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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zum Speichern
von Informationen in Speicherelementen vom CBRAM-Typ.
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Speicherelemente
vom CBRAM-Typ (CB = Conductive Bridging, auch: CBJ = Conductive
Bridging Junction) sind auch unter den Bezeichnungen PMC-Typ (PMC
= Programmable Metallization Cell) oder Ionic Memory Elements bekannt.
Solche Speicherelemente werden beispielsweise in dem Artikel „Can Solid
State Electrochemistry Eliminate the Memory Scaling Quandary?" von Kozicky, Mitkova,
Zhu, Park und Gopalan, veröffentlicht
2002 in ,Proceedings of IEEE-NANO 2002' näher
vorgestellt, auch hinsichtlich ihrer Funktion.
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Des
weiteren werden die Eigenschaften solcher Speicherelemente in dem
Artikel „Electrical
Characterization of Solid State Ionic Memory Elements" von Symanczyk, Balakrishnan,
Gopalan, Happ, Kozicki, Kund, Mikolajick, Mitkova, Park, Pinnow,
Robertson und Ufert, veröffentlicht
2003 in ,Proceedings NVMTS 2003' auf
den Seiten 16ff, eingehend untersucht. Da die Grundzüge, wie
Speicherelemente vom CBRAM-Typ aufgebaut sind, auf welchen chemisch-physikalischen
Vorgängen
ihre Funktion basiert und nach welchen Grundsätzen sie zu betreiben sind,
um Informationen in ihnen speichern zu können, in diesen Artikeln bereits vorveröffentlicht
sind, werden diese Grundzüge
nachfolgend als der Fachwelt allgemein bekannt vorausgesetzt und
nicht noch einmal im Einzelnen erläutert.
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Ebenfalls
aus diesen Artikeln ist es bereits bekannt, dass das Definieren
und dann das Einhalten der elektrischen Para meter solcher Speicherelemente
beim Speicherungsvorgang sehr wesentlich und u. U. auch problematisch
ist. Insbesondere das Anlegen einer Spannung oder von Spannungsimpulsen,
die ein „Umschalten" (= Programmieren)
eines Speicherelements von einem hohen ohmschen Widerstandswert
(typische Werte hierfür
liegen in der Größenordnung
von 1010 bis 1012 Ohm)
auf einen niedrigen ohmschen Widerstandswert (typische Werte hierfür liegen
in der Größenordnung
von 104 bis 106 Ohm)
bewirken, machen es notwendig, den dabei auftretenden Stromfluss
sehr genau zu beobachten und ihn auf einen Wert zu begrenzen, bei dem
ein jeweiliges Speicherelement keinen Schaden erleidet, auch nicht
in Form von (üblicherweise
erst sehr viel später
bemerkbaren) Degradationsschäden.
Im zweiten der beiden vorstehend genannten Artikel geschieht das
Programmieren vermutlich aus diesem Grund unter Anwenden einer Strombegrenzung.
Beim Speicherungsvorgang von einem niedrigen ohmschen Widerstandswert
aus auf einen hohen ohmschen Widerstandswert, meist auch als „Löschen" der gespeicherten
Information bezeichnet, ist allerdings keine Strombegrenzung notwendig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Schaltungsanordnungen zu schaffen,
die so ausgestaltet sind, dass sich Speicherungsvorgänge sehr
präzise
in die eine Richtung (= Programmieren) und/oder in die andere Richtung
(= Löschen)
durchführen
lassen.
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Diese
Aufgabe wird bei den eingangs genannten Schaltungsanordnungen mit
den Mitteln der in den Patentansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmale
gelöst.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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die 1 und 2 vorteilhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung,
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die 3 ein
Zeitdiagramm, mittels dessen die erfindungsgemässen Schaltungsanordnungen
betreibbar sind,
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die 4 auf
einer Zahlengerade aufgetragene verschiedene Spannungswerte bzw.
-Bereiche, die beim Betrieb von Speicherelementen vom CBRAM-Typ
von Wichtigkeit sind, und
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die 5 eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform,
bei der gegenüber
der Ausführungsform
nach 2 die elektrische Polarität vertauscht ist.
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Die
Darstellung der vorliegenden Erfindung nach 1 umfasst
zwei erfindungsgemässe
Schaltungsanordnungen, nämlich
eine erste Schaltungsanordnung, die dazu dient, das Speicherelement
CBJ in einen ersten Speicherzustand zu versetzen (= niedriger ohmscher
Widerstandswert) und eine zweite Schaltungsanordnung, die dazu dient,
das Speicherelement CBJ in einen zweiten Speicherzustand zu versetzen
(= hoher ohmscher Widerstandswert).
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Die
erste Schaltungsanordnung umfasst eine Konstantstromquelle IWR, die mit (wenigstens) einer Speicherzelle
MC verbunden ist (in der Regel: mit vielen). Eine solche Speicherzelle
MC enthält
ein Speicherelement CBJ vom CB-Typ und einen damit verbundenen Auswahltransistor
TWL. Die Speicherzelle MC ist, analog zu
allseits bekannten dynamischen Speicherzellen, d. h., zu Speicherzellen
vom DRAM-Typ, an der Kreuzung einer Wortleitung WL mit einer Bitleitung
BL angeordnet und mit diesen Leitungen verbunden. Der Auswahltransistor
TWL dient einer Auswahl der Speicherzelle
MC und somit auch zur Auswahl des Speicherelements CBJ, und zwar
sowohl zum Lesen (= Auslesen einer im Speicherelement CBJ gespeicherten
Information) wie auch zum Einschreiben (Programmieren = Einschreiben
von z. B. der Information „log.
1" in das Speicherelement
CBJ; Löschen
= Einschreiben von z. B. der Information „log. 0" in das Speicherelement CBJ) von Information
aus dem bzw. in das Speicherelement CBJ. Die Kathode des Speicherelements
CBJ ist mit einem Plattenpotential VPL verbunden.
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Über die
Konstantstromquelle IWR lässt sich
dem Speicherelement CBJ zu dessen Programmieren (damit ist hier
vorliegend gemeint: Verändern
des ohmschen Widerstands des Speicherelements CBJ von einem sehr
hohen Wert auf einen, relativ dazu, sehr niedrigen Wert) ein konstanter
Strom einprägen,
der durch Aufbauen entsprechender Feldstärken zwischen den Elektroden
des Speicherelements CBJ elektrochemisch das gewünschte Verändern des ohmschen Widerstands
bewirkt. Durch die Konstanz des Stroms lässt sich verhindern, dass der
Strom während
des Programmiervorgangs, verursacht durch das Abfallen des ohmschen
Widerstands des Speicherelements CBJ, ansteigt auf Werte, die für das Speicherelement
CBJ schädlich
sind. Während
des Programmiervorgangs, der bekanntlich eine gegebene Mindestzeit
stattfinden soll, damit sich genügend
elektrisch leitende Ionen zwischen der Anode und der Kathode des
Speicherelements CBJ aufbauen können,
ist der Auswahltransistor TWL elektrisch
leitend geschaltet, so dass genau dieses Speicherelement CBJ (und
nicht ein anderes Speicherelement CBJ entlang derselben Bitleitung
BL) ausgewählt
wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
der erfindungsgemässen
ersten Schaltungsanordnung umfasst diese auch einen über ein
Schreibsignal WR schaltbaren Schreibtransistor TWR,
mittels dessen der Konstantstrom der Konstantstromquelle IWR der Bitleitung BL und somit einer der
daran angeordneten, nämlich
ausgewählten, Speicherzelle
MC bzw. deren Speicherelement CBJ zuführbar ist.
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Die 1 zeigt
auch eine erfindungsgemässe
zweite Schaltungsanordnung, welche zum Löschen (Definition: s. vorstehend)
einer im Speicherelement CBJ gespeicherten Information dient. Dazu
ist ein Löschtransistor
TER vorgesehen, welcher zwischen einem Löschpotential
VER, das z. B. das Bezugspotential GND einer Gesamtschaltung sein
kann, und derjenigen Bitleitung BL angeordnet ist, entlang der dasjenige
Speicherelement CBJ angeordnet ist, dessen darin gespeicherte Information
zu löschen
ist. Auch der Löschvorgang
benötigt
eine gewisse Zeit, damit sich die zwischen Anode und Kathode befindlichen
Ionen in möglichst großer Anzahl
wieder an der Anode sammeln und mit dieser verbinden können.
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2 zeigt,
neben der aus 1 bereits bekannten zweiten
Schaltungsanordnung, eine weitere vorteilhafte Ausbildung der ersten
Schaltungsanordnung. Darüber
hinaus ist noch eine zweite Speicherzelle MC gezeigt, um anzudeuten,
dass entlang einer einzelnen Bitleitung BL regelmäßig eine
Vielzahl von Speicherzellen MC angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform
der ersten Schaltungsanordnung weist diese zusätzlich zu der bei der ersten
Ausführungsform
bereits vorhandenen Konstantstromquelle IWR und
dem Schreibtransistor TWR noch eine zwischen
diesen beiden Elementen angeordnete Stromspiegelschaltung IMR auf. Die Stromspiegelschaltung IMR ist einerseits mit einem Versorgungspotential
VINT und andererseits über
die Konstantstromquelle IWR mit dem Bezugspotential
GND verbunden. Sie beinhaltet in an sich bekannter Art zwei Transistoren
T1 und T2, wobei
der eine Transistor T1 den von der Konstantstromquelle
IWR gelieferten konstanten Schreibstrom
auf den anderen Transistor T2 hinüber spiegelt
und dort an den Schreibtransistor TWR weiter
gibt. Wenn dann der Schreibtransistor TWR mittels
des an ihm anliegenden Schreibsignals WR elektrisch leitend geschaltet
wird, gelangt der konstante Schreibstrom auf die Bitleitung BL und
auf dasjenige Speicherelement CBJ, das mittels aktivierter Wortleitung
WL ausgewählt
ist.
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3 zeigt
ein Zeitdiagramm, nach dem die beiden Schaltungsanordnungen von 2 betreibbar sind.
Es zeigt zu nächst
einen Programmiervorgang, bei dem die Information „log. 1" in eine ausgewählte Speicherzelle
MC und deren Speicherelement CBJ einzuschreiben ist und, daran anschließend, einen
Löschvorgang,
bei dem die Information „log.
0" in (beispielhafterweise)
dieselbe ausgewählte
Speicherzelle MC und deren Speicherelement CBJ einzuschreiben ist.
Ein normaler Lesevorgang ist nicht dargestellt.
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Während des
gesamten Programmier- und Löschvorgangs
liegt an den Kathoden der Speicherelemente CBJ der auszuwählenden
und der nicht-auszuwählenden
Speicherzellen MC das so genannte Plattenpotential VPL an. Dies
ist auch unabhängig
davon, ob eine der Speicherzellen MC bzw. eines der Speicherelemente
CBJ ausgewählt
wird oder nicht. Das Plattenpotential VPL liegt wertemäßig in etwa
zwischen dem Bezugspotential GND und dem internen Versorgungspotential
VINT (siehe dazu auch 4 mit zugehöriger Beschreibung). Die Bitleitung
BL ist auf den Wert des Plattenpotentials VPL vorgeladen.
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Zu
einem ersten Zeitpunkt t1 wird eine der
in 2 dargestellten Wortleitungen WL aktiviert, so
dass eine der in 2 dargestellten Speicherzellen
MC samt ihres Speicherelements CBJ über den zugehörigen Auswahltransistor
TWL ausgewählt wird. Zu einem zweiten
Zeitpunkt t2 wird dann der Schreibtransistor
TWR, der in 2 als vom
p-Kanal-Typ angenommen ist, mittels des Schreibsignals WR elektrisch
leitend geschaltet. Somit gelangt der Konstantstrom von der Konstantstromquelle
IWR über
die Stromspiegelschaltung IMR und den Schreibtransistor
TWR auf die Bitleitung BL und von dort über den
elektrisch leitend geschalteten Auswahltransistor TWL auf
die Anode des ausgewählten
Speicherelements CBJ. Dies lässt
sich am dargestellten Potentialverlauf der Bitleitung BL ablesen.
Dieser Konstantstrom bewirkt, dass sich aus der Anode des ausgewählten Speicherelements
CBJ Ionen, z. B. Silberionen, abspalten und lösen und (als Zellenstrom IC) in Richtung Kathode wandern. Zusammen
mit im Raum zwischen Anode und Kathode schon vorhandenen (Silber-)Ionen
bildet sich so ein elektrisch leitender Pfad aus mit einem über die
Zeit des Anlegens des Konstantstroms hinweg (bis zu einem gegebenen
Endwert hin) ständig
abnehmenden ohmschen Widerstand. Da dieser Widerstand zunächst nur
sehr, sehr langsam abnimmt und später, relativ dazu, sehr schnell,
steigt das Potential auf der Bitleitung BL zunächst rasch an (siehe dritter
Zeitpunkt t3 in 3) und klingt
dann wieder ab. Zu einem vierten Zeitpunkt t4 wird
der Schreibtransistor TWR mittels des Schreibsignals
WR wieder gesperrt; das Potential auf der Bitleitung BL nimmt wieder
den Wert des Plattenpotentials VPL an. Nun (siehe fünfter Zeitpunkt
t5 in 3) wird
auch der Auswahltransistor TWL wieder gesperrt;
der Programmiervorgang ist beendet, d. h., in der betreffenden Speicherzelle
MC bzw. in deren Speicherelement CBJ ist die Information „log. 1" gespeichert.
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Zum
Löschen
dieser Information, d. h., zu einem Einschreiben einer Information „log. 0", wird dann zu einem
sechsten Zeitpunkt t6 die Speicherzelle
MC über
ihre zugeordnete Wortleitung WL wieder ausgewählt. Anschließend (siehe
siebter Zeitpunkt t7 in 3)
wird der Löschtransistor
TER mittels des Löschsignals ER elektrisch leitend
geschaltet. Somit gelangt das Löschpotential
VER, das im vorliegenden Beispiel gleich ist dem Bezugspotential
GND einer gesamten Schaltung, die die vorliegenden erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
mit umfasst, auf die Bitleitung BL und auf das Speicherelement CBJ.
Das Potential auf der Bitleitung BL nimmt, zeitlich unstetig verlaufend
(siehe achter Zeitpunkt t8 in 3),
den Wert des Löschpotentials VER
(= Bezugspotential GND) an. Infolge dieser elektrischen Verhältnisse
wandert ein Grossteil der im Raum zwischen Anode und Kathode des
ausgewählten
Speicherelements CBJ vorhandenen, ausgebildeten Ionen (wieder) zurück zur Anode
(wiederum als Zellenstrom -IC) und verbindet
sich dort (wieder) mit dem Material der Anode. In Folge davon steigt
der ohmsche Widerstand des ausgewählten Speicherelements CBJ
wieder auf seinen (sehr) hohen, ursprünglichen Wert an. Zu einem
neunten Zeitpunkt t9 wird der Löschvorgang
durch Sperren des Löschtransistors
TER beendet (siehe Löschsignal ER). Abschließend wird
dann zu einem zehnten Zeitpunkt t10 auch
die getroffene Speicherzellenauswahl beendet (die Wortleitung WL
wird deaktiviert, so dass der Auswahltransistor TWL wieder
elektrisch sperrt).
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4 zeigt,
zur Verdeutlichung, um welche Größen es sich
bei den vorliegenden Potential- und Spannungswerten handelt, eine
Skala, auf der für
Speicherelemente CBJ vom CBRAM-Typ und für die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
nach 2 typische Potential- und Spannungswerte eingetragen
sind. Ausgehend vom Bezugspotential GND = 0 V, das vorliegend mit
dem Löschpotential
VER gleichgesetzt ist, beträgt
das Versorgungspotential VINT beispielsweise 1.8 V. Das Plattenpotential
VPL liegt in etwa zwischen diesen beiden Werten, nämlich bei
1.0 V. Im Bereich zwischen dem Plattenpotential VPL und dem Bezugspotential
GND findet der Löschvorgang
statt. Die größtmögliche Löschspannung
beträgt
somit -1.0 V. Der Bereich zwischen dem Plattenpotential VPL und
dem Versorgungspotential VINT ist der Bereich, in dem sich die Schreib-(= Programmier-)Spannung
bewegt. Er hat einen Umfang von 0.8 V. Der Spannungsbereich, in
dem Lesevorgänge
stattfinden können
(die als solche nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst sind),
ist der Bereich zwischen dem Plattenpotential VPL und einem Wert,
der z. B. 100 mV darüber
liegt, also bei 1.1 V. Die maximal mögliche Lesespannung beträgt in diesem
Beispiel also lediglich 100 mV, bezogen auf das Plattenpotential
VPL.
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Die 5 zeigt
erfindungsgemässe
Schaltungsanordnungen, bei denen bei den ihnen zugeordneten Speicherelementen
CBJ nicht die Kathoden mit dem Plattenpotential VPL verbunden sind,
wie in den Schaltungsanordnungen nach den 1 und 2,
sondern die Anoden. In solchen Fällen
ist es dann notwendig, als Löschpotential
VER nicht das Bezugspotential GND zu verwenden, sondern das Versorgungspotential VINT.
Ebenso ist auch die Konstantstromquelle IWR mit
dem Versorgungspotential VINT zu verbinden. Entsprechend ist die
Stromspiegelschaltung IMR mit dem Bezugspotential
GND verbunden. Weiterhin sind im Interesse des Bereitstellens guter
Schalteigenschaften und möglichst
geringer Schwellspannungsverluste die verwendeten Kanaltypen der
Transistoren gegenüber
den Schaltungsanordnungen von 2 vertauscht
(p-Kanal statt n-Kanal und umgekehrt).
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