DE2431079B2 - Dynamischer Halbleiterspeicher mit Zwei-Transistor-Speicherelementen - Google Patents
Dynamischer Halbleiterspeicher mit Zwei-Transistor-SpeicherelementenInfo
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Description
9. Halbleiterspeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitfähige Schicht (54)
potentialmäßig mit dem Halbleiterkörper (50) verbunden ist.
10. Halbleiterspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bitleitungen (BO, B\) als Dotierungsstreifen im Halbleiterkörper (50) angeordnet sind.
11. Halbleiterspeicher nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wortleitungen (WL) als — vorzugsweise orthogonal
zu den Bitleitungen verlaufende — Metallisierungsstreifen (55) ausgebildet sind.
12. Halbleiterspeicher nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bitleitungen (BO, Bi) gleichzeitig die Drain-Zonen
und die Wortleitungen (WL)d\e Gate-Metallisierungen
(55) der Schreib/Lese-Feldeffekttransistoren sind.
65 Die Erfindung bezieht sich auf einen dynamischen
Halbleiterspeicher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Bei der Entwicklung von Speichern für z. B. elektronische Datenverarbeitungsanlagen ist man seit
jeher bestrebt, die Kosten pro Speicherstelle (Kosten pro Bit) zu verringern. Bei integrierten Halbleiterspeichern
geht man aus diesem Grund den Weg, möglichst viele Speicherstellen auf einem Halbleiterplättchen
unterzubringen, d. h. eine möglichst hohe Packungsdichte zu erhalten. In gleicher Richtung wirken aber auch
Bestrebungen, pro Speicherstelle möglichst wenig Bauelemente vorsehen zu müssen. Gegenüber üblichen
und meist nach dem Flip-Flop-Prinzip aufgebauten statischen Speichern kommen sogenannte dynamische
Speicher in der Regel mit erheblich weniger Bauelementen pro Speicherzelle aus. Zwar erfordern derartige
dynamische Speicherzellen zur Aufrechterhaltung ihres jeweiligen Speicherzustandes besondere Maßnahmen
zur Regenerierung bzw. Auffrischung der Speicherinformation, wobei die entsprechenden elektrischen
Einrichtungen jedoch nicht für jede einzelne Speicherzelle gesondert vorgesehen werden müssen. Die
vorliegende Erfindung befaßt sich mit derartigen dynamischen Speichern.
Aus der US-Patentschrift 33 87 286 ist ein dynamischer Halbleiterspeicher bekannt, dessin Speicherzellen
mit einem Minimum an Bauelementen aufgebaut sind. Es handelt sich hierbei um sogenannte Ein-Transistor-Speicherzellen,
bei denen als Speicherelement ledigüch ein Speicherkondensator vorgesehen ist, der über einen
Schreib/Leit-Feldeffekttransistor vom Isolierschichttyp
zugänglich ist Das prinzipielle elektrische Schaltbild einer solchen Ein-Transistor-Speicherzelle ist in
Fig. IA dargestellt, je nach dem Speicherzustand ist
der Speicherkondensator Cs aufgeladen oder weitgehend entladen. Zum Einschreiben, Auslesen bzw.
Regenerieren der Speicherinformation wird der Schreib/Lese-FET über das Potential der Wortleitung
WL leitend gemacht, so daß sich z. B. beim Auslesen der Speicherinformation ein Ladungsausgleicn zwischen
der Speicherkapazität Cs und der Kapazität Cb der
Bitleitung BL einstellt. Das sich jeweils entsprechend dem Speicherinhalt auf der Bitleitung einstellende
Potential wird dann über den Leseverstärker 1 festgestellt. Da ein solcher Lesevorgang nicht zerstörungsfrei
ist, muß im Anschluß daran die Speicherinformation sogleich wieder eingeschrieben werden.
Verbesserungswürdig bei solchen Ein-Tra isistor-Speicherzellen
ist jedoch das mit dem Auslesen der Speicherinformation zusammenhängende elektrische
Verhalten. Es ist beispielsweise ersichtlich, daß bei ei^.er Messung der Bitleitungsspannung gegen ein festes
Bezugspotential, z. B. gegen Massepotential in F i g. 1A,
unvermeidlich auftretende Störsignale nicht kompensiert werden.
Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es aus der DE-OS 2148 896 bekannt, die Anordnung von EinTransistor-Speicherzellen
in der in Fig. IB dargestellten Weise vorzunehmen. Dort ist mit jedem der beiden
Eingänge des Leseverstärkers 11 eine Bitleitung Ba bzw.
Bb verbunden. Beide Bitleitungen führen jeweils zu
Speicherfeldern A bzw. B aus Ein-Transistor-Speicherzellen. Die Speicherzellen des Speicherfeldes A sind
dabei über die Wortleitungen WA ι... WA ν zugänglich.
Entsprechendes gilt für die Speicherzellen des Speicherfelds B. Eine weitgehende Kompensation der genannten
Störeinflüsse wird bei der genannten Anordnung dadurch erreicht, daß zum Erhalt eines Diffe: enzsignals
am Eingang des Leseverstärkers 11 gleichzeitig mit der
Auswahl einer Speicherzelle in einem Speicherfeld ein mit der jeweils anderen Bitleitung verbundenes
sogenanntes Blindspeicherelement CR adressiert wird, das in seinem Aufbau einem regulären Speicherelement
gleicht. Zum Beispiel wird gleichzeitig mit einer der Wortleitungen für das A-FeId die dem Blindspeicherelement
an der zum ß-Feld führenden Bitleitung zugeordnete wortieitung WAr ausgewählt. Es ist
festzustellen, daß vor jedem Auslesevorgang die Bitleitungen und die damit verbundenen Blindspeicherelemente,
d. h. die Kondensatoren Cr, auf ein festes Bezugspotential aufgeladen werden, wobei ein Ausgleich
der Bitleitungspotentiale über einen zwischen den Eingangknoten im Leseverstärker-Flipflop liegenden
Quertransistor erfolgt (vgl. auch z. B. Electronics vom 13. September 1973, Seiten 116 bis 121, insbesondere
Seite 119, Fig. 7). Mithin enthalten die Blindspeicherelemente
im Gegensatz zu den eigentlichen Speicherelementen einen jeweils festen Ladungsbetrag. Eine mit
der beschriebenen Anordnung vergleichbare Speicheranordnung ist ferner aus der US-Paten'schrift 37 71 147
beka nn tge worden.
Zwar wird durch die gleichzeitige Adressierung einer Speicherzelle zusammen mit einer Blindspeicherzelle i. V. mit der genannten Einstellung der anfänglichen Bitleitungspotentiale eine weitgehende Symmetrie und damit Unterdrückung von Störsignalen erreicht Es verbleiben jedoch noch Unsymmetrien, die daher
Zwar wird durch die gleichzeitige Adressierung einer Speicherzelle zusammen mit einer Blindspeicherzelle i. V. mit der genannten Einstellung der anfänglichen Bitleitungspotentiale eine weitgehende Symmetrie und damit Unterdrückung von Störsignalen erreicht Es verbleiben jedoch noch Unsymmetrien, die daher
ίο rühren, daß mit der Adressierung unterschiedlicher
Speicherzellen jeweils dieselbe Blindspeicherzelle adressiert wird. Zudem ergeben sich je nach ausgelesenem
Speicherinhalt infolge der festen Voraufladung der Blindspeicherzelle betragsmäßig unterschiedliche Differenzspannungen.
Es sind auch bereits im Zusammenhang mit
Speichermatrizen Zwei-Element-Anordnungen pro Speicherstelle mit kontradiktorischer Informationsspeicherung
bekanntgeworden. In der DE-OS 23 13 476 sind beispielsweise in einem kapazitiven Datenspeicher der
eingangs genannten Art jeweils zwei Speicherelemente zur Speicherung einer einzigen Binärinformation
vorgesehen. Jedes der beiden Speicherelemente pro Speicherplatz enthält einen Feldeffekttransistor mit
einem in Abhängigkeit von der gespeicherten Ladung veränderbaren Schwellenwert, z. B. einen MNOS-Transistor.
In den zu einem Paar gehörenden Speicherelementen erfolgt jeweils eine entgegengesetzte Ladungsbzw. Informationsspeicherung, die über ein taktgesteu-
ertes Leseverstärker-Flipflop auslesbar und wiederauffrischbar ist. Dort soll bei derartigen dynamischen
Speichern der Nachteil beseitigt werden, daß bei Ausfall der Versorgungsspannung die Speicherdaten verlorengehen.
Dazu werden bei einem Netzausfall die die Speicherinformationen repräsentierenden Ladungen
aus den jeweiligen Speicherkondensatoren in den Zwischenbereich zwischen der Siliziumoxidschicht und
der Siliziumnitridschicht der MNOS-Transistoren übernommen,
wo sie ohne weitere Energiezufuhr über längere Zeit speicherbar sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, einen Halbleiterspeicher anzugeben,
der mit einem den genannten Ein-Transistor-Speicherelemcnten vergleichbaren Aufwand hinsichtlieh
seines insbesondere mit dem Auslesen der Speicherinformation verbundenen elektrischen Verhaltens
im Sinne einer erhöhten Lesegeschwindigkeit und der Vermeidung einer dauernden Verlustleistungsaufnahme
weiter verbessert ist. Dabei ist es erwünscht, als Lesespannungen betragsmäßig möglichst gleiche und
lediglich in ihrem Vorzeichen unterschiedliche Differenzspannungen zu erhalten und einen üblichen für die
Elemente der weiteren Hilfsschaltkreise kompatiblen Herstellungsprozeß einsetzen zu können.
Zur Lösung dieser Aufgaben sieht die Erfindung einen Halbleiterspeicher der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten
Art vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unterausprüchen
gekennzeichnet.
bo Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1A, 1 B Schaltungsanordnungen bekannter Halbleiterspeicher
mit Ein-Transistor-Speicherzellen,
b5 Fig. 2A-2C das Schaltbild der benutzten Zwei-Transistor-Speicherzelle
(Fig. 2A) sowie die erfindungsgemäße Lese/Regenerierschaltung (F i g. 2B) samt
dem zugehörigen Zeitdiagramm (F i g. 2C),
F i g. 3 in teilweise schematischer Darstellung die Anordnung mehrerer Zwei-Transistor-Speichcr/.ellcn
zu einem Matrixspeicher,
Fig.4 eine ausschnittsweise Draufsicht auf einen in integrierter Form ausgebildeten Halbleiterspeicher und
F i g. 5 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 5-5 in Fi g. 4.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß bei den hinsichtlich ihrer möglichen Packungsdichte sehr
vorteilhaften Ein-Transistor-Speicherzellen nach dem Stande der Technik (vgl. Fig. IA und IB) die
erforderliche Halbleiterfläche fast ausschließlich durch den Flächenbedarf der Speicherkondensatoren Csbestimmt
ist. Der für die Schreib/Lese-Feldeffekt-Transistoren erforderliche Flächenaufwand kann demgegenüber
nahezu vernachlässigt werden. Ausgehend von diesem Sachverhalt wird gemäß der Erfindung von der
in ihrem elektrischen Schaltbild in Fig. 2A gezeigten Zwei-Transistor-Speicherzelle ausgegangen, deren Flächenaufwand
mit den vorgenannten Ein-Transistor-Speicherzellen praktisch gleich ist. Dies wird im
wesentlichen dadurch erreicht, daß die beiden nach F i g. 2A vorgesehenen Speicherkondensatoren C, verglichen
mit den Speicherkondensatoren Cs der Ein-Transistor-Speicherzellen (vgl. F i g. 1A, 1 B), nur jeweils
den halben Kapazitätswert aufweisen und demzufolge auch nur die halbe Fläche benötigen. Dennoch ergeben
sich, wie noch zu zeigen sein wird, aufgrund der dort vorgenommenen Anordnung der Schaltelemente der
Speicherzelle in Verbindung mit der noch zu beschreibenden Lese/Regenerier-Schaltung erheblich verbesserte
elektrische Eigenschaften bezüglich des Leseverhaltens eines solchen Speichers.
Im einzelnen ist in F i g. 2A die elektrische Schaltung einer solchen Speicherzelle dargestellt, die am Kreuzungspunkt
einer zugehörigen Wortleitung WL und eines zugehörigen Bitleitungspaares SO und Bi
angeordnet ist. Es ist ersichtlich, daß diese Zwei-Transistor-Speicherzelle symmetrisch aufgebaut ist. Von jeder
der beiden Bitleitungen SO und Sl führt jeweils eine
schaltbare Verbindung über die Schreib/Lese-Feldeffekt-Transistoren 20 bzw. 21 zu jeweils einem der
beiden Speicherkondensatoren C. Mit ihrer anderen Elektrode sind diese Speicherkondensatoren C am
Verbindungspunkt 22 an ein festes Bezugspotential, z. B. Massepotential, angeschlossen. Durch ein entsprechendes
Adressierungssignal auf der Wortleitung WL können die beiden Schreib/Lese-Feldeffekl-Transistoren
20 und 21 ein- und ausgeschaltet werden. Über die Bitleitungen BO und BX kann demnach die durch die
jeweilige Aufladung der Speicherkondensatoren C repräsentierte Speicherinformation eingeschrieben,
ausgelesen bzw. regeneriert werden. Zu diesem Zweck ist mit jedem Bitleitungspaar BO/ Bi eine Einrichtung
23 verbunden, die im folgenden als Lese/Regenerier-Schaltung bezeichnet werden soll. Diese Lese/Regenerier-Schaltung
ist in bekannten Schaltungen häufig durch eine bistabile Kippschaltung gebildet, die
vorzugsweise über Taktsignale eingeschaltet wird. Dadurch, daß eine solche als Lese/Regenerier-Schaltung
verwendete Kippschaltung getaktet wird, kann sich bei einem Lesevorgang zunächst die Differenz-Spannung
der jeweils adressierten Speicherzelle auf den beiden Bitleitungen ungestört ausbilden und die
Kippschaltung voreinstellen, worauf zum Taktzeitpunkt der voreingestellte Binärzustand fest verriegelt, d. h.
gespeichert wird. Die erfindungsgemäße Lese/Regenerier-Schaltung dieser Art ist in Fig. 2B mit dem
zugehörigen lnipulsdiagramni in F i g. 2C dargestellt
und wird später näher erläutert.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt einer derartigen Zwei-Transistor-Speicherzelle besteht darin, daß der
jeweilige Speicherinhalt durch entgegengesetzte Aufladung der beiden Speicherkondensatoren C repräsentiert
wird. Demzufolge stellen sich auf den Speienerkondensatoren Cje nach Speicherzustand entgegengesetzte
Potentiale ein. Beispielsweise ist eine binäre »0«
ίο dadurch repräsentiert, daß die Spannung über dem
linken Speicherkondensator den unteren Spannungspegel V0 und die Spannung über den rechten Speicherkondensator
den oberen Spannungspegel V1 aufweist bzw. umgekehrt bei einer binären »1«. Im Gegensatz zu einer
der vorgenannten Ein-Transistor-Speicherzellen ist die !nfüimaiiun in der Speicherzelle nach Fig. 2A somit
zweifach gespeichert.
Beim Schreiben der Zwei-Transistor-Speicherzelle soll der untere Spannungswert Vo bzw. der obere
Spannungswert Vi über den beiden Speicherkondensatoren
Centstehen. Zum besseren Verständnis diene ein Zahlenbeispiel: V0 ä 0 V, Vt ==4 V. Man legt somit über
einen in Fig. 2A nicht dargestellten Treiber mit zwei komplementären Ausgängen an die Bitleitung ß0 die
Spannung 0 V und an die Bitleitung B 1 die Spannung 4 V an, falls beispielsweise eine binäre »0« eingeschrieben
werden soll. Durch einen (positiven) Impuls auf der zugehörigen Wortleitung WL werden die beiden
Schreib/Lese-Feldeffekt-Transistoren 20 und 21 der
jo Speicherzelle eingeschaltet, und die Bitleitungspotentiale
werden auf die Speicherkondensatoren Cübertragen. Bevor auf die Betriebsweise der Speicherzelle anhand
einer Beschreibung eines Regenerier/Lesezyklus eingegangen wird, soll die erfindungsgemäße Lese/Regene-
i'> rier-Schaltung 23 in Fig. 2B beschrieben werden. Die
Lese/Regenerier-Schaltung 23 umfaßt dabei die beiden funktionell zu trennenden Schaltungsteile, was durch die
Einrahmung mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Der untere Schaltungsteil stellt den eigentlichen
Leseverstärker für das auf den Bitleitungen B 0 und 51
auftretende kleine Differenzsignal VD dar. Bei diesem Leseverstärker handelt es sich um ein getaktetes
Flip-Flop mit den Flip-Flop-Transistoren 24 und 25 sowie dem in die gemeinsame Source-Leitung eingeschalteten
FET 26. Über einen am Steuereingang TF des FET 26 angelegten Taktimpuls wird der FET 26
leitend gesteuert, so daß die Flip-Flop-Transistoren 24 und 25 an die Betriebsspannung, hier Massepotential,
angeschlossen werden. Bei diesem Leseverstärker handelt es sich um ein Flip-Flop, das infolge des Fehlens
von Lastwiderständen sehr schnell zu schalten in der Lage ist. Der obere Schaltungsteil der Lese/Regenerier-Schaltung
23 stellt die eigentliche Regenerier-Schaltung dar und besteht aus den Feldeffekt-Transistoren 27, 28
und 29. Die Gate-Elektroden der FET 27,28 und 29 sind
miteinander an den gemeinsamen Steuereingang TR angeschlossen. Es ist festzustellen, daß die Steuersignale
an den Anschlüssen TF und TR zu keinem Zeitpunkt gemeinsam den oberen Spannungspegel aufweisen, vgl
Fig.2C. Daraus wird bereits deutlich, daß die
FET-Widerstände 27 und 28 nicht etwa als Lastelemente der Flip-Flop-Transistoren 24 und 25 wirken
Zusätzlich zur hohen Schaltgeschwindigkeit des Leseverstärkers tritt daher keine Dauerverlustleistung bei
diesem Flip-Flop auf.
Ein vollständiger Lesezyklus besteht — wie in dem Zeitdiagramm der F i g. 2C dargestellt — aus den vier
Zeitabschnitten Ti bis T4. Zuerst werden die
Zwei-Transistor-Speicherzelle und dann die Bitleitungen BO und B1 regeneriert. Die Regeneration der Zelle
erfolgt über die getaktete, fest verriegelte Kippschaltung, d. h. es wird der untere Spannungspegel 0 V und
der obere Spannungspegel 4 V der Flipflopknotenpunkte (Kreuzkopplungsknoten) bei eingeschalteten
Schreib/Lese-Transistoren 20, 21 der Speicherzelle auf die Speicherkondensatoren Cübertragen.
Im zweiten Zeitabschnitt 7"2 werden die Bitleitungskapazitäten
Cedurch die FET-Widerstände 27 und 28 im Regenerierschaltungsteil auf die Spannung Vgound Vg ι
aufgeladen, die beide möglichst gleich sein sollten, um keine störende Differenzspannung beim Auslesen zu
erhalten und die vorzugsweise möglichst groß sein sollten. Am Ende der Aufladung ist z.B.
Vb ο = Vb ι = 5 V. Die Flipflop-Schaltung ist dabei
nicht verriegelt, da kein Taktsignal an TF angelegt ist. Ferner sind die Schreib/Lese-Transistoren 20, 21 der
Speicherzelle abgeschaltet
Mit dem Anlegen eines Adressierungssignals an die Wortleitung WL beginnt im dritten Zeitabschnitt Γ3
der eigentliche Lesevorgang. Das positive Taktsignal TF für die in der Lese/Regenerier-Schaltung 23
verwendete Kippschaltung ist noch nicht angelegt. Es kann sich die Differenzspannung Vd der jeweils
adressierten Speicherzelle auf den beiden Bitleitungen ungestört ausbilden und die Kippschaltung aus den
Transistoren 24, 25 voreinstellen. Zum Taktzeitpunkt für den vierten und letzten Zeitabschnitt Γ4 wird der
voreingestellte Binärzustand in der Lese/Regenerier-Schaltung 23 fest verriegelt, u. h. gespeichert. Die kleine
Differenzspunnung Vb wird durch das Schalten des Flipflops kräftig verstärkt, so daß ein unterer Spannungspegel
von etwa 0 V entsteht und ein hoher oberer Spannungspegel von etwa 4 V an den Kreuzkopplungsknoten
erhalten bleibt. Der durch das Schalten des Flipflops »verstärkte« Speicherinhalt — dargestellt
durch den unteren und oberen Spannungspegel auf den Bitleitungen 50 bzw. B1 der Zwei-Transistor-Speicherzelle
— kann jetzt eine nicht gezeigte Daten-Ausgangsstufe treiben. Der Auslesevorgang ist beendet.
Ein Speicherfeld mit Zwei-Transistor-Speicherzellen benötigt keine Blindspeicherelemente (vgl. F i g. 1 B), die
in komplizierter Weise angesteuert werden müssen. Das Schreiben, Lesen und Regenerieren einer solchen
Speicheranordnung ist somit sehr einfach zu realisieren, wie z.B. aus dem in Fig.2C gezeigten Ablauf eines
Lesezyklus hervorgeht.
Von entscheidender Bedeutung für die Beurteilung der Zwei-Transistor-Speicherzelle ist das bei einem
Auslesevorgang an der Lese/Regenerier-Schaltung 23 erhältliche Differenzsignal Vd. Eine wichtige Forderung
bezüglich der Größe dieser Differenzspannung VD ist,
daß sie größer ist als der Undefinierte Spannungsbereich der Lese/Regenerier-Schaltung, den man - bedingt
durch innere Unsymmelrien - mit etwa 30OmV
annehmen kann. Es muß berücksichtigt werden, daß jede der beiden Bitleitungen mit einer Kapazität Cb
behaftet ist, so daß sich bei einem Ausüesevorgang ein
Ladungsausgleich zwischen der Speicherkapazität C und der Bitleitungskapazität CB einstellt Die Spannung
der Bitleitungen unmittelbar vor dem Auftreten des Wortleitungsimpulses sei Vb-o, was durch den Index
» — 0« zum Ausdruck kommen soll. Die Bitleitungspotentiale Vb 0 und Vb ι am Ende des zweiten Regenerations-Zeitabschsnitts
sind also Vb-o.
Für die Zwei-Transistor-Speicherzelle von Fig.2A
ergibt sich die an der Lese/Regenerier-Schaltung 23
erhältliche Differenzspannung
ι . . ι C
(Vi-V0).
Dabei sollen Vi bzw. Vo die Spannung über den beiden
Speicherkondensatoren C kurz vor der Adressierung der Wortleitung bedeuten. Als vorteilhaft ist es
anzusehen, daß die Differenzspannung Vq nicht direkt
von der Regenerationsspannung Vb-o abhängt, wie dies bei der eingangs genannten Ein-Transistor-Zelle der
Fall ist. Wie im folgenden gezeigt wird, hängt allerdings Vi von V8-O ab. Der Einfachheil halber soll K0 = OV
angenommen werden, was bedeutet, daß sich auf einem der beiden Speicherkondensatoren C keine Ladung
befindet, während der jeweils andere Speicherkondensator geladen ist und eine Spannung Vi aufweist.
Bei der Regeneration der Speicherzelle — also im ersten Zeitabschnitt Π ist bedingt durch das Auslesen
der Speicherzelle und die Verriegelung der Kippschaltung der obere Spannungspegel V, gegenüber Vb-o um
einen gewissen Betrag z. B. um 1 V abgesunken. Im zweiten Zeitabschnitt T2 wird während des Erholens
der Bitleitungen von 0 V bzw. von Vb-o — 1 V auf Vg_0
der obere Spannungspegel in der Speicherzelle von V] = Vg-O — 1 V um einen weiteren Betrag - bedingt
durch den Leckstrom des Speicherkondensators C — z. B. um 1 V in 3 ms absinken. Die Zeit 3 ms ist eine
typische Auffrischzeit eines dynamischen Speichers. Kurz vor der Adressierung der Wortleitung WL beträgt
also der obere Spannungspegel V1 nur noch
V1= VB-0- IV.
Damit ergibt sich Tür die aus der Speicherzelle erhältliche Differenzspannung
(VB.O- IV).
Mit den weiteren Annahmen:
C = 0.125 pF
CB = 1 pF
I7B-O = 5 V
CB = 1 pF
I7B-O = 5 V
I1, = 1 ν + 1 V = 2 V
V0 = OV
V0 = OV
ergibt sich als Differenzspannung der Zwei-Transistor-Speicherzelle
VD = 330 mV. Ein wichtiger Gesichtspunkt
im Rahmen der Erfindung ist, daß diese Differenzspannung, unabhängig davon ob eine »0« oder
eine »1« gespeichert war, betragsmäßig gleich und lediglich mit entgegengesetztem Vorzeichen an der
Lese/Regenerier-Schaltung 23 auftritt Im Gegensatz dazu treten bei einer Ein-Transistor-Speicherzelle mit
gleichzeitiger Auswahl eines Blindspeicherelements je nach Speicherinhalt stark unterschiedliche Differenzspannungen
auf. Unter denselben für das obige Beispiel getroffenen Annahmen ergibt sich bei einer Ein-Transistor-Speicherzelle
im Falle einer gespeicherten »0« z. B. eine Differenzspannung von — 500 mV und bei einer
gespeicherten »1« eine Differenzspannung von 100 mV. Dabei ist berücksichtigt daß die Speicherkapazität Cs in
diesem Fall doppelt so groß wie die Speicherkapazität C ist, & h. 0,25 pF. Es kann demnach festgestellt werden,
daß bei der Zwei-Transistor-Speicherzelle erheblich verbesserte Betriebseigenschaften vorliegen.
In Fig.3 ist schematisch die Anordnung mehrerer
Zwei-Transistor-Speicherzellen zu einem Speicherfeld angedeutet. Das Speicherfeld A enthält in M Spalten
und N Zeilen matrixförmig angeordnete Speicherzellen, von denen stellvertretend für das gesamte Speicherfeld
die vier Speicherzellen an den Eckpunkten des Speicherfeldes gezeigt sind. Die codierte Bitleitungs-Adresse
Y wird im Bitleitungs-Decoder 30 decodiert. Entsprechend wird die codierte Wortleitungsadresse X
im Wortleitungs-Decoder 40 decodiert. An jedes Bitleitungspaar sind Lese/Regenerier-Schaltungen 33
angeschlossen, die der Lese/Regenerier-Schaltung 23 in
F i g. 2 entsprechen. Bezüglich der Einzelheiten des Betriebs einer derartigen Matrixspeicheranordnung
kann auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen werden.
Mit besonderen Vorteilen lassen sich die Zwei-Transistor-Speicherzellen
in integrierter Technik zu einer Einheit zusammenfassen. Dabei werden eine große
Anzahl derartiger Speicherzellen mit den zugehörigen Auswahlschaltungen zusammen auf einem Halbleiterplättchen
aufgebaut. In den Fig.4 und 5 ist in einer
Draufsicht bzw. im Schnitt ein Ausschnitt aus einer vorteilhaften Realisierungsform in integrierter Technik
dargestellt. In dem gemeinsamen Halbleiterkörper 50, z. B. aus P-Silizium sind die Bitleitungen SO und B1 als
Dotierungsstreifen von gegenüber dem Halbleiterkörper 50 entgegengesetzter Leitfähigkeit angeordnet. Die
Bitleitungen verlaufen dabei im wesentlichen parallel zueinander und stellen gleichzeitig die Drain-Zonen
der zugehörigen Schreib/Lese-Feldeffekt-Transistoren einer Speicherzelienhäifte dar. Die zugehörigen Source-Zonen
der Schreib/Lese-Feldeffekt-Transistoren sind im Halbleiterkörper 50 als rechteckige Dotierungsgebiete
51 dargestellt. Die Source- und Drain-Zonen sind gegenüber dem Halbleiterkörper entgegengesetzt, z. B.
N-dotiert. Der Halbleiterkörper 50 ist von einer ersten relativ dünnen Isolierschicht 52 bedeckt, die vorzugsweise
als Si02/Si3N4-Doppe!schicht ausgeführt ist. Diese
Isolierschicht 52 stellt einmal das Gate Dielektrikum der Schreib/Lese-Feldeffekt-Transistoren und zum anderen
das Dielektrikum der Speicherkondensatoren C dar. Ü'oer der Isolierschicht 52 ist mit Ausnahme der
G ate-Bereiche 53 eine erste leitfähige Schicht 54 angeordnet. Diese Schicht 54 besteht vorzugsweise aus
dotiertem Halbleitermaterial, z. B. polykristallinem Silizium mit einem Flächenwiderstand von kleiner
1 kn/D. Elektrisch ist die Schicht 54 mit dem Substratpotential verbunden und stellt in den Bereichen
über den Source-Zonen 51 die eine Speicherkondensator-Elektrode
dar. Weiterhin dient die Schicht 54 als Abschirmschicht zur Verhinderung unerwünschter
Inversionen der Halbleiteroberfläche. Das Substrat 50 und die Polysilizium-Schicht 54 werden vorzugsweise
fest auf ein negatives Potential z. B. — 3 V gelegt. In der elektrischen Beschreibung wurde allerdings der Einfachheit
halber das Potential OV (Massepotential) angenommen. Von der Gate-Metallisierung 55 ist die
leitfähige Schicht 54 durch eine isolierende Zwischenschicht 56, vorzugsweise aus Siliziumdioxyd, isoliert. Die
Gate-Metallisierung 55 stellt gleichzeitig die Wortleitung für alle Speicherzellen einer Zeile dar. Sie verläuft
vorzugsweise orthogonal zu den als Dotierungsstreifen im Halbleiterkörper angeordneten Bitleitungen SO, B\
usw. Die den Halbleiterkörper 50 bedeckende erste Isolierschicht (Doppelschicht) 52 ist typisch etwa 500 Ä
dick. Die darüberliegende leitfähige Halbleiterschicht 54 weist eine Dicke von größenordnungsmäßig 1500 Ä auf.
Die zweite isolierende Zwischenschicht 56 wird vorzugsweise durch Reoxydation mit einer Dicke von
mehr als 3000 Ä gebildet. Für die Dotierung können bekannte Diffusions- und/oder lonenimplantationsverfahren
angewendet werden.
Die Speicherkondensatoren C werden gebildet durch die relativ großflächigen Source-Zonen 51 und die
darüberliegenden Bereiche der leitfähigen Schicht 54 mit der Isolierschicht 52 als Dielektrikum und der
Sperrschicht-Kapazität zwischen der Diffusions-Zone 51 und dem auf festem Potential liegenden Substrat 50.
Es soll schließlich noch bemerkt werden, daß die Darstellung in den Fig.4 und 5 keineswegs maßstabsgetreu
ist; insbesondere sind die für die Ausbildung der Speicherkondensatoren Cgegenüber den Schreib/Lese-Feldeffekt-Transistoren
erforderlichen Flächenbereiche in Wirklichkeit erheblich größer. Es ist ersichtlich, daß
die zu einer Speicherzelle gehörenden Elemente, nämlich je ein Schreib/Lese-Transistor mit einem
Speicherkondensator elektrisch symmetrisch zueinander und eng benachbart angeordnet sind. Damit ergibt
sich der außerordentliche Vorteil, daß die als Störfaktoren zu beurteilenden Potentialschwankungen des
Halbleiterkörpers 50 sowie der leitfähigen Schicht 54 lediglich Gleichtaktsignale bewirken, die die letztlich
entscheidende Differenzspannung beim Lesevorgang nicht beeinflussen. Das gleiche gilt bezüglich der
unvermeidlichen Kopplungen der Wortleitung auf die Bitleitungen bzw. bezüglich etwaiger Maskenverschiebungen
bei der Herstellung der Schreib/Lese-Transistoren. Störungen wirken sich stets infolge des elektrisch
symmetrischen Aufbaus der Speicherzelle auf beide Bitleitungspotentiale in absolut gleicher Weise aus und
heben sich damit schließlich auf. Weiterhin ist hervorzuheben, daß bei einer Anordnung gemäß F i g. 4
keine Kontaktlöcher sowie zur Wortleitung zusätzlich vorzusehenden Leiterzüge benötigt werden. Damit ist
eine extreme Packungsdichte erzielbar.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die beschriebene Zwei-Transistor-Speicherzelle mit der
zugehörigen Lese/Regenerierschaitung eine mit den bekannten Ein-Transistor-Speicherzellenkonzepten
vergleichbare außerordentlich hohe Packungsdichte bei demgegenüber schnellerer Zugriffszeit (höhere Differenzspannung)
und vor allem weiter verbesserter Störeinflußunterdrückung infolge ihrer absoluten elektrischen
Symmetrie bietet. Dabei erlaubt sie eine elegante Integration zu einer umfangreichen Speicheranordnung.
Dadurch, daß man kein Blindspeicherelement benötigt, spart man im übrigen nicht nur Platz,
sondern es kann vor allem die Steuerung des Schreibens, Lesens und Regenerierens stark vereinfacht werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Dynamischer Halbleiterspeicher mit Speicherzellen, die pro Bitspeicherplatz eine Doppelanordnung
je eines über einen Feldeffekttransistor zugänglichen Speicherkondensators enthalten, sowie
mit jeweils einer mit den beiden Bitleitungen der in einer Matrixdimension angeordneten Speicherzellen
gekoppelten Lese/Regenerierschaltung, die eine getaktete Verriegelungsschaltung mit zwei zu
einem Flipflop verbundenen Feldeffekttransistoren zum Erfassen der beim Auslesen der Speicherinformation
einer adressierten Speicherzelle auftretenden Differenzspannung sowie eine Regenerierschaltung
mit weiteren Feldeffekttransistoren zum Aufladen der Bitleitungen auf gleiche Anfangsootentiale
enthält, gekennzeichnet durch e:ne als dynamisches Flipflop ausgeführte getaktete Verriegelungsschaltung
(24, 25, 26 in 23), für deren zu einem Flipflop verbundene Feldeffekttransistoren
(24, 25) im eingeschalteten Zustand keine Gleichstrom führenden Lastzweige bzw. Lastelemente
vorgesehen sind, sowie durch derart ausgebildete Steuersignale an den Taktanschlüssen (TR, TF) der
Verriegelungsschaltung und der Regenerierschaltung, daß nicht beide Schaltungen gleichzeitig
eingeschaltet sind.
2. Halbleiterspeicher nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Speicherzelle
gespeicherte Information jeweils durch das Vorhandensein einer Ladung in dem einen und das Fehlen
von Ladung in dem anderen Speicherkondensator (C) repräsentiert ist.
3. Halbleiterspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Speicherkondensatoren
(C) einer Speicherzelle annähernd denselben Kapazitätswert aufweisen.
4. Halbleiterspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkapazität der
beiden Speicherkondensatoren (C) einer Speicherzelle etwa gleich groß ist wie die Speicherkapazität
(Cs in Fig. 1) einer an sich bekannten Ein-Transistor-Speicherzelle.
5. Halbleiterspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
mit den Bitleitungen verbundene Einrichtung zum Schreiben, Lesen und Regenerieren der Speicherinformation
zwei jeweils mit ihrer Drain-Source-Strecke zwischen die jeweilige Bitleitung (BO, Sl)
und eine Spannungsquelle (+ V) eingefügte Feldeffekttransistoren (27, 28) sowie einen mit seiner
Drain-Source-Strecke zwischen die Bitleitungen eingeschalteten dritten Feldeffekttransistor (29)
enthält, und daß die Steuerelektroden aller drei Feldeffekttransistoren (27, 28, 29) gemeinsam an
einen Taktanschluß (TR) für ein den Regenerierzeitraum bestimmendes Steuersignal angeschlossen
sind.
6. Halbleiterspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
pro Speicherzelle vorgesehenen beiden Schreib/ Lese-Feldeffekttransistoren mit den Speicherkondensatoren
in dem gemeinsamen Halbleiterkörper möglichst benachbart angeordnet sind.
7. Halbleiterspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkondensatoren (C)
strukturmäßig mit der Source- oder Drainzone der
55 Schreib/Lese-Feldeffekttransistoren verbunden sind.
8. Halbleiterspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Isolierschicht-Feldeffekttransistoren
als Schreib/Lese-Transistoren, bei denen jeweils beabstandete Source- und Drainzonen im Halbleiterkörper vorgesehen
sind und der Halbleiterkörper von seiner Oberfläche aus mit folgenden Schichten bedeckt ist:
- mit einer ersten relativ dünnen Isolierschicht (52), vorzugsweise einer SiO2/Si3N4-Doppe]schicht,
die als Gate- und Speicherkondensator-Dielektrikum dient;
— einer mit Ausnahme der Gate-Bereiche (53) darüber angeordneten ersten leitfähigen Schicht
(54), vorzugsweise aus Halbleitermaterial wie polykristallinem Silizium;
- einer lediglich die erste leitfähige Schicht (54) bedeckenden zweiten relativ dicken Isolierschicht
(56), vorzugsweise aus SJO2 und
— einer insbesondere die Gate-Bereiche (53) überdeckenden zweiten leitfähigen Schicht (55)
als Gate-Elektrode.
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