DE2103573A1 - Integriertes Halbleiterbauelement, insbesondere verlustarmes Speicherelement, in Komplementärkanal-Technik - Google Patents

Integriertes Halbleiterbauelement, insbesondere verlustarmes Speicherelement, in Komplementärkanal-Technik

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DE2103573A1 DE19712103573 DE2103573A DE2103573A1 DE 2103573 A1 DE2103573 A1 DE 2103573A1 DE 19712103573 DE19712103573 DE 19712103573 DE 2103573 A DE2103573 A DE 2103573A DE 2103573 A1 DE2103573 A1 DE 2103573A1
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Description

Integriertes Halbleiterbauelement, insbesondere verlustarmes Speicherelement, in Komplementärkanal-Technik
Die Erfindung betrifft ein integriertes Halbleiterbauelement in Komplementärkanal-Technik mit einem Feldeffekt-Schalttransistor in einem massiven Halbleiterkörper und mit einem weiteren Feldeffekt-Transistor .
Insbesondere ist das integrierte Halbleiterbauelement für ein Halbleiterspeicherelement nach Art einer bistabilen Kippschaltung in Komplementärkanal-Technik mit zwei Feldeffekt-Schalttransistoren in einem massiven Halbleiterkörper und zwei Feldeffekt-Transistoren als Lastwiderstände vorgesehen. Die als Lastwiderstände vorgesehenen Transistoren werden auch als Lasttransistoren bezeichnet.
Es ist bekannt, Halbleiterspeicherelemente mit Feldeffekt-Schalttransistoren und mit Feldeffekt-Lasttransistoren in Komplementärkanal-MOS-Technik zu realisieren. Es handelt sich dabei um bistabile Kisschaltungen, in denen die Lasttransistoren bei hohen elektrischen Spannungen einen großen und bei niedrigen elektrischen Spannungen einen kleinen Widerstand aufweisen. Die Komplementärkanal-Technik ist aber relativ aufwendig, da in dem leitenden Halbleiterkörper Wannen mit Halbleitermaterial mit entgegengesetztem Leitungstypus erzeugt werden müssen, um darin den Jeweils komplementären Feldeffekt-Transistor aufzubauen.
Speicherelemente in Komplementärkanal-MOS-Technik weisen zwar drei Vorteile auf, nämlich geringe Ruheverlustleistung, hohe
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Störsicherheit und kurze Schaltzeiten. Es gibt aber eine Anzahl von Anwendungsfällen, in denen es z.B. auf kurze Schaltzeiten weniger wesentlich ankommt und durch einen einfacheren Aufbau insgesamt technische Vorteile erzielt werden können. Z.B. kommt es für Elemente logischer Schaltungen oder für Speicher im Gebiet der Raumfahrt zwar auf geringe Ruhe verlust Ie istung an, jedoch spielen kurze Schaltzeiten häufig eine weniger große Rolle.
Eine^Aufgabe der Erfindung ist es, ein technisch weniger aufwendig herzustellendes integriertes Halbleiterbauelement mit zwei Transistoren anzugeben, das sich für logische Schaltungen und insbesondere für Halbleiterspeicher eignet.
Diese Aufgabe wird durch ein wie oben angegebenes integriertes Halbleiterbauelement gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als weiterer Transistor ein Dünnschicht-Transistor vorgesehen ist, der auf einer Isolierschicht, die sich auf dem massiven Halbleiterkörper befindet, angeordnet ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu Figuren eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung hervor.
Mit 1 ist ein beispielsweise η-leitender Halbleiterkörper bezeichnet. Er besteht insbesondere aus Silizium. Mit 2 bis 7 sind die Einzelheiten eines Feldeffekt-Schalttransistors bezeichnet. 2 ist dabei das als Source wirkende p-leitende Gebiet. Mit 3 ist das als Drain wirksame p-leitende Gebiet bezeichnet. Die zugehörige Isolierschicht trägt die Bezeichnung 4 und die metallische Belegung für die Gateelektrode die Bezeichnung 5. Mit 6 und 7 sind die Elektrodenanschlüsse für das Source- und das Drain-Gebiet bezeichnet.
Zur elektrischen Isolation des weiteren Transistors ist gemäß der Erfindung eine Isolierschicht 11, vorzugsweise eine thermisch aufgewachsene Dickoxydschicht, vorgesehen. Für 11 kann im Prinzip
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auch eine andere elektrisch isolierende Schicht, z.B. eine "Lackschicht, verwendet werden.
Als Material für die Isolierschicht hat sich insbesondere eine 1,5 /um dicke Oxydschicht, die auf einem Silizium-Halbleiterkörper thermisch aufgewachsen wurde, bewährt.
Auf der Schicht 11 ist der Dünnschicht-Transistor mit seinen Einzelheiten 12 bis ri8 aufgebaut. Mit 12 ist das Source-Gebiet bezeichnet, das der Komplementärtechnik entsprechend n-leitend ist. Das dementsprechend ebenfalls η-leitende Drain-Gebiet ist mit 13 bezeichnet. 14 ist eine wie für Feldeffekt-Transistoren % bekannte Isolierschicht und 15 die Elektrodenbelegung für die Gateelektrode. 16 und 17 sind Elektrodenbelegungen für das Source- und das Drain-Gebiet. Mit 18 ist ein sowohl räumlich als auch elektrisch zwischen dem Source- (12) und dem Drain-Gebiet (13) befindliches Gebiet bezeichnet, das zu 12 und 13 entgegengesetzten Leistungstypus hat und in dem sich der für Feldeffekt-Transistoren charakteristische Kanal ausbildet. Mit 21 und 22 sind symbolisch dargestellte Anschlüsse bezeichnet. Ebenfalls symbolisch ist die mit. 23 bezeichnete galvanische Verbindung zwischen dem Gate 15 und dem Gate 5 dargestellt. Mit 24 ist in der gleichen Weise eine galvanische Verbindung zwischen der Elektrodenbelegung 6 und dem Halbleiterkörper 1 angedeutet. Diese in der Figur gestrichelt dargestellten Verbindungen und Anschlüsse 21 bis 24 werden entsprechend der integrierten Technikdurch entsprechende Leitungsbahnen in oder auf dem Körper 1 bzw. auf Schichten, die sich auf dem Körper befinden, realisiert.
Diese Gebiete 11, 13 und 18 sind Teilgebiete einer polykristallinen oder auch einkristallinen Halbleiterschicht-. Als Material für diese Halbleiterschicht kommt insbesondere Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Indiumantimonid, Indiumarsenid, Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, Bleisulfid oder Tellur in Betracht. Es können hierfür aber auch 3e nach Anwendungsfall des Bauelementes andere Halbleitermaterialien verwendet werden.
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Die Belegungen 7 und 17 sind auf dem Halbleiterkörper bzw. auf den darauf befindlichen Schichten so ausgebildet, daß sie galvanisch miteinander verbunden sind.
Das in der Figur 1 dargestellte ausgewählte Ausführungsbeispiel enthält den Schalttransistor in p-Kanal-MTOS-Technik und als weiteren Transistor den n-Kanal-Dünnschicht-Transistor. Grundsätzlich kann ein integriertes Halbleiterbauelement nach der Erfindung auch mit einem Schalttransistor in η-Kanal- und einem Dünnschicht-Transistor in p-Kanal-Technik realisiert werden.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterbauelementes sind logische Schaltungen.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung als Speicherelement, wobei für jeweils ein Speicherelement zwei integrierte Bauelemente nach der Erfindung, z.B. nach Figur 1, entsprechend einer Schaltung nach Figur 2 miteinander verbunden werden. Diese Verbindung erfolgt iii räumlich'und elektrisch integrierter Technik auf dem Halbleiterkörper. Für einen ganzen Halbleiterspeicher werden eine Vielzahl derartig aufgebauter Speicherelemente in an sich bekannter integrierter Weise zusammengefaßt. Zur Ansteuerung der einzel-' nen Speicherelemente sind in einem derartigen Speicher noch Auswahltransistoren vorgesehen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Auswahltransistoren vom gleichen Typ wie die Schalttransistoren der Speicherelemente, wobei dann die Auswahltransistoren und die Schalttransistoren vorzugsweise in dem massiven Halbleiterkörper 1 aufgebaut sind.
Figur 2 zeigt ein Schaltbild eines gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung aufgebauten Speicherelementes mit zwei erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen. Mit 31 sind die Schalttransistoren und mit
32 sind die als Lastwiderstände wirkenden Lasttransistoren und mit
33 die zugehörigen Auswahltransistoren bezeichnet. Die Schaltung selbst ist im Prinzip dem Fachmann bekannt. Mit 34 sind die Schaltungsverbindungen bezeichnet, die auftreten, wenn die Schalttran-r
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sistoren und die Auswahltransistoren im selben Halbleiterkörper angeordnet sind.
Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen: Wie bereits oben erwähnt, werden nicht in allen Fällen alle diejenigen Vorzüge gefordert, die Bauelemente mit Schalt- und Lasttransistoren in der bekannten Komplementärkanal-MOS-Technik, die technologisch relativ aufwendig ist, haben. Es wurde daher nach einem Weg einer einfacheren technischen Realisierung gesucht. Dabei wurde das oben beschriebene erfindungsgemäße Halbleiterbau·*· element gefunden, das insbesondere bei Verwendung einer polykristallinen Halbleiterschicht für den Dünnschicht-Transistor besonders einfach herzustellen ist.
An sich sind derartige Dünnschicht-Transistoren im Prinzip bekannt, jedoch werden sie in der Elektronik kaum eingesetzt, da sie zwei große Nachteile haben. Diese Nachteile sind die geringe effektive Beweglichkeit der Ladungsträger in polykristallinen Schichten, die kleiner als etwa 10 ■ ist, und die insbesondere bei polykristallinem Material verhältnismäßig großen Sperrströme. Die geringe effektive Beweglichkeit führt zu hohen Innenwiderständen und daher langen Umladezeiten in Inverterstufen.
Für das erfindungsgemäße integrierte Halbleiterbauelement und insbesondere für die erfindungsgemäß angegebenen Verwendungen haben diese Nachteile jedoch keine Bedeutung. Das gilt insbesondere für die Verwendung als Speicherelement.
In dem speziellen Fall als Speicherelement und auch bei entsprechenden logischen Schaltungen werden die Umladezeiten nicht durch die als Lastwiderstand wirkenden Lasttransistoren, sondern durch die Schalt- und die Auswahltransistoren bestimmt.
Was die verhältnismäßig großen Sperrströme bei pn-Übergangen in polykristallinem Material betrifft, werden diese bei dem erfindungsgeiEäßen Aufbau weitgehend, ausgeschlossen. Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement fließen nämlich nur Sperrströme innerhalb des
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Transistors von dem Drain- zu dem Source-Gebiet. Ein Sperrstrom vom Dünnschicht-Transistor zu dem Halbleiterkörper 1 ist durch die erfindungsgemäß vorgesehene Isolierschicht 11 ausgeschlossen.
Auch mit polykristallinen Halbleiterschichten erreicht man bei dem erfindungsgemäßen Bauelement noch Widerstandswerte des gesperrten Lasttransistors bis zu Werten über 10 Ohm. Als Zahlenbeispiel für einen Dünnschicht-Transistor mit einem derart hohen Widerstand seien die folgenden Werte angegeben: Kanallänge: 10 bis 20 /um
Kanalbreite: 1600 /um.
Für diese Abmessungen hat der Sperrstrom selbst bei Drainspannungen von 10 Volt nur Werte in der Größenordnung von höchstens 1 Mikroampere.
Vorteilhafterweise ist bei kleinen Drainspannungen der Innenwiderstand des gemäß der Erfindung vorgesehenen Dünnschicht-Transistors verhältnismäßig klein. Dieses Widerstandsverhalten des als Lastwiderstand vorgesehenen Dünnschicht-Transistors ist im Hinblick auf geringe Ruhe- und Verlustleistung und hohe Störsicherheit eines Speicherelementes von besonderer Bedeutung.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bauelementes ist, daß der vorgesehene Dünnschicht-Transistor verhältnismäßig wenig Platz beansprucht , und zwar insbesondere im Vergleich zu einem als Lastwiderstand bekanntermaßen verwendeten Feldeffekt-Transistor mit der hierfür notwendigerweise großen Kanallänge. Dazu kommt, daß bei der bekannten Komplementärkanal-MOS-Technik mit massivem Halbleiterkörper einer der beiden Transistoren in einer Art Wanne in dem Körper angeordnet sein muß, damit er gegenüber dem Korper möglichst gut elektrisch isoliert ist.
Die als Lastwidsrstände erfindungsgemäß vorgesehenen Dünnschicht-Traaelstc-ren haben auch, einen hinsichtlich der hohen Terlust-lei- :>tuiis günstigen ferlsvt der Etrom-Spannungskennlinie,
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1.)Integriertes Halbleiterbauelement in Komplementärkanal-Technik ^"" mit einem Feldeffekt-Schalttransistor in einem massiven Halbleiterkörper und mit einem weiteren Feldeffekt-Transistor, dadurch gekennzeichnet , daß als weiterer Transistor ein Dünnschicht-Transistor (12 - 18) vorgesehen ist, der auf einer Isolierschicht (11), die sich auf dem massiven Halbleiterkörper (1) befindet, angeordnet ist.
    c-. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ^ gekennzeichnet , daß als Isolierschicht eine Dickoxydschicht vorgesehen ist.
    35. integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dickoxydschicht auf dem Halbleiterkörper thermisch aufgewachsen ist.
    /+. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Dünnschicht-Transistor in einer polykristallinen Halbleiterschicht (12, 13, 18) aufgebaut ist.
    Ό. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Dünnschicht-Transistor in einer einkristallinen Halbleiterschicht aufgebaut ist.
    (5. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
    5, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterschicht aus Silizium, Germanium, Galliumarsenid, Indiumantimonid, Indiumarsenid, Bleisulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid oder Tellur bestellt.
    7. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
    6, dadurch gekennzeichnet , daß es als Logikelement verwendet ist.
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    8. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche
    1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß es zusammen mit einem gleichen Bauelement in integrierter Schaltung als Halbleiterspeicherelement nach Art einer bistabilen Kippstufe zusammengeschaltet ist. (Figur 2).
    9. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich Auswahltransistoren, die vom gleichen Typ wie die Schalttransistoren sind, vorgesehen sind, wobei sich die Schalttransistoren und die Auswahltransistoren in dem Halbleiterkörper befinden. (Figur 2).
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