DE2631285C2 - Statische Halbleiterspeicherzelle - Google Patents
Statische HalbleiterspeicherzelleInfo
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Abstract
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein statisches Speicherelement anzugeben, das nur mit einem einfachen MOS-Prozess und einer zusaetzlichen ganzflaechigen Implantation realisierbar ist. Das erfindungsgemaesse Speicherelement besteht im wesentlichen aus einem spannungsgesteuerten negativen differentiellen Widerstand, einem Lastelement und einem Auswahltransistor. Der negative Widerstand besteht aus einem MOS-Transistor, einem bipolaren Transistor, einem PN-Uebergang und zwei Widerstaenden. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemaessen Speicherelementes besteht darin, dass es im wesentlichen nur aus einem Transistor und einem Auswahltransistor besteht, da der bipolare Transistor durch den Abstand zweier Diffusionsgebiete gegeben ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nur in einem logischen Zustand Leistung verbraucht wird. Vorteilhafterweise kann bei einer entsprechenden Ansteuerung ein grosser Auslesehub erreicht werden. ...U.S.W
Description
a) daß der negative differentielle Widerstand (5) dadurch gebildet ist,
10
— daß ein hochohmiges halbleitendes Substrat (4) vorgesehen ist, auf dessen Ober- is
fläche ein gegenüber dem Substrat hochdotierter Bereich (40) angeordnet ist, der
in der gleichen Weise aber höher dotiert ist ti j das Substrat (4),
— daß an der Oberfläche des hochdotierten Bereiches (40) drei entgegengesetzt zu
dem hochdotierten Bereich (40) dotierte Wannen (17, 18, 21) vorgesehen sind, die
durch den hochdotierten Bereich (40) bis zum Substrat (4) hindurchreichen,
— daß eine erste (17) dieser Wannen den Drainbereich (17) und eine zweite (18)
dieser Wannen den Sourcebereich eines MOS-Transistors (1) darstellen, wobei zwischen dem Drainbereich und dem
Sourcebereich die Kanalzone des MOS-Transistors (Ϊ) angeordnet ist,
— daß oberhalb der Kanalzone durch eine elektrisch isolierende schicht (19) von dem
hochdotierten Bereich (40) getrennt eine Gateelektrode (11) des MOS-Transistors (1)
vorgesehen ist,
— daß der Drainbereich (17) über eine Drainelektrode (12) mit einem Knoten (14) in
Verbindung steht und daß der Sourcebereich (18) über eine Sourceelektrode (43) mit einem ersten Anschluß (16) in
Verbindung steht,
— daß der Sourcebereich (18) des MOS-Transistors
(1) gleichzeitig den Emitterbereich eines bipolaren Transistors (2) darstellt,
— daß die dritte (21) der genannten Wannen den Kollektorbereich dieses bipolaren
Transistors darstellt, wobei der Kollektorbereich (21) durch einen Basisbereich (25)
von dem Emitterbereich (18) getrennt ist,
— daß der Kollektorbereich (21) mit einer Koliektorelektrode (22) versehen ist, die
über eine Leiterbahn (15) mit der Gateelektrode (11) des MOS-Transistors (1) in Verbindung steht,
— daß die Kollektorelektrode (22) über einen Widerstand (3) mit einem zweiten Anschluß
(31) verbunden ist,
— daß der Basisbereich (25) über das Substrat (4) und eine Substratelektrode (23) mit
einem Substratanschluß (24) verbunden ist,
c) daß über das Lastelement (7) der Knoten (14) des negativen differentiellen Widerstandes (5)
mit dem zweiten Anschluß (31) verbunden ist,
d) daß über den Auswahltransistor (6,63). dessen
Gateelektrode mit einer Wortleitung (61, 64) verbunden ist, entweder der Knoten (14) des
negativen differentiellen Widerstandes (5) oder die Gateelektrode (11) des MOS-Transistors (1)
des negativen differentiellen Widerstands (5) mit einer Bitleitung (62) verbunden ist.
2. Statische Halbleiterspeicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat
(4) ein hochohmiges p-(n~)-leitendes Substrat ist, daß der hochdotierte Bereich (40) ein p+(n+)-leitender
Bereich ist und daß der Drainbereich (17), der Sourcebereich (18) und der Kollektorbersich (21)
n+(p+)-diffündierte Wannen sind.
3. Statische Halbleiterspeicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
hochohmige Substrat (4) ein 20-Ohm · cm-Substrat mit einer Ladungsträgerkonzentration von etwa
8 XlO14Cm-3 ist.
4. Statische Halbleiterspeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der hochdotierte Bereich (40) eine Ladungsträgerkonzentration von 5 x 10l6cm~3 aufweist.
5. Statische Halbleiterspeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der hochdotierte Bereich (40) durch Ionenimplantation, durch Diffusion oder durch Aufbringen einer
hochdotierten Epitaxie-Schicht hergestellt ist.
6. Statische Halbleiterspeicherzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hochdotierte
Bereich (40) mittels eines Ionenimplantationsschrittes durch Einbringen von Bor oder
Phosphor hergestellt ist.
7. Statische Halbieiterspeichi reelle nach einem
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastelement (7) ein MOS-Feldeffekttransistor
vom Anreicherungstyp ist, wobei der Gateanschluß (72) mit dem Drainanschluß verbunden ist.
8. Statische Halbleiterspeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lastelement (7) ein MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist, wobei der Gateanschluß
(72) mit dem Sourceanschluß verbunden ist, und wobei der Kanafbereich gegendotiert ist.
9. Statische Halbleiterspeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lastelement (7) aus einer implantierten Widerstandsbahn besteht.
b) daß der negative differentielle Widerstand (5) zwischen einen Auswahltransistor (6, 63) und
ein Lastelement (7) geschaltet ist.
65 Die Erfindung bezieht sich auf eine statische Halbleiterspeicherzelle
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Halbleiterspeichefzelle ist aus der DE-OS 2043065 bekannt.
Ein in integrierter Schaltungstechnik hergestellter negativer differentieller Widerstand, der aus einem in
einem Halbleitersubstrat vorgesehenen vertikalen bipolaren Transistor und einem MOS-Transistor besteht,
ist aus dem IBM Techn. Disclosure Bulletin, Bd. 17, No. 4, Sept. 1974, S. 1041, bekannt. Dabei ist in den
Basisbereich des bipolaren Transistors neben dem
Emittergebiet ein weiteres Halbleitergebiet eingefügt, das den gleichen Leitfähigkeitstyp hat wie das Emittergebiet.
Das Emittergebiet bildet gleichzeitig das Sourcegebiet des MOS-Transistors, das weitere Halbleitergebiet
das Draingebiet. Der zwischen dem Source- und dem Draingebiet liegende Teil des Basisbereichs ist von
einem isolierten Gate überdeckt, das mit einem Kollektoranschluß verbunden ist. Das weitere Halbleitergebiet
ist mit einem Basisanschluß des bipolaren Transistors beschaltet.
Eine pnpn-Vierschichten-Halbleiter-Speicherzelle mit
einer negativen Widerstandscharakteristik ist in der DE-OS 2149761 beschrieben. Sie weist einen Halbleiterkörper
auf, an dessen Oberfläche die beiden pn-Übergänge zwischen den ersten drei Schichten durch
eine von der Oberfläche durcli eine mit eindiffundierten
Ladungsträger-Fangzentren versehene Isolierschicht getrennte Gateelektrode gemeinsam überdeckt werden.
Eine an die Gateelektrode gelegte Gatespannung bewirkt, daß eine ihr entsprechende Menge von
Ladungsträgern aus der zweiten Schicht irfden Fangzentren
festgehalten wird. Auch nach dem Ah:chaiten der angelegten Gatespannung beginnt ein Stromfluß
zwischen zwei an die erste und vierte Schicht angelegten Elektroden erst bei einem solchen Wert der an diese
letzteren angelegten Spannung, daß ein Schwellwert, der durch die Menge der in der Isolierschicht gespeicherten
Ladungsträger bestimmt ist, überschritten wird. Somit wird der sich beim Anlegen einer Gatespannung
ergebene Schwellwert durch die Eigenschaften der Isolierschicht gespeichert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine statische Halbleiterspeicherzelle der eingangs
genannten Art anzugeben, die nur mit einem einfachen MOS-Prozeß und einer zusätzlichen ganzflächigen
Implantation realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale
gelöst.
Neben ihre: einfachen Herstellbarkeit zeichnet sich
die Halbleiterspeicherzeüe nach der Erfindung auch dadurch aus, daß nur in einem logischen Zustand Leistung
verbraucht wird.
Vorteilhafterweise kann bei einer entsprechenden Ansteuerung ein großer Auslesehub erreicht werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen statischen Speicherelementes.
F i g. 2 zeigt in schematkjher Darstellung einen Querschnitt
durch den negativen Widerstand des Speicherelementes riach der Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung das Schaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen statischen
Speicherelementes.
Die Fig. 4 zeigt die Kennlinien eines erfindungsgemäßen
Speicherelementes.
Die Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch das Speicherelement nach der
Fig. 1.
Die F i g. 6 zeigt das Layout eines effindungsgemäßen
Speicherelementes nach der Fig. 1.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, besteht das erfindungsgemäße
Speicherelement im wesentlichen aus einem spannungsgesteuerten negativen differentiellen
Widerstand 5, einem Lastelement 7 und einem Auswahltransistor 6. Der neg ttive Widerstand 5 besteht aus
einem MOS-Transistor 1, einem bipolaren Transistor 2, einem pn-Übergang 42 und Widerständen 3 und 41, die
in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Weise zusammengeschaltet sind. Zwischen den Punkten 14 und 16 wird der
spannungsgesteuerte negative differentielle Widerstand gemessen. Mit dem Punkt 14 ist der Drainanschluß
12 des MOS-Transistors 1 verbunden. Der Sourcenanschluß 13 des MOS-Transistors 1 ist mit dem
Anschluß 16, dessen Potential etwa dem Potential am Anschluß 24 entspricht, verbunden. Das Gate des MOS-Transistors
1 ist über einen Widerstand 3, der zu diesem Zweck zwischen dem Gateanschluß 11 des MOS-Trar.sistors
1 und einem Anschluß 31 angeordnet ist, ansteuerbar. Der Gateanschluß 11 des MOS-Transistors 1 ist
über den Kollektor-Emitter-Kreis des bipolaren Transistors 2 mit dem Anschluß 16 verbunden. Der Basisanschluß
des bipolaren Transistors 2 ist über eine Diode 42 mit dem Punkt 14 verbunden. Die Basis 25 des bipolaren
Transistors 2 ist über den Widerstand 43, der einerseits mit der Basis 25 des bipolaren Transistors 2 und
andererseits mit dem Anschluß TA verbunden ist, steuerbar.
In der F i g. 2 ist ein Querschnitt durch uen negativen
Widerstand 5 dargestellt. Dieser ist auf einem halbleitenden Substrat, vorzugsweise auf einem Silir'um-
substrat 4 aufgebaut. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Siiiziumsubstrat 4 um ein hochohmiges Grundmaterial
der Dotierung ρ = 8 x 10l4cm~3. An der Oberfläche
des Substrates 4 wird vorzugsweise mittels eines Ionenimplantationsschrittes, beispielsweise durch das
Einbringen von Borionen, die p-Dotierung im Bereich 40, beispielsweise auf/j+ = 5 χ 1016Cm-3 erhöht. Mittels
eines Diffusionsprozesses werden nun die «-dotierten
Wannen 17, 18 und 21 in das Substrat 4 und in den Bereich 40 eingebracht. Dabei dient das Diffusionsgebiet
17 als Draingebiet des MOS-Transistors 1. An der Oberfläche dieses Draingebietes ist eine Drainelektrode
12, die mit dem Punkt 14 verbunden ist, angeordnet. Das Sourcegebiet 18 des MOS-Transistors 1 ist
durch einen Abstand von dem Draingebiet 17, der die Kanalzone bildet, entfernt. Oberhalb der Kanalzone des
MOS-Transistors 1 ist durch eine elektrisch isolierende Schicht 19, bei der es sich vorzugsweise um eine S1O2-Schicht
handelt, die Gateelektrode 11 des MOS-Transistors 1 angeordnet. Das Sourcegebiet 18 des MOS-Transistors
1 dient gleichzeitig als Ernittergebiet des bipolaren npn-Transistors 2. Das Diffusionsgebiet 21 dient als
Kollektorgebiet des bipolaren npn-Transistors 2. Es ist mit einer Elektrode 22 versehen, die über eine Verbindung
15 mit der Gateelektrode 11 des MOS-Transistors 1 elektrisch in Verbindung steht. Zwischen dem Kollektorgebiet
21 und d^m Emittergebiet 18 bzw. dem Sourcegebiet befindet sich die Basis 25 des bipolare;:
npn-Transistors. Mit der Kollektorelektrode 22 ist der im Zusammenhang mit der Fig. 1 bereits beschriebene
Widerstand 3 verbunden. Das Substrat 4 weist eine Elektrode 23 mit einem Anschluß 24 auf. Zwischen dieser
Elektrode 23 und der Basis 25 des bipolaren npn-Transistors 2 befindet sich der Widerstand 41 (Fig. 1),
der durch das hochrhmige p-Substrat gebildet wird. Die
in der Fig. 1 dargestellte Diode 42 wird durch den pn-Übergang zwischen den Bereichen 40 und 4 und dem
Draingebiet 17 des MOS-Transistors 1 gebildet.
Im folgenden soll die Funktion des negativen Widerstandes im Zusammenhang mit der Fig. 4 erläutert
werden. Andern Ans.-hluß ZX liegt die Spannung Uc„an
dem Anschluß 24 die Spannung U^b und an dem
Anschluß 14 die Spannung Lb an. Vom Anschluß 14 zum Anschluß 16 fließt der Strom I0. In der Fig. 4 ist
eine //ri/o-Kennlinie für eine vorgegebene Substratspannung
U^ von beispielsweise + 0,23 V und für eine vorgegebene Gatespannung Ua von beispielsweise 4 V
dargestellt. Bis zu einer bestimmten Drainspannung U0
< Ubd, die von der Dotierung des Siliziums in dem Bereich 40 abhängt, verhält sich die Anordnung wie ein
normaler MOS-Transistor, an dessen Gate die Spannung Ug liegt. Dieser Bereich entspricht in dem Kennlinienfeld
der Fig. 4 dem dort mit A bezeichneten Bereich. Ab einer Drainspannung von Ud
> Ubd (Bereich B in der Fig. 4), bildet sich zwischen dem Draingebiet 17 und dem Substrat 4 ein Strompfad, der
beispielsweise durch einen Lawinendurchbruch an dem Draingebiet erzeugt wird. Durch den Spannungsabfall
im hochohmigen Substrat, d.h. am Widerstand 41 erhöht sich das Potential in der Umgebung der Schaltanordnung.
Das diffundierte Sourcegebiet 18 beginnt
io
15 weise n-Kanal-MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp verwendet. In diesem Fall ist jeweils die Gateelektrode
dieser Transistoren mit dem Drainanschluß verbunden. Bei der Verwendung von Transistoren vom
Verarmungstyp ist die Gateelektrode mit dem Source-Anschluß verbunden. In der Fig. 5 ist der Querschnitt
durch ein aus dem negativen Widerstand 5, dem Lastelement 7 und dem Auswahltransistor 6 bestehendes
Speicherelement dargestellt. Dabei handelt es sich bei dem Widerstand 3 und dem Lastelement 7 um Feldeffekttransistoren
vom Anreicherungstyp. Einzelheiten der Fig. 5, die bereits im Zusammenhang mit den
Fig. 1 und 2 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Als Lastelemente können
auch implantierte Widerstandsbahnen dienen.
Das Potential am Anschluß 16 (Fig. 1) wird vorteilhafterweise so gewählt, daß es etwa dem Substratpoten-
, d. h. Elektronen zu inüzieren tisl entsnricht dss z. B. — 5 V betr2°sri kann. Die "S
die von dem Kollektorgebiet eingefangen werden und über den Widerstand 3 an die mit dem Anschluß 31 verbundene
Spannungsquelle abgeführt werden. Auf diese Weise wird das Potential an der Elektrode 11 abgesenkt
und der MOS-Transistor gesperrt.
Durch Anschalten eines Lastelementes 7 und eines Auswahltransistors 6 an den oben näher beschriebenen
negativen Widerstand 5 gelangt man zu dem erfindungsgemäßen statischen Speicherelement (Fig. 1).
Der Auswahltransistor 6, bei dem es sich vorzugsweise um einer. MOS-Transistor handelt, ist einerseits mit
dem Punkt 14 des negativen Widerstandes 5 und andererseits mit einer Bitleitung 62 verbunden. Die Gateelektrode
des Auswahltransistors 6 ist mit einer Wortleitung 61 verbunden. Das Lastelement 7, das einerseits
mit dem Punkt 14 verbunden ist, ist andererseits vorteilhafterweise mit dem Anschluß 31 und somit mit der
Spannung Ug verbunden. Wie aus der Fig. 4 hervorgeht,
ergibt sich für das Lastelement die Kennlinie Kl. Diese Kennlinie Kl schneidet die bereits beschriebene
Kennlinie Ä"5 des negativen Widerstandes in den Punkten Sl, L und 52. Dabei stellen die Punkte Sl und S2
stabile Zustände und der Punkt L einen labilen Zustand dar.
Wie in der Fig. 3 dargestellt, kann die Bitleiiung 62
auch über einen Auswahltransistors 63 mit dem Punkt 11 verbunden sein. Dabei wird dann der Auswahltransistor
63 über die Wortleitung 64 angesteuert. Einzelheiten der Fig. 3, die bereits im Zusammenhang mit
der Fig. 1 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen.
Das erfindung?gemäße Speicherelement nach der
Fig. 1 wird dadurch ausgewählt, daß an die Wortleitung 6J ein Potential angelegt wird, welches den Auswahltransistor
6 öffnet. Über die Bitleitung 62 wird ein der einzuschreibenden Information entsprechendes Potential
angelegt, das das Speicherelement entweder in den stabilen Punkt Sl oder in den stabilen Punkt S2 setzt.
Beim Auslesen wird der Auswahltransistor 6 wieder über die Wortleitung 61 in den leitenden Zustand
geschaltet. Durch eine mit der Bitleitung 62 verbundene Regenerierschaltung 8 wird dann das an dem
Punkt 14 anliegende Potential bewertet oder der Zustand der Leitfähigkeit des Transistors 1 bewertet.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Widerstand 3 und bei dem Lastelement 7 ebenfalls um MOS-Transistoren
vom Anreicherungstyp oder vom Verarmungstyp oder um implantierte Widerstände. In Verbindung
mit dem oben angegebenen Beispiel für den Aufbau des negativen Widerstandes werden vorzugspheren
Schaltungen behalten dann ihre Eigenschaften bei, wobei auch sichergestellt ist, daß das Potential
an dem Anschluß 16 und dem Punkt 25 etwa gleich ist. Die Fig. 6 zeigt eine Aufsicht auf die Anordnung
nach der F i g. 5. Einzelheiten der F i g. 6, die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschrieben wurden,
tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, sind die Feldeffekttransistoren, die
den Widerstand 3 und das Lastelement 7 bilden, ebenfalls in der Schicht 40 und in dem Substrat 4 aufgebaut.
Die Widerstände 3 und 7 sind Transistoren vom Verarmungstyp. Vorteilhafterweise is' das Speicherelement
nach der Fig. 6 in einer Al-Gate-Technologie mit selbstjustierenden Gates aufgebaut. Es bedeuten
schraffierte Flächen Diffusionsgebiete, strichliert umrandete Flächen Aluminium-Leiterbahnen bzw.
Elektroden, mit durchgehenden Linien umrandete Flächen Gateoxidschichten und Flächen mit Diagonalen
Kontaktlochätzungen. Die strich-punktiert umrandeten Gebiete stellen Dünnoxidbereiche dar.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Statische Halbleiterspeicherzeile mit negativem differentiellem Widerstand, die mittels einer
Spannungssteuerung zwischen einem niederohmigen Zustand und einem hochohmigen Zustand
umschaltbar bzw. rückschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet,
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---|---|---|---|---|
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