DE102005025167B3 - Multi-bit virtual ground NAND-memory unit, has memory cells of two adjacent groups of rows connected in common - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Virtual-Ground-NAND-Speichereinheiten, die Charge-trapping-Multi-Bit-Speicherzellen umfassen.The The present invention relates to virtual ground NAND storage devices. comprising the batch-trapping multi-bit memory cells.
Charge-trapping-Speichereinheiten,
die eine Folge von Speicherschichten dielektrischer Materialien umfassen,
die zum Ladungseinfang vorgesehen sind, um die Speicherzelle zu
programmieren, insbesondere SONOS-Speicherzellen, die als Speichermedium
Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolgen umfassen, werden gewöhnlich durch
Injektion heißer
Elektronen aus dem Kanal (CHE, channel hot electrons) programmiert.
Chargetrapping-Speicherzellen können
so aufgebaut sein, dass sie die Speicherung von zwei Daten-Bits
in jeder Speicherzelle ermöglichen.
In der
In der US 2003/0185055 A1 und einer entsprechenden Veröffentlichung von C. C. Yeh u.a., „PHINES: A Novel Low Power Program/Erase, Small Pitch, 2-Bit per Cell Flash Memory", 2002 IEEE, ist eine nichtflüchtige Halbleiterspeicherzelle mit eingefangenen Elektronen im Löschzustand beschrieben, die als Flash-Memory betrieben wird und zwei Bits in einer herkömmlichen Charge-trapping-Schichtfolge, zum Beispiel einer ONO-Schichtfolge, speichern kann. Beim Programmieren dieses Speichers werden elektrische Löcher in die nichtleitende Charge-trapping-Schicht injiziert. Die Injektion der heißen Löcher kann an Source oder Drain, also an beiden Enden des Kanals, hervorgerufen werden. Diese Betriebsweise vermeidet hohe Programmierströme. Die Löschung geschieht durch Fowler-Nordheim-Tunneln von Elektronen entweder vom Kanal oder von der Gate-Elektrode in die Speicherschicht.In US 2003/0185055 A1 and a corresponding publication C. C. Yeh et al., "PHINES: A Novel Low Power Program / Erase, Small Pitch, 2-Bit by Cell Flash Memory ", 2002 IEEE, is a non-volatile one Semiconductor memory cell with trapped electrons in the erase state described, which is operated as a flash memory and two bits in a conventional one Charge-trapping layer sequence, for example an ONO layer sequence, can save. When programming this memory will be electrical holes injected into the non-conductive charge-trapping layer. The injection the hot ones holes can be caused at the source or drain, ie at both ends of the channel become. This mode of operation avoids high programming currents. The deletion either happens through Fowler-Nordheim tunneling of electrons from the channel or gate electrode into the memory layer.
Da die Speicherschicht von Charge-trapping-Speicherzellen elektrisch isolierendes Material ist, ist die eingefangene Ladung an den Orten der Einfangstellen eingeschlossen, die sich an jedem Ende des Kanals befinden. Dies bedeutet, dass der Ladungseinfang angrenzend an jeden der Source-/Drainbereiche jeder Speicherzelle stattfinden kann. Der Programmierungsmechanismus wird verbessert, wenn die Speicherschicht zusätzlich auf begrenzte Bereiche in der Nachbarschaft der zwei Source-/Drainbereiche beschränkt wird. Auf diese Weise kann eine hohe Dichte gespeicherter Daten erreicht werden.There the storage layer of charge-trapping memory cells electrically is insulating material, is the trapped charge in the places trapped at the trapping points located at each end of the channel. This means that the charge trapping is adjacent to each of the source / drain regions every memory cell can take place. The programming mechanism is improved when the storage layer in addition to limited areas is limited in the vicinity of the two source / drain regions. In this way, a high density of stored data can be achieved become.
Eine hohe Speicherdichte kann auch mit einem Feld von Floating-Gate-Speicherzellen in einer NAND-Architektur erreicht werden. Das Floating-Gate wird gewöhnlich aus einer elektrisch leitenden Schicht zwischen einer Kontroll-Gate-Elektrode und der Kanalzone gebildet. Die Ladungsträger, die sich auf der Floating-Gate-Elektrode in dem programmierten Zustand der Speicherzelle ansammeln, werden nicht eingefangen, sondern werden über das Floating Gate verteilt, so dass das elektrische Feld innerhalb des elektrischen Leiters verschwindet.A High storage density can also be achieved with a field of floating gate memory cells can be achieved in a NAND architecture. The floating gate will usually from an electrically conductive layer between a control gate electrode and the channel zone formed. The charge carriers, which are located on the floating gate electrode do not accumulate in the programmed state of the memory cell be captured, but over the floating gate is distributed so that the electric field inside of the electrical conductor disappears.
Die Verkleinerbarkeit von Charge-trapping-Speichereinheiten mit 2 Bit/Zelle ist im Wesentlichen durch zwei Beschränkungen limitiert. Eine minimale Kanallänge ist erforderlich, um eine ausreichend hohe Source/Drain-Spannung zu ermöglichen; und die Anordnung selbstjustierter Source/Drain-Kontakte zwischen den Wortleitungen erfordert ausreichend dicke Isolierungen, um die geforderte Spannung zu garantieren. Eine Anordnung von Charge-trapping-Speicherzellen in einem NAND-Feld würde eine noch höhere Speicherdichte ergeben als frühere Virtual-Ground-Felder. Deswegen wäre im Prinzip eine Verringerung der Fläche der Einheit möglich, wenn die Speicherzellen in Reihen von Speicherzellen angeordnet werden könnten. Das ist jedoch derzeit nicht möglich, wenn in der Speicherzelle die herkömmlichen Lese/Schreib-Operationen ausgeführt werden, da die Speicherzellen einer Reihe nur über weitere Speicherzellen adressiert werden können, die in Reihe geschaltet sind.The Reducibility of 2 bit / cell batch trapping memory units is essentially limited by two restrictions. A minimal channel length is required to have a sufficiently high source / drain voltage to enable; and the arrangement of self-aligned source / drain contacts between the word lines requires sufficiently thick insulation to the required voltage to guarantee. An array of charge-trapping memory cells in a NAND field would an even higher one Storage density revealed as earlier Virtual ground fields. Therefore, in principle, a reduction would be the area the unit possible, when the memory cells are arranged in rows of memory cells could become. This is currently not possible if in the memory cell, the conventional read / write operations accomplished because the memory cells of a series only have more memory cells can be addressed which are connected in series.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Chargetrapping-Speichereinheit anzugeben, die ein Feld von Multi-Bit-Speicherzellen umfasst, das eine höhere Speicherdichte als frühere Virtual-Ground-Felder ermöglicht. Außerdem soll ein Betriebsmodus der Speichereinheit angegeben werden, mit dem eine angemessene Leistung der Einheit erreicht wird.task It is the object of the present invention to provide a charge tracing storage unit indicating a field of multi-bit memory cells comprising a higher Storage density as earlier Virtual ground fields enabled. Furthermore an operating mode of the memory unit should be specified, with adequate performance of the unit is achieved.
Die vorliegende Multi-Bit-Speichereinheit umfasst ein Feld von Speicherzellen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind und eine Virtual-Ground-NAND-Architektur bilden. Die Speicherzellen sind Charge-trapping-Speicherzellen, die jeweils zwei getrennte Speicherstellen umfassen, wobei eine der Speicherstellen sich in der Nähe eines der Source/Drainanschlüsse befindet und die andere Speicherstelle sich in der Nähe des gegenüberliegenden Source/Drainanschlusses befindet.The present multi-bit memory unit comprises a field of memory cells, arranged in rows and columns and a virtual ground NAND architecture form. The memory cells are charge-trapping memory cells, each comprising two separate memory locations, wherein a the memory location is near one of the source / drain terminals and the other storage location is near the opposite Source / drain terminal is located.
Die Zeilen der Speicherzellen sind unterteilt in Gruppen von vorzugsweise derselben Anzahl an Zeilen. Entlang der Spalten sind die Speicherzellen über ihre Source/Drainanschlüsse in Reihe geschaltet. Die Source/Drainanschlüsse, welche die Speicherzellen zweier angrenzender Zeilengruppen gemeinsam haben, d. h. die Source/Drainanschlüsse, die sich zwischen den Zeilengruppen befinden, bilden eine spezielle Auswahl von Source/Drainanschlüssen, welche durch eine Bitleitung aus einer Vielzahl von Bitleitungen verbunden sind. Die Bitleitungen sind in einem Abstand voneinander entlang der Spalten parallel zueinander angeordnet; Wortleitungen sind quer zu den Bitleitungen in einem Abstand voneinander entlang der Zeilen parallel zueinander angeordnet.The Lines of the memory cells are divided into groups of preferably the same number of lines. Along the columns are the memory cells over their Source / drain terminals connected in series. The source / drain terminals, which are the memory cells have two adjacent stanzas in common, d. H. the source / drain terminals, the between the stanzas form a special Selection of source / drain connections, which by a bit line of a plurality of bit lines are connected. The bit lines are at a distance from each other arranged along the columns parallel to each other; word lines are at a distance from each other across the bitlines the rows are arranged parallel to each other.
Entlang jeder Spalte sind die Source/Drainanschlüsse der besagten Auswahl, die sich zwischen den Zeilengruppen befinden, entweder abwechselnd mit einer der Bitleitungen und mit einer zu dieser Bitleitung benachbarten Bitleitung verbunden, oder der Reihe nach mit aufeinander folgenden Bitleitungen. Auf diese Weise werden NAND-Ketten von Speicherzellen gebildet durch Speicherzellen derselben Spalte und derselben Zeilengruppe zwischen aufeinander folgenden Source/Drainanschlüssen, die zu der Auswahl gehören.Along each column are the source / drain terminals of said selection, the are between the stanzas, either alternating with one of the bit lines and one adjacent to that bit line Bit line connected, or in succession with successive Bit lines. In this way, NAND chains of memory cells formed by memory cells of the same column and the same stanza between successive source / drain terminals, the belong to the selection.
Jede der Wortleitungen verbindet die Gateanschlüsse der Speicherzellen einer der Zeilen. Dies bedeutet, dass jeder Gateanschluss der Speicherzellen einer NAND-Kette mit einer anderen Wortleitung verbunden ist, die zu dieser NAND-Kette gehört. Die NAND-Ketten haben vorzugsweise dieselbe Länge, umfassen also dieselbe Anzahl an Speicherzellen.each the word lines connect the gate terminals of the memory cells of a the lines. This means that each gate of the memory cells a NAND chain is connected to another word line, the Belongs to this NAND chain. The NAND chains preferably have the same length, ie they are the same Number of memory cells.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind die Bitleitungen entlang der Spalten angeordnet, vorzugsweise im Wesentlichen geradlinig, und jede Bitleitung ist mit den Source/Drainanschlüssen verbunden, die vier Speicherzellen gemeinsam haben, welche in einem Quadrat angeordnet sind und daher zu zwei Zeilen und zwei Spalten gehören.In a first preferred embodiment the bitlines are arranged along the columns, preferably substantially straight line, and each bit line is connected to the source / drain terminals have four memory cells in common, which are arranged in a square and therefore belong to two rows and two columns.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform umfasst Bitleitungen, die in Zickzackform entlang der Spalten angeordnet sind. Jede Bitleitung ist abwechselnd mit Source/Drainanschlüssen der Speicherzellen einer von zwei benachbarten Spalten verbunden.A second preferred embodiment includes bitlines arranged in zigzag along the columns are. Each bit line is alternating with source / drain terminals of Memory cells connected to one of two adjacent columns.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform umfasst Spalten von Speicherzellen in aktiven Bereichen, die in Zickzackform angeordnet sind, während die Bitleitungen gerade oder zumindest größtenteils gerade sein können. Auch bei dieser Ausführungsform ist jede Bitleitung abwechselnd verbunden mit Source/Drainanschlüssen von Speicherzellen einer von zwei benachbarten Spalten.A another preferred embodiment includes columns of memory cells in active areas that are in Zigzag shape are arranged while the bitlines may be straight or at least mostly straight. Also in this embodiment Each bit line is alternately connected to source / drain terminals of Memory cells one of two adjacent columns.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform umfasst vorzugsweise geradlinige Bitleitungen, die mit Abstand voneinander parallel angeordnet sind, in einem kleinen Winkel zu den Speicherzellenspalten. Die Spalten durchlaufen daher eine Bitleitung nach der anderen. Entlang jeder Spalte sind die Source/Drainanschlüsse der besagten Auswahl der Reihe nach mit aufeinander folgenden Bitleitungen verbunden.A further preferred embodiment preferably comprises rectilinear bitlines spaced apart from one another are arranged in parallel, at a small angle to the memory cell columns. The columns therefore pass through one bit line after another. Along each column, the source / drain ports of said selection are the Connected in series with successive bit lines.
Ein elektronischer Schaltkreis, der zum Anlegen von Spannungen an die Speicherzellen vorgesehen ist, um Lese-, Schreib- und Löschoperationen durchzuführen, wird vorzugsweise mit Mitteln zum Anlegen einer Schreibspannung an jede beliebige Bitleitung und einer Blockierspannung an eine dazu benachbarte Bitleitung versehen, wobei die Blockierspannung geeignet ist, eine Schreiboperation in denjenigen Speicherzellen zu verhindern, die zu NAND-Ketten gehören, die mit der benachbarten Bitleitung verbunden sind.One electronic circuit for applying voltages to the Memory cells is provided to read, write and erase operations perform, is preferably provided with means for applying a write voltage to any bitline and blocking voltage to one provided to adjacent bit line, wherein the blocking voltage is suitable, a write operation in those memory cells to prevent, which belong to NAND chains, which coincide with the neighboring Bit line are connected.
Bevorzugte Ausführungsformen sind mit Auswahltransistoren ausgerüstet, die als Schalter fungieren, um eine Verbindung jeder Bitleitung individuell mit einer von zwei globalen Bitleitungen zu ermöglichen. In diesen Ausführungsformen ist jede zweite Bitleitung in Folge durch die Auswahltransistoren mit der ersten globalen Bitleitung verbunden, und die anderen Bitleitungen sind mit der anderen globalen Bitleitung verbunden.preferred embodiments are equipped with select transistors that act as switches to a connection of each bit line individually with one of two enable global bitlines. In these embodiments is every other bitline in sequence through the selection transistors connected to the first global bitline, and the other bitlines are connected to the other global bitline.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen der Speichereinheiten anhand der Figuren.It follows a more detailed description of examples of the storage units based on the figures.
In
der vorliegenden Speichereinheit sind Charge-trapping-Speicherzellen als
Virtual-Ground-NAND-Feld angeordnet und verbunden.
Wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, tritt eine unerwünschte Programmierung in derjenigen Speicherzelle auf, die sich in einer gespiegelten Position in Bezug auf diejenige Bitleitung befindet, die auf die Schreibspannung eingestellt wird. Diese unerwünschte Schreiboperation wird verhindert durch das Anlegen einer Blockierspannung Vi, typisch etwa 2 V, zum Beispiel an den nächsten Bitleitungsanschluss C am anderen Ende der Spiegel-NAND-Kette. In jedem Fall wird die Blockierspannung so gewählt, dass keine Speicherzelle der NAND-Ketten programmiert wird, die an dem Anschluss C enden. Die Spannungsdifferenz von 2 V zwischen der Schreibspannung Vw und der Blockierspannung Vi, und zwischen der Blockierspannung Vi und dem gleitenden Potential von etwa 0 V ist zu gering, um eine Injektion heißer Löcher in die Speicherzellen derjenigen NAND-Ketten zu erzeugen, die am Anschluss C enden. Die Schwellenspannungen dieser Speicherzellen bleiben daher im Wesentlichen unverändert. Durch die Blockierspannung Vi kann eine Programmierungsstörung derjenigen Speicherzellen, die über dieselbe Wortleitung adressiert werden, aber nicht programmiert werden sollen, vermieden werden. Dieser Betriebsmodus ermöglicht einen angemessenen Betrieb dieser Speicherzellenarchitektur und stellt somit eine ausreichende Leistung sogar in einem Feld mit extrem erhöhter Speicherdichte sicher.Unless countermeasures are taken, unwanted programming will occur in that memory cell which is in a mirrored position with respect to the bitline being set to the write voltage. This unwanted write operation is prevented by applying a blocking voltage V i , typically about 2V, to, for example, the next bit line terminal C at the other end of the mirror NAND chain. In any case, the blocking voltage is chosen so that no memory cell of the NAND chains ending in terminal C is programmed. The voltage difference of 2 V between the writing voltage V w and the blocking voltage V i , and between the blocking voltage V i and the sliding potential of about 0 V is too small to produce a hot-hole injection into the memory cells of those NAND chains which end at port C. The threshold voltages of these memory cells therefore remain essentially unchanged. By the blocking voltage V i , a programming error of those memory cells that are addressed via the same word line, but should not be programmed, can be avoided. This mode of operation enables adequate operation of this memory cell architecture and thus ensures sufficient performance even in a field of extremely increased storage density.
Die
Leseoperation wird nach dem Schaltplan von
Aufgrund der erzeugten Raumladungszone in der ausgewählten Speicherzelle auf der Seite der Drain-Spannung ist der Einfluss der nicht ausgewählten Speicherstelle dieser Speicherzelle ausreichend klein. Deswegen ist der Strom durch diese Speicherzelle im Wesentlichen durch die ausgewählte Speicherstelle festgelegt, die gelesen werden soll, und kann ausgewertet werden, um den programmierten Zustand dieser Speicherstelle zu überprüfen und damit das gespeicherte Daten-Bit zu lesen. Auf diese Weise können die beiden Speicherstellen der Charge-trapping-2-Bit-Speicherzellen bei der Leseoperation unterschieden werden.by virtue of the generated space charge zone in the selected memory cell on the Side of the drain voltage is the influence of the unselected memory location this memory cell is sufficiently small. That's why the electricity is through this memory cell essentially through the selected memory location which is to be read, and can be evaluated to check the programmed state of this memory location and to read the stored data bit. In this way, the both memory locations of the charge-trapping 2-bit memory cells be distinguished in the reading operation.
Die typischen Spannungen, die bei der Schreib- und der Leseoperation angelegt werden, sind zur Übersicht in der folgenden Tabelle nochmals angegeben.The typical voltages in the write and read operations are created, are to overview shown again in the following table.
Die
Bitleitungsanschlüsse
BC sind in solcher Weise angeordnet, dass jede Bitleitung mit den
Source/Drainanschlüssen
verbunden ist, welche vier aneinander liegende Speicherzellen gemeinsam
haben, die in einem Quadrat angeordnet sind. Entlang jeder der Spalten
sind diejenigen Source/Drainanschlüsse, die mit Bitleitungen verbunden
sind, abwechselnd mit den zwei benachbarten Bitleitungen verbunden.
Jede NAND-Kette in dem in
Da p'/L und p'/p Sinus und Cosinus desselben Winkels sind, ist (p'/L)2 + (p'/p)2 = 1 oder (p·p')2 + (L·p')2 = (p·L)2, daraus folgt p = (L·p')/(L2 – p'2)1/2. Dieser Wert von p ist der Pitch des Speicherzellenfeldes für einen gegebenen Pitch p' der Bitleitungen, die vorzugsweise in einem minimalen Abstand angeordnet sind. In einem typischen Beispiel beträgt der minimale Bitleitungspitch p' = 120 nm und die Abmessung L = 110 nm + n·140 nm, unter der Annahme, dass die Abmessung der entsprechenden Kontaktbereiche 150 nm beträgt, die Breite jeder von n Wortleitungen 100 nm und jeder Zwischenraum zwischen Wortleitungen 40 nm. Für verschiedene Anzahlen n von Zellen, die in jeder NAND-Kette vorhanden sind, liefert die folgende Tabelle den Zellenpitch p und die zugehörige relative Zunahme (p – p')/p' der Fläche des Zellenfeldes.Since p '/ L and p' / p are sine and cosine of the same angle, (p '/ L) 2 + (p' / p) 2 = 1 or (p * p ') 2 + (L * p') 2 = (p * L) 2 , it follows that p = (L * p ') / (L 2 -p' 2 ) 1/2 . This value of p is the pitch of the memory cell array for a given pitch p 'of the bitlines, which are preferably located at a minimum distance. In a typical example, the minimum bit line pitch p '= 120 nm and the dimension L = 110 nm + n × 140 nm, assuming that the dimension of the respective contact areas is 150 nm, the width of each of n word lines is 100 nm and each Space between word lines 40 nm. For different numbers n of cells present in each NAND chain, the following table gives the cell pitch p and the relative increase (p - p ') / p' of the area of the cell field.
Diese Tabelle zeigt, dass n mindestens 3 sein sollte, um die Vergrößerung der Fläche des Feldes verglichen mit der ersten Ausführungsform mit geraden Bitleitungen unter 5 % zu halten.These Table shows that n should be at least 3 to increase the magnification area of the field compared to the first embodiment with even bitlines keep below 5%.
Die verschiedenen Widerstände der elektrischen Verbindungen zu den verschiedenen Speicherzellen führen zu einer größeren Schwankung der Schwellenspannungen der programmierten Speicherzellen. Dies kann entweder durch die Anzahl an Programmierimpulsen ausgeglichen werden, kombiniert mit einer Überprüfungsoperation, die aber zeitaufwendig ist, oder durch eine lokale Anpassung der Programmierbedingungen. Die letztere Möglichkeit wird detaillierter beschrieben. Dieses Verfahren passt die Spannungen während der Schreiboperation an die Position der programmierten Speicherzelle innerhalb der NAND-Kette an.The different resistances the electrical connections to the various memory cells lead to a larger fluctuation the threshold voltages of the programmed memory cells. This can be compensated either by the number of programming pulses, combined with a validation operation, which is time consuming, or by a local adaptation of Programming conditions. The latter possibility becomes more detailed described. This method adjusts the stresses during the Write operation to the position of the programmed memory cell within the NAND chain.
Da
der Gateanschluss der k-ten Speicherzelle auf ein negatives Potential
eingestellt ist, im Beispiel auf –7 V, weist diese Speicherzelle
einen hohen Widerstand Rk = Rwrite auf.
Die anderen Speicherzellen dieser NAND-Kette werden durch die hohe
Spannung von typisch 5 V an ihren Gateanschlüssen offengeschaltet. Deswegen
weisen alle anderen Widerstände
R0, R1, R2, ..., Rk-1, Rk+1, ..., Rn niedrige
Werte auf, von denen angenommen werden kann, dass sie alle denselben
durchschnittlichen Wert haben, im Folgenden als Raverage bezeichnet.
Die Reihe von Widerständen,
die in
Die
Berechnung verläuft
wie folgt. Wenn Ri den Widerstand der Speicherzelle
Nr. i bezeichnet, gezählt von
Anschluss B nach Anschluss A, i ganzzahlig und 0 ≤ i ≤ n, und R'i den
Widerstand der Spiegel-Speicherzelle Nr. i auf der gegenüberliegenden
Seite des Anschlusses A bezeichnet, gezählt in entgegengesetzter Richtung
von Anschluss C nach Anschluss A, sei
Wenn
Zelle Nr. k, 0 ≤ k ≤ n, programmiert
werden soll und Vw die Schreibspannung und
Vi die Blockierspannung bezeichnet, gilt
c1 = R/Ro;k und
c2 = (R' – c0·R'0;k-1)/R'k;n mit
c0 = C1·Vw/Vi Mit der Bezeichnungsweise
Rk = Rwrite, R'k =
Rinhibit und der Annahme
- AA
- Anschluss von BLm Connection of BL m
- AAAA
- aktiver Bereichactive Area
- BB
- Anschluss von BLm+1 Connection of BL m + 1
- BCBC
- HitleitungsanschlussHitleitungsanschluss
- BLBL
- Bitleitungbit
- CC
- Anschluss von BLm-1 Connection of BL m-1
- LL
- Abmessungdimension
- MCMC
- Speicherzellememory cell
- pp
- SpeicherzellenpitchMemory cells Pitch
- p'p '
- BitleitungspitchBitleitungspitch
- RR
- Widerstandresistance
- R'R '
- Widerstandresistance
- SSSS
- Speicherstellememory location
- STST
- Auswahltransistorselection transistor
- STISTI
- flache Grabenisolierungarea grave insulation
- Vi V i
- Blockierspannungblocking voltage
- Vw V w
- Schreibspannungwrite voltage
- WLWL
- Wortleitungwordline
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