NL8100020A

NL8100020A - Zelfregenererende condensator geheugencel.

Info

Publication number: NL8100020A
Application number: NL8100020A
Authority: NL
Original assignee: Western Electric Co
Priority date: 1980-01-07
Filing date: 1981-01-06
Publication date: 1981-08-03
Also published as: CA1135853A; IT8119020A0; FR2474742A1; DD156857A5; GB2067867A; IT1134949B; ES8205074A1; SE8009001L; GB2067867B; FR2474742B1; DE3100129A1; US4292677A; JPS56101695A; BE886964A; ES498280A0

Description

! ' % 70 1276

Zelfregenererende condensator geheugencel

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleider geheugeninrachting, en meer in het bijzonder op een geheugencel waarin als opslag-element een MOS condensator wordt toegepast.

Een metaal-gexsoleerde-halfgeleider (MIS), en meer in,het bijzon-5 der een metaal-oxyde-halfgeleider (MOS) condensator geheugencel is een vorm van dynamische geheugencel. In een MIS dynamische condensator geheugencel, wordt de informatie in de condensator opgeslagen in de voim van de aanwezigheid versus afwezigheid van lading, welke lading een binair digitale toestand of informatie bit voorstelt. Met ’’dynamisch11 10 wordt bedoeld dat de informatie in de ene dan wel in de andere (of beide) van de beide toestanden, de neiging geeft te verminderen cm na een bepaalde tijdsperiode geheel te verwijderen; en moet derhalve periodiek worden geregenereerd.

Sen MOS condensatoe-geheugencel, als P-MOS cel, heeft bij voor-15 beeld de vorm van een deel van het oppervlak van een ΙΓ-type halfgeleider-lichaam ("substraat”) bedekt met een siliciumdicacydegexsoleerde laag waarop een metalen of metaal achtige elektrische geleidingsplaat is aangebracht. Deze geleidingsplaat van de MOS geheugen condensator structuur wordt op een vaste negatieve referentiespanning gehouden, terwijl elek-20 trische inschrijf- en uitleespulsen worden toegevoerd aan het oppervlak gedeelte van het halfgeleidersubstraat waaronder de condensator plaat is gelegen. Een positief gaande spannings- (of stroom) inschrijfpuls, toegevoerd aan het halfgeleideroppervlakgedeelte van de MOS geheugen condensator, injecteert positieve ladingen ("gaten" minderheidsdragers) in deze half-25 geleidersubstraatoppervlakgedeelten, teneinde de MOS-condensatoe (P-MOS technologie) naar zijn binaire digitale "1" geheugentoestand te brengen ("volledige" positieve lading). Wordt anderzijds een negatief gaande spannings- (of strocm) inschrijfpuls toegevoerd aan het halfgeleideroppervlakgedeelte van verwijdert deze spanning de positieve lading uit 30 het halfgeleidersubstraatoppervlakgedeelte en reduceert zeer sterk de hoeveelheid positieve lading in het halfgeleideroppervlakgedeelte en brengt de MOS condensator (P-MOS technologie) naar zijn binaire digitale "nul" geheugentoestand ("lege" positieve lading). Evenwel zal als gevolg 8100020 -r * -2- van theimische regeneratie van valse minderheidsdragers (positief geladen gaten) in het ïï-type half geleider substraat deze binaire nult.oestand de neiging hebben met het verstrijken van de tijd te degraderen. Deze degradatie vindt plaats binnen een tijdbestek van de theiaische regeneratietijd 5 van bet halfgeleiderlichaam en is typisch in de orde van grootte van enkele milliseconden of minder. Zelfs bij deze degradatie van de "nul” toestand, kan een negatief gaande inschrijfpuls de positieve ladingen uit het MOS-substraatoppervlakgedeelte verwijderen, en kan daarbij de binaire nultoestand opwekken, welke toestand voor tenminste een korte 10 tijdsperiodé in de MOS condensator wordt opgeslagen; terwijl de aanwezigheid van positieve ladingen in het substraatoppervlakgedeelte, als gevolg van een aan het substraat toegevoerde positief gaande inschrijfpuls de meer stabiele binaire "een" toestand op kan opwekken, welke "1" toestand in de MOS condensator wordt opgeslagen.

15 In het Amerikaanse octrooischrift h, 030.083 zijn regeneratienet- werken beschreven voor het in stand houden van de binaire 1 of 0 toestand van een MOS (metaalcccydehalfgeleider) condensatorgeheugencel. Dergelijke netwerken regenereren de in het geheugen opgeslagen informatie zonder dat deze het elektrische toegangsvermogen voor· het inschrijven 20 en uitlezen onderbreken. Dergelijke netwerken hebben in principe betrekking op de toepassing van een hulp wisselstrocmpcmp, die via het regene-ratienetwerk verbonden is met de opslagcondensator; waarbij de wissel-strocmbron de valse ladingen, opgewekt in de lege (digitale 0) toestand 4 van de condensator, verwijdert. Alhoewel de in het genoemde Amerikaanse oc-25 trooischrift beschreven netwerken van toepassing zijn in de bekende MOS technologie kan het saus gewenst zijn dergelijke netwerken te modificeren.

E.en halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding omvat een netwerk voor het regenereren van de geheugentoestand van een halfgeleider-condensatoe-geheugencel (C ) voorzien van een eerste transistor (T ) S £· 30 waarvan een van zijn hoge stroomdragende klanmen gelijkstroom gekoppeld is aan een klan van de condensator, terwijl de andere van deze kleumen gelijkspanning gekoppeld is aan een regeneratie-leidingsklem (13.1), met het kenmerk, dat een lage stroomdragende klan van de eerste transistor (Tg) gelijkstroom gekoppeld is aan een klan van een uit twee kleumen 35 bestaande dranpel-weerstands elan ent (T^ of R) waarvan de andere klan gelijkstroom gekoppeld is aan de genoemde ene klem van de eerste transistor (Tg). Onder "hoge stroomdragende klan" wordt bij voorbeeld verstaan 8100020 * * è -3- de toevoer of afvoer van een metaal-axyde-half g eleider-veldeff ecttrans i s-tor (MOS EET), of de aaitter of collector van een bipolaire transistor.

Onder "laagstroaadragende klaa" wordt bij voorbeeld verstaan de poort-elektrodeklaa van een MOSFET of de basisklan van een bipolaire transis-5 tor. Het genoemde weerstandelement kan de voim hebben van een MOS-transis-tor, bij voorkeur geschikt voor een poort-terugkoppel-voorspanning, waarbij een van zijn hoge stroemdragende klemmen ohms gekoppeld is,'aan zijn lage stroanklaa, voor het vormen van een draapel-weerstandselement; d.w.z. een elaaent dat een zeer hoge weerstand biedt wanneer een spanning, 10 die een vooraf bepaalde drempel overschrijdt, wordt toegevoerd aan de genoemde ene klaa van zijn hoge strocsnklanmen. In een andere uitvoeringsvorm kan de poort elektrode van deze MOSFET inrichting geheel weggelaten worden, waarbij de resulterende inrichting (MOSFET minus poortelektrode) het gewenste twee-klenmen-dr aapel-weerstands elan ent vormt.

15 De uitvinding zal onderstaand aan de hand van enkele uitvoerings- voorbeelden en onder verwijzing naar de tekening nader worden uiteengezet. Hierin toont: fig. 1 een geheugencel in een eerste uitvoeringsvorm; fig. 2 een geheugencel in een tweede uitvoeringsvorm.

20 In fig. 1 is een zelf-regenererende vrij toegankelijke geheugencel 100 aangegeven, voorzien van een MOS condensatorcel Cg tezamen met MOS— transistoren T,, ToS T_ en een hulpcondensator CT (die ccmnleet parasitair Λ d. 3 ii kan zijn).

De condensator Ca wordt typisch gevormd door een metaal (of een

Q

25 metaalachtige) plaat 11 gescheiden door een axydelaag 12 van een corresponderend halfgeleidergedeelte 10 van een hoofdoppervlak van een halfge-leiderlichaam, zoals een P-type enkele kristal silicium halfgeleider (H-kaaaal of N-M0S technologie). Bij voorkeur zijn de transistoren T^, T^, T- en de hulpcondensator C op de bekende wijze (bij geïntegreerde MOS 30 ketens) geïntegreerd in hetzelfde hoofdvlak van dit lichaam. Tijdens de werking wordt het halfgeleiderlichaam bij voorkeur op een constante "achterpoort" (back gate) voorspanning V_„ gehouden, welke spanning on-geveer -5 volt is. De metalen plaat 11 is ohms gekoppeld aan een klaa VDD en wordt tijdens de werking bij voorkeur op een constante positieve 35 spanning gehouden van ongeveer +12 volt. Deze spanning toegevoerd aan de plaat 11 in combinatie met de voorspanning toegevoerd aan het halfgeleiderlichaam, wekt in de condensator Cg een in het halfgeleider- 8100020 » * , -¾. ' gedeelte 10 gelegen onder de plaat 11 gelokaliseerd uitputtingsgetied op. Zoals onderstaand nader zal worden uiteengezet, "bestuurt de transistor T1 de uitwendige vrij toegankelijke inschrijving en uitlezing van de lading opgeslagen in het uitputtingsgebied van de condensator C_, en b 5 zorgen de transistoren en Tg erL <3-e hulpcondensator voor de automatische regeneratie van de in de condensator C_ opgeslagen lading, en wel b door middel van geregenereerde ladingen toegevoerd via de leiding L.

Deze leiding L is verbonden met de klem 13.1 waaraan een wisselspannings- pcmpbron is gekoppeld, voor het leveren van deze regenererende ladingen.

10 Het in de condensator C inschrijven van een negatieve lading, b d.w.z. een digitale 1 (ü-MOS technologie), wordt tot stand gebracht met een negatief gaande puls geleverd door de bitlijn B, welke puls wordt toegevoerd aan de toevoer van (linker kien van T1) vergezeld van een positief gaande puls (inschakelen) geleverd door de woordlijn W, welke 15 laatste puls wordt toegevoerd aan de poort van ; waarbij het halfgeleider edeelte 10 onder de metalen plaat wordt ongevuld met negatief geladen dragers (elektronen). Bij het beëindigen van het toevoeren van de puls aan de poort , voorafgaande aan het beëindigen van de negatieve puls toegevoerd aan de toevoer van , worden deze negatieve ladingen 20 in dit gedeelte 10 van de condensator C_ gevangen, door de transistor T.

b 1 uit te schakelen. Deze uitschakelconditie blijft in stand, zelfs na het beëindigen van de puls aan de toevoer van , door een terugkeer van de bitlijn B naar zijn normale positieve voorspanningsconditie♦ Er ontstaat derhalve een op lange termijn niet vluchtig vangen van lading en er wordt 25 een opslag verkregen van deze digitale 1-toestand in de condensator Cg.

Het- inschrijven van een digitale 0, d.w.z. in hoofdzaak geen lading in de MOS condensator C (H-M0S technologie), wordt verkregen b * door een positief gaande puls op de woordlijn W (cm de transistor in te schakelen) waarbij de bitlijn B in zijn normale positieve spannings- 30 toestand blijft. De condensator Cg wordt ontdaan van de negatieve ladingen in het halfgeleidergedeelte 10 dat samenwerkt met de condensator C_.

< b

Het uitlezen van de ladingstoestand 1 of 0 uit de condensator CG wordt verkregen met behulp van een positieve inschakelpuls die wordt b toegevoerd aan de woordlijn W, waarbij de bitlijn B in zijn normale 35 positieve voorspanningscondities blijft, teneinde negatieve lading over te dragen (indien aanwezig) van de condensator CG naar de bitlijn B ten b behoeve van een conventionele uitlezing, dat gevolgd kan worden door het 8100020 * -5- inschrijven, indien dit gewenst is, en wat op zich heiend is. Ha het verstrijken van de tijds en hij afwezigheid van regenerati.euiddelen, zal de thermische generatie van minderheidladingen (elektronen) de neiging hehhen een lage condensator (digitale 0) te vullen met onge-5 wenste negatieve lading, en derhalve op een verkeerde wijze de geheugen-toestand aazetten in. een volle condensator Cg (digitale 1) en dus een complete degradatie van de geheugentoestand.

Het onderdrukken van deze degradatie van de geheugentoestand van de condensator CU woddt verkregen met hehulp van een netwerk van regene-

D

10 ratie elementen: de transistor T^ en samenwerking met de hulpcon- densator C_ , en de leiding L bestuurt door een wisselspannirgspcmpbron 13 welke spanning wordt toegevoerd aan de klem 13.1 van deze leiding L.

Meer in het bijzonder behoudt dit netwerk de geschikte lading in de condensator CL, overeenkomende met de resp. lege 0-toestand of de volle b 15 1 toestand, tenzij verdere inschrijfspanningspulsen op hetzij de woord-lijn hetzij de bitlijn verschijnen. Dit netwerk voorkomt degradatie van de geheugentoestand tussen het inschrijven en het uitlezen zonder enige bemoeienis te hebben met de woord- of bitlijnen, tenzij vereist omwille-van het regenereren. Omwille van dit regenereren levert bij voorkeur de 20 wisselspanningsbron 13 een continue ononderbroken (met uitzondering van wat hierna wordt beschreven) wisselspanning op de regeneratielijn, met een frequentie gelegen tussen ongeveer 10 kHz en 1 megaHz. Deze wisselspanning heeft een momentele amplitude die varieert tussen de grenzen van +7 en +(7+Δ). Qnwille van de eenvoud kan +7 dezelfde spanning 25 zijn zoals toegevoerd aan de klem 1U, en is·.·£> in het bereik van ongeveer 5 tot 10 volt, en is bij voorkeur ongeveer 8-10 volt. +7 is in het bereik van ongeveer +5 tot +12 volt. In elk geval, is de piekwaarde van Δ in de leiding L bij voorkeur gelijk aan tenminste ongeveer twesaaal de drsnpel-spanning van Het is gewenst dat de drenpelspanning van aieer positief 30 is dan die van de condensator C . Overigens zou een wat hogere frequentie b door de wisselspanningsbron 13 geleverd kunnen worden in de orde van grootte van 100 tot 1000 kHz of meer.

Alhoewel de grenzen van de wisselspanningsbron 13 beschreven zijn als +7 en +(7+Δ) moet desalniettemin ongemerkt worden dat deze grenzen 35 bij voorkeur ingesteld kunnen worden op +(7-7φ) en +(7-7^+^), waarbij 7_(>0) de som is van de drsapelspanning van T_ en T_ (waarbij T gewoon- i. <L j d.

lijk overheerst). Deze laatste grenzen kunnen worden verkregen met behulp 8100020 * -6- van een vrijlopende oscillator, -waarvan de uitgangsspanning vordt toegevoerd aan een regenererende type geïntegreerde stuurschakeling, zoals hij voorbeeld beschreven in het artikel van R.E. ’’Eliminating Threshold Losses in MOS circuit by Bootstrapping using varactor coupling” gepubli-5 ceerd in IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. SC-7, nr. 3 biz. 217-22¼ van juni 1972. De bovenste en onderste spanningsgrenzen van de wisselspanningsbron kunnen, beide gelijktijdig metoeen bepaalde wis-selspanningsuitslag Δ· (piek tot piek) verminderd worden. Het uitgangssignaal van de wisselspanningsbron 13 behoeft in geen geval in fasen te 10 zijn met, of gesynchroniseerd te zijn met enige andere spanningsbron.

Het regenererende netwerk zal nu in detail, worden besproken.

De transistor Tg heeft zijn afvoerklem (rechterklem van Tg) ohms gekoppeld aan de regeneratielijn L, door middel van een hoog ohmig geleidingsweg.

De poortelektrode van Tg is ohms gekoppeld aan de afvoerklem van T^· 15 De poortelektrode van T^ is ohms gekoppeld aan de toevoer van T^ (knooppunt 1¼) en aan de toevoer van Tg. Het knooppunt F (bij de poortelektrode van Tg) is aan een wisselspanningsbron gekoppeld via de hulpcondensa-tor CL en de leiding L. Het is van voordeel dat de condensator groter is dan de saa van de parasitaire capaciteiten van het knooppunt F naar 20 het halfgeleiderlichaam, naar de poort van T^, en naar de toevoer van T^; evenwel kan de capaciteitswaarde van CT enigszins kleiner zijn in ver-binding met de grotere regeneratie spanningsuitslagen Δ . Anderzijds kan de capaciteit van bij voorkeur kleiner zijn dan de MOS capaciteitswaarde van Cg, bij voorkeur een factor 5 of meer, teneinde de vereiste 25 waarde van de regeneratie spanning suit slag A te minis eren. Derhalve verschijnt een zeer klein gedeelte van de wisselspanningsval tussen de klem 13.1 en de klem ν_- over de hulpcondensator CT, zodat de spanning op het knooppunt F, wanneer T^ uitgeschakeld is, vrij precies de oscillerende spanning op de leiding L volgt. Aangezien tijdens de werking, 30 zoals thans nader zal worden besproken,' T^ inderdaad altijd uitgeschakeld is wanneer de geheugentoestand van de geheugencondensator C_ 0 is (lege

O

cel), en altijd ingeschakeld is wanneer deze geheugentoestand 1 is (volle cel), kan derhalve T^ uitsluitend ingeschakeld worden wanneer de geheugen-cel in zijn 0-toestand is (lege toestand). Wanneer derhalve de wissel-35 spanning suit slag van de leiding L in zijn. meer positief gedeelte is (met de transistor T^.uitgeschakeld) zal een lege cel worden geregenereerd door de migratie van negatieve ladingsdragers vanuit het halfgeleider- 8100020 -7- gedeelte 10 van de condensator Cg via T^. Op deze wijze blijft de geheu-gentoestand ran Cg behouden, in het geval van hetzij een eindtoestand, hetzij een 0-toestand zoals duidelijk blijkt uit de hierna volgende enigszins meer gedetailleerde beschrijving. (N-MOS technologie).

5 Wanneer de g eheug encondens at or C leeg is, is de transistor T_ altijd uitgeschakeld, ongeacht de spanning suit slag en op de regeneratie-leiding L, eenvoudigweg omdat een lege condensator Cg betekent dat het oppervlakte potentiaal van het halfgeleidende gedeelte 10 (van hetzelfde halfgeleiderlichaam waarin en Tg zijn geïntegreerd) dan gelijk is aan 10 de voor spanning waarbij deze voorspanning wordt toegevoerd aan de “ iDli poortelektrode van de transistor via, ie obmse koppeling van het halfgeleidende gedeelte 10. Het knooppunt F is derhalve elektrisch ontkoppeld ("drijvend"), en wordt de wissélspanning op dit knooppunt derhalve getrokken door de wisselspanning op de regeneratieleiding via de condensa-15 tor C_; waarbij de transistor T0 periodiek wordt ingeschakeld, wanneer de regeneratie leidingsspanning periodiek zijn meer positieve fasen bereikt. De regeneratieleiding is derhalve periodiek gekoppeld via de hoge stroantoevoer-afvoerbaan van Tg naar het halfgeleidende gedeelte 10 van de opslag condensator C^; waarbij enig surplus aan negatieve ladings-20 dragers in dit halfgeleidend gedeelte periodiek worden verwijderd door de regeneratieleiding. De lege toestand van de geheugencel blijft derhalve, zoals gewenst, in stand.

Wanneer de condensator Ce vol is (negatieve lading in het half- s geleidergedeelte 10), is de transistor T^ altijd ingeschakeld aadat dan 25 zijn poortelektrode op een voldoend negatief potentiaal is (bijna -7 ^) als gevolg van de ohmse koppeling tussen deze elektrode en het dan omgekeerde halfgeleidende gedeelte 10. Het knooppunt F zal dan geleidend gekoppeld zijn via de hoge stroombaan van T^ en het aldus omgezette oppervlakgedeelte van Cg ongeacht de momentele spanning op de leiding 11, 30 en derhalve zal het knooppunt F eveneens op een voldoend negatief potentiaal zijn, teneinde de transistor Tg in zijn uit toestand te houden.

Het halfgeleidergedeelte 10 is derhalve losgekoppeld van de leiding L ongeacht de periodieke spanningsuitslagen op de leiding L, zodat de lading in de volle geheugencel niet zal worden beïnvloed door de leiding L 35 via Tg, in het geval van een volle cel.

Om een juiste werking te garanderen, wordt de drempelspanning van ingesteld, bij voorbeeld met een geschikt doteringsmateriaal in het 8100020 4 »- -8- poortgebied met een zodanige verontreinigingsconcentratie dat wordt uitgeschakeld vanneer de condensator Cg in zijn lege toestand is (digitale 0), en dat.Tg in zijn geleidende toestand is, vanneer de condensator C_ in zijn volle toestand is (digitale 1). De dreapelspanning b 5 van Tg vordt "bij voorkeur zodanig ingesteld dat deze ongeveer in..het midden is tussen de oppervlaktepotentialen in Cg overeenkomende met volle en lege cellen. Anderzijds vordi de dreapelspanning.. van bij voorkeur zodanig ingesteld dat deze kleiner is dan die van Tg, d^v.z. tussen de dreapelspanning en van Tg en de voor spanning Y^.

10 Zoals in fig. 2 is aangegeven, kan de transistor Tg vervangen worden door een drempelveerstandselement R. Dit elsnent R kan vorden gerealiseerd door het veglaten van de poortelektrode van Tg en door het voimen van. een tvee klemmen-drempelveerstand, d.v.z. een veerstand die een zeer hoge veerstand geeft vanneer de spanning op een van zijn klem-15 men meer negatief is dan een drenpêspanning. Deze drempelspanning vordt o.a. bepaald door de voor spanning ν_„; d.v.z. dat R gekenmerkt is door een extreaa hoge veerstand indien de spanning op een van zijn klemmen meer negatief is dan ongeveer de poort spanning V__. Onder "extreon hoge"

DIT

veerstand vordt in hoofdzaak verstaan hetzelfde veerstandskenmerk als 20 dat van de corresponderende transistor Tg (fig. 1) in zijn niet geleidende toestand. Op deze vijze kan men een overeenkomstige verking verkrijgen in het regeneratienetverk 200 als in het eerder beschreven netverk 100.

Alhoevel deze uitvinding in detail beschreven is met betrekking tot een specifieke uitvoeringsvorm kunnen verschillende uitvoeringsvor-'25 men vorden gerealiseerd zonder buiten het kader van de uitvinding te geraken. Bij voorbeeld kan een P-M0S of P-kanaal technologie vorden toegepast in plaats van een N-MOS technologie. Bovendien kan tijdens de toegang voor het uitlezen of inschrijven (T^ * geleidend) de spanningsbron 13 vorden gevijzigd in een zuivere -wisselspanning zoals aangegeven in het 30 eerder genoemde Amerikaanse octrooischrift k.030.083 (zie fig. k daarvan).

' Eveneens kunnen bipolaire of junctie-veld-effeet-transistoren vorden toe gepast in plaats van MOS-transistoren, en kunnen P-N junctie of andere type condensatoren vorden toegepast als geheugemcellem in plaats van de MOS-condensator.

8100020

Claims

1. Halfgeleiderinrichting voorzien van een netwerk voor het regenereren van de geheugentoestand van halfgeleider condensator geheugencel (C-) voorzien van een eerste transistor (T_), waarvan een van zijn hcge D 2 strocmdragende kleumen gelijkstroom, gekoppeld is aan de ene klem van de 5 condensator» waarbij de andere hoge strocmdragende klem gelijkstrom gekoppeld is aan een regeneratie leidingsklem (13.1) met het kenmerk, dat een lage strocmdragende klem van de eerste transistor (T^) gelijkstroom gekoppeld is aan een klem van een uit twee klemmen bestaand dreapelveerstandseleuent (T^ of R) waarvan de andere klem gelijkstroom 10 gekoppeld is aan genoemde ene klem van de eerste transistor (T^).

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat alle koppelingen ofcmse koppelingen zijn.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, gekenmerkt door een shunt condensator (CL) voor het verschaffen van een wisselspanningkoppeling tussen 15 de lage stroom kien van de eerste transistor (T^) en de regeneratie leidingsklem (13.1). Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de eerste transistor een MOS-transistor is, waarbij de geheugencondensator een MOS-condensator is, waarvan een der klemmen ohms gekoppeld is aan een 20 spanningsbron (V^). 5* Inrichting volgens conclusie gekenmerkt door een tweede MOS-transistor (T.j ) met'jeen hoge strocmdragende klem die verbonden is met een bitleiding (B), en door een hoge strocmdragende klem verbonden met de condensator, en door een poortklem verbonden met een woordleiding (W). 25 8100020