DE2950906A1

DE2950906A1 - Speicherzelle fuer einen statischen speicher und eine derartige zelle enthaltender statischer speicher

Info

Publication number: DE2950906A1
Application number: DE19792950906
Authority: DE
Inventors: Cornelis Maria Hart; Jan Lohstroh
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-18
Publication date: 1980-07-10
Also published as: NL188721B; SE438569B; DE2950906C2; IT1193349B; NL7812463A; JPS5587385A; FR2444992B1; US4322821A; JPS5840341B2; GB2038091A; GB2038091B; IT7928197A0; AU530153B2; FR2444992A1; AU5404079A; CA1152646A; NL188721C; SE7910457L

Description

Speicherzelle für einen statischen Speicher und eine derartige Zelle enthaltender statischer Speicher

Die Erfindung bezieht sich auf eine statische Speicherzelle, die insbesondere dazu bestimmt ist, in einer grossen Anzahl in einem statischen Speicher integriert zu werden, und die einen Halbleiterkörper mit zwei Transistoren mit

S kreuzweise gekoppelten Basis- und Kollektorgebieten enthält, wobei die Kollektorgebiete mit einem eine Diode enthaltenden Belastungselement verbunden sind. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen statischen Speicher mit einer derartigen Speicherzelle.

Die Speicherzellen können z.B. durch allgemein bekannte Flipflopschaltungen gebildet werden, wobei die Kollektoren über die Belastungselemente mit einer gemeinsamen Leitung (z.B. der Speiseleitung) verbunden werden können und wobei erste Emittergebiete gemeinsam mit z.B.

einer Stromquelle und zweite Emittergebiete mit Lese/Schreibleitungen verbunden sind.

Für ein stabiles Flipflop ist es erforderlich, dass im metastabilen Punkt die Schleifenverstärkung grosser als 1 ist. Ausgehend von einer Strom-Spannungskennlinie

vQ^vbe/ des Emitter-Basis-Ubergangs i =1 exp —rr;—, kann fest-

C O K X

gestellt werden, dass aus dieser Bedingung folgt, dass die

kT Impedanz R der Belastungselemente grosser als —r sein muss, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die elementare Ladungsmenge und i den Strom

25 darstellen.

Beim Betrieb wird zum Auslesen der Zelle im Zusammenhang mit der Zugriffszeit ein verhältnismässig grossei" Lesestrom, von z.B. 1 mA, verwendet. Bei diesen grossen Lesestrtfmen könnte ein Belastungselement mit einem verhältnismässig kleinen Widerstand verwendet werden. Im 'Wartezustand ("sLand-by"), in dem die Zelle nicht atisgelesen wird, aber in dem wohl die Information erhalten bleiben soll, wird aus Verlustleistungserwrigungen ein möglichst

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kleiner Strom durch die Zelle geschickt. Dem Belastungselement werden damit zwei zueinander im Widerspruch stehende Anforderungen gestellt, und zwar eine niedrige Impedanz im Zusammenhang mit den verhältnismässig grossen Leseströmen und eine hohe Impedanz im Zusammenhang mit den verhältnismässig kleinen Merkströmen. In der Praxis kann die Impedanz des Belastungselements derart gewählt werden, dass ein Verhältnis Lesestrom/Merkstrom von etwa 5 bei Anwendung linearer Widerstände erhalten werden kann.

Grössere Werte für diese Verhältnisse sind aus deutlichen Gründen zwar erwünscht, aber gewöhnlich bei Anwendung eines linearen Widerstandes als Belastungselement nicht realisierbar, insbesondere weil sich sehr grosse Widerstände technologisch schwer genau herstellen lassen und u.a. weil bei grossen Widerständen die Leseströme durch die verfügbaren gebräuchlichen Speisespannungen beschränkt werden.

' Im Aufsatz "A 1024 - Bit ECL RAM with 15-ns Access Time" von Ronald Rathbone et al in I.E.E.E. International Solid State Circuits Conference 1976, S. I88/I89 ist eine Speicherzelle mit einem nichtlinearen Belastungselement, und zwar einem Widerstand mit einer parallelgeschalteten Diode, angegeben. Der Haltestrom kann einen verhältnismässig niedrigen Wert (15/uA) aufweisen (Stand-by current). Beim Auslesen der Zelle kann nämlich der grösste Teil des Stromes durch die Diode geführt werden, wodurch für den Widerstand ein höherer Wert und damit für den Haltestrom ein niedrigerer Wert als beim Fehlen der Diode gewählt werden kann. Im Aufsatz von A.Hotter et al "A high-speed low-power 4O96 χ 1-bit bipolar RAM" in I.E.E.E. International Solid State Circuits Conference 1978, Digest of Technical Papers, S. 98/99 ist angegeben, dass durch Anwendung eines derartigen Belastungselements ein Verhältnis Lesestrom/Haltestrom von etwa 10 erhalten werden kann. In diesem Aufsatz ist ausserdem angegeben, dass, indem über dem Belastungseleinent ein npn-Transistor geschaltet wird, unter Beibehaltung der kurzen Zugriffszeit eine weitere Herabsetzung des Haltestroms (4 /uA) und damit der

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Verlsutleistung erhalten werden kann, wodurch es u.a. möglich wird, die Anzahl von Speicherzellen In einem Halbleiterkörper erheblich zu erhöhen ohne das Auftreten nachteiliger Folgen einer entsprechenden Erhöhung der Verlust-S leistung.

Wegen der obengenannten Stabilitätsbedingung kann auch in diesen bekannten Zellen das Verhältnis Lesestrom/-Haltestrom nicht beliebig gross gewählt werden.

Widerstandselemente weisen weiter den Nachteil auf, dass sie in dem Halbleiterkörper verhältnismässig viel Raum beanspruchen, umso mehr je nachdem der Widerstandswert höher ist. Verkleinerung der Widerstandselemente ist oft schwierig im Zusammenhang mit den elektrischen Eigenschaften anderer Schaltungselemente oder macht das Verfahren zur Herstellung der Speicherelemente zusätzlich kompliziert. In der US-PS 3 585 ^12 ist eine Flipflopschaltung mit in der Sperrichtung geschalteten Schottky-Dioden als Belas-"tungselernenten beschrieben, die sich als Widerstände verhalten, aber gegenüber gebräuchlichen Widerstandselementen

^O wenig Raum in Anspruch nehmen. Diese Dioden weisen aber

die obenerwähnten Nachteile linearer Widerstandselemente • , auf. Ausserdem wird durch das Anbringen einer Schottky-Diode mit der gewünschten Sperrspannungskennlinie der Herstellungsvorgang der Anordnung im allgemeinen erheblich verwickelter.

Die Erfindung hat die Aufgabe,' eine Speicherzelle eingangs beschriebener Art anzugeben, in der das Verhältnis Lesestrom/Haltestrom grosser als in bekannten Zellen dieses Typs sein kann.

Weiter hat die Erfindung die Aufgabe, eine Speicherzelle zu schaffen, die einen kompakten Aufbau aufweist und zugleich mit Hilfe üblicher Verfahrensschritte hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass ein grosses Verhältnis Lesestrom/Haltestrom erhalten werden kann, wenn pro Zweig der Speicherzelle die Spannungsverstärkung - wenigstens innerhalb des Strom-Spannungsbereiches, in dem die Anordnung betrieben werden soll, "

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völlig oder wenigstens praktisch völlig von der Grosse des elektrischen Stromes unabhängig ist. Der Erfindung liegt weiter u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass eine derartige stromunabhängige Spannungsverstärkung durch Anwendung S eines gleichrichtenden Übergangs als Belastungselement erhalten werden kann, dessen Strom-Spannungskennlinie in der Durchlassrichtung einen Faktor exp. (qV/mkT) enthält, wobei m ) 1 ist,

Eine Speicherzelle nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungselement ein pn-Diode enthält, von der wenigstens eines der Anode- und Kathodengebiete aus polykristallinem Silizium besteht, wobei die Kollektorgebiete der Transistoren leitend mit denjenigen Gebieten der Dioden verbunden sind, die den gleichen Lei-IS tungstyp wie die Kollektorgebeite aufweisen.

Aus Versuchen hat sich ergeben, dass pn-Diöden, die völlig oder teilweise aus polykristallinem Material be-•stehen, in ihrer Durchlasskennlinie einen exponentiellen Faktor qV/mkT enthalten, wobei m grosser als 1 ist. Diese Grosse m ist ein Nichtidealitätsfaktor, der die Abweichung von Dioden dieses Typs in bezug auf übliche einkristalline Dioden darstellt. Infolge wahrscheinlich u.a. der kurzen Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern ist m (der in einkristallinen Dioden nahezu gleich 1 gesetzt werden kann) grosser als 1 und kann durch die Weise der Herstellung innerhalb eines bestimmten Bereiches um m = 2 herum geändert werden. Auf einfache Weise kann festgestellt werden, dass bei Anwendung einer derartigen

ce Diode als Belastungselement die Spannungsverstärkung ——

^dVbe praktisch gleich m und daher praktisch stromunabhängig ist. Dadurch, dass sich der Bereich, innerhalb dessen dies zutrifft, über eine grosse Anzahl von Dekaden erstreckt, kann für den Haltestrom ein sehr niedriger - Wert gewählt werden, während dennoch die Stabilitätsbedingung erfüllt wird. Die Verlustleistung in der Zelle kann dadurch sehr klein gehalten werden.

Dadurch, dass Widerstände nicht erforderlich sind, können die Abmessungen jeder Zelle sehr klein gemächt werden,

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wodurch die Zelle insbesondere dazu geeignet ist, in einer grossen Anzahl in einem Speicher integriert zu werden. Ausserdem können die Dioden, wie aus der nachstehenden Figurbeschreibung noch hervorgehen wird, mit Hilfe in der Halbleitertechnik üblicher Verfahrensschritte hergesteltt werden.

Für den Spannungsunterschied Av zwischen den Kollektoren der Transistoren gilt im stabilen Zustand annähernd, dass Av= ^- lnfc (wenigstens im üblichen Falle, in dem fo ^. 10 und m > 1 ,5 ist), wobei (!> die Stromverstärkung der Transistoren darstellt. Der Faktor m der Dioden soll derart gross sein, dass Δ V genügend gross ist, um bei einer vorgegebenen Grosse möglicher Störungen die Stabilität der Zelle aufrechtzuerhalten. In einer günstigen Ausführungsform werden daher Dioden als Belastungselemente verwendet, wobei zwischen den Kollektoren der Transistoren ein Spannungsunterschied von mindestens 150 mV und vorzugsweise 'zwischen 200 mV und 400 mV auftritt.Grosse Spannungsunterschiede von z.B. 500 bis 600 mV werden vorzugsweise vermieden, weil in diesem Falle der leitende Transistor (sehr tief) in Sättigung gebracht wird, wodurch infolge von Ladungsspeicherung die Schreibgeschwindigkeit der Zelle herabgesetzt wird. Sehr günstige Ergebnisse wurden bei einer Ausführi'ng mit Dioden erzielt, bei der Δ V etwa 25Ο mV betrug. Bei üblichen Transistoren, bei denen der Stromverstärkungsfaktor ß> zwischen etwa 10 und 100 liegt, werden Dioden mit einem m-Faktor verwendet, der etwa gleich 2 1st. Dioden, bei denen m kleiner als 1,5 ist, werden vorzugsweise vermieden, weil dann der Spannungsunterschied zwischen den Kollektoren und damit der logische Hub zwischen den zwei stabilen Zuständen in vielen Fällen zu klein wird.

In einer wichtigen Ausführungsform bestehen die Dioden zu beiden Seiten des pn-Ubergangs aus polykristallinem Siliziummaterial. Wie aus der Figurbeschreibung noch hervorgehen wird, können die Dioden dabei zugleich mit der Erzeugung aktiver Zonen im einkristallinen Halbleiterkörper über eine vorher angewachsene polykristalline Siliziumschicht von einem dem der genannten aktiven Zonen

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entgegengesetzten Leitungstyp hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform, die praktisch völlig mit Hilfe von Standardtechniken hergestellt werden kann, wird nur eines der Anoden- und Kathodengebiete der Dioden durch polykristallines Siliziummaterial gebildet, während das andere Gebiet wenigstens im wesentlichen durch einen einkristallinen Teil des Halbleiterkörpers gebildet wird, der eine höhere Dotierungskonzentration, z.B. zehnmal höher, als der polykristalline Teil der Diode aufweist. Die Eigenschäften dieser Dioden weichen nicht viel von denen polykristalliner Dioden ab, weil der grösste Teil der injizierten Ladungsträger infolge des Konzentrationsunterschiedes in Dotierung von dem einkristallinen Teil der Diode in den polykristallinen Teil injiziert wird, in dem die Rekombinationsgeschwindigkeit verhältnismässig hoch ist. Mit Vorteil kann die Rekombinationsgeschwindigkeit noch dadurch erhöht werden, dass über dem pn-Ubergang eine Metallschicht •angebracht wird.

Eine erste besondere Ausführungsform einer Speicherzelle nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren zwei mit einer Speiseleitung verbundene Emittergebiete und zwei mit Lese/Schreibleitungen verbundene Emittergebiete enthalten, wobei die Kollektorgebiete über die genannten pn-Ubergänge miteinander verbunden sind. Diese Zelle, die u.a. den Vorteil aufweist, dass sie sehr einfach betrieben werden kann, benötigt grundsätzlich vier Leitungen, und zwar zwei Speiseleitungen oder Vortleitungen und zwei Lese/Schreibleitungen.

Eine zweite besondere Ausführungsform einer Speicherzelle nach der Erfindung, die in bezug auf die vorgenannte Ausführungsform auf eine .etwas verwickeitere Weise betrieben wird, aber den Vorteil aufweist, dass grundsätzlich nur drei Leitungen pro Zelle erforderlich sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren je nur ein Emittergebiet enthalten, das mit dem Emittergebiet des anderen Transistors verbunden ist, und dass die Kollektorgebiete über die genannten als Belastungselemente wirkenden pn-Dioden mit einzelnen Lese/Schreibleitungen verbunden sind.

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Ein Halbleiterspeicher mit einem Halbleiterkörper mit einer an einer Oberfläche liegenden Matrix in Zeilen und Spalten angeordneter Speicherzellen dieser Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einem System sich kreuzender Leiterbahnen versehen ist, die die genannten Lese/-Schreibleitungen bilden, die mit pn-Ubergängen in den Zeilen bzw. Spalten von Speicherzellen verbunden sind.

Eine besonders kompakte Integration wegen der Tatsache, dass die Emittergebiete pro Zelle gemeinsam sind, kann bei einer bevorzugten Ausführungsform erhalten werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Transistoren durch invertierte Transistoren gebildet werden, wobei, auf die Oberfläche gesehen, das Basisgebiet unter dem Kollektorgebiet und das Emittergebiet unter dem Basisgebiet jedes Transistors liegt, und wobei der Halbleiterkörper eine Anzahl nebeneinander liegender voneinander"getrennter streifenförmiger Gebiete vom ersten Leitungstyp enthält, die sich parallel zu den Zeilen oder Spalten in dem Halbleiterkörper erstrecken und gemeinsame Emittergebiete der zu derselben Zelle oder Spalte gehörigen Transistoren bilden. Eine weitere günstige Ausführungsform, die wesentliche Vorteile bietet, sowohl weil die Transistoren selber 'sehr klein sein können als auch weil die pn-Ubergänge keine zusätzlichen Verfahrensschritte erfordern, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer Isolierschicht versehen ist, die an den Stellen der Transistoren Fenster aufweist, die die Basisgebiete der Transistoren definieren und die von einer Schicht aus polykristallinem Silizium geschlossen sind, das in den Fenstern und auf der Isolierschicht niedergeschlagen ist und denselben Leitungstyp wie die Basisgebiete aufweist, wobei die Kollektorgebiete unter umdotierten Teilen der polykristallinen Siliziumschicht liegen, die sich über die Isolierschicht erstrecken und dort mit nicht umdotierten Teilen die genannten Übergänge bilden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Flipflopspeicherzelle,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Flipflopspeicherzelle nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Teil einer Speichermatrix nach der Erfindung,

Fig. k einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 3 längs der Linie IV-IV,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer anderen Ausführungsform der Speichermatrix nach der Erfindung, Fig. 6 einen Schnitt durch diese Anordnung längs der Linie VI-VI,

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild eines Teiles eines Speichers nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Teil eines Speichers nach dem Schaltbild der Fig. 7,
* Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in Fig. 8, Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 8, Fig. 11 bis 13 einen Schnitt durch einen in dem

Speicher nach Fig. 8 verwendeten Transistor während einiger Stufen seiner Herstellung, und
' ' Fig. 14 eine Draufsicht auf eine Weiterbildung einer Speicherzelle nach der Erfindung.

Es sei bemerkt, dass die Figuren schematisch sind und nicht masstäblich gezeichnet sind.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer statischen Speicherzelle von einem bekannten Typ mit zwei Transistoren T1 und T2, deren Basis- und Kollektorgebiete 1 bzw. 2 kreuzweise miteinander verbunden sind. Die Kollektoren 2 sind über Belastungselemente 3 mit einer Speiseleitung k verbunden, die im Falle eines Speichers als Wortleitung verwendet wird. Die Transistoren enthalten je zwei Emittergebiete 5 und 6, wobei die Emittergebiete 5 zusammen mit der (Wort)Leitung 7 und die Emittergebiete 6 mit den Schreib/Leseleitungen 8 und 9 verbunden sind. Die Belastungselemente 3 bestehen in den gebräuchlichsten bekannten Ausführungen einfach aus Widerständen.

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Beim Betrieb werden zum Auslesen ein verhältnismässig grosser Strom i im Zusammenhang mit einer gewünschten Lesegeschwindigkeit und ein kleinerer Strom im Merkzustand (Stand-by) zur Beschränkung der Verlustleistung durch die Zelle geschickt. Diese verschiedenen Stromwerte führen zu verschiedenen gewünschten Werten für die Impedanzen 3» wie nachstehend noch erläutert werden wird. Es wird von der Anforderung ausgegangen, dass im

metastabilen Punkt pro Zweig für eine stabile Flipflop-

dV

dV_O(1

schaltung für den Verstärkungsfaktor » gelten muss:

^dVbe

ST* > ι <"·

be

wobei dV und dV. Spanriungsänderungen an den Kollektor- bzw. den Basisgebieten darstellen. Für den Emitter-Basis-Übergang der Transistoren T1, T2 gilt annähernd die Diodengleichung:

• JT * bei , _ολ

i_c = Io exp -^g— (2),

wobei i den Kollektorstrom, q die elementare Ladungsmenge, V. die Durchlasspannung über dem Emitter-Basis-Ubergang, k die Boltzmannkonstante und T die absolute Temperatur darstellen. Aus der Gleichung (2) lässt sich ableiten, dass bei einer Spannungsänderung ΔV. für die Stromänderung i gilt:

Für den Fall, dass die Elemente 3 einfach aus Widerständen mit einem Widerstandswert R bestehen, folgt aus den Gleichungen (i) und (3)> dass:

Der Mindestwert von R ist daher stromabhängig, und zwar in dem Sinne, dass bei einem grossen Strom ein kleiner Widerstand genügt, während bei einem kleinen i der Widerstand R gross sein soll.

Dadurch, dass weiter in der Praxis der Spannungsunterschied zwischen den Kollektoren der Transistoren meistens vorzugsweise mindestens 100 bis 150 mV beträgt, wird das Verhältnis zwischen dem Lesestrom und dem Haltestroin gewöhnlich nur niedrig (kleiner als 10) sein.

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Es ist bekannt, dass die Verlustleistung dadurch herabgesetzt werden kann, dass, wie in der Einleitung bereits erörtert wurde, ein nichtlineares Widerstandselement verwendet wird, das z.B. dadurch erhalten werden kann, dass parallel über dem Widerstand eine Diode geschaltet wird, wie in Fig. 1 jnit gestrichelten Linien angegeben ist. Mit.einem derartigen nichtlinearen Widerstandselement, bei dem der Differentialwiderstand bei zunehmender Grosse des Stromes abnimmt, kann eine erhebliche Verbesserung im Verhältnis Lesestrom/Haltestrom bewirkt werden. Oft wäre aber eine weitere Vergrösserung des Verhältnisses Lesestrom/-Haltestrom erwünscht.

Vom Gesichtspunkt der Packungsdichte sind weiter Widerstandselemente mit grossen Widerstandswerten bedenklich wegen des verhältnismässig grossen Raumes, den sie gewöhnlich in dem Halbleiterkörper beanspruchen.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Flipflopzelle nach 'der Erfindung. Statt Widerstände 3 enthält die Zelle Belastungselemente, die im wesentlichen aus Dioden 11 bestehen, deren Kathoden mit den Kollektorgebieten 2 der Transistoren ΤΊ und T2 und deren Anoden mit der Wortleitung h verbunden sind, so dass beim Betrieb die Dioden in der Durchlassrichtung vorgespannt werden. Zum Erhalten einer genügend grossen Impedanz - die auf Grund der in der Gleichung (i) gestellten Stabilitätsbedingung grosser als die des Emitter-Basis-Ubergangs sein soll - ist wenigstens eines der Anoden- und Kathodengebiete der Dioden 11 in polykristallinem Silizium ausgeführt. Dieser Diodentyp weist eine Strom-Spannungskennlinie auf, die (innerhalb eines gewissen Gebietes) beschrieben werden kann durch:

¹Ci ■^Io

wobei m >1 ist. Auf einfache Weise kann festgestellt werden, dass in diesem Falle für die Verstärkung aus der Gleichung (1) gilt:

^ =^m

be
Innerhalb des Strom-Spannungsbereiches, in dem die Dioden-C-Ieichung (5) gilt, ist die Spannungsverstärkung —-

+* be

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praktisch stromunabhängig und grosser als 1, so dass die Stabilitätsbedingung, dass im metastabilen Punkt die Schleifenverstärkung grosser als 1 sein muss, erfüllt ist. Da das Gebiet", innerhalb dessen dies zutrifft, im allgemeinen sehr gross ist (5 bis 6 Dekaden), kann der Strom über einen grossen Bereich geändert werden, was bedeutet, dass der Auslesestrom sehr gross (1 mA) und der Haltestrom sehr klein, sogar in der Grössenordnung von 1 nA, gewählt werden kann, während dennoch die Zelle stabil bleibt.

Wenn durch den leitenden Transistor ein Strom i geführt wird und die Stromverstärkung fb der Transistoren einen üblichen Wert (z.B. mindestens 2O) aufweist, fliesst durch die Diode 11, die mit dem nichtleitenden Transistor verbunden ist, ein Strom von nahezu i//S , der den Basisstrom für den leitenden Transistor bildet. Aus der Gleichung (5) lässt sich ableiten, dass der Spannungsunterschied ^V zwischen den Kollektorgebieten 2 der Transis-

•toren gleich lnß> und daher (wenigstens in 1°-0rd-

nung) praktisch nicht stromabhängig ist. Der Spannungsunterschied Δν soll derart gross sein, dass bei einer bestimmten Höhe des Rauschpegels die Zelle dennoch stabil bleibt. Bei einer vorgegebenen Grbsse des Stromverstärkungsfaktors ft werden daher Dioden 11 mit einem derartigen Faktor m verwendet, dass AV mindestens etwa I50 mV und vorzugsweise mindestens etwa 200 nV beträgt. Eine obere Grenze bevorzugter Werte der Grosse m wird u.a. durch die Geschwindigkeit der Speicherzelle bestimmt. Der leitende Transistor, der sich im Sättigungszustand befindet, kann bei einem grossen Spannungsunterschied, z.B. bei einem Spannungsunterschied von 5OO bis 6OO mV, in tiefe Sättigung (Bottoming) geraten, wodurch die Schreibgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Daher weist vorzugsweise der m-Faktor der Dioden 11 höchstens einen derartigen Wert auf, dass - bei einem vorgegebenen Wert von & - der Spannun&sunterschied Δ V zwischen den Kollektorgebieten 2 höchstens 5OO mV beträgt. Günstige Ergebnisse wurden in praktischen Ausführungen mit Dioden mit einem m-Faktor von mindestens 1,3 und etwa gleich 2 bei Transistoren mit einem fc in der

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Grössenordnung zwischen 30 und 100 erzielt, viodur <±i ein Spannungsunterschied ΔV von etwa 150 bis 250 mV aufgebaut wurde.

In den Fig. 3 ^u*>d ^ ist eine Draufsicht bzw. im Querschnitt ein Teil einer praktischen Ausführungsform eines Speichers nach der Erfindung dargestellt. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 12 einer üblichen Bauart, der aus einem p-leitenden Substrat 13 und einer n-leitenden epitaktiechen Schicht 14 besteht, die an die obere Fläche grenzt. In der epitaktischen Schicht sind eine Anzahl von Inseln gebildet, die in Gruppen von zwei gruppiert sind, die die Transistoren einer Speicherzelle enthalten. Die Inseln 16 werden innerhalb der epitaktischen Schicht von Isoliergebieten 17 begrenzt, die hier durch in der Schicht Ik erzeugte p-leitende Zonen gebildet werden, aber naturgemäss auch aus Isoliermaterial, z.B. aus durch örtliche Oxidation der epitaktischen Schicht 14 erhaltenem in den Halbleiterkörper versenktem Siliciumoxid, bestehen können. Die Inseln 16 selber bilden mit den hochdotierten vergrabenen η-leitenden Schichten 18 an der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat und mit der hochdotierten η-leitenden Kollektorkontaktzone 19 die Kollektorgebiete der Transistoren. Auf übliche Weise sind in den Inseln 16 durch Diffusion oder Ionenimplantation die Basisgebiete in Form der p-leitenden Oberflächenzonen und der Emittergebiete in Form der η-leitenden Oberflächenzoneii 21 und 22 erzeugt. Die Oberfläche 15 ist mit einer Isolierschicht 23 überzogen, die mit Fenstern zum Anbringen von Kontakten mit den Emitter-, Basis- und Kollektorgebieten der Transistoren versehen ist.

Es sei bemerkt, dass in Fig. 3 die Transistoren nur sehr schejnatisch dargestellt sind. So sind z.B. die vergrabenen Schichten 18 und auch die Umfange der Emittergebiete 21 und 22 und der Kollektorzonen 20, die praktisch mit den Umfangen der Kontakte zwischen diesen Gebieten und den Wortleitungen und den Lese/Schreibleitungen zusammunfallen, nicht dargestellt.

Auf der Oxidschicht 23 ist ein Muster von Leiter-

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bahnen Zk aus p-leitendem polykristallinen! Silizium gebildet, die in Kollektorverbindungen 26 aus n-leitendem polykristallinen! Silizium über die pn-Ubergänge 25 übergehen, die die Belastungselemente der Flipflopzellen bilden, wie an Hand der Fig. 2 beschrieben ist. Die Bahnen Zk bilden eine der Vortleitungen des Speichers, die der Leitung k in Fig. 2 entspricht. Die Wortleitungen, die den Leitungen in Fig. 2 entsprechen, werden durch die Leiterbahnen 27 gebildet, die mit den Emittergebieten 22 verbunden sind und, wie die Kollektorverbindungen 26, in η-leitendem polykristallinem Silizium ausgeführt sein können. Die Emittergebiete 21 sind mit Lese/Schreibleitungen 28, 29 verbunden, die sich in der Spaltenrichtung erstrecken. Diese Leitungen können in Form einer zweiten Verdrahtungsschicht, z.B. aus Al, die gegen die Leitungen Zk, 27 elektrisch durch eine zwischenliegende Oxidschicht isoliert ist, ausgeführt sein. In dieser Verdrahtungsschicht können auch die Kreuzverbindungen 30 zwischen den Basisgebieten 20 und den Kollektorgebieten 16 der Transistoren hergestellt werden.

Das polykristalline Siliziummaterial der Vortleitungen Zk und 27 ist auf an sich bekannte Weise durch Zersetzung von SiHj, bei niedrigem Druck (etwa 0,7 mbar) bei einer Temperatur von etwa 64o°C gebildet. Die Anwachsgeschwindigkeit betrug etwa 10 nm/min. Unter diesen Bedingungen wurde polykrist.allines Siliziummaterial erhalten, dessen Faktor m etwa gleich 2 war. Die Verfahrensbedingungen können aber derart geändert werden, dass das polykristalline Material mehr oder weniger von einkristallinem Silizium abweicht, dadurch, dass z.B. die Anwachsgeschwindigkeit geändert wird, wodurch die Korngrösse und die Konzentration von Einfangzentren und damit auch der m-Faktor geändert werden. Xm allgemeinen lässt sich sagen, dass die verschiedenen Verfahrensparameter vom Fachmann auf einfache Weise derart gewählt werden können, dass Dioden mit den für eine bestimmte Anwendung günstigsten Eigenschaften erhalten werden.

Eine Abwandlung der obenbeschriebenen Speichermatrix ist in Draufsicht bzw. im Querschnitt in den Fig. 5 und dargestellt. In diesen Figuren wird nur eine Speicherzelle

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der Matrix dargestellt, aber es dürfte einleuchten, dass auf gleiche Weise wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel eine Speichermatrix von Speicherzellen nach Fig. 5 erhalten werden kann. Ferner sind für entsprechende Teile in diesen Figuren dieselben Bezugsziffern wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel verwendet.

Im Gegensatz zu dem vorhergehenden Ausführungebeispiel ist nun nur eines der Anoden- und Kathodengebiete aus polykristallinem Silizium gebildet, während das andere Gebiet wenigstens im wesentlichen durch einen einkristallinen Teil des Halbleiterkörpers gebildet wird. Dazu sind die polykristallinen Wortleitungen 2k direkt über den Kollektorgebieten 16 gelegen und grenzen an den Stellen von Fenstern in der Oxidschicht 23 an die Kollektorgebiete 16 der Transistoren. Die polykristallinen Bahnen 2k, die, wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel, vom p-Leitungstyp sind, bilden praktisch an der Stelle der Grenzfläche zwischen dem polykristallinen und einkristallinen Material die pn-Ubergänge 31 mit den Kollektorgebieten 16. Diese pn-Ubergänge bilden, wie die pn-Dioden 11 im vorhergehenden Ausführungsbeispiel, die Belastungselemente der Speicherzellen. Zum Erhalten einer geeigneten Verstärkung wird dazu die Dotierungskonzentration auf der einkristallinen Kathodenseite der Diode höher, z.B. mindestens zehnmal höher, 2*> als auf der polykristallinen Anodenseite gewählt. Es zeigt sich, dass die Kennlinien derartiger Dioden wenigstens für den Zweck, für den sie hier angewandt werden, praktisch dieselben Eigenschaften wie die der Dioden aufweisen, die sowohl eine Anode als auch eine Kathode aus polykristallinem Silizium enthalten. Dies lässt sich daraus erklären, dass bei dem gegebenen Konzentrationsunterschied zwischen der Anode und der Kathode der grösste Teil (z.B. 90$) des Stromes über der Diode durch Ladungsträger (Elektronen) gebildet wird, die aus dem Kollektor 16 in die polykristallinen Bahnen 2k injiziert werden und dort insbesondere infolge der in verhältnismässig grossem Masse vorhandenen Rekombinationszentren durch Rekombination wieder verschwinden. Der gewünschte Konzentrationsunterschied lässt sich

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auf sehr einfache Veise dadurch erhalten, dass an den Stellen der pn-Dioden 31 eine in üblichen Schaltungen gebräuchliche hochdotierte niederohmige Kollektorkontakt-

20 21 zone 19 mit einer Dotierungskonzentration von 10 bis 10 Atomen/cm³ erzeugt und die Dotierungskonzentration der polykristallinen Bahnen 2k zwischen etwa 10 und 10 Atomen/cm³ gewählt wird.

Dadurch, dass die Vortleitungen 2k direkt über den Kollektorkontaktfenstern in der Oxidschicht angebracht sind, können die Abmessungen der Zelle besonders klein sein.

In jenen Fällen, in denen es wichtig ist, dass der Widerstand in den Wortleitungen niedrig gehalten wird, kann auf den polykristallinen Bahnen Zk eine Schicht aus einem gut leitenden Material, z.B. Aluminium, erzeugt werden.

Die Wortleitungen können aber auch praktisch völlig aus Aluminium bestehen und nur örtlich auch Streifen aus polykristallinem Silizium, in denen der pn-Ubergang gebildet "ist, enthalten. Fig. \k zeigt eine schematische Draufsicht auf eine derartige Abwandlung. Die Wortleitungen sind schematisch durch eine Linie WL angedeutet und werden durch Bahnen aus Al gebildet, die sich von links nach rechts über dem Halbleiterkörper erstrecken. Die pn-Dioden 25 sind in Streifen 2k, 26 aus polykristallinem Silizium gebildet, die sich nur zwischen den Kollektorkontakten 19 erstrecken.

Diese Streifen enthalten einen p-leitenden Teil 2k, der mit dem Al-Streifen WL kontaktiert ist, und einen n-leitenden Teil 26, der mit der Kollektorkontaktzone 19 verbunden und durch eine Isolierschicht aus z.B. Siliziumoxid gegen die Wortleitung WL isoliert ist.

In der bisher beschriebenen Speicheranordnung enthält Jede Zelle mindestens vier Adressenleitungen, und zwar zwei Bit/Leseleitungen und zwei Wortleitungon, die zugleich die Speisung der Zelle versorgen. Das folgende Ausrührungsbeispiel betrifft einen Speicher, in dem die Speisung der

" Speicherzellen wenigstens teilweise von einer der Hitleitungen versorgt wird, wodurch statt vier nur drei Leitungen pro Zelle genügend sind und damit eine weitere Verkleinerung des von dem Speicher in dem Halbleiterkörper

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so ^: - ■ .;

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beanspruchten Raumes erhalten werden kann.

Bekannte Speicherzellen dieses Typs mit nur drei Adressenleitungen sind u.a. in dem Aufsatz "A four device bipolar memory cell" von Raymond A. Heald in I.£.£.£. International Solid State Circuits Conference 1978, S.102-103 beschrieben. Diese bekannten Speicherzellen enthalten als Belastungselemente in den Kollektorstrecken der kreuzweise gekoppelten Invertertransistoren, die vom npn-Typ sind, komplementäre Transistoren, die somit vom pnp-Typ sind.

Nach der Erfindung werden als Belastungselemente Poly-Poly-pn-Dioden oder Poly-Mono-pn-Dioden verwendet, deren Durchlasskennlinie einen Faktor exp (qV/mkT) mit m grosser als 1 enthält, wodurch wieder eine besonders einfache und kompakte Konfiguration erhalten werden kann.

Ein Schaltbild eines Teiles einer Matrixkonfiguration ist in Fig. 7 dargestellt. Die Transistoren T1- T8 enthalten, weil die Speiseleitungen wenigstens teilweise auch die Funktion von Bitleitungen erfüllen, je nur einen einzigen Emitter. Die Speiseleitungen Xl , Xl₂ usw. verbinden die Emitter der Zellen eines Wortes mit Stromquellen 40, Die Wortleitungen X_n , X„ verbinden die Anoden der Dioden ₁, D„, D_, D₇ mit Spannungsquellen V • j j / X <

eitungen Y Y usw verbinden auf gle

Leitungen Y-, Y„ usw. verbinden auf gleiche Weise die Zellen spaltenweise mit Spannungsquellen V_v , V_v usw.

¹I *2 Die Y-Leitungen sind ausserdem mit Auslesemitteln 42, verbunden, die der Einfachheit halber durch Strommesser dargestellt sind.

Die Anordnung kann z.B. auf folgende Weise betrieben werden:
Halten:

In der Ruhelage werden die Spannungen ν_χ und V_Y als einander gleich vorausgesetzt. Die Zellen befinden sich in einem der zwei stabilen Zustände. Wenn z.B. die Zelle mit don Transintoren T1 und T2 und den Dioden D₁ und Dy als Beispiel gewählt wird, fliesst durch die Diode D- viel oder wenig Strom, je nach dieser Lage, und zwar ein Basisstrom (zu T2) oder ein Kollektorstrorn (zu Ti).

Schreiben:

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8.10.1979 V7 PHN '931²^

Venn angenommen wird, dass sich die Zelle in Jener Lage befindet, in der der Transistor T1 stromführend ist, kann die Zelle dadurch in die andere Lage versetzt werden, dass Vx erhöht und zugleich Vy herabgesetzt wird, wodurch

■ der Kollektorstrom durch T1 erhöht bzw. der Basisstrom zu T1 herabgesetzt wird. Bei einer bestimmten Spannungsänderung wird der Basisstrom zu T1 derart klein, dass der Transistor T1 infolge ungenügender Verstärkung geschlossen wird. Der Transistor T2 wird dann leitend werden. Für die

M rechte benachbarte Zelle (T„, T^) ist nur ν_χ und für die benachbarte Zelle (T_, Tg) nur Vy erhöht. Diese Halbselektion ist bei passender Wahl der Spannungsänderung ungenügend, um diese Zellen umzuschalten. Es ist nicht erforderlich, beim Schreiben die Ströme Ι_χ , Ιχ usw. zu

J5 erhöhen, aber die Schreibgeschwindigkeit kann wohl dadurch erhöht werden.

Lesen;

* Da beim Lesen einer bestimmten Zelle die anderen Zellen in derselben Spalte auch einen Beitrag zu dom Gesamtstrom durch die Y-Leitungen liefern, ist es vorteilhaft, die selektierte Zeile mittels der Stromquellen ko, U1, usw. mit viel mehr Strom als die anderen Zeilen zu versorgen. Die Information kann dann dadurch ausgelesen werden, dass mit Hilfe der Mittel ^2 geprüft wird, ob ein verhältnismassig niedriger Basisstrom durch die betreffende Y-Leitung oder ein höherer Kollektorstrom durch diese Leitung fliesst. Dieser Unterschied kann noch zusätzlich dadurch betont

werden, dass V höher als V gemacht wird. χ y

Grundsätzlich wird eine ganze Zeile zugleich ausgelesen, aber mittels einer Nachselektion kann dafür gesorgt werden, dass nur die Information einer einzigen Zelle erscheint.

Der Spannungsunterschied Δν, der zum Schreiben der Information in einer bestimmten Zelle zwischen den zugehörigen X- und Y-Leitungen angelegt werden muss, wird sowohl von dem Faktor m als auch von |j abhängen. In der nachstehenden Tabelle sind für verschiedene Werte von ß> und m = 2 die zugehörigen aus Computernachbildungen erhaltenen

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«δ

β.ιο.,979 η ^ΡΗΝ|³ ₉'§0906

Werte von Λ V gegeben.

	AV(mV
1000	144
100	82
30	52
20	40
10	24.

Es stellt sich heraus, dass diese Werte praktisch der analytisch zu bestimmenden allgemeinen Gleichung entsprechen: _kT

Δ V = -££ In fs - - In 2.

Für einen spezifischen Wert von /b von etwa 30 beträgt diese Spannung etwa 5² mV. Für das Schreiben, wobei jeweils der Zustand einer einzigen Zelle umgeklappt werden darf, '5 wird eine Spannung _+ AV an die X- und Y-Leitung angelegt. Für diese Δ V kann z.B. 4θ mV gewählt werden. Das Schreiben kann daher auf folgende Weise stattfinden.:

Schreibe "1" V = +40 mV, V_v = -40 mV—y· T₀ leitend

X₁ Y₁ 2

Schreibe "0" V_v = -4θ mV, V_v = +40 mV—>-T, leitend. ^x! ^Y1 ¹

Fig. 8 und Fig, 9 und 10 zeigen in Draufsicht bzw. im Querschnitt einen Teil einer Halbleiteranordnung mit einer Matrix der obenbeschriebenen Speicherzellen. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 45 der üblichen Zusammensetzung mit einem Substrat 46 aus p-leitendem Silizium und einer darauf niedergeschlagenen Schicht 47 aus η-leitendem Silizium. In dieser epitaktischen Schicht sind eine Anzahl durch p-leitende Zonen 48 voneinander getrennter Inseln 49 gebildet, die sich in der Draufsicht nach Fig. 8 von links nach rechts erstrecken. Zwischen den Inseln 49 und dem Substrat 46 sind hochdotierte vergrabene η-leitende Zonen 50 erzeugt, die den Adressenleitungen X₁ , X_T usw. der -invers zu betreibenden-

1 ?
Transistoren der Speicherzellen entsprechen. In den nleitenden Inseln sind die p-leitenden Zonen 51 erzeugt, die die Basiszonen der Transistoren T-, T„, T_ usw. bilden, während in den p-leitenden Zonen 51 die n~leitenden Oberflächenzonen 52 erzeugt sind, die die Kollektoren der

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?^0906

Transistoren bilden. Es sei bemerkt, dass die Transistoren der Speicherzellen, die zu einer gemeinsamen Wortleitung X, gehören, in einer gemeinsamen Insel angebracht sind, infolge der Tatsache, dass die Transistoren invers betrieben werden, vobei das untere η-leitende Gebiet 50 als Emitter- und das obere η-leitende Gebiet 52 als Kollektorgebiet wirken. Ausser wichtigen anderen Vorteilen ermöglicht diese Umkehr einen besonders kompakten Aufbau der Speichermatrix, weil nun nicht, wie in den vorhergehenden Axisführungsbeispielen, W alle Transistoren in einer besonderen Insel angebracht werden. In den Inseln 4°- sind weiter, wie in den Schnitten nach den Fig. 9 und 10 angegeben ist, hochdotierte n-leitendc Zonen 70 erzeugt, die die Basiszonen 51 umgeben und sich beispielsweise von der Oberfläche bis zu den vergrabenen Zonen 50 erstrecken. Auf an sich bekannte Weise kann mit Hilfe dieser Zonen die Stromverstärkung der inversen Transistoren verbessert werden, während ausserdem parasitäre laterale pnp-Wirkung zwischen den Basisgebieten vermieden werden kann.

W Die vergrabenen Zonen (50, X_T) können am Rande der Inseln h$ ausserhalb des in den Figuren gezeigten Teiles der Halbleiteranordnung auf an sich bekannte Weise kontaktiert werden, was in Fig. 8 schemätisch durch die Anschlussdrähte 53 angedeutet ist.

*⁵ Abgesehen von den Kontakten 53 für die Emittergebiete 50, enthalten die Transistoren T₁, T₂, T„ usw. nur ein Fenster in der Oxidschicht 5h, die die epitaktische Schicht 47 bedeckt. Über diese Öffnung, die in Fig. 8 mit 55 bezeichnet ist, sind sowohl die Basiszonen 51 als auch die

3" Kollektorzonen 52 mit einem elektrischen Anschluss versehen. Diese Anschlüsse sind mit 56 bzw. 57 bezeichnet und werden durch in den Fenstern 55 und auf der Oxidschicht $k niedergeschlagene Schichten aus p- bzw. n-leitende:n Silizium gebildet. Die Weise, in der dieser Typ Transis-

toren hergestellt werden kann, wird nachstehend noch beschrieben.

Die Kollektoranschlüsse 57 gohen über die pn-Uber-58 in p-leitendo Siliziuinbahnen 59 übor. Die n-.1o.ittm-

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den Siliziumanschlüsse 57, wenigstens sofern sie nicht in den Fenstern 55 in der Oxidschicht $h direkt über den Kollektorgebieten 57 liegen, und die p-leitenden Siliziumbahnen 59 weisen wieder eine polykristalline Struktur auf, wodurch die pn-Ubergänge 58, die den Dioden D im Schaltbild nach Fig. 7 entsprechen, eine Kennlinie aufweisen, die sie dazu geeignet macht, ohne weiteres als Kollektorbelastungselement zu wirken.

Die polykristallinen Bahnen 57> 59 sind mit einer Isolierschicht 60 bedeckt, die durch Ablagerung aus der Gasphase oder durch teilweise Oxidation des polykristallinen Siliziummaterials gebildet wird. Auf der Oxidschicht 60 sind Leiterbahnen 61 erzeugt, die sich in der Spaltenrichtung der Matrix erstrecken und über Fenster 62 mit den p-leitenden Siliziumbahnen 59 einer der Dioden in jeder Zelle verbunden sind. Die Bahnen 61, die dön Y-Leitungen im Schaltbild nach Fig. 7 entsprechen und in der Draufsieht nur schematisch dargestellt sind, können z.B. aus Al bestehen. Auf gleiche Weise sind die p-leitenden Bahnen 59» die als Anode zu den anderen Dioden in den Zellen gehören, durch Al-Bahnen 63 miteinander verbunden, die sich in der Zeilenrichtung quer zu der Spaltenrichtung der Matrix erstrecken. Diese Bahnen, die den X-Leitungen in Fig. 7 entsprechen und in Fig. 8 auch nur schematisch dargestellt sind, kreuzen die Y-Leitungen 61 und können gegen diese durch eine zwischenliegende Schicht 64 aus z.B. Siliziumoxid oder Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten Dielektrikum elektrisch isoliert sein.

* In Fig. 8 sind die Kontakte zwischen den X_T-Leitungen

L·

und dem p-leitenden polykristallinen Siliziummaterial 59 durch Punkte dargestellt.

Das polykristalline Silizium kann auch zur Bildung der Kreuzverbindungen zwischen den Kollektor- und Basisgebieten der zwei Transistoren in einer Zelle verwendet werden. Da das polykristalline Silizium 57 über dem Kollektorgebiet des einen Transistors η-leitend und das Silizium 56 über dem Basisgebiet des anderen Transistors p-leitend ist, so dass - falls diese beiden polykristallinen Schichten

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8.10.1979 Χ ^PHN

56, 57 aneinander grenzen - diese Schichten einen parasitären pn-Ubergang 65 (siehe die Figur) bilden, ist auf dem polykristallinen Silizium eine Metallverbindungsleitung 66, z.B. aus Al, gebildet, die beide Teile 56, 57 verschiedenen Leitungstyps miteinander verbindet und ^ im vorliegenden Ausführungsbeispiel - die parasitären pn-Ubergänge kurzschliesst.

Zur Herstellung der Halbleiterstruktur können praktisch völlig allgemein bekannte Techniken benutzt werden, die hier nicht weiter beschrieben zu werden brauchen. Zur Herstellung der Transistoren sei insbesondere auf die DE-OS 27 49 607 der Anmelderin verwiesen; (deren Inhalt als Referenz in die vorliegende Anmeldung aufzunehmen ist). Fig. 11 bis 13 zeigen einige Stufen der Herstellung eines

IB derartigen Transistors. Fig. 11 zeigt im Schnitt einen Teil des Halbleiterkörpers, in dem der Transistor gebildet werden wird, nachdem auf dem p-leitenden Substrat 46 die n-leitende "epitaktische Schicht 47 mit zwischen dem Substrat und der Schicht 47 der vergrabenen η-leitenden Schicht 50 und der in der Zeichnung nicht dargestellten Inselisolierung angebracht ist. In der Oxidschicht 54 auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird die Öffnung 55 mit an sich bekannten photolithographischen Techniken gebildet. Die Öffnung 55» die die Basiszone des Transistors definiert, wird dann mittels der Schicht 67 aus Silizium wieder geschlossen, die auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht 47 eine ein- oder polykristalline Struktur und auf der Oxidschicht 54 eine p'olykristalline Struktur aufweist. Aus der Siliziunischicht 67 können Bahnen oder Spuren gebildet werden, die dem polykristallinen Leitermuster 56, 57 entsprechen, das in der Draufsicht nach Fig. 8 angegeben ist. Die übrigen Teile der Siliziumschicht können durch Atzen entfernt oder durch Oxidieren in Siliziumoxid umgewandelt werden.

Anschliessend kann die verbleibende Siliziumschicht 67 mit Hilfe von Diffusions- oder Ionenimplantations- .

techniken mit einer p-Typ Verunreinigung, z.B. Bor, dotiert werden. An den Stellen der Of finnigen 55 in dor Oxidschicht dxvLngt das Bor auch in die epitaktische Schicht 47 ein und

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bildet dort die p-leitende Basiszone (Fig. 12). Die Siliziumschicht 67 wird dann teilweise mit einer Maskierungsschicht 68 überzogen, die sich teilweise in der Öffnung 55 und weiter über denjenigen Teilen der Schicht 67 erstreckt, die die p-leitenden polykristallinen Bahnen 59 bilden werden. Danach wird der freiliegende Teil der polykristallinen Schicht 67 durch Implantation mit einer η-Typ Verunreinigung z.B. Phosphor, dotiert. An der Stelle des Fensters 55 in der Oxidschicht diffundiert die Verunreinigung in den HaIbleiterkörper ein und bildet dort die η-leitende Kollektorzone 52 (Fig. I3)· Der pn-Ubergang 69 zwischen der Basiszone 51 und dem Kollektor 52 erstreckt sich bis in die Schicht 67 und unterteilt diese Schicht in einen n-leitenden Teil 57 und einen p-leitenden Teil 56, die einen Kollektoranschluss bzw. einen Basisanschluss bilden. Zugleich mit dem pn—Übergang 69 werden die als Belastungselemente wirken— den pn-Ubergänge 58 zwischen den η-leitenden Kollektoran-•schlüssen 57 und den p-leitenden Streifen 59 gebildet.

Durch Ablagerung aus der Gasphase oder durch Oxidation der polykristallinen Siliziumstreifen kann dann die Oxidschicht 60 erzeugt werden, wonach auf übliche Weise die Al-Bahnen X und Y gebildet werden können.

Es leuchtet ein, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann noch viele Abwandlungen möglich sind.

So können die Leitungstypen der unterschiedlichen Zonen und Gebiete umgekehrt werden, wobei statt npn-Transistoren pnp-Transistoren verwendet werden.

Um eine höhere Packungsdichte zu erhalten, könnten im letzten Beispiel alle Emittergebiete an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen werden. Beim Schreiben ändert sich nicht viel. Beim Lesen ist aber der Gesamtstörungsbeitrag viel grosser als das Signal. Um dennoch lesen zu können, kann ein dynamischer Leseverstärker vei'wcndet werden. Die Wirkungsweise wird dann folgende: Wenn alle X-Leitungen konstant gehalten werden, ist der Störungsbeitrag unbekannt, jedoch wohl konstant. Durch Erhöhung von V um eine gewisse

^Λ1

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Spannung - zu gering, um den Zustand der angeschlossenen Zellen zu ändern--- wird eine Stromvergrösserung in Y sichtbar sein, wenn T₂ leitend ist ("1")» während keine Stromänderung sichtbar ist, wenn T₁ leitend ist ("0"). Der Leseverstärker soll also für kleine Änderungen empfindlich sein, die einem - unbekannten - grossen Gleichstrom überlagert sind.

Das Auslesen der Zellen im ersten Ausführungsbeispiel kann auf an sich bekannte Weise auch über eine mit dem Kollektor jedes der Transistoren verbundenen Diode erfolgen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Speicherzelle, die insbesondere dazu bestimmt ist, in einer grossen Anzahl in einem statischen Speicher integriert zu werden, und die einen Halbleiterkörper mit zwei Transistoren mit kreuzweise gekoppelten Basis- und Kollektorgebieten enthält, wobei die Kollektorgebiete mit einem eine Diode enthaltenden Belastungselement verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungselement eine pn-Oiode enthält, von der wenigstens eines der Anoden- und Kathodengebiete aus polykristallinem Silizium besteht, wobei die Kollektorgebiete der Transistoren leitend mit denjenigen Gebieten der Dioden verbunden sind, die den gleichen Leitungstyp wie die Kollektorgebiete aufweisen. • 2. Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Spannungskennlinie der Dioden einen expo-

^ nentiellen Term exp (* ) enthält, wobei q die elementare

DlKi X

. Ladungsmenge, V die Spannung, k die Boltzmannkonstante und T die absolute Temperatur darstellen, und wobei m derart ist, dass bei Zimmertemperatur beim Betrieb zwischen den Kollektoren ein Spannungsunterschied von mindestens

*0 150 mV vorhanden ist.

^. Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Dioden verwendet werden, wobei der Spannungsunterschied zwischen den Kollektoren zwischen I50 und 5OO mV liegt.

k. Speicherzelle nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass m mindestens etwa 1,3 beträgt. 5. Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grosse m mindestens etwa 1,5 und vorzugsweise mindestens etwa 2 beträgt.

6. Speicherzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden zu beiden Seiten des pn-Ubergangs aus polykristallinem Siliziummaterial bestehen.

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7. Speicherzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass nur eines der Anoden- und Kathodengebiete aus polykristallinem Siliziummaterial besteht, während das andere Gebiet wenigstens im wesent-S liehen durch einen einkristallinen Teil des Halbleiterkörpers gebildet wird, wobei die Dotierungskonzentration im genannten anderen einkristallinen Gebiet der Diode höher als die Dotierungskonzentration im polykristallinen Gebiet der Diode ist.

8. Speicherzelle nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration im einkristallinen Gebiet der Diode mindestens etwa zehnmal höher als im polykristallinen Gebiet ist.

9. Speicherzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren der Transistoren über die als Belastungselemente wirkenden Dioden mit einer ersten Speiseleitung und die •Emittergebiete mit einer zweiten Speiseleitung verbunden sind.

10. Speicherzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren je ein zweites Emittergebiet enthalten, das mit einer Lese/Schreibleitung verbunden ist. 11. Halbleiteranordnung mit einem Matrixsystem von Speicherzellen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper für jede Speicherzelle zwei nebeneinander liegende gegeneinander isolierte an eine Oberfläche grenzende inseiförmige Gebiete vom einen Leitungstyp enthält, die auf der Unterseite von einem Substrat vom zweiten Leitungstyp begrenzt werden, wobei die inseiförmigen Gebiete, die je ein Kollektorgebiet eines Transistors bilden, mit einer Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp versehen sind, die das Basisgebiet des zugehörigen Transistors bildet und wieder mit einer Oberflächenzone vom einen Leitungstyp versehen ist, die das genannte Emittergebiet des Transistors bildet, und wobei die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer Isolierschicht bedeckt ist, die mit einer Bahn aus polykristallinem Silizium vom zweiten Leitungstyp versehen ist,

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die Über die genannten pn-Ubergänge und über Fenster in der Isolierschicht mit den Kollektorgebieten der Transistoren verbunden ist.
12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, dadurch ge-

S kennzeichnet, dass die Bahn aus polykristallinen! Silizium über den Kontaktfenstern der Kollektorgebiete liegt und mit den Kollektorgebeiten einen Übergang zwischen polykristallinem und einkristallinem Siliziummaterial bildet, der praktisch mit dem genannten pn-Ubergang zusammenfällt.

13· Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorgebiete an den Stellen der Kontaktfenster mit einer hochdotierten Oberflächenzone vom einen Leitungstyp versehen sind, die eine höhere Dotierungskonzentration als der diese Zone umgebende Teil der Kollektorgebiete aufweist.

14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem polykristallinen Silizium "Metallbahnen über wenigstens den Kontaktfenstern der Kollektorgebiete erzeugt sind.

15· Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorgebiete der Transistoren an den Stellen der Kontaktfenster in der Isolierschicht leitend mit Teilen der Bahn aus polykristallinem Silizium vom einen Leitungstyp verbunden sind, die über die genannten pn-Ubergänge in neben den Kontaktfenstern liegende Teile vom zweiten Leitungstyp übergehen."

16. Speicherzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,-dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren je nur ein Emittergebiet enthalten, das mit dem Emittergebiet des anderen Transistors verbunden ist, und dass die Kolloktorgebiete über die genannten als Belastungselemente wirkenden pn-Dioden mit besonderen Lese/Schreibleitungen verbunden sind.
17· Halbleiterspeicher mit einem Halbleiterkörper mit einer an einer Oberfläche liegenden Matrix in Zeilen und Spalten angeordneter Speicherzellen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einem System sich kreuzender Leiterbahnen versehen ist, die die

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genannten Lese/Schrelbleitungen bilden, die mit pn-Ubergängen in den Zeilen bzw. Spalten von Speicherzellen verbunden sind.

18. Halbleiteranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren durch invertierte Transistoren gebildet werden, wobei, auf die Oberfläche gesehen, das Basisgebiet unter dem Kollektorgebiet und das Emittergebiet unter dem Basisgebiet jedes Transistors liegt, und wobei der Halbleiterkörper eine Anzahl nebeneinander liegender, voneinander getrennter streifenförmiger Gebiete vom ersten Leitungstyp enthält, die sich parallel zu den Zeilen oder Spalten im Halbleiterkörper erstrecken und gemeinsame Emittergebiete der zu derselben Zeile oder Spalte gehörigen Transistoren bilden.

19· Halbleiteranordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer Isolierschicht versehen ist, die an den Stellen •der Transistoren Fenster aufweist, die die Basisgebiete der Transistoren definieren und die mittels einer Schicht aus polykristallinem Silizium geschlossen sind, das in den Fenstern und auf der Isolierschicht niedergeschlagen ist und denselben Leitungstyp wie die Basisgebiete aufweist, wobei sich die Kollektorgebiete, die unter umdotierten Teilen liegen, über die Isolierschicht erstrecken und dort mit nicht umdotierten Teilen die genannten pn-Ubergänge bilden.

20. Halbleiteranordnung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzverbindungen zwischen den Kollektor- und den Basisgebieten in jeder Speicherzelle ebenfalls durch Teile der polykristallinen Siliziumschicht gebildet werden, in denen pn-Ubergänge liegen, die durch eine oberliegende Metallschicht kurzgeschlossen sind.

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