DE2216062A1 - Monolithically integrated memory circuit with insulating layer field effect transistors - Google Patents
Monolithically integrated memory circuit with insulating layer field effect transistorsInfo
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Description
Monolithisch integrierte Speicherschaltung mit Isolierschichtfeldeffekttransistoren ' -■ ' ' Monolithic integrated memory circuit with insulating film field effect transistors' - ■ ''
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Speicherschaltung mit Isolierschichtfeldeffekttransistoren als Speichertransistoren und als Lastelemente dieser Speichertransistoren, wobei für die als Lastelemente dienenden Feldeffektransistoren eine im Vergleich zu den Speichertransistoren dickere Isolierschicht in deren Gate- bzw. Kanalbereich vorgesehen ist..The invention relates to a monolithically integrated memory circuit with insulating film field effect transistors as storage transistors and as load elements of these memory transistors, for the field effect transistors serving as load elements an insulating layer, which is thicker than the memory transistors, is provided in the gate or channel area.
Aus Gründen ihrer relativ hohen.möglichen Packungsdichte sowie ihrer regelmäßig relativ niedrigen Verlustleistung im Vergleich zu bipolaren Speicherschaltungen finden in sog. Unipolartechnik, d. h. mit Feldeffekttransistoren aufgebaute monolithische Speicherschaltungen eine weit verbreitete Anwendung. Die eigentliche Speicherzelle ist bei solchen Speicheranordnungen häufig in der Form der an sich bekannten Flipflop-Schaltung mit direkt kreuzgekoppelten Feldeffekttransistoren aufgebaut. Es ist auch bekannt, in den Lastzweigen der kreuzgekoppelten Speichertransistoren statt üblicher diffundierter Widerstände als Lastelement dienende Feldeffekttransistoren vorzusehen (z. B-. Electronics, vom 16. FebruarFor reasons of their relatively high possible packing density as well their regularly relatively low power loss compared to bipolar memory circuits can be found in so-called unipolar technology, d. H. monolithic memory circuits constructed with field effect transistors a widespread application. In such memory arrangements, the actual memory cell is often in the Form of the known flip-flop circuit with directly cross-coupled Field effect transistors built. It is also known to take place in the load branches of the cross-coupled memory transistors customary diffused resistors serving as load element field effect transistors to be provided (e.g. Electronics, February 16
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1970, Seite 109). Diese Maßnahmen brachten den Vorteil, daß nunmehr auch die Lastelemente mit den eigentlichen Speichertransistoren einheitlich hergestellt werden konnten. Aufgrund dieser einheitlichen Herstellung aller Feldeffekttransistoren, d. h. sowohl der Speicher- als auch der Lasttransistoren, weisen jedoch solche Lastelemente eine im Vergleich zu den Speichertransistoren gleich dünne Isolierschicht im jeweiligen Gatebereich auf. Um auf den Widerstandswert dieser Lastelemente Einfluß nehmen zu können, insbesondere im Sinne einer wünschenswerten Erhöhung zur Erzielung einer insgesamt geringen Verlustleistung, mußten für die als Lastelemente dienenden Feldeffektransistoren bei ihrer Auslegung in monolithischer Form relativ langgestreckte schmale Kanalbereiche vorgesehen werden (Electronics a. a. 0.). Eine solche Auslegung hat den Nachteil eines großen unerwünschten Halbleiteroberflächenbedarfs zur Folge, was sich wiederum ungünstig auf die gewünschte Packungsdichte auswirkt.1970, page 109). These measures brought the advantage that now the load elements with the actual storage transistors could also be produced in a uniform manner. Based on these uniform production of all field effect transistors, d. H. both the memory and the load transistors, however such load elements have an insulating layer that is equally thin in comparison to the memory transistors in the respective gate area on. In order to be able to influence the resistance value of these load elements, in particular in the sense of a desirable increase In order to achieve an overall low power loss, the field effect transistors serving as load elements had to when they are designed in monolithic form, relatively elongated narrow channel areas are provided (Electronics, loc. cit.). Such a design has the disadvantage of requiring a large, undesirable semiconductor surface area, which in turn is unfavorable affects the desired packing density.
Aus der USA-Patentschrift 3 530 443 ist weiterhin eine Speicherzelle mit Feldeffekttransistoren bekannt, in der für die als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren eine im Vergleich zu den Speichertransistoren dickere Isolierschicht in deren Gatebzw. Kanalbereich gewählt ist. Dadurch ist zwar der oben genannte nachteilige große Halbleiterflächenbedarf vermieden, jedoch besteht nun die Gefahr von leitenden parasitären Feldeffekttransistorstrukturen .US Pat. No. 3,530,443 also discloses a memory cell known with field effect transistors, in the comparison for the field effect transistors serving as load elements to the memory transistors thicker insulating layer in their Gatebzw. Channel range is selected. While this is the above disadvantageous large semiconductor area requirement avoided, but there is now the risk of conductive parasitic field effect transistor structures .
Wählt man beispielsweise für die als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren, deren Gate-Isolierschichtdicke gleich der für die übrige Halbleiteroberfläche mit Ausnahme der Gatebereiche der Speichertransistoren gewählten Isolierschicht, ist nicht mehr gewährleistet, daß etwaige parasitäre Feldeffekttransistorstrukturen, z. B. in Gebieten mit einer Leiterzugführung, sicher ausgeschaltet bleiben. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren umschaltbar sein müssen.If, for example, one chooses for the field effect transistors serving as load elements, their gate insulating layer thickness is the same as that for the rest of the semiconductor surface with the exception of the gate regions the insulating layer selected for the memory transistors, it is no longer guaranteed that any parasitic field effect transistor structures, z. B. in areas with a ladder routing, safely stay off. It should be noted that the as Field effect transistors serving load elements must be switchable.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, derartige mit Isolierschichtfeldeffekttransistoren aufgebaute monolithisch integrierte Speicherschaltungen so zu verbessern, daß bei gewährleisteter Umschaltbarkeit der Feldeffekttransistoren mit dickem Gate-Oxyd in Gebieten mit gleich dicker Isolierschicht vorhandene parasitäre Feldeffekttransistorstrukturen sicher ausgeschaltet bleiben. The object of the invention is to provide those with insulating layer field effect transistors to improve built monolithically integrated memory circuits so that with guaranteed Switchability of the field effect transistors with a thick gate oxide in areas with an insulating layer of the same thickness are parasitic Field effect transistor structures remain safely switched off.
Ausgehend von einer monolithisch integrierten Speicherschaltung der oben bezeichneten Gattung ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vermeidung leitender parasitärer Feldeffekttransistorstrukturen über von einer Metallisierung, z. B. von
Leiterzügen bedeckten selektiven Dotierungsgebieten im Halbleiterkörper mit gleich dicker Isolierschicht wie die Gate-Bereiche
der als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren für die
parasitären Feldeffekttransistorstrukturen eine im Vergleich zu den Lastelementen höhere Schwellenspannung erzwungen ist. In
vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die
höhere Schwellenspannung V durch die Festlegung der Betriebsspannungswerte
unter Ausnutzung der BeziehungProceeding from a monolithically integrated memory circuit of the type indicated above, the invention is characterized in that, in order to avoid conductive parasitic field effect transistor structures, over a metallization, e.g. B. from
Conductor lines covered selective doping areas in the semiconductor body with an insulating layer of the same thickness as the gate areas of the field effect transistors serving as load elements for the
parasitic field effect transistor structures a higher threshold voltage is forced in comparison to the load elements. In
advantageous embodiment of the invention is provided that the
higher threshold voltage V by defining the operating voltage values using the relationship
t v S Subt v S Sub
mit Vc als Sourcespannung und V„ , als Substratspannung erzwungen
ist, derart, daß die Sourcespannung der parasitären Struktur höher als die Sourcespannung der umschaltbaren als Lastelemente
dienenden Feldeffekttransistoren ist. Dabei wird vorteilhafterweise ausgenützt, daß die Schwellenspannung nicht nur durch die
Dicke der Isolierschicht über den Kanalbereichen, sondern u. a. durch die Spannungsdifferenz zwischen dem Sourceanschluß und dem
Halbleitersubstrat beeinflußt wird. Zur Vermeidung des nachteiligen Zustandes, daß derartige parasitäre Feldeffekttransistorstrukturen
stromführend werden, bleibt somit der Freiheitsgrad der
wählbaren Sourcespannung dieser parasitären Strukturen.with V c as the source voltage and V ″, as the substrate voltage, is forced in such a way that the source voltage of the parasitic structure is higher than the source voltage of the switchable field effect transistors serving as load elements. This advantageously makes use of the fact that the threshold voltage is influenced not only by the thickness of the insulating layer over the channel regions, but also, inter alia, by the voltage difference between the source connection and the semiconductor substrate. In order to avoid the disadvantageous state that such parasitic field effect transistor structures become current-carrying, the degree of freedom of the remains
selectable source voltage of these parasitic structures.
Docket FI 970 101 20 9844/105 Docket FI 970 101 20 9844/105
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.The invention is described below on the basis of an exemplary embodiment explained in more detail with the aid of the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 das elektrische Schaltbild einer Speicherzelle,1 shows the electrical circuit diagram of a memory cell,
auf die die Erfindung Anwendung finden kann;to which the invention can be applied;
Fig. 2 die Draufsicht auf die in ein monolithischesFig. 2 is a plan view of the in a monolithic
Halbleiterplättchen einintegrierte Speicherzelle undIntegrated memory cell and
Fig. 3 die Art und Weise, in der mehrere Speicherzellen auf dem Halbleiterplättchen angeordnet sind.3 shows the manner in which a plurality of memory cells are arranged on the semiconductor die are.
Die Bezugszeichen 11 und 12 in den Fign. 1 und 2 bezeichnen ein Paar von Feldeffekttransistoren mit entsprechenden Sourceanschlüssen 13 und 14, die mit der Masseleitung 15 in Verbindung stehen. Die Feldeffekttransistoren 11 und 12 weisen weiterhin Drainanschlüsse 16, 17 sowie Gateanschlüsse 18 und 19 auf. Der Drainanschluß 16 des Feldeffekttransistors 11 ist über die Leitung 20 mit dem Gateanschluß 19 des Feldeffekttransistors 12 verbunden. In entsprechender Weise besteht eine elektrische Verbindung über die Leitung 21 zwischen dem Drainanschluß 17 des Feldeffekttransistors 12 zum Gateanschluß 18 des Feldeffekttransistors 11, wodurch eine an'sich bekannte direkt kreuzgekoppelte Schaltungsanordnung entsteht.The reference numerals 11 and 12 in FIGS. 1 and 2 denote a pair of field effect transistors with corresponding source terminals 13 and 14, which are connected to the ground line 15. The field effect transistors 11 and 12 continue to have Drain connections 16, 17 and gate connections 18 and 19. The drain terminal 16 of the field effect transistor 11 is via the line 20 is connected to the gate terminal 19 of the field effect transistor 12. There is an electrical connection in a corresponding manner via the line 21 between the drain terminal 17 of the field effect transistor 12 to the gate terminal 18 of the field effect transistor 11, whereby a known directly cross-coupled Circuit arrangement arises.
Mit 22 und 23 sind ganz allgemein die Lastelemente dieser Schaltung bezeichnet, von denen jedes Lastelement mit einem Sourceanschluß 24, 25 ausgestattet ist, der jeweils mit den Drainanschlüssen 16, 17 der Feldeffektransistoren 11 bzw. 12 verbunden ist. Die Lastelemente 22 bzw. 23 weisen ferner Drainanschlüsse 26 bzw. 27 sowie Gateanschlüsse 28 bzw. 29 auf. Die Drainanschlüsse 26, 27 sind an die Drainspannungsleitung 30 angeschlos-With 22 and 23 are the load elements of this circuit in general denotes, of which each load element is equipped with a source connection 24, 25, each with the drain connections 16, 17 of the field effect transistors 11 and 12, respectively. The load elements 22 and 23 also have drain connections 26 and 27 and gate connections 28 and 29, respectively. The drain connections 26, 27 are connected to the drain voltage line 30.
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mm, t^ mmmm, t ^ mm
'Mit dem Bezugszeichen 31 ist allgemein ein parasitärer Feldeffekttransistor mit einem an die Drainanschlüsse 26 und 27 der Lastelemente 22 und 23 angeschlossenen Sourceanschluß 32 bezeichnet. Der Drainanschluß 33 des parasitären Feldeffektransistors 31 ist an die Leitung 34 angeschlossen, über die Leitung 34 sowie die davon abgezweigte Leitung 36' wird die Gatespannung für die Lastelemente 22 und 23 zugeführt. Der Gateanschluß 35' des parasitären Feldeffektransistors 31 ist mit der Leitung 36' verbunden.'With the reference numeral 31 is generally a parasitic field effect transistor with a source connection 32 connected to the drain connections 26 and 27 of the load elements 22 and 23. The drain connection 33 of the parasitic field effect transistor 31 is connected to the line 34, via the line 34 and the line 36 'branched off therefrom becomes the gate voltage for the load elements 22 and 23 supplied. The gate terminal 35 'of the parasitic field effect transistor 31 is connected to the line 36'.
Mit den Bezugszeichen 35 und 36 sind die Ein-ZAusgangstransistoren der Speicherzelle bezeichnet, die über die Anschlüsse 37, 38 mit den Bitleitungen 39, 40 und über die Anschlüsse 41, 42 mit den Drainanschlüssen 16, 17 der Feldeffekttransistoren 11 und 12 verbunden sind. Die Gateanschlüsse 43 und 44 der Feldeffekttransistoren 35 und 36 sind ferner über die Leitungen 45 und 46 mit der Wortleitung 47 gekoppelt.With the reference numerals 35 and 36 are the input-Z output transistors denotes the memory cell, which is connected via the connections 37, 38 to the bit lines 39, 40 and via the connections 41, 42 to the drain connections 16, 17 of the field effect transistors 11 and 12 are connected. The gate connections 43 and 44 of the field effect transistors 35 and 36 are also coupled to word line 47 via lines 45 and 46.
Die Bezugszeichen 28, 49 bis 53 in Fig. 2 bezeichnen entsprechende Kontaktlöcher, die sich von den zugehörigen darunter befindlichen Diffusionsgebieten zu der darüber befindlichen Metallisierung erstrecken. Der in Fig. 2 dargestellte Ausschnitt ist bei der größeren Ausschnittsdarstellung nach Fig. 3 mehrfach zu erkennen.The reference numerals 28, 49 to 53 in Fig. 2 denote corresponding ones Contact holes that extend from the associated diffusion areas below to the metallization above extend. The detail shown in FIG. 2 is closed several times in the larger detail view according to FIG. 3 recognize.
Im folgenden soll die Arbeitsweise der Speicherzelle erläutert werden. Die Feldeffekttransistoren 11 und 12 stellen eine Flipflop-Schaltung dar, bei der jeweils ein Transistor stromführend ist, während der andere ausgeschaltet ist. Der Drainanschluß des jeweils leitenden Transistors befindet sich dann auf relativ niedrigem Potential, während der Drainanschluß des ausgeschalteten Transistors sich auf einem relativ hohen Potential befindet. Über entsprechende Impulse auf den Bitleitungen 39, 40 kann die Flipflop-Schaltung in einen der beiden beschriebenen ZuständeThe mode of operation of the memory cell will be explained below. The field effect transistors 11 and 12 constitute a flip-flop circuit one transistor is energized while the other is switched off. The drain of the each conductive transistor is then at a relatively low potential, while the drain terminal of the switched off Transistor is at a relatively high potential. Via corresponding pulses on the bit lines 39, 40 can the flip-flop circuit in one of the two states described
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geschaltet werden. Wird beispielsweise gewünscht, daß die Flipflop-Schaltung sich in einem Zustand befindet, bei dem der Drainanschluß 16 sich auf hohem Potential und der Drainanschluß 17 sich auf einem relativ niedrigen Potential befindet, muß ein relativ hohes Potential an die Bitleitung 39 und ein relativ niedriges Potential an die Bitleitung 40 angelegt werden. Um das aus den Feldeffekttransistoren 11, 12 bestehende Flipflop endgültig in diesen Zustand zu schalten, muß das Potential der Wortleitung 47 angehoben werden. Befinden sich die Speichertransistoren einmal in dem gewünschten Zustand, bleibt dieser Zustand ohne weitere Aufrechterhaltung der Spannungsbedingungen auf der Wortleitung 47 bestehen.be switched. For example, if it is desired that the flip-flop circuit is in a state in which the drain terminal 16 is at a high potential and the drain terminal 17 is at a relatively low potential, a relative high potential can be applied to the bit line 39 and a relatively low potential to the bit line 40. To get that out To finally switch the field effect transistors 11, 12 existing flip-flops into this state, the potential of the word line must 47 are raised. Once the memory transistors are in the desired state, this state remains without any further Maintaining the voltage conditions on word line 47 exist.
Der Kanalbereich des parasitären Feldeffekttransistors 31 wie auch der als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren 22, 23 ist unterhalb einer Siliciumoxydschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 5000 A gebildet, welche Isolierschicht somit etwa zehnmal dicker ist als die über den Kanalbereichen der die Flipflop-Schaltung bildenden Feldeffektransistoren 11, 12 sowie der Feldeffekttransistoren 35, 36. Da sich die Leitfähigkeit eines Feldeffekttransistors umgekehrt proportional zur Oxydschichtdicke über dem jeweiligen Kanalbereich verhält, weisen die Lastelemente 22 und 23 einen relativ hohen Widerstandswert auf. Das bedeutet auf der anderen Seite, daß nur ein relativ kleiner Strom durch die die Lastelemente darstellenden Feldeffekttransistoren 22, 23 und somit durch die Flipflop-Transistoren 11 und 12 fließt. Diese Tatsache ist jedoch sehr vorteilhaft, da sie in einer wesentlich verringerten Verlustleistung resultiert.The channel region of the parasitic field effect transistor 31 as well as the field effect transistors 22 serving as load elements, 23 is formed below a silicon oxide layer with a thickness on the order of about 5000 Å, which insulating layer is thus about ten times thicker than that over the channel regions of the field effect transistors 11, 12 forming the flip-flop circuit and the field effect transistors 35, 36. Since the conductivity of a field effect transistor is inversely proportional to Oxide layer thickness over the respective channel area behaves, the load elements 22 and 23 have a relatively high resistance value on. On the other hand, this means that only a relatively small current flows through the field effect transistors which are the load elements 22, 23 and thus through the flip-flop transistors 11 and 12 flows. However, this fact is very beneficial because it results in a significantly reduced power loss.
Durch das relativ dicke Oxyd wird weiterhin die Schwellenspannung des parasitären Feldeffekttransistors 31 relativ hoch, wodurch dieser in der Aufrechterhaltung seines Ausschaltzustandes unterstützt wird. Das dicke Oxyd unterstützt zwar diese Eigenschaft, ist für sich allein jedoch dazu nicht ausreichend. Schließlich müssen auf der anderen Seite ja die LastelementeDue to the relatively thick oxide, the threshold voltage of the parasitic field effect transistor 31 is still relatively high, whereby this is supported in maintaining its switched-off state. The thick oxide supports this property, is not sufficient on its own. After all, the load elements have to be on the other side
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mm. *7 mm, mm. * 7 mm,
22, 23, die ebenfalls mit dem dicken Oxyd über ihren Kanalbereichen bedeckt sind, umschaltbar sein. Die Schwellenspannung des parasitären Transistors 31 wird jedoch auf die im folgenden beschriebene Weise gegenüber der entsprechenden Schwellenspan-, nung der Lastelemente 22, 23 zusätzlich erheblich vergrößert. Der Wert für die Schwellenspannung ergibt sich rechnerisch als Wurzelwert der Spannungsdifferenz zwischen Source und Substrat. Da die Spannung am Sourceanschluß 32 des parasitären Feldeffekttransistors 31 relativ hoch ist, ist auch die Spannung zwischen Source und Substrat und damit die Schwellenspannung des parasitären Transistors 31 höher als die der Lasttransistoren 22 und22, 23, which also have the thick oxide over their channel areas are covered, be switchable. However, the threshold voltage of the parasitic transistor 31 is set to as follows described manner compared to the corresponding threshold voltage, voltage of the load elements 22, 23 also increased considerably. The value for the threshold voltage is calculated as the root value of the voltage difference between source and substrate. Since the voltage at the source terminal 32 of the parasitic field effect transistor 31 is relatively high, so is the voltage between source and substrate and thus the threshold voltage of the parasitic Transistor 31 higher than that of the load transistors 22 and
23. Aufgrund seiner höheren Schwellenspannung wird somit der parasitäre Feldeffekttransistor 31 im ausgeschalteten Zustand behalten.23. Due to its higher threshold voltage, the parasitic field effect transistor 31 is thus switched off keep.
Erfindungsgemaß ist die (Source-)Spannung am Sourceanschluß 32 des parasitären Feldeffekttransistors 31 höher zu wählen als die Sourcespannungen an den Anschlüssen 24 bzw. 25 der als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren 22 bzw. 23. Dadurch wird einmal aufgrund der erwähnten Wurzelbeziehung zwischen der Schwellenspannung und der Sourcespannung die Schwellenspannung des parasitären Feldeffekttransistors 31 erhöht und damit dessen Leitendwerden verhindert. Hinzu kommt aufgrund der gleichen erfindungsgemäßen Maßnahme der Erhöhung der Sourcespannung am Anschluß 32, daß sich bei dem parasitären Feldeffekttransistor 31 der für die Einstellung eines leitenden Kanals maßgebliche Spannungswert, nämlich die Differenz zwischen der Gatespannung und der Sourcespannung ebenfalls verringert. Da die parasitäre Feldeffekttransistorstruktur 31 und die als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren 22 und 23 bezüglich ihres Gateanschlusses miteinander verbunden sind, weist der parasitäre Feldeffekttransistor neben einer wie erwähnt höheren Schwellenspannung auch eine geringere in gleicher Richtung wirkende Spannungsdifferenz zwischen seinem Gate- und Sourcepotential auf.According to the invention, the (source) voltage is at the source terminal 32 of the parasitic field effect transistor 31 to be selected higher than the source voltages at the terminals 24 and 25 of the load elements Serving field effect transistors 22 and 23 respectively and the source voltage increases the threshold voltage of the parasitic field effect transistor 31 and thus becomes conductive prevented. In addition, due to the same measure according to the invention, there is an increase in the source voltage at the connection 32 that in the parasitic field effect transistor 31 the voltage value that is decisive for the setting of a conductive channel, namely, the difference between the gate voltage and the source voltage is also decreased. Because the parasitic field effect transistor structure 31 and the field effect transistors 22 and 23 serving as load elements with one another with respect to their gate connection are connected, the parasitic field effect transistor has not only a higher threshold voltage, as mentioned, but also a lower one acting in the same direction voltage difference between its gate and source potential.
Docket FI 970 101 209844/1056 Docket FI 970 101 209844/1056
Damit ist bei gewährleisteter Umschaltbarkeit der als Lastelemente dienenden Feldeffekttransistoren für die mit gleicher Isolierschichtdicke ausgestatteten etwaigen parasitären Feldeffekttransistoren deren dauerndes Ausgeschaltetsein gesichert.Thus, with guaranteed switchability, the is used as load elements Serving field effect transistors for any parasitic field effect transistors equipped with the same insulating layer thickness that they are permanently switched off.
Docket FI 970 101 20984 4/1056 Docket FI 970 101 20984 4/1056
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1972
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- 1972-03-20 GB GB1286171A patent/GB1312429A/en not_active Expired
- 1972-04-01 DE DE19722216062 patent/DE2216062A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
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GB1312429A (en) | 1973-04-04 |
FR2133582B1 (en) | 1976-08-06 |
FR2133582A1 (en) | 1972-12-01 |
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