DE2103573A1 - Integrated semiconductor component, in particular low-loss storage element, using complementary channel technology - Google Patents
Integrated semiconductor component, in particular low-loss storage element, using complementary channel technologyInfo
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Description
Integriertes Halbleiterbauelement, insbesondere verlustarmes Speicherelement, in Komplementärkanal-Technik Integrated semiconductor component, in particular low-loss storage element, using complementary channel technology
Die Erfindung betrifft ein integriertes Halbleiterbauelement in Komplementärkanal-Technik mit einem Feldeffekt-Schalttransistor in einem massiven Halbleiterkörper und mit einem weiteren Feldeffekt-Transistor .The invention relates to an integrated semiconductor component using complementary channel technology with a field effect switching transistor in a solid semiconductor body and with another field effect 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.In particular, the integrated semiconductor component for a semiconductor memory element is in the manner of a bistable trigger circuit in complementary channel technology with two field effect switching transistors in a solid semiconductor body and two field effect transistors provided as load resistors. The transistors provided as load resistors are also called load transistors designated.
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.It is known semiconductor memory elements with field effect switching transistors and with field effect load transistors in complementary channel MOS technology to realize. These are bistable Kis circuits, in which the load transistors at high electrical voltages have a high resistance and, in the case of low electrical voltages, a small resistance. The complementary canal technique but is relatively expensive, since in the conductive semiconductor body wells with semiconductor material with opposite Conduction type must be generated in order to build the respective complementary field effect transistor.
Speicherelemente in Komplementärkanal-MOS-Technik weisen zwar drei Vorteile auf, nämlich geringe Ruheverlustleistung, hoheMemory elements in complementary channel MOS technology have three advantages, namely low idle power dissipation, high
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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.Interference immunity and short switching times. However, there are a number of applications in which, for example, short switching times are required is less important and overall technical advantages can be achieved through a simpler structure. E.g. comes it is for elements of logic circuits or for memory in the field of space travel on low rest loss Ie istung, however Short switching times often play a less important role.
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.A ^ object of the invention is to provide a technically less complex to be produced integrated semiconductor component with two transistors, which is suitable for logic circuits and particularly suitable for semiconductor memories.
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.This object is achieved by an integrated semiconductor component as specified above, which is characterized in that that a thin-film transistor is provided as a further transistor, which is on an insulating layer, which is on the massive Semiconductor body is located, is arranged.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu Figuren eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung hervor.Further details of the invention can be found in the description of the figures of a preferred exemplary embodiment of the invention emerged.
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.With 1, for example, η-conductive semiconductor body is designated. In particular, it consists of silicon. With 2 to 7 the details of a field effect switching transistor are referred to. 2 is the p-conducting region acting as the source. The p-conductive region, which acts as a drain, is designated by 3. The associated The insulating layer is labeled 4 and the metallic coating for the gate electrode is labeled 5. With 6 and 7 the electrode connections for the source and drain regions are designated.
Zur elektrischen Isolation des weiteren Transistors ist gemäß der Erfindung eine Isolierschicht 11, vorzugsweise eine thermisch aufgewachsene Dickoxydschicht, vorgesehen. Für 11 kann im PrinzipAccording to the invention, an insulating layer 11, preferably a thermal one, is used for electrical insulation of the further transistor grown thick oxide layer, provided. For 11 can in principle
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auch eine andere elektrisch isolierende Schicht, z.B. eine "Lackschicht, verwendet werden.another electrically insulating layer such as a "lacquer layer" can also be used.
Als Material für die Isolierschicht hat sich insbesondere eine 1,5 /um dicke Oxydschicht, die auf einem Silizium-Halbleiterkörper thermisch aufgewachsen wurde, bewährt.The material used for the insulating layer is, in particular, a 1.5 μm thick oxide layer on a silicon semiconductor body thermally grown, proven.
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.The thin-film transistor with its details 12 to ri8 is built up on the layer 11. The source region is designated by 12, which is n-conductive in accordance with the complementary technique. The drain region, which is accordingly also η-conductive, is denoted by 13. 14 is an insulating layer as is known for field effect transistors % and 15 is the electrode covering for the gate electrode. 16 and 17 are electrode assignments for the source and drain regions. A region located both spatially and electrically between the source (12) and drain region (13) is designated by 18, which has the opposite power type to 12 and 13 and in which the channel characteristic of field effect transistors is formed. Connections shown symbolically are denoted by 21 and 22. The with is also symbolic. 23 designated galvanic connection between the gate 15 and the gate 5 is shown. A galvanic connection between the electrode coating 6 and the semiconductor body 1 is indicated by 24 in the same way. These connections and connections 21 to 24, shown in dashed lines in the figure, are implemented in accordance with the integrated technology by corresponding conductor paths in or on the body 1 or on layers that are located on the body.
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.These areas 11, 13 and 18 are sub-areas of a polycrystalline or monocrystalline semiconductor layer. Particularly suitable materials for this semiconductor layer are silicon, germanium, gallium arsenide, indium antimonide, indium arsenide, cadmium sulfide, cadmium selenide, lead sulfide or tellurium. However, depending on the application of the component, other semiconductor materials can also be used for this purpose.
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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.The coverings 7 and 17 are formed on the semiconductor body or on the layers located thereon in such a way that they are galvanic are connected to each other.
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.The selected embodiment shown in Figure 1 contains the switching transistor in p-channel MTOS technology and as Another transistor is the n-channel thin-film transistor. Basically an integrated semiconductor component according to the invention can also have a switching transistor in η-channel and one Thin-film transistor can be realized in p-channel technology.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterbauelementes sind logische Schaltungen.The preferred field of application of the integrated semiconductor component according to the invention are logic circuits.
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.Use as a storage element is particularly preferred, with two integrated components for each storage element of the invention, e.g. according to FIG. 1, can be connected to one another in accordance with a circuit according to FIG. This connection is made iii spatially and electrically integrated technology on the Semiconductor body. For an entire semiconductor memory, a large number of memory elements constructed in this way are known per se summarized in an integrated way. To control the individual memory elements, there are also selection transistors in such a memory intended. According to a development of the invention, the selection transistors are of the same type as the switching transistors of the memory elements, in which case the selection transistors and the switching transistors are preferably in the solid semiconductor body 1 are constructed.
Figur 2 zeigt ein Schaltbild eines gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung aufgebauten Speicherelementes mit zwei erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen. Mit 31 sind die Schalttransistoren und mitFigure 2 shows a circuit diagram according to this development of the Invention constructed memory element with two semiconductor components according to the invention. With 31 are the switching transistors and with
32 sind die als Lastwiderstände wirkenden Lasttransistoren und mit32 are the load transistors acting as load resistors and with
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-r33 denotes the associated selection transistors. The circuit itself is known in principle to the person skilled in the art. At 34 are the circuit connections denotes that occur when the switching trans-r
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sistoren und die Auswahltransistoren im selben Halbleiterkörper angeordnet sind.sistors and the selection transistors are arranged in the same semiconductor body.
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.The following considerations led to the invention: As already mentioned above, not all of those will be used in all cases Advantages required, the components with switching and load transistors in the known complementary channel MOS technology, the is relatively complex technologically. A way of simpler technical implementation was therefore sought. Included the semiconductor structure according to the invention described above was * element found, especially when using a polycrystalline semiconductor layer for the thin-film transistor is easy to manufacture.
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.Such thin-film transistors are known in principle, however, they are rarely used in electronics because they have two major disadvantages. These disadvantages are minor effective mobility of the charge carriers in polycrystalline layers, which is less than about 10 ■, and in particular relatively high reverse currents in the case of polycrystalline material. The low effective mobility leads to high internal resistance and therefore long recharging times in inverter stages.
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.For the integrated semiconductor component according to the invention and in particular for the uses specified according to the invention however, these disadvantages are irrelevant. This is especially true for use as a storage element.
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.In the special case as a storage element and also with the corresponding Logical circuits, the recharging times are not due to the load transistors acting as a load resistor, but rather determined by the switching and the selection transistors.
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 desAs far as the relatively large reverse currents at pn junctions in polycrystalline material are concerned, these are used in the case of the invention Construction largely excluded. In the case of the component according to the invention, only reverse currents flow within the
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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.Transistor from the drain to the source region. A reverse current from the thin-film transistor to the semiconductor body 1 is through the insulating layer 11 provided according to the invention is excluded.
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.With the component according to the invention, even with polycrystalline semiconductor layers, resistance values of the blocked load transistor of up to values above 10 ohms are achieved. The following values are given as a numerical example for a thin-film transistor with such a high resistance: Channel length: 10 to 20 μm
Channel width: 1600 / um.
Für diese Abmessungen hat der Sperrstrom selbst bei Drainspannungen von 10 Volt nur Werte in der Größenordnung von höchstens 1 Mikroampere.For these dimensions, the reverse current has even at drain voltages of 10 volts only values of the order of magnitude of at most 1 microampere.
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.The internal resistance is advantageous in the case of low drain voltages of the thin film transistor provided according to the invention is relatively small. This resistance behavior of the The thin-film transistor provided as a load resistor is important in terms of low idle and power loss and high immunity to interference of a storage element of particular importance.
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.Another advantage of the component according to the invention is that the thin-film transistor provided is comparatively small Takes up space, in particular in comparison to a field-effect transistor known to be used as a load resistor with the necessary length of the canal for this. In addition, with the known complementary channel MOS technology solid semiconductor body, one of the two transistors must be arranged in a kind of tub in the body so that it is opposite the body is electrically insulated as well as possible.
Die als Lastwidsrstände erfindungsgemäß vorgesehenen Dünnschicht-Traaelstc-ren haben auch, einen hinsichtlich der hohen Terlust-lei- :>tuiis günstigen ferlsvt der Etrom-Spannungskennlinie,The thin-film tractors provided according to the invention as load resistors also have a favorable ratio of the Etrom voltage characteristic with regard to the high level of resistance,
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