die in F i g. 2 durch je zwei kombinierte Diodensymbole dargestelh sind. Die Steuerimpulsquelle 11 arbeitet über eine Leitung 16 entsprechend der in Fig. I gezeigten Weise auf jeweils die eine der beiden Dioden, d. h. den pn-Übergang 4 jeder der beiden Anordnungen 23 und 24. Die Lastimpedanz der beiden Anordnungen 23 und 24 wird durch eine beiden Anordnungen gemeinsame Flip-Flop-Schaltung gegeben, die in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise aus — mittels Leitungen 27 und 28 — überkreuz gekoppelte MOS-Fel^-ifektlransistoren 17 und 18 aufgebaut ist. Die MOS-Felderiekttransistoren 19 und 20 dienen der /eilenweisen Auswahl der einzelnen — gewöhnlich in Vielzahl in einer monolithischen llalbleiter-.Speichermatrix angeordneten — .Speicherelemente gemäß Fig. 2. Die Leitungen 21 und 22 dienen a) zur Spaltenauswahl, b) zum Einschreiben und Auslesen. Die hierfür erforderlichen Schaltmittel entsprechen den sonst /um Betrieb von monolithischen Halbleiter-Speiehcrmairizen üblichen Schaltmaßnahnieri. Die Leitung 25 steuert die Transistoren 19 und 20 an und bewirkt damit die Auswahl einer bestimmten Matrix/eile. 26 bedeutet die Rückleitung, /. B. über Masse.

In Fig. 3 ist eine Realisierung des in Fig. 2 dargestellten Speichereleiiienies in integrierter Schaltung gezeigt, wobei die Steuerelektrodcn (Gate-Elektroden) der MOS- Feldeffekttransistoren 25,27 und 28 in Form von l.eilbahnen aus elementarem polykristallinen Silizium (Silikon-Gate-Teehnik) gegeben sind. Dabei ist die aus SiO_> bestehende — insbesondere durch die Isolierschicht 7 gegebene — Isolation zwischen dem I lalbleiterkörper I der Anordnung und dem polykristallinen Siliziumfilm an Stellen, an denen der Siliziumfilm nur als Leitbahn wirken soll, elwa auf 1 μιη Stärke, an Stellen, an denen der Siliziunifilm als Steuerelektrode eines MOS-Transistors wirken, also eine kapazitive Stcuerwirkung auf den 1 lalbleitcr ausüben soll, etwa auf 0,1 μιη Stärke eingestellt. Durch verschiedene Art der Schraffur ist der halbleilertechnischc Aufbau angedeutet. Die Felder 2S mit Horizontalschraffur sind Offnungen durch die die Halbleiteroberfläche bedekkende SiOj-Sehicht, durch welche eine auf der SiOr^chicht aufgebrachte, insbesondere aus Aluminium bestehende Lcilbahn den Halbleiterkörper 1 an durch Diffusion umdolierien Zonen kontaktiert. Die xreuzweise schraffierten Gebiete 30 sind Kontaktstellen /wischen einer aus Polykristallinem Silizium bestehenden Leitbahn und einem Diffinionsgebiet der Halbleiteroberfläche. Im übrigen sind die Bezugszeichen von F i g. I und 2 auf iliu F i g. J übertragen.

Die zwei Dioden enthaltende Halbleiteranordnung für ein Spei. hcrelement läßt sich sinngemäß auch bei anderen Speicherelementen, als sie in F i g. 2 dargestellt siiul.einsel/en. Dies '»ill auch für Anordnungen,die nicht nach dem I lip I lop -Prinzip arbeiten. Die Anwendung einer Anordnung gemäß der Erfindung ist immer vorteilhaft, wenn bei einem Speicherelement während des Betriebs auftretende Fntladungsvcrhistc auszugleichen sind.

11leizu .i IiI.iit /eicliiiiiMucn

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Monolithisches Halbleiterspeicherelement mit Speicherzellen mit Feldeffekttransistoren, von denen zwei überkreuz nach Art einer bistabilen Kippstufe gekoppelt sind und jeweils mit einer als Lastelement dienenden Halbleiteranordnung verbunden sind, und bei dem der jeweils andere Anschluß dieser Halbleiteranordnungcn zur Kompensierung von Leckströmen mit einer Steuerimpulsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Halbleitcranordnungen (23, 24) (Fig. 2) jeweils zwei Dioden enthalten, wobei diese Dioden aus jeweils einer mit einem sperrfreien Kontakt (8, 9) (Fig. 1) versehenen Zone (2, 3) (Fig. I) eines ersten Leitungstyps und einer gemeinsamer, zweiten Zone (6) (Fig. I) bestehen, die vom zweiten Lcitungstyp ist und mit einer weiteren Elektrode (10) (F i g. I) versehen ist, daß bei den Halbleitcranordnungen (23, 24) (F i g. 2) jeweils an die Kontakte (8,1O)(Fi g. 1) von einer der Dioden die Steuerimpulsquelle (ti) so gelegt ist, daß die Steuerimpulse diese, einen pn-Übergang (4)(Fig. 1) aufweisende Diode sperren, und daß bei den Dioden einer Halbleiteranordnung der Absland der beiden Zonen (2, 3) (Fig. 1) des ersten Leitungstyps einerseits so groß ist, daß die Raumladungen der sie begrenzende: pn-Übcrgänge (4, 5) (Fig. 1) voneinander getrennt sind, während er andererseits so klein ist, daß Änderungen der Sleucrimpulsquelle Änderungen des durch die Arbeiisimpedanz. (13, 14) (Fig. I) der Halbleiteranordnung (23, 24)(Fig. 2) fließenden Stromes bewirken, wobei diese Arbcitsimpedanz durch die krcu/gekoppelte. bistabile Kippstufe gebildet wird.

2. Monolithisches Halbleiterspeicherelement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Zone (6) des /weilen l.ciuingsiyps angebrachte F.lcktrode (10) mit einem Vorschalt widerstand (15) verbunden ist, und daß dieser Vorschaltwiderstand sowohl in dem Stromkreis der Steuerspannungsquellc (I I) als auch in dem die Arbcilsimpcdanz (13, 14)enthaltenden l.adckrcis(I.astsirtnnkrcis)liegt.

J. Monolithisches Halbleiterspeicherelement nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, dal.) es mit mehreren gleichartigen und gleich dimensionierten I lalbleilerspcicherclcmenlcn zu einer monolithischen Speichermatrix vereinigt ist.