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Die Erfindung betrifft eine dynamische
Speicherzelle zur Verwendung in einem DRAM-Speicher.
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Bisher bekannte DRAM-Speicherzellen
haben den Nachteil, dass während
einer Aktivierung in der Zeit, in der die Zellladung auf die Bitleitung
fließt, nur
das Potential eine Bitleitung eines Bitleitungspaares verändert wird.
Der Potentialunterschied auf den Bitleitungen des Bitleitungspaares
wird durch einen Ausleseverstärker
verstärkt,
in dem das Potential mit der höheren
Ladung erhöht
und das Potential mit der niedrigeren Ladung erniedrigt wird. Das
Auseinanderziehen der Ladungen auf den Bitleitungen des Bitleitungspaares
ist nicht vollständig
symmetrisch, da ausgehend von einem Mittenpotential nur eine der Bitleitungen
mit der Speicherkapazität
verbunden wird, so dass sich zunächst
nur die Ladung einer Bitleitung beim Auslesen der Speicherzelle ändert. Dies führt zu einem
unsymmetrischen Auseinanderziehen der Ladungen während des Verstärkens (Presensing).
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Dieses Verhalten während des
Presensings führt
dazu, dass die Signalkopplung zwischen benachbarten Bitleitungen
von verschiedenen benachbarten Bitleitungspaaren mit einem Vertwisten
der Bitleitungen der Bitleitungspaares nicht vollständig auszuschließen ist.
Dagegen kann mit Hilfe des Vertwistens der Bitleitungen bei einem
symmetrischen Verhalten bei Ladungstrennung in Presensing die negativen
Einflüsse
aus der Kopplung zwischen den Bitleitungen nahezu ausgeschlossen
werden.
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Aus der Druckschrift
US 5780335 ist eine dynamische Speicherzelle
bekannt, die über
ein Auswahlsignal auswählbar
ist und deren Inhalt über
ein Bitleitungspaar mit einer ersten und einer zweiten Bitleitung
auslesbar ist. Abhängig
von einem Auswahlsignal wird eine Speicherkapazität der dynamischen Speicherzelle
gleichzeitig über
Auswahltransistoren mit der ersten und der zweiten Bitleitung verbunden, so
dass die Signale auf den Bitleitungen im wesentlichen entgegengesetzt
verlaufen.
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Aus der Druckschrift
US 6339241 B1 ist eine Speicherzelle
mit einem Auswahltransistor bekannt, der vertikal seitlich der Grabenkapazität angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
DRAM-Speicherzelle zu schaffen, die es ermöglicht, die negativen Einflüsse aus
der Kopplung zwischen den Bitleitungen zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die dynamische Speicherzelle
nach Anspruch 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist eine dynamische Speicherzelle vorgesehen, die über ein
Auswahlsignal auswählbar
ist und dessen Inhalt über
ein Bitleitungspaar mit einer ersten und einer zweiten, miteinander
vertwisteten Bitleitung auslesbar ist. Die dynamische Speicherzelle
weist eine Speicherkapazität
auf, die mit einem ersten und einem zweiten Auswahltransistor verbunden
ist. Abhängig
von dem Auswahlsignal wird der erste Anschluss der Speicherkapazität über den
ersten Auswahltransistor mit der ersten Bitleitung und ein zweiter
Anschluss der Speicherkapazität über den
zweiten Auswahltransistor mit der zweiten Bitleitung verbunden.
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Die Speicherzelle ist integriert
in einem Substrat aufgebaut. Die Speicherkapazität umfasst eine Grabenkapazität, wobei
ein innerer Bereich von einem äußeren Bereich
der Speicherkapazität
durch eine Isolationsschicht getrennt ist, um einen Kon densator
zu bilden. Der erste Auswahltransistor ist mit dem inneren Bereich
der Speicherkapazität
verbunden und der zweite Auswahltransistor mit dem äußeren Bereich
der Speicherkapazität,
so dass bei Durchschalten der Auswahltransistoren die Ladung des
inneren Bereichs auf die erste Bitleitung und die Ladung des äußeren Bereichs
auf die zweite Bitleitung angelegt wird.
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Dazu werden der erste und der zweite
Auswahltransistor vertikal beidseitig der Grabenkapazität angeordnet.
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Auf diese Weise kann eine dynamische
Speicherzelle geschaffen werden, bei der der Ladungsinhalt der Speicherkapazität an beide
Bitleitungen eines Bitleitungspaares beim Auslesen angelegt wird. Vor
dem Auslesen befinden sich die Bitleitungen des Bitleitungspaares
auf einem gleichen Mittenpotential, das durch einen zuvor durchgeführten Ladungsausgleich
entstanden ist. Dadurch wird beim gleichzeitigen Zwischenschalten
der Kapazität
zwischen die Bitleitungen des Bitleitungspaares die Ladung einer der
Bitleitungen vermindert und die Ladung der anderen Bitleitung um
den gleichen Betrag erhöht.
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Auf diese Weise wird beim Auslesen
einer Speicherzelle auf beiden Bitleitungen ein Signalverlauf erreicht,
der im Wesentlichen genau entgegengesetzt, d. h. symmetrisch ist.
So bewirkt eine im Wesentlichen in der Mitte vertwistete Bitleitung
eines Bitleitungspaares, dass die entgegengesetzten symmetrischen
Signalverläufe
auf eine unvertwistete benachbarte Bitleitung eingekoppelt werden,
so dass sich die eingekoppelten Signale gegenseitig kompensieren.
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Durch die vertikale Anordnung der
Auswahltransistoren bleibt der Flächenbedarf für die Realisierung
einer solchen Speicherzelle sehr gering, so dass ein DRAM-Speicher
mit solchen dynamischen Speicherzellen nicht gegenüber einem
herkömmlichen
DRAM-Speicher wesentlich vergrößert ist.
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Zur Realisierung der vertikal angeordneten Auswahltransistoren
kann über
der Grabenkapazität ein
Ansteuerbereich angeordnet sein, an den das Ansteuersignal angelegt
wird. Der Ansteuerbereich ist vorzugsweise so gestaltet, dass er
gleichzeitig als Gatebereich für
den ersten und den zweiten Auswahltransistor dienen kann.
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Die Drain-/Source-Bereiche der Auswahltransistoren
sind an der Grabenkapazität
so angeordnet, dass die Grabenkapazität kontaktiert wird. Dabei kontaktiert
der Drain-/Source-Bereich des ersten Auswahltransistor den äußeren Bereich
der Speicherkapazität
und der Drain-/Source-Bereich des zweiten Auswahltransistors den
inneren Bereich der Speicherkapazität. Die jeweils weiteren Drain-/Source-Bereiche
der Auswahltransistoren sind oberflächennah angeordnet, um sie
mit den ent sprechenden Bitleitungen, auf die die Speicherladung
ausgelesen werden soll, zu kontaktieren.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
elektrisches Schaubild mit Bauelementen einer dynamischen Speicherzelle
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ein
Ausschnitt aus einem DRAM-Speicher mit Speicherzellen gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung mit vertwisteten Bitleitungen;
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3 einen
Querschnitt durch ein Substrat mit einer integrierten dynamischen
Speicherzelle gemäß der Erfindung;
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4 eine
Draufsicht auf die Substratscheibe mit dynamischen Speicherzellen
gemäß der Erfindung.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße dynamische
Speicherzelle dargestellt. Die Speicherzelle weist einen Speicherkondensator
C auf, dessen erster Anschluss über
einen ersten Auswahltransistor T1 mit einer ersten Bitleitung BL1
eines Bitleitungspaares BLP verbunden ist. Ein zweiter Anschluss
des Speicherkondensators C ist über
einen zweiten Auswahltransistor T2 mit einer zweiten Bitleitung
BL2 des Bitleitungspaares BLP verbunden. Steueranschlüsse des
ersten Auswahltransistors T1 und des zweiten Auswahltransistors
T2 sind über
eine Wortleitung WL ansteuerbar. Die Auswahltransistoren T1, T2
sind vorzugsweise als N-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgebildet,
so dass bei einem HIGH-Potential auf der Wortleitung WL die Auswahltransitoren
T1, T2 auf Durchlass geschaltet werden.
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Sind die Auswahltransistoren durchlässig, so fließt die in
der Speicherkapazität
C gespeicherte Ladung gleichermaßen auf die erste Bitleitung
BL1 und die zweite Bitleitung BL2. Die beiden Bitleitungen BL1,
BL2 des Bitleitungspaares BLP sind zuvor durch eine nicht gezeigte
Ladungsausgleichseinrichtung auf ein Mittenpotential ausgeglichen
worden.
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Die erste Bitleitung BL1 und die
zweite Bitleitung BL2 des Bitleitungspaares BLP sind an einem Ende
mit einem Ausleseverstärker 1 verbunden.
Der Ausleseverstärker
ist so gestaltet, dass er einen Ladungsunterschied zwischen den
beiden Bitleitungen BL1, BL2 des Bitleitungspaares BLP detektiert
und das Potential der Bitleitung mit der höheren Ladung erhöht und das
Potential der Bitleitung mit der niedrigeren Ladung erniedrigt.
Dadurch dass die in der Speicherkapazität gespeicherte Ladung gleichermaßen und
gleichzeitig auf beide Bitleitungen angelegt wird, ergibt sich ein
symmetrischer entgegengesetzter Signalverlauf um das Mittenpotential
auf den beiden Bitleitungen.
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Darüber hinaus hat eine solche
Speicherzelle den Vorteil, die beiden Bitleitungen BL1, BL2 eines Bitleitungspaares
BLP beim Verbinden mit der Speicherzelle nun die gleiche Kapazität aufweisen.
Asymmetrien die dadurch entstehen, dass die Speicherkapazität nur in
eine der Bitleitungen angelegt wird, können somit vermieden werden.
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Zudem verdoppelt sich die Höhe des Signals zwischen
den Bitleitungen BL1, BL2 des Bitleitungspaares BLP. Dies könnte entweder
dazu genutzt werden, um die Signaleigenschaften zu verbessern und den
Chip damit zuverlässiger
zu machen oder auch um den Leistungsverbrauch zu reduzieren, in
dem man z. B. das Mittenpotential halbiert. Daraus ergibt sich ein
weiterer Vorteil, nämlich,
dass man den Leckstrom, der häufig
nicht ohmsch d. h. nicht linear von der angelegten Spannung abhängt, überproportional
durch Reduzierung der Zellspannung vermindern kann.
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In 2 ist
ein Ausschnitt aus einem DRAM-Speicher mit dynamischen Speicherzellen gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Die in 1 gezeigten
Aus wahltransistoren sind in 2 vereinfacht
durch Punkte an den Schnittlinien zwischen den Wortleitungen WL und
Bitleitungen BL sowie die Speicherkapazität C durch einen Punkt auf der
Wortleitung symbolisch dargestellt. Man erkennt, dass bei jedem
zweiten Bitleitungspaar BLP die Bitleitungen in der Mitte vertwistet
sind.
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Ein erstes Bitleitungspaar BLP1 weist
vertwistete Bitleitungen und ein zweites Bitleitungspaar BLP2 weist
nicht-vertwistete Bitleitungen auf. Der Vorteil einer solchen Anordnung
liegt darin, dass die erste Bitleitung des ersten Bitleitungspaares
BLP1 über
eine Hälfte
benachbart zur ersten Bitleitung des zweiten Bitleitungspaares BLP2
geführt
ist. Ebenso wird eine Hälfte
der zweiten Bitleitung BL2 des ersten Bitleitungspaares BLP1 benachbart
zur ersten Bitleitung des zweiten Bitleitungspaares BLP2 geführt. Da zwischen
benachbarten Bitleitungen Signalüberkopplungen
auftreten, werden auf diese Weise werden die Signalverläufe auf
einer Hälfte
der ersten Bitleitung und einer Hälfte der zweiten Bitleitung
des ersten Bitleitungspaares BLP1 in die benachbarte erste Bitleitung
des zweiten Bitleitungspaares gekoppelt, wobei durch die entgegengesetzten
Signalverläufe
die Einkopplungssignale gegenläufig
sind und sich gegenseitig kompensieren. Auf diese Weise kann ein
Einkoppeln eines störenden
Signals aufgrund von Signalverläufen
zwischen den Bitleitungen verschiedener Bitleitungspaare reduziert
werden.
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Dies ist im Gegensatz zum Stand der
Technik besonders vorteilhaft, da durch die erfindungsgemäße dynamische
Speicherzelle ein symmetrischer Signalverlauf erreicht werden kann.
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Da bei herkömmlichen Speicherzellen nur eine
der Bitleitungen mit der Ladung der Speicherkapazität beaufschlagt
wird, ergibt sich ein unsymmetrischer Signalverlauf, so dass bei
der in 2 gezeigten Anordnung
keine vollständige
Kommpension der Übergekoppelten
Signale erreicht wird.
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In 3 ist
ein Querschnitt durch ein Halbleiter-Substrat mit zwei integrierten
dynamischen Speicherzellen gemäß der Erfindung
dargestellt. Die Speicherkapazität
C ist als Grabenkapazität
ausgeführt
und durch einen inneren Bereich 10 und einen äußeren Bereich 11 gebildet.
Der innere Bereich 10 und der äußere Bereich 11 sind
durch eine Isolationsschicht 12 voneinander getrennt, so
dass eine Kondensatoranordnung entsteht. Oberhalb der Grabenkapazität ist ein
Wortleitungsstack 13 angeordnet, der in elektrischer Verbindung
mit einer Wortleitung 14 besteht. Die Wortleitung 14 verläuft in der
gezeigten Darstellung senkrecht zur Schnittebene. Die Wortleitung 14,
der Wortleitungsstack 13 und die Grabenkapazität 10, 11, 12 sind
vorzugsweise vertikal übereinander
in dem Substrat integriert.
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Auf einer ersten Seite des Wortleitungsstack 13 ist
ein erster Auswahltransistor T1 vertikal angeordnet. Auf der ersten
Seite, d. h. benachbart der Wortleitung 14 verläuft ein
erster leitender Bereich 15, der mit der ersten Bitleitung
BL1 verbunden ist. Der erste leitende Bereich 15 ist mit
einem ersten Drain-/Source-Bereich 16 des ersten Auswahltransistors
T1 verbunden. Der erste Drain-/Source-Bereich 16 ist vorzugsweise
n+-dotiert und von dem Wortleitungsstack 13 durch
eine erste Isolation 17 getrennt. In vertikaler Richtung
unterhalb des ersten Source-Drain-Bereichs 16 ist ein erstes
Kanalgebiet 18 des ersten Auswahltransistors T1 angeordnet.
Die Isolation 17 zwischen dem ersten Kanalgebiet 18 des ersten
Auswahltransistors T1 und dem Wortleitungsstack 13 ist
als Gateoxid 17 ausgebildet.
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In vertikaler Richtung unterhalb
des ersten Kanalgebiets 18 befindet sich ein zweiter Source-Drain-Bereich 24,
der mit dem inneren Bereich 10 der Speicherkapazität in elektrischer
Verbindung steht. Auf diese Weise ist ein erster Auswahltransist T1
ausgebildet, der über
die Wortleitung 14 ansteuerbar ist und die Ladung im inneren
Bereich 10 der Speicherkapazi tät auf die erste Bitleitung
BL1 abhängig
von einem Auswahlsignal auf der Wortleitung 14 anlegen
kann.
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Auf einer zweiten Seite des Wortleitungsstack 13 ist
ein Kontaktierungsbereich 19 vorgesehen, der mit der zweiten
Bitleitung BL2 (nicht gezeigt) verbunden ist. Über einen zweiten leitenden
Bereich 20 kann der Kontaktierungsbereich 19 mit
einem dritten Source-Drain-Bereich 21 des zweiten Auswahltransistors
T2 verbunden werden. Der dritte Source-Drain-Bereich 21 ist
durch eine zweite Isolation 25 von dem Wortleitungsstak 13 getrennt.
In vertikaler Richtung unterhalb des dritten Source-Drain-Bereich 21 befindet
sich ein zweiter Kanalbereich 26 des zweiten Auswahltransistors
T2.
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Zwischen dem Wortleitungsstack 13 und dem
zweiten Kanalgebiet 26 des zweiten Auswahltransistors T2
verläuft
die zweite Isolation 25, die ebenfalls als Gateoxid ausgebildet
ist. In vertikaler Richtung unterhalb des zweiten Kanalgebiets 26 befindet
sich ein vierter Source-Drain-Bereich 22, der ebenfalls
durch die zweite Isolation 25 von dem Wortleitungsstack 13 getrennt
ist.
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Der vierte Source-Drain-Bereich 22 befindet sich
im Bereich der Grabenkapazität,
wobei jedoch zwischen dem inneren Bereich 10 der Grabenkapazität und dem
vierten Source-Drain-Bereich 22 ein Isolationsbereich 23 angeordnet
ist. Stattdessen ist der vierte Source-Drain-Bereich 22 mit
dem äußeren Bereich 11 der
Grabenkapazität
in elektrischer Verbindung. Auf diese Weise wird der äußere Bereich 11 der
Grabenkapazität
C über
den zweiten Auswahltransistor T2 kontaktiert. Schaltet der zweite
Auswahltransistor T2, gesteuert durch das Auswahlsignal auf der
Wortleitung 14 durch, so wird der äußere Bereich 11 der
Grabenkapazität über den
Kontaktbereich 19 mit der zweiten Bitleitung BL2 verbunden.
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Auf diese Weise wird eine Struktur
geschaffen, bei der die Auswahltransistoren T1, T2 vertikal angeordnet
sind, so dass keine Vergrößerung des Flächenbedarfs
bei der Realisierung einer solchen erfindungsgemäßen Speicherzelle zu erwarten
ist.
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In 4 ist
eine Draufsicht auf ein Substrat mit integrierten dynamischen Speicherzellen
gemäß der Erfindung
dargestellt. Der Übersichtlichkeit
halber werden die senkrecht verlaufenden Wortleitungen und die waagrecht
verlaufenden Bitleitungen nicht gezeigt. Die Speicherzellen sind
in Form von quadratischen Kästchen
mit beidseitig angeschlossenen elliptischen Auswahltransistoren
T1, T2 dargestellt. Die Schnittdarstellung der 3 entspricht einer Schnittlinie, die
gestrichelt in der 4 eingezeichnet
ist.
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Damit die Speicherzellen mit beiden
Bitleitungen in Kontakt stehen, werden die ersten und die zweiten
leitenden Bereiche 15, 20 vorgesehen, wobei die
ersten leitenden Bereiche 15 jeweils mit einem ersten Auswahltransistor
verbunden sind und die zweiten leitenden Bereiche 20 jeweils
mit einem zweiten Auswahltransistor T2 verbunden sind.
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Die leitenden Bereiche 15, 20 sind
in einer Länge
vorgesehen, so dass mit Hilfe von Kontaktierungen der erste leitende
Bereich 15 mit der ersten Bitleitung BL1 und der zweite
leitende Bereich 20 mit der zweiten Bitleitung BL2 verbunden
werden kann. Die Bitleitungen (in 4 nicht
gezeigt) verlaufen waagrecht so über
die dargestellten Strukturen, dass die erste Bitleitung über die
Kontaktierungen 19 der ersten leitenden Bereiche 15 und
die zweite Bitleitung über
die Kantaktierungen 19 der zweiten leitenden Bereich 20 verlaufen.
Die Wortleitungen 14 verlaufen dazu rechtwinklig und zwar
jeweils über
die Speicherzellenstruktur, um den Wortleitungsstack 13 zu
kontaktieren.
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Auf diese Weise ist es möglich, eine
verbesserte DRAM-Speicherschaltung zu schaffen, die ohne einen erhöhten Flächenbedarf
auskommt und mit Hilfe von zwei Auswahltransistoren T1, T2 eine Speicherkapazität C gleichzeitig
mit zwei benachbarten Bitleitungen verbindet.
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Dies hat den Vorteil, dass die Signalverläufe auf
den benachbarten Bitleitungen eines Bitleitungspaares symmetrisch
verlaufen, so dass bei vertwisteten Bitleitungen das übersprechen
auf der dazu nicht vertwistete Bitleitung zu eingekoppelten Signalen führt, die
sich gegenseitig kompensieren.
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- 1
- Ausleseverstärker
- 10
- innerer
Bereich der Speicherkapazität
- 11
- äußerer Bereich
der Speicherkapazität
- 12
- Dielektrikum
- 13
- Wortleitungsstack
- 14
- Wortleitung
- 15
- erster
leitender Bereich
- 16
- erster
Source-/Drain-Bereich
- 17
- erste
Isolation
- 18
- erstes
Kanalgebiet
- 19
- Bitleitungskontaktierung
- 20
- zweiter
leitender Bereich
- 21
- dritter
Source-/Drain-Bereich
- 22
- vierter
Source-/Drain-Bereich
- 23
- Isolationsschicht
- 24
- zweiter
Source-/Drain-Bereich
- 25
- zweite
Isolation
- 26
- zweites
Kanalgebiet