DE2160687B2

DE2160687B2 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2160687B2
Application number: DE2160687A
Authority: DE
Inventors: Mikio Ashikawa; Takamitsu Kamiyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-12-07
Filing date: 1971-12-07
Publication date: 1975-05-28
Also published as: DE2160687C3; DE2160687A1; US3775623A; GB1380427A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung zur ein- oder zweidimensionalen Abtastung von Digitalsignalen, insbesondere für Rechner, für Fernsehkameras und -Wiedergabegeräte, für Buchstaben- und Ziffern-Anzeigegeräte usw.

Für diesen Zweck werden Metalloxydhalbleiter- oder bipolare Schieberegister verwendet. Bei den bekannten Schieberegistern sind vier oder mehr Transistorelemente je Bit erforderlich, so daß bei steigender Bitzahl für das Schieberegister eine größere Anzahl von Elementen notwendig ist. Zur Ausbildung von Transistorelementen in einer integrierten Schaltung muß eine sehr spezielle Technik angewendet werden, wobei die Ausbeute bei der Herstellung von Schieberegistern verringert wird. Ferner besteht die Schwierigkeit, daß das Schieberegister beim Ausfall eines Bits das nächste Stufenbit nicht mehr weiterschieben kann und so die Registerfunktion unterbrochen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zur Abtastung von Digitalsignalen zu schaffen, bei der die Anzahl der notwendigen Elemente auf ein Minimum verringert ist und die in einem einfachen Herstellungsverfahren hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleitervorrichtung gelöst, die gekennzeichnet ist durch mehrere spannungsgesteuerte Schaltelemente mit Steuerelektroden zur Spannungssteuerung des zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode fließenden Stromes, die in einem Abstand voneinander an einer gewünschten Stelle des Elements angeordnet sind, durch eine Einrichtung zur Reihenverbindung der Steuerelektroden jedes Schaltelements mittels Widerständen und durch eine Einrichtung ?um Anlegen einer in Abhängigkeit von der Zeit veränderlichen Spannung an jede Steuerelektrode des Elements.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe ist die Halbleitervorrichtung gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Reihe von spannungsgesteuerten Schaltelemente mit je einer Steuerelektrode zur Spannungssteuerung des zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode fließenden Stroms, die in einem Abstand voneinander an einer gewünschten Stelle des Elements angeordnet sind, durch eine erste Verbindung zur Reihenverbindung der Steuerelektroden der Schaltelemente, die die erste Reihe bilden, mittels Widerständen, durch eine zweite Verbindung zur Reihenverbindung der Steuerelektroden der Schaltelemente, die die zweite Reihe bilden, mittels Widerständen, durch mehrere leitende Schichten, die die zweite Elektrode jedes Elements der ersten Reihe mit der ersten Elektrode jedes Elements der zweiten Reihe verbinden, durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer variablen, an ein Ende der ersten Verbindung anzuschließenden Spannung und durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer an ein Ende der zweiten Verbindung anzuschließenden variablen Spannung.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung,

F i g. 2 einen Längsschnitt längs der Linie A-A' der Fig. 1,

F i g. 3 in einem Diagramm ein Beispiel des Sägezahnspannungsverlaufs,

F i g. 4 in einem Diagramm die Potentialverteilung durch die Sägezahnspannung der F i g. 3,

F i g. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, und zwar die Draufsicht eines Schaltungselements zur eindimensionalen Abtastung von Digitalsignalen,

F i g. 6a und 6b in Diagrammen den Verlauf der Sägezahnspannungen, die von den Sägezahngeneratoren der F i g. 5 erzeugt werden,

F i g. 7 ein Prinzipschaltbild der eindimensionalen

Abtastung von Digitalsignalen mit der Schaltvorrichtung der F i g. 5 und

F i g. 8 ein Prinzipschaltbild der zweidimensionalen Abtastung bei Verwendung zweier Schaltvorrichtungen der F i g. 5.

Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen werden ausschließlich Metalloxydhalbleiter-FeldeSekttransistoren verwendet Der Grund hierfür ist, daß diese besonders leicht in integrierten Schaltungen herstellbar sind und daß eine Anzahl von Elementen gleichzeitig auf einem Halbleiterplättcheii untergebracht werden kann. Es können jedoch auch andere spannungsgesteuerte Schaltungselemente verwendet werden.

F i g. 1 zeigt die Draufsicht auf ein Halbleiterplättchen, auf dessen Halbleitersubstrat in einer Reihe MOS-Feldeffekttransistoren I₁, I₂, ..., I_n mit im wesentlichen gleicher Schwellenspannung V_th ausgebildet sind. Die Gate-Elektroden4,, 4_b ...,A_n der jeweiligen Feldeffekttransistoren sind miteinander durch Schichten 5 aus Widerstandsmaterial in Reihe geschaltet. Die Source-Elektroden der Feldeffektelektroden sind mit 2„ 2₂, ...,I_n bezeichnet, die Drain-Elektroden mit 3„ 3₂, ..., 3„. Zwei Klemmen O₁ und 6_a an den beiden Enden des Halbleiterplättchens dienen zum Anlegen der variablen Spannung. F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt längs der Linie A-A' der F i g. 1. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 sind ein Source-Bereich 11 und ein Drain-Bereich 12 ausgebildet, deren Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt dem des Halbleitersubstrats ist. Auf den beiden Bereichen 11 und 12 sind, durch je eine öffnung im Isolierfilm 13 hindurch, Metallschichten ausgebildet, die als Source-Elektrode 14 bzw. Drain-Elektrode 15 dienen. Auf dem Isolierfilm 13 sind zum Anschluß an die Source- und Drain-Elektrode leitende Metallschichten 16 und 17 vorgesehen. Eine weitere Metallschicht 19 besteht aus einem Widerstandsmaterial. Sie ist auf einer dünnen Isolierschicht vorgesehen, die auf dem Gatebereich zwischen dem Source- und dem Drain-Bereich liegt und als Gate-Isolator des Feldeffekttransistors bezeichnet wird. Die Source-Elektrode 2₂, die Drain-Elektrode 3_t und die Widerstandsschicht 5 der F i g. 1 entsprechen der Metallschicht 14 für die Source-Elektrode, der Metallschicht 15 für die Drain-Elektrode bzw. der Metallschicht 19 der F i g. 2.

Nimmt man ein n-Kanal-Anreicheningselement als Feldeffekttransistor an, so ist die Source-Drain-Strecke bei einer Gate-Spannung von Null Volt gesperrt. Es sei nun angenommen, daß die Klemme 6₂ auf Masse (0 Volt) liegt und eine andere Klemme O₁ mit einem Sägezahngenerator (F i g. 1) verbunden ist, um den Klemmen 6, und 6₂ eine Sägezahnspannung gemäß F i g. 3 zuzuführen. Beim Anlegen der Sägezahnspannung an die Klemmen 6, und O₂ ergibt sich in Richtung von der Klemme 6j zur Klemme 6₂ in der Widerstandsschicht 5 eine Potentialverteilung gemäß F i g. 4. Die Stellung des Potentials V_th (Schwellenspannung) bewegt sich mit fortschreitender Zeit von der Seite der Klemme 6, zur Seite der Klemme 6₂. Demzufolge wird die Reihe der Feldeffekttransistoren der F i g. 1 in deren Reihenfolge mit fortschreitender Zeit, beginnend auf der Seite der Klemme 6„ eingeschaltet, bis schließlich sämtliche Feldeffekttransistoren eingeschaltet sind.

In der Zwischenzeit, während die Klemme 6_t auf 0 Volt liegt und der Klemme O₁ eine Sägezahnspannung gemäß Fig. 6b zugeführt wird, sind zur Zeit T=O sämtliche Feldeffekttransistoren eingeschaltet, und die Stellung des Potentials Vth bewegt sich mit fortschreitender Zeil von der Seite der Klemme O₁ zur Seite der Klemme 6₂, so daß die Reihe der Feldeffekttransistoren, ausgehend von der Seite der Klemme 6„ zur Seite der Klemme 6₂ ausgeschaltet wird, bis schließlich sämtliche Feldeffekttransistoren ausgeschaltet sind.

ίο Die beiden oben beschriebenen Operationen sind für die vorliegende Erfindung grundlegend. Durch Kombination dieser Grundoperationen können auch komplizierte Operationen verwirklicht werden.

Wegen des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Prinzips ist. es wichtig, daß die in der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung verwendeten Schaltelemente ähnlich wie MOS-Feldeffekttransistoren an der Steuerelektrode eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen. Ist jedoch, wie beispielsweise bei stromgesteuerten Schaltungselemente^ die Eingangsimpedanz der Steuerelektrode gering, insbesondere gegenüber der Widerstandsschicht merklich geringer, so ist es nicht möglich, die in F i g. 4 gezeigte ideale Potentialverteilung an jeder Steuerelektrode zu erreichen. Vielmehr ergibt sich eine komplizierte Potentialyerteilung, die nur schwierig zu steuern ist.

Üblicherweise verwendete Schaltungselemente sind nicht nur MOS-Feldeffekttransistoren, sondern auch Feldeffekttransistoren mit pn-Übergang und Dünn-Schicht-Feldeffekttransistoren. Hinsichtlich des Widerstandsmaterials, das die Steuerelektroden miteinander in Reihe verbindet, gibt es keine besonderen Beschränkungen. Soll jedoch das Widerstandsmaterial in eine integrierte Schaltung einbezogen werden, so muß es sich leicht aufbringen und fertigbearbeiten lassen. Sein Wärmedehnungskoeffizient sollte möglichst gleich dem der Basisschicht, beispielsweise eines SiO₂-FiImS sein. Es sollte ferner einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen und möglichst wenig temperaturabhängig sein. Vorzugsweise werden als Widerstandsmaterial Tantal, Molybdän, Wolfram, Chrom, Titan oder SnO₂ verwendet, mit denen sämtlich gute Ergebnisse erzielt werden. Fast alle oben aufgeführten Widerstandsmaterialien sind Metalle mit hohem Schmelzpunkt. Die aus ihnen bestehenden Filme werden daher vorzugsweise durch Aufstäuben oder durch Elektronenstrahl-Dampfablagerung aufgebracht. Auch andere Verfahren können angewandt werden.

Zum Aufbau der Schaltung werden vorzugsweise Feldeffekttransistoren mit den Eigenschaften von Anreicherungs-Feldeffekttransistüren verwendet. Es können aber auch MOS-Feldeffekttransistoren mit den Eigenschaften von Verarmungs-Feldeffekttransistoren verwendet werden, wenn man der an die Widerstandsschicht angelegten Sägezahnspannung eine Gleichspannung überlagert.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Halbleitervorrichtung ist das Siliziumsubstrat 10 η-leitend. Sein spezifischer Widerstand beträgt 2 Ohm · cm. Der Source-Bereich 11 und der Drain-Bereich 12 sind p-leitend. Der Source- und der Drain-Bereich haben einen Abstand (Kanallänge) von 10 μηι. Sie sind durch Diffusion p-leitender Verunreinigung in die Oberfläche des Substrats hergestellt. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrat liegt zwischen dem Source- und dem Drain-Bereich ein dünner SiO₂-FiIm von 1000 A Stärke. Auf der

anderen Oberfläche des Substrats liegt ein dicker eine erste Reihe 31 und eine zweite Reihe 32 von SiO₂-FiIm von 8000 Ä Stärke. Die Source-, Drain- und MOS-Feldeffekttransistoren, die auf einer Haupt-Gate-Elektroden 14, 15 und 18 bestehen aus einer fläche eines Halbleitersubstrats30 angeordnet sind. Die etwa 7000 Ä starken Aluminiumschicht, die nach Gate-Elektroden jeder Reihe sind miteinander durch einem bekannten Verfahren hergestellt ist. 5 Widerstandsschichten 33 und 34 verbunden. Die Drain-Die Schwellenspannung V_th eines derartigen MOS- Elektroden 35„ 35 , 35« der ersten Feldeffekt-Feldeffekttransistors beträgt 1 Volt. In gleichen Ab- transistorenreihe 31 sind über leitende Schichten 37,, ständen von 100 μηι sind auf dem Siliziumsubstrat 37₂, ..., 37_n mit den Source-Elektroden 36,, 36₂, ..., gemäß F i g. 1 mehrere Dutzend MOS-Feldeffekt- 36_n der zweiten Feldeffekttransistorenreihe 32 vertransistorelemente der F i g. 2 in einer Reihe angeord- io bunden. Somit ist, wie in F i g. 5 gezeigt, jedes Element net. Die Widerstandsschicht 19, die beispielsweise aus der ersten und der zweiten Feldeffekttransistorreihe einem Tantalfilm von 0,1 μπι Stärke besteht, verbindet über die leitenden Schichten 37„ 37₂, ..., 37 „ miteindie Gate-Elektroden miteinander in Reihe. Ferner ander in Reihe geschaltet. Mit 38„ 38₂, ..., 38„ sind

sind die leitenden Schichten (Aluminium) 16 und 17 die Source-Elektroden und mit 39„ 39₂ 39« die

und die Klemmen (Aluminiumschichten) O₁ und 6₂ 15 Gate-Elektroden der ersten Feldeffekttransistorreihe der Widerstandsschichten an den Source- und Drain- bezeichnet. Mit 40„ 4O₂, ..., 40„ sind die Gate-Elek-Elektroden und den beiden Klemmen aus Widerstands- troden und mit 4I₁, 4I₂, ..., 41„ die Drain-Elektroden material befestigt. der zweiten Feldeffekttransistorreihe bezeichnet. Mit Wird der Klemme O₁ der Halbleitervorrichtung eine 4I₁ und 42₂ sind die Klemmen der Widerstands-Spannung zugeführt und steigt diese während 1 ms 20 schicht 33 und mit 4S₁ und 43₂ die Klemmen der quadratisch vom Wert Vtn auf dessen fünffachen Wert Widerstandsschicht 34 bezeichnet. An die Klemmen an (F i «. 3), so steigt mit fortschreitender Zeit die An- 42, und 43₂ sind Sägezahngeneratoren 44 bzw. 45 anzahl der eingeschalteten MOS-Feldeffekttransistoren, geschlossen.

von der Seite der Klemme O₁ ausgehend, mit konstan- Wird den Klemmen 42, und 43₂ jeweils von einem ter Geschwindigkeit an. Sind nach 1 ms sämtliche 25 Sägezahngenerator eine Sägezahnspannung zugeführt, MOS-Feldeffekttransistoren eingeschaltet, und wird wie sie in den F i g. 6a und 6b gezeigt sind, und zwar wiederum die Spannung Vth der Klemme 6, zu- derart, daß die Ein-Bereiche der ersten und zweiten geführt, so werden sämtliche bisher eingeschalteten Feldeffekttransistorreihe einander teilweise überlappen, Feldeffekttransistoren wieder ausgeschaltet. Bei wieder- so wird die MOS-Feldeffekttransistorreihe des Überholtem Anlegen der Spannung mit dem in F i g. 3 ge- 30 lappungsbereiches eingeschaltet. Dieser Ein-Bereich zeigten Verlauf kann der oben beschriebene Zustand bewegt sich mit fortschreitender Zeit. 1st der über- bzw. Ablauf reproduziert bzw. wiederholt werden. läppende Bereich auf einen MOS-Feldeffekttransistor Wird der Klemme 6, eine lineare Sägezahnspannung der ersten und auf einen Feldeffekttransistor der zugeführt, so werden die in der Nähe der Klemme 6, zweiten Reihe begrenzt, so bewegt sich der Ein-Zuliegenden MOS-Feldeffekttransistoren schneller ein- 35 stand einzeln um einen Feldeffekttransistor in der Feldgeschaltet, während die Einschaltung der in der Nähe effekttransistorenreihe fort.

der Klemme 6₄ liegenden Feldeffekttransistoren ver- Dies soll an Hand der in F i g. 7 gezeigten Prinzipzögert wird. Um die MOS-Feldeffekttransistoren mit schaltung näher erläutert werden. Hierbei werden die konstanter Geschwindigkeit einzuschalten, muß daher MOS-Feldeffekttransistoren der Reihe nach von der der Klemme 6, eine Sägezahnspannung mit dem in 4° Klemme 42, zur Klemme 42₂ eingeschaltet, während F i g. 3 gezeigten Verlauf zugeführt werden. Ein an- die MOS-Feldeffekttransistoren zwischen den Klemderes Verfahren zum Einschalten der MOS-Feldeffekt- men 43, und 43₂ der Reihe nach ausgeschaltet werden, transistoren mit konstanter Geschwindigkeit oder in Überlappen sich der Ein-Bereich zwischen den konstanten Zeitabständen besteht darin, daß man die Klemmen 42, und 42₂ und der Ein-Bereich zwischen MOS-Feldeffekttransistoren von der Klemme 6, zur 45 den Klemmen 43, und 43₂ nur um zwei MOS-FeId-Klemme 6₂ in immer kürzeren Abständen anordnet. effekttransistoren (mit zwei gestrichelten Linien be-Hierbei werden ebenfalls alle Elemente mit konstanter grenzter Bereich), so schalten nur die zwei im überGeschwindigkeit eingeschaltet, auch wenn man der läppenden Ein-Bereich enthaltenen Feldeffekttran-Klemms 6, eine lineare Sägezahnspannung zuführt. sistoren ein. Der überlappende Bereich bewegt sich Für den gleichen Zweck, nämlich um die MOS-FeId- 50 in der F i g. 7 von links nach rechte, so daß sich eine effekttransistoren in konstanten Zeitabständen hinter- eindimensionale Abtastung ergibt,
einander einzuschalten, können auch die Werte der Eine zweidimsnsionale Abtastung ergibt sich, wenn zwischen den Gate-Elektroden liegenden Widerstände man die Schaltvorrichtung in den Richtungen X und Y verändert werden. Bei einem solchen Aufbau sollte die anordnet, wie dies in dem Prinzipschaltbild der Breite oder Stärke der Widerstandsschicht verändert 55 F i g· 8 gezeigt ist.

werden, wobei die einzelnen Schichtteile durch Auf- Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung kann dampfen des Widerstandsmaterials zwischen den in integrierten Schaltungen in sehr hoher Packungs-Elektroden der MOS-Feldeffekttransistoren hergestellt dichte unterbracht werden. Bei Verwendung von werden. MOS-Feldeffekttransistoren ergeben sich hohe Ein-In diesem Beispiel ist eine Halbleitervorrichtung er- 60 gangsimpedanzen, was bei der Auslegung der Schalläutert, die sich zur eindimensionalen Abtastung eines tung sehr zweckmäßig ist Die Halbleitervorrichtung Digitalsignals eignet. Zur zweidimensionalen Ab- ist ferner einfach im Aufbau, hat eine hohe Reprodutastung können zwei solcher Halbleitervorrichtungen zierbarkeit und arbeitet mit hohen Frequenzen, was verwendet werden, und zwar eine für die X- und eine eine schnelle Abtastung erlaubt. Die erfindungsgemäße für die Y-Richtung. 65 Halbleitervorrichtung weist also hinsichtlich Herstel-Die in F i g. 5 gezeigte Halbleitervorrichtung enthält lung und Anwendung wesentliche Vorteile auf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleitervorrichtung zur Abtastung von Digitalsignalen, gekennzeichnet durch mehrere spannungsgesteuerte Schaltelemente (1) mit Steuerelektroden (4) zur Spannungssteuerung des zwischen wenigstens einer ersten (2) und einer zweiten Elektrode (3) fließenden Stromes, die in einem Abstand voneinander an einer gewünschten Stelle des Elements angeordnet sind, durch eine Einrichtung (5) zur Reihenverbindung der Steuerelektroden (4) jedes Schaltelements mittels Widerständen und durch eine Einrichtung (7) zum Anlegen einer in Abhängigkeit von der Zeit veränderliehen Spannung an jede Steuerelektrode (4) des Elements (1).

2. Halbleitervorrichtung zum Abtasten von Digitalsignalen, gekennzeichnet durch eine erste (31) und eine zweite Reihe (32) von spannungsgesteuerten Schaltelementen mit je einer Steuerelektrode (39 bzw. 40) zur Spannungssteuerung des zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode (35, 38; 36, 41) fließenden Stroms, die in einem Abstand voneinander an einer gewünschten Stelle des Elements angeordnet sind, durch eine erste Verbindung zur Reihenverbindung (33) der Steuerelektroden (39) der Schaltelemente, die die erste Reihe (31) bilden, mittels Widerständen, durch eine zweite Verbindung (34) zur Reihenverbindung der Steuerelektroden (40) der Schaltelemente, die die zweite Reihe (32) bilden, mittels Widerständen, durch mehrere leitende Schichten (37), die die zweite Elektrode jedes Elements der ersten Reihe mit der ersten Elektrode jedes EIements der zweiten Reihe verbinden, durch eine Einrichtung (44) zur Erzeugung einer variablen, an ein Ende der ersten Verbindung anzuschließenden Spannung und durch eine Einrichtung (45) zur Erzeugung einer an ein Ende der zweiten Verbindung anzuschließenden variablen Spannung.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsgesteuerte Schaltelement aus einem Feldeffekttransistor (1) besteht.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor ein Anreicherungs-Feldeffekttransistor ist.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand zwischen den Steuerelektroden (4) der Feldeffekttransistoren aus einer Widerstandsschicht (5, 19, 33, 34) besteht, die mittels Vakuumverdampfung auf eine zwischen den Gate-Elektroden vorgesehene Isolierschicht (13) aufgebracht ist.