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DE2105479A1 - Schaltung und Aufbau eines Halbleiterspeicherelementes - Google Patents

Schaltung und Aufbau eines Halbleiterspeicherelementes

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DE2105479A1
DE2105479A1 DE19712105479 DE2105479A DE2105479A1 DE 2105479 A1 DE2105479 A1 DE 2105479A1 DE 19712105479 DE19712105479 DE 19712105479 DE 2105479 A DE2105479 A DE 2105479A DE 2105479 A1 DE2105479 A1 DE 2105479A1
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capacitance
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Karl Dr.-Ing. 8000 München Goser
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Siemens Corp
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Description

Schaltung und Aufbau eines Halbleiterspeicherelementes
Die Erfindung betrifft eine Schaltung nach Art einer bistabilen Kippstufe für ein Speicherelement eines Halbleiterspeichers in integrierter Bauweise für dynamische Technik mit zwei Feldeffekt-Transistoren als Schalttransüoren.
Es ist bekannt, für Halbleiterspeicher Speicherelemente nach Art einer bistabilen Kippstufe zu verwenden. Diese Speicherelemente werden in integrierter Bauweise in einem Halbleiterkörper angeordnet. Es ist auch bekannt, anstelle einer andauernd anliegenden elektrischen Yersorgungsspannung eine getastete Versorgungsspannung vorzusehen.
Die bekannten Schaltungen für Speicherelemente dieser Art weisen in jedem einzelnen Zweig eines solchen Elementes einen Schalttransistor und als Lastwiderstand in der Regel ebenfalls einen Transistor auf. Üblicherweise werden dafür Feldeffekt-Transistoren verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung und dazu eine Aufbauweise für ein Speicherelement eines wie oben angegebenen Halbleiterspeichers aufzufinden, durch die eine Verringerung der Verlustleistung erreicht wird. Außerdem soll der Platzbedarf für ein derartiges Speicherelement möglichst klein sein.
Diese Aufgabe wird für eine wie oben angegebene Schaltung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Lastelement in jedem der beiden Zweige der Kippstufe je eine Kapazität und in den beiden Überkreuzungen je ein Transfer-Transistor vorgesehen sind. Der Aufbau eines dementsprechenden Speicherelementes ist erfindungs-
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gemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente in einem Halbleiterkörper oder in einer Halbleiter schicht auf einem Substrat in Einkanaltechnik realisiert sind. Vorzugsweise sind dabei die als Lastelemente vorgesehenen Kapazitäten durch Isolierschichtkapazitäten mit einer Metallelektrode und mit einem n- bzw. p-leitenden Gebiet oder einer Inversionsschicht im Halbleiter als Gegenelektrode ausgebildet. Für die Transfer-Transistoren werden bevorzugt Feldeffekt-Transistoren vorgesehen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu den Figuren und zu bevorzugten Ausführungsformen hervor.
Figur 1 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Speicherelementes. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine bistabile Kippstufe. Diese besteht aus zwei Zweigen, die in der Figur durch die gestrichelten Rechtecke 3 und 4 erkennbar gemacht sind. Die Überkreuzungen sind mit 103 und 104 bezeichnet. Der durch 3 umschlossene Zweig der Schaltung bzw. des Speicherelementes enthält einen wie üblicherweise verwendeten Schalttransistor 11 und die erfindungsgemäß vorgesehene Kapazität 12 sowie den erfindungsgemäß vorgesehenen Transfer-Transistor 13 im Leitungszug der Überkreuzung 104. Mit 14 ist eine in der Schaltung auftretende Kapazität des Transistors 11 bezeichnet, die für die erfindungsgemäße Wirkung der Schaltung als Speicherelement sehr wesentlich ist.
Mit den Bezugszeichen 15, 16, 17 und 18 sind die 11 bis 14 entsprechend gleichen Schaltelemente des anderen Zweiges des Speicherelementes bezeichnet. Mit 1 und 2 sind die Anschlüsse für die Versorgungsspannung bezeichnet. In der Figur 1 sind zusätzlich noch die Digitleitungen 7 und 8 sowie die Gateanschlüsse 9 und 10 der Auswahltransistoren vorgesehen.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Speicherelementes, dessen Schaltung in Figur 1 gezeigt ist, ist die folgende: Es sei angenommen, daß in dem Speicherelement derjenige Speicherzustand herrscht, bei dem der Schalttransistor 11 leitend und der
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Schalttransistor 15 gesperrt ist. Wie bekannt, kann dieser Zustand über die Auswahltransistoren 5 und 6 durch entsprechende Spannungen an den im Speicher durchgehenden Leitungen 7 und 8 und den Anschlüssen 9 und 10 erreicht werden. So lange weder eingeschrieben noch ausgelesen wird, sind die Transistoren 5 und 6 gesperrt. Erfindungsgemäß wird an die Anschlüsse 1 und 2 für die Yersorgungsspannung des Speicherelementes eine impulsförxnige Spannung U (t) angelegt. Bei p-Kanal-Transistoren wird an den Anschluß 1 ein gegenüber 2 negatives Potential angelegt. Da der Transistor 11.·sich, wie angenommen, in leitendem Zustand befindet, liegt zwischen dem Gate 111 und der Sourceelektrode 1111 des Transistors eine elektrische Spannung UG 11 an. Zwischen 111 und 1111 liegt aber auch die in der Figur gestrichelt dargestellte Schaltungskapazität 14, die somit auf diese Gatespannung aufgeladen ist. In den Zeiträumen, in denen keine elektrische Spannung zwischen 1 und 2 anliegt, d.h. in den Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der Versorgungsspannung U klingt die Gatespannung UG 11 entsprechend dem Kapazitätswert von 14 und den schaltungsmäßig parallel liegenden, noch verbleibenden parasitären elektrischen Widerständen ab. Durch die den Impulsen an 1 und 2 entsprechenden Potentialänderungen wird die abklingende Gatespannung UG 11 zur Erhaltung des eingespeicherten Zustandes fortlaufend wieder auf ihren Maximalwert angehoben, und zwar durch Ladungsfluß über die Kapazität 12 und den sich zeitweise öffnenden Transfer-Transistor 13. Beim Ansteigen der Impulsspannung U steigt nämlich die Spannung U1 zwischen den Schaltungspunkten 2 und 112 proportional mit U an, wobei der Proportionalitätsfaktor gleich dem Kapazitätsverhältnis C1Z(C^C1 ist: C1 ist darin der Kapazitätswert von 12 und C10 ist der in der Schaltung auftretende Kapazitätswert zwischen 2 und 112. Sobald die Gatespannung des Transistors 13 ausreichend groß 1st, wird 13 leitend und die Kapazität 14 wieder aufgeladen. Beim Abklingen der Impulsspannung U wird der Transistor 13 wieder sperrend, so daß die Kapazität 14 nur noch über ihr parallel liegende Restwiderstände entladen werden kann.
Während des Abklingens der Spannung U wechselt die Spannung U1 infolge der differenzierenden Wirkung der Kapazität 12 ihr Vor-
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zeichen. Ihr weiterer Anstieg wird aber durch die Wirkung der leitend werdenden Diodenstrecke zwischen 2 und 112 begrenzt.
Beim Einschalten eines Impulses der Versorgungsspannung steigt die Spannung zwischen den Schaltungspunkten 2 und 116, d.h. am Transistor 11, nur geringfügig an, weil dieser Transistor leitend bleibt. Dieser Umstand hat zur Folge, daß die Gatespannung UG 15 am Transistor 15 stets noch so klein bleibt, daß dieser gesperrt bleibt.
Der zeitliche Verlauf der einzelnen Spannungen wird durch die Figur 2 wiedergegeben. Auf der Abzisse 21 ist die Zeit aufgetragen. Die Ordinate 22 ist die Skala für die einzelnen in der Schaltung auftretenden elektrischen Spannungen. Die zu den einzelnen Kurvenzügen angegebenen Bezugszeichen stimmen mit denen der vorangehenden Beschreibung überein.
Vorzugsweise werden für die erfindungsgemäße Schaltung Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren als Schalttransistoren und/oder als Transfer-Transistoren verwendet.
Figur 3 zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Speicherelementes, und zwar eines Zweiges, wie er durch 3 bzw. 4 in Figur 1 umgrenzt ist.
Mit 31 ist ein Substrat für Speicherelemente bezeichnet. Dieses kann ein Halbleiterkörper oder ein, vorzugsweise elektrisch nichtleitender Substratkörper 131 mit einer darauf befindlichen halbleitenden Schicht 1131 sein, wie dies speziell in Figur 3 dargestellt ist. Bei dem ausgewählten Beispiel ist der Halbleiterkörper 31 bzw. die halbleitende Schicht 1131 η-leitend. In diesem halbleitenden Material sind einzelne p-leitende Bereiche (32, 33, 41, 43) vorgesehen. Diese Bereiche sind nach an sich bäcannten technologischen Verfahren, insbesondere durch Eindiffusion oder durch Ionenimplantation hergestellt. Auf der Oberfläche von 31 befinden sich verschiedene Isolierschichten und Metallschichten,
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-5-die im folgenden noch näher beschrieben werden.
Der Schalttransistor wird durch die Bereiche 32 (Source) und 33 (Drain) sowie durch die Isolierschicht 34 und die darauf befindliche Metallbelegung 35 gebildet. Die Isolierschicht 34 erstreckt sich, wie für Feldeffekt-Transistoren bekannt, teilweise über die Bereiche 32 und 33 sowie über' den zwischen 32 und 33 liegenden Bereich 36 des Halbleiterkörpers 31 bzw. der Schicht 1131. Unterhalb der Isolierschicht 34 bildet sich im Bereich 36 der für Feldeffekt-Transistoren charakteristische Kanal aus, wenn an der als Gate geschalteten Belegung 35 ein entsprechendes Potential liegt.
Der Transfer-Transistor wird durch den Bereich 41 und dem 41 räumlich naheliegenden Teil 42 des gesamten Bereiches 43 sowie durch die Isolierschicht 44 und die Metallbelegung 45 gebildet. Der für Feldeffekt-Transistoren charakteristische Kanal zwischen den Bereichen 41 und 42 '^bildet sich unterhalb der Isolierschicht in dem halbleitenden Bereich 46 aus. Die erfindungsgemäß als Lastelement vorgesehene Kapazität wird durch die als flächenmäßige Belegung ausgebildete Metallelektrode 47, durch den als Gegenelektrode wirkenden dotierten Bereich 43 und durch die als Dielektrikum wirkende Isolierschicht 48 zwischen 47 und 43 gebildet. Vorzugsweise sind, wie in Figur 3 dargestellt, die Isolierschichten 44 und 48 sowie die Belegungen 45 und 47 in einem Stück durchgehend ausgebildet.
Weitere Metallbelegungen, die als Anschlüsse oder als galvanik sehe Verbindungen zwischen einzelnen Schaltelementen des in Figur 3 dargestellten Zweiges eines erfindungsgemäßen Halbleiterspeicherelementes sind wie folgt bezeichnet: 51 ist der galvanische Anschluß für das Source-Gebiet 32 des Schalttransistors. 52 ist der dem Schaltungspunkt 2 in Figur 1 entsprechende Anschluß. Der dem Schaltungspunkt 1 in Figur 1 entsprechende Anschluß ist mit 53, der Anschluß an das Drain-Gebiet des Transfer-Transistors mit 54 und die in der Figur 1 als Uberkreuzung 3 bzw. 4 dargestellte gal vanische Verbindung zwischen dem Schalttransistor und dem erfindungsgemäß vorgesehenen Transfer-Transistor ist mit 55 bezeichnet.
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Zur elektrischen Isolation der Belegungen 52, 53 und 55 gegenüber dem Halbleiterkörper 31 bzw. der halbleitenden Schicht ,1131 sind die als sog. Dickoxid ausgebildeten Schichten 56, 57 und 58 aus aufgewachsenem isolierendem Material vorgesehen. Die Teile 59 und 60 der Isolierschichten dienen als elektrische Isolation zwischen den jeweils benachbarten Elektroden.
Bei dieser in Figur 3 dargestellten, beispielsweisen Ausführungsform ist die Kapazität 12 bzw. 16 eine Isolierschichtkapazität. Als Gegenelektrode, die hier als p-leitendes Gebiet realisiert ist, kann auch eine sich im Betrieb an der Oberfläche des Halbleiterkörpers bzw. der Halbleiterschicht durch die an 47 gelegte Spannung ausbildende Inversionsschicht verwendet werden.
Um die parasitären Sperrströme zwischen dem Drain-Gebiet 41 des Transfer-Transistors und dem Halbleiterkörper 31, der vorzugsweise auf dem Potential von 52 bzw. dem Schaltungspunkt 2 liegt, möglichst klein au halten, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dieses Gebiet 41 möglichst klein zu halten. Im Falle eines p-leitenden Substrates bzw. einer p-leitenden Schicht 1131 werden η-leitende Bereiche 32, 33, 41, 43 vorgesehen.
Für ein erfindungsgemäßes Speicherelement sind jeweils zwei, wie in der Figur 3 dargestellte, integrierte Bauelemente in ein und demselben Halbleiterkörper bzw. in einer Schicht aus halbleitendem Material auf einem Substratkörper angeordnet und galvanisch, vorzugsweise in integrierter Technik, so miteinander verbunden, wie in der Schaltung nach Figur 1 angegeben ist.
Für einen ganzen Halbleiterspeicher sind jeweils eine Vielzahl derartiger Speicherelemente in integrierter, monolithischer Bauweise zusammengeschaltet.
Im folgenden wird ein Zahlenbeispiel für ein erfindungsgemäßes Speicherelement angegeben:
*) geometrisch
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Beträgt die Fläche der Kapazität 12 bzw. 16 33 x 33 /um2 und die Fläche des Drain-Gebietes 41 des Transfer-Transistors 13
ρ
bzw. 17 10 χ 10 /um , so zeigten experimentelle Untersuchungen und eine rechnergestützte Analyse der Schaltung, daß die Verlustleistung eines Speicherelementes etwa 0,07 /u ¥ beträgt. Dieser Wert ist etwa 10 mal so klein wie der mit üblichen Speicherelementen erzielbare Wert.
Das erfindungsgemäße Speicherelement hat eine Anzahl von Vorteilen. Seine Verlustleistung ist sehr klein, da im Ruhezustand nur die unvermeidbaren Sperrströme durch die pn-Übergänge zwischen den dotierten Bereichen und dem mit 52 galvanisch verbundenen Substrat fließen. Der Platzbedarf eines erfindungsgemäßen Speicherelementes ist kleiner als derjenige eines Elementes in Komplementärkanältechnik in massivem Silizium oder eines Elementes in Einkanaltechnik mit Lasttransistoren mit entsprechend großer Kanallänge. Für die Aufrechterhaltung des Zustandes des Speicherelementes ist die Anzahl der Spannungswechsel pro Zeiteinheit entscheidend. Aufgrund der differenzierenden Wirkung der Kapazitäten 12 und 16 kommt es auf die Folge der Impulse an.· Dadurch kann eine selbständige Anpassung des Leistungsverbrauches an die Sperrströme und damit eine einfachere Versorgung des HalbleiterSpeichers mit der erforderlichen Betriebsspannung an 1 und 2 erreicht werden. Die erfindungsgemäße Verwendung der Gatekapazität eines Feldeffekt-Transistors zur Informationsspeicherung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil die Aufladung einer solchen Kapazität langsamer abklingt als die einer Sperrschichtkapazität. Dadurch kann der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Impulsen der Versorgungsspannung verhältnismäßig groß gemacht werden.
Im Falle einer halbleitenden Schicht 1131 auf einem nichtleitenden Substrat 131 ist es vorteilhaft, diese Schicht in einzelne Inseln aufzuteilen, und zwar in solche Inseln, die jeweils nur einen Schalttransistor oder einen Transfer-Transistor mit der als Lastwiderstand vorgesehenen zugehörigen Kapazität enthalten. Auf diese Weise können die jeweiligen über das Substrat fließenden Sperrströme zwischen dem Lasttransistor und dem Transfer-Transistor eines Zweiges eines Speicherelementes und zu anderen Speicherelementen weitgehend beseitigt werden.
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Claims (10)

  1. 2105A79
    Patentansprüche
    (λ) Schaltung nach Art einer bistabilen Kippstufe für ein Speicherelement eines Halbleiterspeichers in integrierter Bauweise für dynamische Technik mit zwei Feldeffekt-Transistoren als Schalttransistoren, dadurch gekennzeichnet , daß als Lastelement in jedem der beiden Zweige (3, 4) der Kippstufe eine Kapazität (12, 16) und in den beiden Überkreuzungen (103, 104) je ein Transfer-Transistor (13, 17) vorgesehen ist.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Schalttransistor Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren vorgesehen sind.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Transfer-Transistoren Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren vorgesehen sind.
  4. 4. Speicherelement für eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltungselemente in einem Halbleiterkörper (31) oder in einer Halbleiterschicht (1131) auf einem Substrat (131) in Einkanaltechnik realisiert sind.
  5. 5. Speicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Lastelemente vorgesehenen Kapazitäten als Isoliersch.ichtkapazitäten mit einer Metallelektrode (47) und einem η-leitenden bzw. p-leitenden Gebiet (48) als Gegenelektrode ausgebildet sind.
  6. 6. Speicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Lastelemente vorgesehenen Kapazitäten als ; Isolierschichtkapazitäten mit einer Metallelektrode und einer im Betrieb entstehenden Inversionsschicht im Halbleiter als Gegenelektrode ausgebildet sind.
    YPA 9/012/0025
    . , 209833/0954
  7. 7. Speicherelement nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß für je einen Zweig des Speicherelementes
    die Gegenelektrode des Transfer-Transistors und die Metallelektrode der Kapazität als durchgehende metallische Belegung auf
    einer entsprechend durchgehenden dünnen Isolierschicht als Dielektrikum für die Kapazität und als Isolierschicht für das Gate des Transfer-Transistors ausgebildet sind. (Figur 3)
  8. 8. Speicherelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Drain-Gebiet des Transfer-Transistors zur Verringerung parasitärer Sperrströme in das
    Substrat flächenmäßig möglichst klein ist. '
  9. 9. Speicherelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die zusammengehörigen Source- und Drain-Gebiete der einzelnen Schaltungselemente in dünnen halbleitenden schichtförmigen Inseln auf einem elektrisch isolierenden Substrat vorgesehen sind.
  10. 10. Speicherelement nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß es mit einer Vielzahl identischer oder wenigstens gleichartiger weiterer Speicherelemente in einem Körper angeordnet ist.
    VPA 9/012/0025
    9833/0984
    to
    Uerseite
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