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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen eine Speicherzelle, einen Speicher mit
einer Speicherzelle und ein Verfahren zum Einschreiben von Daten
in eine Speicherzelle.
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Speicherzellen
mit einem Festkörperelektrolytmaterial
sind als programmierbare Metallisierungs-Speicherzellen (PMC-Speicherzelle) bekannt. Speichervorrichtungen,
die solche PMC-Speicherzellen, sind als CBRAM-Speichervorrichtungen
bekannt. Das Speichern unterschiedlicher Zustande in einer PMC-Speicherzelle basiert
auf dem Auf- oder Abbau eines leitenden Pfads in dem Elektrolytmaterial
zwischen Elektroden, basierend auf einem angelegten elektrischen
Feld. Obwohl das Elektrolytmaterial in der Regel einen hohen Widerstand
aufweisen kann, kann der leitende Pfad zwischen den Elektroden auf
einen niedrigen Widerstand eingestellt werden. So kann die PMC-Speicherzelle
je nach Widerstand der PMC-Speicherzelle auf unterschiedliche Zustande
eingestellt werden. In der Regel sind beide Zustände der PMC-Speicherzelle hinreichend
zeitstabil, so dass die Daten dauerhaft gespeichert werden.
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Eine
PMC-Speicherzelle wird in der Regel durch Anlegen einer positiven
oder einer negativen Spannung an die Festkörperelektrolytschicht betrieben.
Um Daten in der PMC-Speicherzelle
zu speichern, wird die PMC-Speicherzelle durch Anlegen einer geeigneten
Programmierspannung an die PMC-Speicherzelle
in den Programmierzustand gebracht, was die Bildung eines leitenden
Pfads in dem Festkörperelektrolytmaterial
zur Folge hat, welcher der Einstellung eines ersten Zustands mit
geringem Widerstand entsprechen kann. Um in der PMC-Speicherzelle
einen zweiten Zustand mit hohem Widerstand zu speichern, kann eine
Löschspannung
so zur Verfügung
gestellt werden, dass ein Widerstand der PMC-Speicherzelle auf einen
hohen Widerstand zurück
wechselt, der dem zweiten Zustand (Löschzustand) entspricht. Zum
Auslesen von Daten aus der PMC-Speicherzelle kann eine Lesespannung
angelegt werden, die niedriger als die Programmierspannung sein
kann. Mit der Lesespannung kann durch den Widerstand der PMC-Speicherzelle
ein Strom ermittelt und dem jeweiligen niedrigen oder hohen Widerstandszustand
der PMC-Speicherzelle zugeordnet werden.
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Das
Programmieren der PMC-Speicherzelle hängt vom Strom und der Stromdauer
ab. Der Widerstand der PMC-Speicherzelle hängt vom Stromwert und der Stromdauer
ab. Daher hängen
der Programmierzustand der PMC-Speicherzelle und eine langfristige
Stabilität
der Funktion der PMC-Speicherzelle vom Schreibverfahren ab.
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Daher
besteht die Aufgabe eine verbesserte Speicherzelle, eine verbesserten
Speicher und ein verbessertes Verfahren zum Einschreiben von Daten in
eine Speicherzelle bereit zu stellen.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen eine verbesserte Speicherzelle,
einen verbesserten Speicher und ein verbessertes Verfahren zum Einschreiben
von Daten in eine Speicherzelle zur Verfügung.
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Aus
Kaeriyama S. et al.: A Nonvolatile Programmable Solid-Electrolyte Nanometer
Switch, in: IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 40, NO. 1,
JANUARY 2005, Seite 168 ist eine Speicherzelle bekannt, die eine
programmierbare Festkörperelektrolyt-Schicht,
eine Schreibleitung und einen steuerbaren Schalter aufweist, der
zwischen der Festkörperelektrolytschicht
und der Schreibleitung angeordnet ist. Der steuerbare Schalter weist
einen Steuereingang auf, der mit einer Auswahlleitung verbunden
ist. Der Schalter ist als Feldeffekttransistor ausgebildet, wobei
der Strom, der durch die Fest körperelektrolytschicht
fließt,
durch Öffnen
und Schließen
des Feldeffekttransistors gesteuert wird.
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Aus
HYDE, J. et al.: A floating-gate trimmed, 14-bit, 250 Ms/s digital-to-analog
converter in standard 0.25/spl mu/m CMOS; in: Digest of Technical Papers,
Symposium an VLSI Circuits, 2002, Seite 328 ist ein Feldeffekttransistor
mit einem Floating-Gate bekannt, mit dem ein Strom kontrolliert wird.
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Die
Ausführungsform
der Erfindung betrifft eine Speicherzelle mit einem Substrat mit
einer programmierbaren Festkörperelektrolytschicht,
mit einer Schreibleitung, einer Auswahlleitung, einem Transistor
mit einer Drain, einer Source und einem schwebenden Gate. Die Source
und die Drain des Transistors sind mit der Schreibleitung und mit
der Festkörperelektrolytschicht
verbunden. Die Elektrolytschicht ist mit einer Potentialquelle verbunden.
Das schwebende Transistor-Gate begrenzt einen durch die Festkörperelektrolytschicht
fließenden
Strom während
eines Schreibvorgangs der Festkörperelektrolytschicht.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft einen Speicher mit einem Wortleitungsdecoder,
einem Bitleitungsdecoder, mit Bitleitungen und mit Wortleitungen,
die mit dem Wortleitungsdecoder bzw. mit dem Bitleitungsdecoder
verbunden sind. Weiterhin weist der Speicher Speicherzellen auf,
wobei die Speicherzellen eine programmierbare Festkörperelektrolytschicht
und Transistoren mit schwebenden Gates umfassen. Ein Gate des Transistors
ist mit einer Wortleitung verbunden. Ein erster Anschluss des Transistors
ist mit der Festkörperelektrolytschicht
verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transistors ist mit einer Bitleitung
verbunden. Die Bitleitungen sind mit Eingangs-/Ausgangstreibern
verbunden. Der Transistor mit dem schwebenden Gate begrenzt einen
während
eines Schreibvorgangs durch die Festkörperelektrolytschicht fließenden Strom.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschreiben von Daten
in eine Speicherzelle, wobei die Speicherzelle eine programmierbare
Festkörperelektrolytschicht
aufweist. Während
eines Schreibvorgangs ist der durch die Festkörperelektrolytschicht fließende Strom
auf eine vorgegebene Menge elektrischer Ladung begrenzt. Dadurch
kann eine Beschädigung
oder eine Beeinträchtigung
verhindert werden.
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Ein
klareres Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung
und die Ansprüche
im Zusammenhang mit den beigefügten
Figuren möglich,
wobei in den Figuren gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente betreffen.
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1 zeigt
eine programmierbare Festkörperelektrolytschicht;
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2 zeigt
ein schematisches Strom-Vorspannungs-Diagramm beim Einschreiben
und Löschen
von Daten und die programmierbare Festkörperelektrolytschicht;
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3 stellt
eine Teilansicht eines Speichers mit einem Speicherelement dar;
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4 zeigt
eine Detailansicht des Speicherelements und einer Schreib- und Löschschaltung;
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5 stellt
ein Diagramm der Schwellenspannungen auf einer Bitleitung während eines Schreib-,
Lösch-
und Schreibvorgangs dar;
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6 zeigt
die Schwellenwerte einer Wortleitung und eines Stroms auf der Bitleitung
als eine Funktion einer Gate-Spannung
vor und nach dem Programmieren des schwebenden Gates;
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7 zeigt Diagramme mit Spannungen und Strömen zum
Einschreiben von Daten;
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8 stellt Diagramme mit Spannungen und Strömen zum
Auslesen von Daten dar; und
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9 zeigt
einen Feldeffekttransistor mit einem schwebenden Gate.
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Dem
Fachmann ist klar, dass die in den Figuren dargestellten Elemente
der Vereinfachung und klareren Darstellung dienen, und nicht unbedingt maßstabsgetreu
sind. Beispielsweise können
die Abmessungen einiger Elemente in den Figuren im Vergleich zu
anderen Elementen übertrieben
dargestellt sein, um ein besseres Verständnis der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
anhand verschiedenster funktionaler Bauteile beschrieben werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass solche funktionalen Bauteile durch
eine Reihe von Hardware-Komponenten und strukturellen Bauteilen
realisiert werden können,
die zum Ausführen
dieser speziellen Funktionen dienen.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
einer programmierbaren Struktur 1 mit einer ersten Elektrode 2,
einer zweiten Elekt rode 4 und einer programmierbaren Festkörperelektrolytschicht 3 auf
einem Substrat 41. Das Substrat 41 kann aus einem
Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium, bestehen. Die erste Elektrode 2 kann
lösbare
metallische Ionen aufweisen und kann in einer Ausführungsform
mit einem hohen Potential verbunden sein, z. B. während eines
Programmiervorgangs. Die zweite Elektrode 4 kann in dieser
Ausführungsform
mit einem Massepotential, das geringer als das hohe Potential ist,
verbunden sein. In dieser Ausführungsform
fungiert die erste Elektrode 2 als Anode und die zweite
Elektrode 4 dient als Kathode. Die programmierbare Struktur 1 kann
zum Speichern von Informationen verwendet und daher in Speichern
eingesetzt werden. In einer Ausführungsform
kann die programmierbare Struktur beispielsweise in Speichern, z.
B. in einem DRAM-, SRAM-, PROM-, EEPROM-, Flash-Speicher oder einer
Kombination aus solchen Speichern eingesetzt werden. Darüber hinaus
können
in einer Ausführungsform
die hierin beschriebenen programmierbaren Strukturen für andere
Anwendungen eingesetzt werden, in denen das Programmieren oder das
Verändern
elektrischer Eigenschaften eines Bereichs einer elektrischen Schaltung
erwünscht
ist.
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In
einer Ausführungsform
kann die Elektrolytschicht 3 aus einem Material bestehen,
welches Ionen nach Anlegen einer ausreichend hohen Spannung leitet.
Geeignete Materialien umfassen Polymere, Glas und Halbleitermaterialien.
In einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung kann die Elektrolytschicht 3 aus Chalcogenid-Material
bestehen, d. h. Sulfid oder Selenid. Das Chalcogenid umfasst Verbindungen
aus Schwefel, Selen und Tellur wie z. B. GeSe, AsS, GeAsTe, AlGeAsTe,
GeTeSb und andere in verschiedensten Zusammensetzungen. Die Elektrolytschicht 3 kann
außerdem
aufgelöste
und zerstäubte
leitfähige
Materialien aufweisen. Beispielsweise kann die Elektrolytschicht 3 eine
feste Lösung aufweisen,
die aufgelöste
Metalle und/oder Metallionen enthält. Das Chalcogenid-Material
kann Silber, Kupfer oder Kombinationen aus diesen Materialien enthalten.
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In
einer Ausführungsform
kann die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 4 aus
einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material bestehen. Beispielsweise
können
die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 4 aus
dotiertem Polysiliziummaterial oder Metall gebildet sein. In einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann eine der Elektroden, beispielsweise
die erste Elektrode 2, aus einem Material bestehen, das
ein Metall enthält,
welches sich in der Elektrolytschicht 3 auflöst, wenn
eine ausreichende Vorspannung an die Elektroden angelegt wird. Die
zweite Elektrode 4 kann aus einem Material bestehen, das
relativ inert ist und sich eventuell während eines Lese-, eines Schreib-
oder eines Löschvorgangs
der programmierbaren Struktur 1 nicht auflöst.
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Die
erste Elektrode 2 kann während eines Schreibvorgangs,
der die elektrischen Eigenschaften der programmierbaren Struktur 1 dauerhaft
von einem hohen Widerstand (erster Zustand) auf einen niedrigen
Widerstand (zweiter Zustand) verändert, eine
Anode sein. Die erste Elektrode 2 kann aus einem silberhaltigen
Material bestehen, das sich während
einem Schreibvorgang in der Elektrolytschicht 3 auflöst. Die
zweite Elektrode 4 kann während einem Schreibvorgang
eine Kathode sein und aus inertem Material, z. B. aus Wolfram, Nickel,
Molybdän,
Platin, Metallsilizid und ähnlichem,
bestehen.
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In
einer Ausführungsform
kann die programmierbare Struktur so ausgeführt sein, dass bei Anlegen
einer Vorspannung, die größer als
eine Schwellenspannung V1 ist, an die Elektrode 2, 4,
der Widerstand der programmierbaren Struktur verändert wird. Wird beispielsweise
eine Spannung angelegt, die größer als
die Schwellenspannung V1 ist, können sich
leitfähige
Ionen der ersten Elektrode 2 in der Elektrolytschicht 3 auflösen und
einen leitfähigen Pfad 5 zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode 2, 4 bilden.
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In
einer Basisreaktion kann bei Anlegen einer hohen Spannung an die
erste Elektrode eine Redoxreaktion an der zweiten Elektrode 4 Metallionen von
der reaktiven ersten Elektrode in die Ionenleitschicht 3 treiben.
Dadurch kann in der Elektrolytschicht 3 ein leitfähiger Pfad
ausgebildet werden. Daraus ergibt sich eine leitende Brücke, die
zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 2, 4 auftritt
und den Widerstand der programmierbaren Struktur 1 verringert.
Wenn eine umgekehrte Spannung an die programmierbare Struktur 1 angelegt
wird, kann der leitfähige
Pfad 5 aufgelöst
werden, wodurch der Widerstand der programmierbaren Struktur 1 auf
einen hohen Widerstandszustand erhöht wird.
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2 zeigt
ein Strom-Spannungs-Diagramm während
eines Schreibvorgangs, eines Lesevorgangs und eines Löschvorgangs
in der programmierbaren Struktur 1 gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung. Zu Beginn kann die programmierbare Struktur unprogrammiert
sein und daher einen hohen Widerstand aufweisen. Wird eine Spannung
mit einem höheren
Potential an der ersten Elektrode und einem niedrigeren Potential
an der zweiten Elektrode 4 angelegt, kann durch die programmierbare
Struktur 1 kein Strom fließen, bis die Schwellenspannung
(V1) angelegt wird. Wenn die angelegte Spannung über die Schwellenspannung V1
ansteigt, kann Strom fließen,
bis ein Arbeitsstrom IW erreicht ist, und kann von einem Schalter,
der in der Figur nicht gezeigt ist, begrenzt werden. In einer Ausführungsform
kann die Spannung dann auf 0 Volt reduziert werden, wobei der Strom
auf 0 Ampere fällt,
wodurch der Schreibvorgang in der programmierbaren Struktur 1 abgeschlossen
wird.
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In
einer Ausführungsform
kann zum Löschen des
Programmierzustands der programmierbaren Struktur 1 eine
niedrige Spannung, z. B. eine negative Spannung (die auch als Löschspannung
bezeichnet wird) an die erste Elektrode 2 angelegt werden. Die
negative Spannung kann in einer Ausführungsform etwa –0,1 V betragen.
Wenn die Löschspannung
an die programmierbare Struktur 1 angelegt wird, kann ein
negativer Strom durch die programmierbare Struktur 1 fließen. Wenn
der Betrag der negativen Spannung unter 0,1 V fällt, hört der Strom auf zu fließen und
kann z. B. auf 0 A sinken. Nach dem Anlegen der Löschspannung
an die programmierbare Struktur 1 kann die programmierbare
Struktur 1 denselben hohen Widerstand wie vor dem Programmiervorgang
haben, wodurch die in der programmierbaren Struktur 1 gespeicherten
Werte gelöscht
werden.
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Wenn
der Programmierzustand der programmierbaren Struktur 1 abgetastet
oder ausgelesen werden soll, kann eine Lesespannung an die programmierbare
Struktur 1 angelegt werden, die niedriger als die Schwellenspannung
V1 ist. In Abhängigkeit
von dem fließenden
Strom oder dem Spannungsabfall über
der programmierbaren Struktur 1 kann ein niedriger Widerstandswert
abgetastet werden, wenn sich der fließende Strom in Bereich des
Arbeitsstroms IW befindet. Wenn der fließende Strom beinahe 0 A beträgt, befindet
sich die programmierbare Struktur 1 in einem hohen Widerstandszustand.
Der niedrige Widerstandszustand kann einem Datum „1" und der hohe Widerstandszustand
kann einem Datum „0" entsprechen, das
in der programmierbaren Struktur 1 gespeichert ist.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Speichers, z. B. eines DRAN-Speichers
mit einem Wortleitungsdecoder 7 und einem Bitleitungsdecoder 8.
Der Wortleitungsdecoder 7 ist mit einer Vielzahl von Wortleitungen 9 verbunden.
Der Bitleitungsdecoder 8 ist über Leseverstärker 10 mit
Bitleitungen 11 verbunden. Darüber hinaus sind Eingangs-/Ausgangseinheiten 12 vorgesehen,
die mit den Bitleitungen verbunden werden können. Die Wortleitungen 9 und
die Bitleitungen 11 sind in einem gekreuzten Array angeordnet,
wobei an jedem Kreuzungspunkt eine Speicherzelle 13 angebracht
ist. Zum Adressieren einer vorgegebenen Speicherzelle 13 wird
eine Reihenadresse an den Wortleitungsdecoder 7 weitergeleitet.
Darüber
hinaus wird eine Spaltenadresse an den Bitleitungsdecoder 8 weitergeleitet.
In Abhängigkeit
von der Reihenadresse wählt
der Wortleitungsde coder 7 eine der Wortleitungen 9 aus
und legt eine Aktivierungsspannung auf die Wortleitung 9.
Die Aktivierungsspannung auf der Wortleitung 9 schließt alle
Schalter 14, die über
einen Steuereingang mit der Wortleitung 9 verbunden sind.
Ein geschlossener Schalter 14 verbindet eine Speicherzelle 13 mit
einer entsprechenden Bitleitung 11. Darüber hinaus tastet der Leseverstärker 10,
der mit der Bitleitung 11 der vorgegebenen Speicherzelle 13 verbunden
ist, eine Spannung auf der Bitleitung 11, die vom Widerstandszustand
der vorgegebenen Speicherzelle 13 abhängt. Die abgetastete Spannung
wird von der Eingangs-/Ausgangseinheit 12 aus dem Speicher 6 als
hoher oder als niedriger Spannungspegel ausgegeben.
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Eine
Steuereinheit 30 ist angeordnet, die Steuerbefehle empfängt und
den Wortleitungsdecoder 7, den Bitleitungsdecoder 8 und
die Eingangs-/Ausgangseinheiten 12 über die Steuerleitungen 31 steuert.
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4 zeigt
im Detail einen Teil des Speichers 6 von 3.
Am Kreuzungspunkt einer Wortleitung 9 und einer Bitleitung 11 ist
die Speicherzelle 13 angeordnet. Die Speicherzelle 13 weist
einen Schalter 14 mit einem Steuereingang auf, der mit
der Wortleitung 9 verbunden ist. Ein Anschluss des Schalters 14 ist
mit der Bitleitung 11 verbunden. Ein weiterer Anschluss
des Schalters 14 ist mit einer ersten Elektrode 2 einer
Festkörperelektrolytschicht 3 verbunden.
Die zweite Elektrode 4 der Festkörperelektrolytschicht 3 ist
mit einer Plattenleitung 15 verbunden. Zwischen dem Schalter 14 und
der Plattenleitung 15 ist eine programmierbare Struktur 1,
wie in 1 gezeigt, angeordnet.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Schalter 14 ein Feldeffekttransistor mit
einem schwebenden Gate. Das Gate des Feldeffekttransistors ist mit
der Wortleitung 12 verbunden. Eine Source des Feldeffekttransistors
ist mit der Bitleitung 11 und eine Drain des Feldeffekttransis tors
ist mit der ersten Elektrode 2 der programmierbaren Struktur 1 verbunden.
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Je
nach Ausführungsform
kann die erste Elektrode 2 der programmierbaren Struktur 1 direkt mit
der Bitleitung 11 verbunden werden und der Schalter 14 kann
zwischen der Plattenleitung 15 und der zweiten Elektrode 4 angeordnet
sein.
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Eine
Programmierschaltung 16, die von der Steuereinheit 30 gesteuert
wird, ist mit der Bitleitung 11 verbunden. Die Programmierschaltung 16 weist einen
ersten, einen zweiten und einen dritten Schalter 17, 18, 19 auf.
Der erste Schalter 17 umfasst einen ersten Steuereingang 20.
Der zweite Schalter 18 weist einen zweiten Steuereingang 21 auf.
Der dritte Schalter 19 weist einen dritten Steuereingang 22 auf. Der
erste Schalter 17 kann als Feldeffekttransistor ausgeführt sein,
der mit seiner Source mit einer ersten Potentialquelle und mit seiner
Drain mit der Bitleitung 11 verbunden ist. Der zweite Schalter 18 kann als
ein Feldeffekttransistor ausgeführt
sein, der mit seiner Source mit einer zweiten Potentialquelle 24 und
mit seiner Drain mit der Bitleitung 11 verbunden ist. Der
dritte Schalter 19 kann als Feldeffekttransistor ausgeführt sein,
der mit seiner Source mit einer dritten Potentialquelle 25 und
mit seiner Drain mit der Bitleitung 11 verbunden ist. Die
Steuereingänge 20, 21, 22 der
Schalter 17, 18, 19 sind mit Steuerleitungen 31 verbunden.
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5 zeigt
in einer schematischen Darstellung die Spannungen, die auf die Bitleitung 11 gelegt werden,
für einen
Lesevorgang, einen Löschvorgang und
einen Schreibvorgang. Während
eines Schreibvorgangs empfängt
die Programmierschaltung 16 ein Programmiersignal durch
die Steuereinheit 30 auf dem ersten Steuereingang 20 des
ersten Schalters 17, der die erste Potentialquelle 23 mit
der Bitleitung 11 verbindet. Der zweite und der dritte
Schalter befinden sich in einer offenen Stellung. Daher legt die
erste Potentialquelle 23 eine Spannung VBW auf
die Bitleitung 11, die größer ist als die Schwellenspannung V1
der programmierbaren Struktur 1. Deshalb wird während eines
Schreibvorgangs die Festkörperelektrolytschicht 3 auf
einen niedrigen Widerstandswert programmiert.
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Für einen
Lesevorgang wird der zweite Schalter 18 durch ein Lesesignal,
das von der Steuereinheit 30 an den zweiten Steuereingang 21 weitergeleitet
wird, in eine geschlossene Position gebracht. Im geschlossenen Zustand
des zweiten Schalters 18 wird die Bitleitung 11 mit
der zweiten Potentialquelle 24 verbunden. Der erste und
der dritte Schalter 17, 19 befinden sich während des
Lesevorgangs in einer offenen Stellung. Die zweite Potentialquelle 24 stellt der
Bitleitung 11 eine Lesespannung VBR zur
Verfügung,
die niedriger als die Schwellenspannung V1 der Festkörperelektrolytschicht 3 ist.
Deshalb wird in dieser Stellung der Widerstandswert der programmierbaren
Struktur 1 nicht verändert,
jedoch kann, in Abhängigkeit
von dem durch die programmierbare Struktur 1 fließenden Strom,
ein hoher oder ein niedriger Widerstandswert der programmierbaren
Struktur von dem Leseverstärker 10 abgetastet
werden. In Abhängigkeit
von dem ertasteten hohen oder niedrigen Widerstandswert der programmierbaren
Struktur 1 gibt die Eingangs-/Ausgangseinheit 12 eine
hohe oder eine niedrige Spannung aus.
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Während eines
Löschvorgangs
wird nur der dritte Schalter 19 durch ein Löschsignal,
das von der Steuereinheit 30 an den dritten Steuereingang 22 übertragen
wird, in eine geschlossene Stellung gebracht. Der erste und der
zweite Schalter 17, 18 sind in einer offenen Stellung.
Der geschlossene dritte Schalter 19 verbindet die Bitleitung 11 mit
der dritten Potentialquelle 25. Die dritte Potentialquelle 25 stellt eine
negative Löschspannung
VBE zur Verfügung, die niedriger als die
Löschspannung
der programmierbaren Struktur 1 ist. So wird durch Anlegen
der Löschspannung
an die programmierbare Struktur 1 der Widerstandswert der
Festkörperelektrolytschicht 3 auf einen
hohen Widerstandswert geändert.
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6 zeigt
eine erste Schwellenspannung VW1, bei der
der Feldeffekttransistor mit dem schwebenden Gate in eine geschlossene
Stellung gebracht wird. Vor der Auswahl eines vorbestimmten Speicherelements
wird die Spannung auf der Wortleitung auf eine Schreibspannung VGW gelegt, die höher ist als die erste Schwellenspannung
W1, welche die programmierbare Struktur 1 mit der Bitleitung 11 und
der Plattenleitung 15 verbindet. Während des Schreibvorgangs beginnt
in dem schwebenden Gate des Feldeffekttransistors eine Injektion
heißer
Kanalelektronen, und daher steigt, nachdem eine vorgegebene Menge
elektrischer Ladung durch die programmierbare Struktur 1 geflossen
ist, die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors 14 auf
eine zweite Schwellenspannung VW2, die höher als
die Schreibspannung VGW ist. Daher wird
der Feldeffekttransistor 14 in eine offene Position geschaltet,
wodurch der durch die Speicherzelle 13 fließende Strom
abgeschaltet wird.
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Auf
der rechten Seite von 6 ist ein zweites Diagramm mit
einer ersten Linie A gezeigt, welche den durch den Feldeffekttransistor
fließenden Strom
IBL in Abhängigkeit von der Spannung auf
dem Gate des Feldeffekttransistors darstellt. Der Strom IBL beginnt mit einer ersten Schwellenspannung
VW1 auf der Wortleitung vor der Injektion
heißer
Elektronen in das schwebende Gate. Eine zweite Linie B zeigt die veränderte Beziehung
zwischen dem Bitleitungsstrom IBL nach der
Injektion heißer
Elektronen in das schwebende Gate. Die Schwellenspannung für den Bitleitungsstrom
IBL steigt auf eine zweite Schwellenspannung
VW2.
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Der
Feldeffekttransistor mit dem schwebenden Gate begrenzt den durch
die programmierbare Struktur 1 fließenden Strom auf eine vorgegebene Menge
elektrischer Ladung. Wenn die vorgegebene Menge elektrischer Ladung
durch die programmierbare Struktur 1 geleitet wird, steigt
die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors über die Schreibspannung der
Wortleitung an. Daher wird der Feldeffekttransistor in einen offenen
Zustand geschaltet und der durch die programmierbare Struktur 1 fließende Strom
endet. Der Feldeffekttransistor mit dem schwebenden Gate ermöglichlicht
einen selbstbegrenzenden Schreibvorgang. In Abhängigkeit von dem verwendeten
Schreibspannungspegel auf der Wortleitung und den technischen Merkmalen
des Feldeffekttransistors mit dem schwebenden Gate können unterschiedliche
Mengen elektrischer Ladung bestimmt werden, bei denen der durch
die programmierbare Struktur 1 fließende Strom endet. Ein Wiederholen
des Schreibvorgangs ist ohne Beschädigung der Speicherzelle 13 möglich, da
sich der Feldeffekttransistor immer noch in einem offenen Zustand
befindet oder der Strom gemäß der Injektion heißer Kanalelektronen
des Feldeffekttransistors nach einer vorgegebenen Menge elektrischer
Ladung, die durch die programmierbare Struktur 1 geleitet
wird, endet.
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Zum
Löschen
des Zustands der Speicherzelle 13 muss die an die programmierbare
Struktur 1 angelegte Spannung umgekehrt werden, wodurch
die Funktion von Source und Drain des Feldeffekttransistors verändert wird.
Wenn keine Spannung auf dem Gate des Feldeffekttransistors liegt,
so bedeutet dies, dass auf das Gate des Feldeffekttransistors das
Potential der Plattenleitung 15 wirkt, weshalb der Feldeffekttransistor
geschlossen ist und Strom durch die Speicherzelle 13 fließen kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann der Schalter mit einem anderen Begrenzungselement ausgeführt sein,
das den Strom für
einen Schreibvorgang auf eine vorgegebene Ladungsmenge begrenzt.
Der Schalter kann einen Zeitzähler
aufweisen, der den Strom nach einer vorgegebenen Zeitdauer stoppt.
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7 zeigt ein Diagramm für einen Schreibvorgang, wobei
in 7A die Spannung auf der Wortleitung, in 7B die
Schwellenspannung auf dem Feldeffekttransistor, in 7C der
Strom auf der Bitleitung und in 7D die
Spannung auf der Bitleitung, jeweils in Abhängigkeit von der Zeit, ange zeigt ist.
Zu einem Startzeitpunkt t0 verbindet die
Programmierschaltung 16 die Bitleitung 11 mit
der ersten Potentialquelle 23 und legt eine Programmierspannung VBW auf die Bitleitung. Zu einem ersten Zeitpunkt
t1 wird die Wortleitung 9 durch
den Wortleitungsdecoder 7 mit einer Wortleitungsspannung
VGW verbunden, die höher als die Ausgangsschwellenspannung VW1 des Feldeffekttransistors 14 ist.
Wenn auf der Wortleitung 9 nach dem ersten Zeitpunkt t1 das Potential ansteigt, steigt auch die
Schwellenspannung des Feldeffekttransistors. Darüber hinaus fließt nach dem
ersten Zeitpunkt t1 ein Strom IBL durch
die Bitleitung 11 und die Speicherzelle 13. Der
durch die Bitleitung 11 fließende Strom IBL steigt
zum dritten Zeitpunkt t3 auf einen begrenzten
Maximumwert an. Zum dritten Zeitpunkt t3 erreicht
die Spannung auf der Wortleitung einen maximalen Wert. An einem
darauffolgenden Zeitpunkt t4 erreicht die
Schwellenspannung des Feldeffekttransistors einen Maximalwert VW2. Kurz nach dem vierten Zeitpunkt wird
der Feldeffekttransistor 14 geöffnet und der durch die Bitleitung 11 fließende Strom
fällt aufgrund
des Schwebeeffekts des schwebenden Gates des Feldeffekttransistors
auf einen Nullwert. Die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors
steigt über
die Spannung auf der Wortleitung an, wodurch der Feldeffekttransistor
in einen offenen Zustand geschaltet wird. Zum fünften Zeitpunkt t5 wird
die Wortleitung von der Spannungsquelle getrennt, wodurch es auf
der Wortleitung zu einer abfallenden Spannung kommt.
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8 zeigt die Spannung der Wortleitung 9 in 8A,
den Strom der Bitleitung in 8B und eine
Spannung auf der Bitleitung in 8C für einen Lesevorgang.
Zu einem zehnten Zeitpunkt t10 wird die Bitleitung 11 durch
den zweiten Schalter 18 mit der zweiten Potentialquelle 24 verbunden
und stellt so eine Lesespannung VBR (8C)
zur Verfügung,
die niedriger als die Schwellenspannung der Festkörperelektrolytschicht 3 zum
Erzeugen eines leitenden Pfads ist. Nach dem Erreichen eines Maximalwerts der
Spannung auf der Bitleitung zu einem elften Zeitpunkt t11 wird
die Spannung auf der Wort leitung 9 auf eine Lesespannung
VGR (8A) erhöht, die
höher als
die maximale Schwellenspannung VW2 des Feldeffekttransistors
nach der Injektion heißer
Kanalelektronen ist. Dadurch wird unter allen Umständen das Schließen des
Schalters 14 zum Auslesen der gespeicherten Daten aus der
Speicherzelle 13 ermöglicht.
Wenn ein Datum „1" in der Speicherzelle 13 gespeichert
ist, die durch einen geringen Widerstandzustand der programmierbaren
Struktur 1 dargestellt wird, fängt nach einem elften Zeitpunkt
t11 ein Strom auf der Bitleitung 11 zu
fließen
an. Anschließend
wird die Bitleitung 11 durch den zweiten Schalter 18 von der
zweiten Potentialquelle 24 getrennt. Der Strom verursacht
eine Spannungsänderung
auf der Bitleitung, die von dem Leseverstärker 10 abgetastet
werden kann. Zu einem zwölften
Zeitpunkt t12 wird die Wortleitung von der
Potentialquelle getrennt, wodurch der Schalter 13 gesperrt
wird und so die Speicherzelle 13 von der Bitleitung 11 trennt.
So sinkt nach dem zwölften
Zeitpunkt t12 der durch die Bitleitung fließende Strom
auf einen Wert Null.
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9 zeigt
eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors 40 mit
einer dünnen
Isolationsschicht 35 zwischen einem schwebenden Gate 36 und
einem Kanal 34, der sich zwischen einer Drain 32 und
einer Source 33 befindet, die in einem Halbleitersubstrat 41 angeordnet
sind. Das Substrat kann ein n-dotiertes Siliziumsubstrat sein. Die
Bereiche von Drain und Source 32, 33 können p-dotiert sein.
Oberhalb des schwebenden Gates 36 ist ein Gate-Anschluss 38 angebracht.
Der Gate-Anschluss 38 ist von dem schwebenden Gate 36 durch
eine zweite Isolationsschicht 37 isoliert. Der Gate-Anschluss
ist mit einer Wortleitung 9 verbunden und die heißen Elektronen
werden von dem Kanal 34 durch die Isolationsschicht 35 in
das schwebende Gate 36 injiziert. Die Dicke der Isolationsschicht 35 zwischen dem
Kanal 34 und dem schwebenden Gate 36 kann im Bereich
von 4 nm liegen. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Isolationsschicht 35 aus einem Siliziumoxid
bestehen. In dieser Ausführungsform
kann die Dicke der Oxid schicht im Bereich von weniger als 3 nm liegen.
In einer weiteren Ausführungsform
kann die Dicke der Oxidschicht im Bereich von 1 bis 2 nm liegen.
Durch eine dünne
Isolationsschicht wird eine Haltezeit für eine Ladung und für das schwebende
Gate verringert. Ein Programmiervorgang kann jedoch schneller durchgeführt werden und
die notwendigen Potentiale werden verringert.
-
- 1
- programmierbare
Struktur
- 2
- erste
Elektrode
- 3
- Festkörperelektrolytschicht
- 4
- Zweite
Elektrode
- 5
- Leitender
Pfad
- 6
- Speicher
- 7
- Wortleitungsdecoder
- 8
- Bitleitungsdecoder
- 9
- Wortleitung
- 10
- Leseverstärker
- 11
- Bitleitung
- 12
- Eingangs-/Ausgangseinheit
- 13
- Speicherzelle
- 14
- Schalter
- 15
- Plattenleitung
- 16
- Programmierschaltung
- 17
- Erster
Schalter
- 18
- Zweiter
Schalter
- 19
- Dritter
Schalter
- 20
- Erster
Steuereingang
- 21
- Zweiter
Steuereingang
- 22
- Dritter
Steuereingang
- 23
- Erste
Potentialquelle
- 24
- Zweite
Potentialquelle
- 25
- Dritte
Potentialquelle
- 30
- Steuereinheit
- 31
- Steuerleitung
- 32
- Drain
- 33
- Source
- 34
- Kanal
- 35
- Isolationsschicht
- 36
- Schwebendes
Gate
- 37
- Zweite
Isolationsschicht
- 38
- Gate
- 40
- Feldeffekttransistor
- 41
- Substrat