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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von
Schreib- und Leseoperationen
in einem matrixadressierten Speicherarray von Speicherzellen mit
einem elektrisch polarisierbaren Material, das Polarisationsremanenz
aufweist, insbesondere einem Elektret- oder ferroelektrischen Material,
wobei ein in einer Speicherzelle gespeicherter Logikwert durch einen
tatsächlichen
Polarisationszustand in der Speicherzelle repräsentiert und durch Detektieren
eines Ladungsflusses zu oder von der Zelle als Reaktion auf das
Anlegen von Spannungen an Wortleitungen und Bitleitungen zum Adressieren der
Speicherzellen des Arrays bestimmt wird, wobei die Ladungsflußdetektion
insbesondere auf dem Detektieren einer durch eine Polarisationsänderung
in dem polarisierbaren Material verursachten Ladungsflußkomponente
basiert und wobei Schreib- und Leseoperationen unter der Kontrolle
einer Steuerschalteinrichtung durchgeführt werden. Außerdem betrifft die
vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des
Verfahrens, wobei die Vorrichtung mindestens ein matrixadressiertes
Speicherarray von Speicherzellen mit einem elektrisch polarisierbaren
Material, das Polarisationsremanenz aufweist, insbesondere einem
ferroelektrischen Material, enthält,
wobei ein in einer Speicherzelle gespeicherter Logikwert durch den
Polarisationszustand in einzelnen, separat wählbaren Speicherzellen repräsentiert und
durch Detektieren eines Ladungsflusses zu oder von den Speicherzellen
als Reaktion auf das Anlegen von Spannungen an die Wort- und Bitleitungen
zum Adressieren der Speicherzellen eines Arrays bestimmt wird, wobei
die Ladungsflußdetektion
insbesondere auf einer durch eine Polarisationsänderung in dem polarisierbaren
Material verursachten Ladungsflußkomponente basiert.
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Auf
ferroelektrischen Dünnfilmen
basierende Speicherbausteine nähern
sich zur Zeit einem Grad der Reife, bei dem die Implementierung
in praktischen Bausteinen möglich
wird. Es sind zwei Haupttypen von Bausteinarchitekturen relevant,
bei denen entweder eine aktive oder passive Matrixadressierung der
gespeicherten Daten erfolgt.
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In
adressierten Aktivmatrixarchitekturen wird jedes Bit in einer Speicherzelle
gespeichert, die aus einer ferroelektrisch gefüllten Kondensatorstruktur mit
einer zugeordneten eigenen Mikroschaltung besteht. Das ferroelektrische
Material wird typischerweise in einem von zwei stabilen Zuständen polarisiert,
wodurch ein Informationsbit repräsentiert
wird. Der Speicherbaustein umfaßt
eine große
Anzahl solcher Zellen, die in einer Matrix von Leitern angeordnet
werden. Die in solchen Bausteinen verwendeten ferroelektrischen
Materialien sind typischerweise anorganische Keramiken, z. B. Perowskite.
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In
passiven matrixadressierten Architekturen, die für die vorliegende Erfindung
die primär
relevanten sind, wird das ferroelektrische Dünnfilmmaterial zwischen zwei
orthogonalen Mengen von Elektroden dergestalt geschichtet, daß in jeder Überlappungsregion
zwischen kreuzenden Elektroden eine kondensatorartige Struktur gebildet
wird. Ein Bit wird als ein Polarisationszustand in der Kondensatorstruktur
gespeichert, wodurch eine elementare Speicherzelle gebildet wird.
In Verbindung mit jeder Zelle sind keine aktiven Schaltkreise beteiligt,
daher der Begriff passive Matrixadressierung. Diese Architektur hängt im allgemeinen
von Ferroelektrika mit bestimmten Hystereseeigenschaften ab und
zur Zeit wurden nur einige wenige Ferroelektrika auf organischer
Basis als für
die Praxis potentiell nützlich
identifiziert. Die Informationen werden typischerweise destruktiv
gelesen, d. h. durch Auferlegen eines elektrischen Feldes, das eine
Polarisationsausrichtung in den Speicherzellen entlang der Lesefeldrichtung
verursacht.
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Bei
vielen Anwendungen ist es erwünscht, Lese-/Schreiboperationen
in einer gegebenen Speicherzelle eine große Anzahl von Malen durchzuführen, und
in diesem Fall wird das polarisierbare Material wiederholten Polarisationsumkehrungen
unterzogen und ermüdet
letztendlich. Ermüdung
manifestiert sich auf verschiedene Weisen, hauptsächlich als
vergrößertes Koerzitivfeld,
langsamere remanente Polarisation und langsameres Umwechseln, und
all dies ist in Speicherbausteinen sehr unerwünscht. Ein weiteres Phänomen, das
den Ausleseprozeß verkompliziert,
ist Einprägung.
Wenn eine Zelle für
einen großen
Zeitraum in demselben Polarisationszustand (d. h. Logikzustand)
gelassen wird, kann sie eine Tendenz entwickeln, in diesem Zustand "eingefroren" zu werden, so daß die Ansteuerspannung
erhöht und/oder
länger
angelegt werden muß,
um sie zu lösen
und sie auf die andere Polarisationsrichtung umzuschalten.
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Vorbekannte
Leseprotokolle, die Leseimpulse fester Länge verwenden, müssen die
große
Streuung der Zellenumschaltgeschwindigkeiten und des Polarisationsansprechverhaltens
berücksichtigen, die
sich aufgrund der Ermüdung
und/oder Einprägung
entwickelt. Somit müssen
die Impulse eine hohe Spannung und lange Dauer aufweisen, um sicherzustellen,
daß das
ungünstigste
Szenario gehandhabt werden könnte.
Dies ist aus mehreren Gründen
unerwünscht.
Eine hohe Spannung bedeutet höhere
Kosten und mehr Platz beanspruchende Ansteuerschaltkreise, einen
größeren Stromverbrauch
und erhöhtes Übersprechen.
Längere
Impulse bedeuten niedrigere Datenzugriffs- und Transfergeschwindigkeiten.
Das Verwenden langer Impulse mit hoher Spannung sogar für Zellen,
die in einwandfreiem Zustand oder nur mäßig ermüdet sind, trägt schließlich selbst
zu einer beschleunigten Ermüdung bei.
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Für konkrete
Beispiele für
relevante vorbekannte betreffende Verfahren zum Auslesen von Daten
aus ferroelektrischen Speicherbausteinen wird auf die EP-Patentanmeldung Nr.
0 767 464 A2 (Tamura & al.)
verwiesen, die, um Störungen
der Leserate einer ferroelektrischen Speicherzelle zu minimieren,
ein Impulsspannungsprotokoll anwendet, das große Spannungsauslenkungen über die
Speicherzellen hinweg vermeidet, und das Auslesespannungsprotokoll
ist darüberhinaus
in bezug auf zeitliche und auch Amplitudenaspekte der anzulegenden Spannungsimpulse
statisch. Ferner wird auf das US-Patent Nr. 5 487 0129 verwiesen
(Kuroda), worin die Verwendung einer Auffrischprozedur offengelegt wird,
nachdem eine bestimmte Anzahl von Lese-/Schreiboperationen an einer
Speicherzelle ausgeführt
worden ist, wobei die Auffrischprozedur darin besteht, eine Polarisationsspannung
Vp anzulegen, die höher als die Schreibspannung
V0 ist. Dies stellt sicher, eine durch Ermüdung verursachte
Reduktion der ferroelektrischen Polarisation zu beseitigen und einen
höheren
Polarisationswert der Speicherzelle wiederherzustellen. Eine solche
Auffrischprozedur ist jedoch bestenfalls nur in speziellen Fällen anwendbar,
z. B. falls Ermüdung
auf Ladungsakkumulation und Domänen-Pinning aufgrund
seichter Ladungsfallen zurückzuführen ist,
wäre aber
nicht sehr hilfreich in komplizierteren Fällen, bei denen tiefe Ladungsfallen,
Leerstellenmigration oder eine unumkehrbare Chemie an den Elektroden
auftreten. Ferner ist zu beachten, daß beide oben erwähnten Publikationen nur
aktiv-matrixadressierbare Speicherbausteine betreffen, während es
wünschenswert
wäre, daß die Schreib-/Leseprotokolle auch
auf passiv-matrixadressierbare Speicherbausteine anwendbar sind.
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung neuer
Verfahren zum Lesen und Schreiben von Daten in Speicherbausteinen auf
der Basis von elektrisch polarisierbarem Material, insbesondere
von Ferroelektrika, wodurch die Polarisation durch Verfahren, die
weniger anfällig
für die Erzeugung
von Ermüdung
sind, größere Datengeschwindigkeiten
ergeben und weniger Ansprüche
an die Ansteuerschaltkreise als derzeitige Alternativen stellen,
sondiert und gesteuert werden kann.
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Die
obige Zielsetzung sowie weitere Vorteile und Merkmale werden mit
einem Verfahren erreicht, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist,
daß eine
dynamische Ladungsantwort einer oder mehrerer der Speicherzellen
während
einer Leseoperation aufgezeichnet wird, wobei ein Polarisationsgrad
in dem polarisierbaren Material während jeder Leseoperation auf
einen Wert begrenzt wird, der von der aufgezeichneten dynamischen
Ladungsantwort abhängt
und durch die Steuerschaltungseinrichtung definiert wird, wobei
der Wert in dem Bereich von größer als
Null bis zu einer Obergrenze kleiner als der Sättigungsbetrag der Polarisation
liegt und mit vorbestimmten Kriterien für eine zuverlässige Detektion
eines Logikzustands einer Speicherzelle vereinbar ist, und daß die Schreib- und Leseoperationen
gemäß Informationen über eine
tatsächliche
momentane Ladungsantwort gesteuert werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der gespeicherte Logikwert einer Speicherzelle durch Anlegen
eines oder mehrerer Spannungsimpulse bestimmt, deren Eigenschaften
durch die Steuerschaltungseinrichtung gesteuert werden.
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In
dieser Verbindung wird bevorzugt, für den Speicher im Hinblick
auf das aufgezeichnete Aussetzen der Speicherzellen gegenüber Ermüdungs- und Einprägungsverursachungsfaktoren
verursachenden Faktoren eine Adressierungsvorgeschichte einzurichten
und/oder dynamische Ladungsantwortinformationen von einer oder mehreren
Referenzzellen oder Paaren von Referenzzellen und/oder einer oder mehreren
Speicherzellen oder Paaren von Speicherzellen in der Matrix zu erfassen
und die vorbestimmten Detektionskriterien und/oder die erfaßten Ladungsantwortinformationen
einzurichten, um die Eigenschaften des Spannungsimpulses bzw. der
Spannungsimpulse einzustellen, und die Adressierungsvorgeschichte
kann dann die akkumulierte Anzahl von Schreib- und/oder Leseoperationen
und/oder die Einprägezeit
in spezifischen Speicherzeilen oder Gruppen von spezifischen Speicherzellen
umfassen oder die dynamischen Ladungsantwortinformationen können Informationen über ein
zuvor aufgezeichnetes Ladungsantwortverhalten der Speicherzellen
umfassen. Außerdem
ist es dann vorzuziehen, daß die dynamischen
Ladungsantwortinformationen von mindestens einem Paar Referenzzellen
in der Matrix erfaßt
werden, wobei eine Zelle in jedem Paar eine logische Null und die
andere eine logische 1 repräsentiert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt, daß die
Steuerschaltungseinrichtung eine kontinuierliche oder periodische
Analyse zufälliger und
systematischer Rauschbeiträge
zu der aufgezeichneten dynamischen Ladungsantwort von den Referenzzellen
oder adressierten Speicherzellen durchführt, wobei die Ergebnisse aus
der Analyse als Eingangsdaten für
den Algorithmus zur Steuerung des Lese-/Schreibprotokolls verwendet
werden. Zusätzlich
wird dann auch bevorzugt, daß die
Analyse von Rauschbeiträgen
auf einer statistischen Streuung von dynamischen Ladungsantworten
basiert, die aus Zeiten in bekannten Logikzuständen, aus einzelnen, eine Anzahl
von Malen adressierten Zellen und/oder aus einer Menge ähnlicher
aber physikalisch verschiedener Speicherzellen aufgezeichnet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei der die Steuerkriterien auf dynamischen Ladungsantwortinformationen
basieren, ist es vorteilhaft, daß mindestens einer der Spannungsimpulse
ein Schrittspannungsimpuls variabler Länge ist, wobei die Länge durch
die Schaltungssteuereinrichtung gesteuert wird und/oder daß die Steuerschaltungseinrichtung
die Plateauwerte σSATURATION und σBACKGROUND der
Ladungsantworten in Zellen aufzeichnet, die eine logische "0" bzw. eine logische "1" repräsentieren
(zu verschiedenen Zeitpunkten während
der Lebensdauer des Speicherbausteins), und/oder daß die Steuerschaltungseinrichtung
einen Schwellenwert für
die Entscheidung bezüglich
Logikzustand in den Speicherzellen in der Matrix des Betrags σTH =
(σSATURATION + σBACKGROUND)/2
erzeugt : und bei einer anderen Ausführungsform, daß die Steuerschaltungseinrichtung
Ladungsantwortinformationen verwendet, die aus einer Aufzeichnung
der dynamischen Ladungsantwort einer Gruppe von Speicherzellen,
die an zufällig
gewählten
Stellen in dem Speicherarray gewählt
werden, erfaßt
werden.
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Die
obige Zielsetzung sowie weitere Vorteile und Merkmale werden auch
mit einer Vorrichtung erreicht, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet
ist, daß sie
folgendes umfaßt:
Schaltkreise zum Aufzeichnen einer dynamischen Ladungsantwort einer
oder mehrerer Speicherzellen während einer
Leseoperation und zum Einstellen des Anlegens von Spannungen, um
einen Polarisationsänderungsgrad
in dem polarisierbaren Material während jeder Leseoperation auf
einen definierten Wert zu begrenzen, wobei der Wert in einem Bereich
von größer als
Null bis zu einer Obergrenze von weniger als dem Sättigungsbetrag
der Polarisation liegt, und eine Schaltung zum Steuern der Schreib-
und Leseoperationen für
die Speicherzellen gemäß einer
in einer Leseoperation detektierten tatsächlichen momentanen Ladungsantwort.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfaßt
das Speicherarray Referenzzellen mit bekannten Logikzuständen, und
es wird dann bevorzugt, daß die
Referenzzellen in Paaren lokalisiert sind, wobei eine eine logische "0" und die andere eine logische "1" repräsentiert, oder daß die Referenzzellen über das
Array verteilt sind.
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In
beiden Fällen
wird gemäß der Erfindung bevorzugt,
daß gewählte Zellen
unter den Referenzzellen zugewiesen werden, um die Ermüdungs- und Einprägeentwicklung
spezifizierter Gruppen von Speicherzellen in dem Array zu verfolgen,
indem sie demselben Muster der Polarisationsvorgeschichte und Umschaltereignissen
ausgesetzt werden und die Gruppen von Speicherzellen können dann
auf einer oder mehreren Wort- oder Bitleitungen in dem Array lokalisiert
werden.
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Die
Erfindung wird nun ausführlich
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungsfiguren erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
allgemeine Polarisationshysteresekurve für ein ferroelektrisches Material,
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1b schematische
Speicherzellen, die in einer Passiv-Matrixkonfiguration mit Wort-
und Bitleitungen verbunden sind,
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2a und 2b die
Schrittantwort-Zeitentwicklung bei niedriger bzw. hoher zeitlicher
Auflösung
der Polarisation in Testzellen, die ferroelektrische Materialien
in einwandfreiem und ermüdetem Zustand
enthalten, und
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3 ein
schematisches Beispiel für
eine Schaltung zum Lesen von Daten aus Speicherzellen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Um
ein besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, folgt unten eine kurze Beschreibung
des allgemeinen Hintergrunds und der allgemeinen physikalischen
Prinzipien, die für
die Realisierung der Erfindung relevant sind, bevor spezifische
Ausführungsbeispiele
angegeben werden.
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1a zeigt
eine allgemeine Polarisationskurve, die das Polarisationsansprechverhalten
einer ferroelektrischen Speicherzelle d. h. in ihrem Logikzustand "0" oder "1" definiert
und den Hintergrund für die
folgende Besprechung dieser liefert.
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Mit
Bezug auf 1a wird angenommen, daß die zu
lesende Speicherzelle sich anfänglich
in einem Ruhezustand ohne auferlegtes elektrisches Feld befindet
und daß sich
das ferroelektrische Material in der Zelle, abhängig von dem der Zelle zugewiesenen
Logikzustand, in einem Polarisationszustand befindet, der durch
eine der Positionen +PR oder –PR entlang der Polarisationsachse charakterisiert
ist. Gemäß dem Stand
der Technik soll eine Leseoperation zur Bestimmung, in welchem dieser
Zustände sich
die Zelle befindet, das Anlegen eines Leseimpulses an die Zelle
mit einer Spannung +VSWITCH umfassen. Die
letztere Spannung übersteigt
VC, die Spannung, die dem Koerzitivfeld
in dem Speichermaterial entspricht, um eine Reserve, die ausreicht,
um das Speichermaterial in das Sättigungsregime
zu steuern, d. h. in die Region der Hysteresekurve, die geschlossen
und nahezu linear ist. Wenn die Zelle zuvor in dem Zustand +PR verankert war, fließt nur eine kleine Ladung zu/von
der Zelle, so daß die
Zelle wie zuvor in dem Zustand +PR zurückbleibt.
In 1a wird dieser kleine Ladungsfluß durch
die Größe P^ angegeben. Wenn die Zelle jedoch anfänglich in
dem Zustand –PR verankert war, wird die Polarisation einer
Umkehrung mit einhergehendem signifikantem Ladungstransfer zwischen
der Zelle und den Elektroden unterzogen. In 1a wird
dieser Ladungsfluß durch
die Größe P* angegeben.
Durch Überwachen der
Menge an transferierter Ladung wird also der Logikzustand der Zelle
bestimmt. Da diese Prozedur den Speicherinhalt der Zelle zerstört, muß ein separater
Impulszyklus auf dieselbe oder eine andere gewählte Zelle in dem Speicherbaustein
auferlegt werden, wodurch der Logikzustand dieser Zelle auf den ursprünglichen
Wert (vor dem Lesen) der Zelle, die gelesen wurde, gesetzt wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung allgemeine Anwendbarkeit auf alle elektrisch
polarisierbaren Materialien, die Hysterese oder Remanenz besitzen, besitzt,
soll die folgende Besprechung der Explizitheit und Einfachheit halber
ferroelektrische Materialien betreffen, die in Passiv-Matrixadressierungsarchitekturen
verwendet werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Stromfluß zu
einer gegebenen Speicherzelle so gesteuert, daß die Polarisationsänderung
während
einer Leseoperation kleiner als der Sättigungspolarisationsbetrag
ist, aber für
eine Entscheidung über
den Logikzustand der Zelle ausreicht. Typischerweise wird eine Schrittspannung
an die fragliche Speicherzelle angelegt und die Polarisationsantwort
in der Zelle wird über
den Stromtransport zu dieser Zelle überwacht. Die Spannung wird
ausgeschaltet, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft:
- a) eine bestimmte Ladungsakkumulationszeit
ist abgelaufen oder
- b) eine bestimmte akkumulierte Ladung wurde detektiert.
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Dies
soll typischerweise an einem Zeitpunkt auftreten, an dem nur ein
Teil der umwechselbaren Polarisation umgewechselt worden ist. Auf
diese Weise werden mehrere Vorteile realisiert:
- – das ferroelektrische
Material wird nur einer teilweisen Polarisationsumkehrung unterzogen,
so daß weniger
Ermüdung
entsteht.
- – Da
jedes Leseereignis nur teilweise destruktiv ist, kann eine gegebene
Zelle mehrere Lesevorgänge
erfahren, bevor eine Restaurierung von Daten notwendig wird.
- – Es
kann eine frühe
Entscheidung bezüglich
des Logikzustands getroffen werden, wodurch der Leseprozeß beschleunigt
wird.
- – Die
Restaurierung der Polarisationsverluste aufgrund von Leseoperationen
("Rückschreiben") erfordert viel
weniger Ladungstransfer pro gelesenem Bit, gleichgültig, ob
die Restauration nach jedem Lesevorgang oder nach mehreren Lesevorgängen erfolgt.
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Ein
entscheidendes Element in dem hier beschriebenen Schema ist die
korrekte Wahl der Ladungsakkumulationszeit im Lesemodus. Für eine gegebene
Zelle wird diese Zeit in der Regel zunehmen, wenn die Zelle ermüdet, und
es wird notwendig, das Leseimpulsprotokoll entsprechend einzustellen.
Es kann entweder ein prädiktiver
oder ein Überwachungsmodus
zum Definieren der Akkumulationszeit verwendet werden.
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Bei
ersterem wird die Akkumulationszeit gemäß einem Programm eingestellt,
das den Ermüdungsgrad
aus Daten bezüglich
der aufgezeichneten Benutzung des Bausteins vorhersagt. Dazu müssen Fehlerreserven
gehören,
um alle wichtigen Parameter zu berücksichtigen, die sich auf die
Ermüdungsentwicklung
auswirken, z. B. Temperaturvorgeschichte sowie Herstellungstoleranzen
von Zelle zu Zelle und von Baustein zu Baustein.
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Bei
letzterem wird die Entwicklung der Zellenantwort (Umschaltgeschwindigkeit) über die
Lebensdauer des Bausteins hinweg überwacht und die Ergebnisse
dienen zum Einstellen des Impulsprotokolls, insbesondere der Ladungsakkumulationszeit. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Selbstdiagnoseschema hinzugefügt, bei
dem der Zustand und die Zeitentwicklung der Speicherzellen kontinuierlich
durch Referenzzellen überwacht
werden, die Umgebungs- und Betriebsbedingungen unterzogen werden,
die gut mit denen der Speicherzellen selbst übereinstimmen.
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In
der obigen Beschreibung des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung
wurde stillschweigend angenommen, daß der Ladungstransfer innerhalb
jeder Lese- oder
Schreiboperation nahezu abgeschlossen ist, und der dynamische Aspekt
des Lese-/Schreibprozesses wurde ignoriert. Abhängig von dem verwendeten Ferroelektrikum
kann die Geschwindigkeit der Polarisationsumkehr innerhalb großer Grenzen
variieren, wobei anorganische Ferroelektrika typischerweise mehrere
Größenordnungen schneller
als die organischen oder Polymertypen umschalten. Der Stand der
Technik hat sich in hohem Maße
auf anorganische Ferroelektrika konzentriert, mit primärer Betonung
der Gesamtumschaltzeit, während
den Einzelheiten der Schalttransienten in Verbindung mit der möglichen
Ausnutzung bei Lese-/Schreiboperationen nur wenig oder keine Aufmerksamkeit
geschenkt wurde. Mit dem Aufkommen von Speicherbausteinen mit organischen
und polymerischen Ferroelektrika, die typischerweise wesentlich
langsamer als ihre anorganischen Gegenstücke umschalten, wird das dynamische
Verhalten zu einem wichtigen Faktor, der sich auf die Gesamtbausteingeschwindigkeit
auswirkt. Zur selben Zeit ergibt das langsamere Umschalten Gelegenheiten
für neuartige
Lese-/Schreibverfahren,
da die Zeitmaßstäbe länger sind
und es leichter ist, während
der Transientenphase einzuschreiten.
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In 2a und 2b ist
das dynamische Ansprechverhalten für Speicherzellen gezeigt, die ein
polymerisches Ferroelektrikum enthalten. Die Zellen wurden einer
Schrittspannung VS = 20 V unterzogen, und
die Zeitentwicklung wurde für
die kumulative Ladungsdichte σ,
d. h. transferierte Ladung pro Einheitsfläche der Grenzfläche zwischen
Ferroelektrikum und Elektroden, nach Einleitung des Schrittimpulses
aufgezeichnet. Es sind zwei Kurvensätze gezeigt. In dem ersten
Satz, der die oberen drei Kurven in jeder Figur umfaßt, wird
die Zelle von einem Logikzustand "1" zu
einem Logikzustand "0" umgeschaltet und
wird einer Polarisationsumkehr mit großem Ladungstransfer unterzogen.
in dem zweiten Satz, der die dichtgruppierten unteren drei Kurven
in jeder Figur umfaßt,
ist die Zelle bereits vor dem Anlegen der Schrittspannung in einem
Logikzustand "0" verankert und es
wurde nur ein geringfügiges
dielektrisches Verschiebungsladungsansprechverhalten beobachtet.
Jeder Satz Kurven umfaßte
Zellen, die sich entweder in einwandfreiem Zustand befanden, d.
h. ohne Ermüdung,
oder durch 106 oder 107 Lese-/Auffrischoperationen
mit vollständiger
Polarisationsumkehr in jeder Operation ermüdet wurden.
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Es
ist ersichtlich, daß einer
anfänglichen Stromspitze
ein asymptotischer Abfall des Stroms in Richtung Null folgt, d.
h. die Ladungsdichte σ nimmt schnell
von Null zu und erreicht ein Plateau. Die Transiente ist im Nicht-Umschalt-Fall
(d. h. Logikzustand "0" → "0")
viel schneller als im Umschaltfall (d. h. Logikzustand "1" → "0"), und die asymptotischen Werte der
Ladungsdichte σ sind
im ersteren Fall (σBACKGROUND) kleiner als im letzteren (σSATURATION).
Ermüdung
manifestiert sich als ein niedrigerer Plateauwert σSATURATION (d.
h. niedrigeres PR) und eine langsamere Transiente
und herrscht offensichtlich im Umschaltfall am meisten vor. Die
Zeit zum Erreichen von 50% der maximalen Polarisation in einer neuen
Zelle beträgt
~1 μs, kann
aber bei einer ermüdeten
Zelle 100 μs
betragen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Lesen von Daten durch Anlegen eines Spannungsimpulses
(typischerweise eines Spannungsschritts) und durch Detektieren,
ob die Ladungsdichte σ eine bestimmte
definierte Schwelle an einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Einleiten
des Impulses übersteigt,
durchgeführt.
Diese Schwelle soll nicht erreicht werden (auch nach einer langen
Verzögerung), wenn
sich die Zelle anfänglich
in dem Logikzustand "0" befindet, soll aber überschritten
werden, wenn sich die Zelle anfänglich
in einem Logikzustand "1" befin det. Im letzteren
Fall wird die Leseimpulsspannung an der Speicherzelle weggenommen,
sobald dieser Pegel erreicht wird.
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Dies
kann durch das folgende Beispiel veranschaulicht werden. Man nehme
an, daß der
fragliche Baustein einzelne Speicherzellen mit Kurven, wie in 2a und 2b gezeigt,
enthält.
Es ist ersichtlich, daß für eine Zelle
im Zustand "0" die akkumulierte
transferierte Ladung schnell (in weniger als 0,5 μs) auf ungefähr σBACKGROUND =
2 μC/cm2 ansteigt und von diesem Punkt an praktisch
unverändert bleibt.
Für eine
Zelle im Zustand "1" steigt die akkumulierte
transferierte Ladung jedoch nach diesem Punkt weiter schnell an
und erreicht ungefähr σSATURATION =
8,5 μC/cm2 nach ungefähr 8 μs im Fall einer neuen Zelle.
Für eine
ermüdete
Zelle ist dieser Anstieg weniger schnell und der Endwert niedriger,
der Unterschied zu einer Zelle im Zustand "0" ist
jedoch klar.
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Als
das Unterscheidungskriterium kann man vorschreiben, daß eine Zelle
als sich in einem Zustand "1" befindend definiert
wird, wenn σ zu
einem bestimmten Zeitpunkt τTH nach dem Einleiten des Leseimpulses eine
bestimmte Schwelle von z. B. σ ≥ σTH =
7 μC/cm2 übersteigt.
Diese Schwelle sollte reichlich über
dem Maximalwert gewählt
werden, der von Zellen erreicht wird, die sich zu Anfang in dem Zustand "0" befinden (in diesem Fall gilt σBACKGROUND = 2 μC/cm2). Aus 2b sieht
man, daß die
Ladungsakkumulationszeit τTH zum Erreichen von σTH von
einem Zustand "1" für eine einwandfreie
Zelle ungefähr 4 μs betragen
soll, für
die 106 mal ermüdete Zelle 8 μs und für die mit
107 Operationen ermüdete Zelle 80–100 μs. Gemäß dem Stand
der Technik, der ein vollständiges
Umschalten und eine feste Ladungsakkumulationszeit verwendet, müßte letztere
ausreichend lang definiert werden, um einen Abschluß der Schalttransiente
im ungünstigsten
Fall, d. h. mit ermüdeten
Zellen, zu gestatten. Der Leseimpuls müßte also in dem Bereich von
50–100 μs anstelle
von 1 μs gewählt werden.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Ausleseimpuls jedoch gestoppt, wenn die akkumulierte
Ladungsdichte den Schwellenwert σTH erreicht, und der Zelle wird der Logikzustand "1" zugewiesen. Wenn diese Schwelle während einer
bestimmten definierten Zeitspanne τ >> τTH nicht
erreicht wird, befindet sich die fragliche Zelle in einem Logikzustand "0".
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Das
obige Schema hat zur Folge, daß der Leseimpuls
automatisch verlängert
wird, wenn das Ansprechverhalten der Zelle aufgrund von Ermüdung verlangsamt wird,
und wird dabei immer so kurz wie möglich und mit dem definierten
Schwellenkriterium vereinbar gehalten. Dadurch entstehen die folgenden Vorteile:
- – Erstens
gibt es einen Gewinn der Lesegeschwindigkeit gegenüber dem
vorbekannten Vollumschaltschema.
- – Wenn
Daten in dieselbe Zelle zurückgeschrieben
werden, kommt es zweitens zu weniger Polarisationsumkehr und die
Rückschreiboperationen können vergleichbar
mit dem Leseoperationsfall verkürzt
werden. Einprägeeffekte
(d. h. die Tendenz des ferroelektrischen Materials in der Zelle, sich
in einem Logikzustand zu verriegeln, in dem es eine lange Zeit verankert
war) können
die Rückschreibzeit
abhängig
von Materialien und Betriebsbedingungen weiter verkürzen.
- – Da
der Polarisationswechsel und das Aussetzen gegenüber dem elektrischen Feld minimiert
werden, schreitet drittens die Ermüdung im allgemeinen wesentlich
langsamer als in dem Vollumschaltschema voran. Tests an bausteinrelevanten polymerischen
Ferroelektrika haben demonstriert, daß das dynamische Auslesen gemäß der vorliegenden
Erfindung die Ermüdungsbeständigkeit (d.
h. die Anzahl von Lese-/Rückschreiboperationen
mit akzeptablem Konfidenzniveau) im Vergleich zu vorbekannten Umschaltprotokollen,
die eine volle Polarisationsumkehr verwenden, um mehrere Größenordnungen
vergrößert.
- – Viertens
sind mehrfache Leseoperationen zwischen jeder Rückschreiboperation möglich, wenn σSATURATION >> σBACKGROUND gilt.
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Es
soll nun eine bevorzugte Ausführungsform,
nämlich
eine selbstdiagnostische Bestimmung des Speicherzellenansprechverhaltens,
ausführlicher
besprochen werden. Wie oben beschrieben, muß die Ladungsakkumulationszeit
vergrößert werden,
wenn die Zellen ermüden.
Im Idealfall sollte jede Zelle in dem Speicherbaustein mit einer
Leseimpulslänge
gelesen werden, die optimal für
diese Zelle eingestellt ist. Dies ist schwierig, da Ansprecheigenschaften
aufgrund von Herstellungstoleranzen und der Ermüdungs-/Einprägevorgeschichte
von Zelle zu Zelle variieren werden. Insbesondere kann letzteres zu
sehr großen
Variationen von Zelle zu Zelle führen, die
sich über
die Zeit hinweg entwickeln, da Ermüdung und Einprägung nicht
nur die Anzahl von von den einzelnen Zellen erfahrenen Lese-/Schreiboperationen
betreffen, sondern auch den kombinierten Effekt von Spannungsbelastung
(Amplitude/Polarität/Dauer)
und anderen Faktoren, wie zum Beispiel die von der Zelle während ihrer
Lebensdauer erfahrenen Temperaturen.
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Folglich
wird ein prädiktiver
Ansatz für
die Leseimpulseinstellung im allgemeinen relativ grob sein, so daß eine Streuung
der Zelleneigenschaften berücksichtigt
wird, die mit der Zeit und Benutzung zunimmt. Als Alternative muß man in
dem Baustein signifikante Betriebsmittel zuteilen, die dafür zugeordnet
werden, die kumulative Ermüdung
an Zellen zu verfolgen. Diese Aufgabe kann durch Protokolle vereinfacht
werden, die die Abnutzung über
die Gesamtzahl von Speicherzellen in dem Baustein so verteilen,
daß Zellen
mit vergleichbarer Ermüdungsvorgeschichte
in Gruppen oder Blöcken
identifiziert werden können.
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In
den meisten Fällen
wird ein Überwachungs-
oder Selbstdiagnoseansatz vorzuziehen sein. Das Grundprinzip kann
folgendermaßen
mit Bezug auf 3 exemplifiziert werden. Für jede Zeile oder
jedes Cluster von Speicherzellen verwendet man zwei Referenzzellen,
wobei eine in dem Zustand "1" und die andere in
dem Zustand "0" polarisiert ist. Diese
beiden Zellen werden Ermüdung
verursachenden Einflüssen
ausgesetzt, insbesondere Polarisationswechseln, die für die Zeile
oder das Cluster von Speicherzellen, der bzw. dem sie zugewiesen
sind, repräsentativ
sind. Es können
zwei Arten von Leseoperationen, die die Referenzzellen verwenden,
hier spezifisch erwähnt
werden:
- i) Während der gesamten betriebsfähigen Lebensdauer
des Speicherbausteins wird mit den Referenzzellen die Entwicklung
von σSATURATION und σBACKGROUND verfolgt,
woraus der Schwellenwert σTH definiert, gespeichert und aktualisiert wird.
Zusätzlich
wird die relevante Ladungsakkumulationszeit τTH zum
Erreichen von σTH für
Zellen in dem Zustand bestimmt. Während der Ausleseoperation
werden Signale aus den Speicherzellen mit dem Schwellenpegel σTH zum
Zeitpunkt τTH verglichen und der Logikzustand der Zelle
wird bestimmt. Bei einer Klasse von Ausführungsformen unter diesem Schema
wird der Medianwert als ein Schwellenwert verwendet, d. h. σTH = (σSATURATION + σBACKGROUND)/2.Da
dieser Modus das Steuern der Referenzzellen in die Sättigung
bedingt, sollen sie typischerweise periodisch entweder in einer
separaten Abtastoperation oder in einer Leseoperation mit einem
erweiterten Leseimpuls periodisch abgetastet werden.
- ii) Während
jeder Leseoperation werden sowohl die "0"-
als auch die "1"-Referenzzelle einem Leseimpuls unterzogen
und die jeweiligen Ladungsdichten σ0(τ) und σ1(τ), die zu
jeder transferiert werden, werden als Funktion der nach der Einleitung
des Leseimpulses vergangenen Zeit τ überwacht. Wie aus 2 ersichtlich ist, nimmt die Differenz
(σ0(τ) – σ1(τ)) zwischen
den beiden mit der Zeit zu, beginnt mit Null und erreicht letztendlich einen
Wert (σSATURATION – σBACKGROUND).
Zu einem bestimmten Zeitpunkt τTH hat diese Differenz einen bestimmten Wert
erreicht, bei dem er zuverlässig
bei Anwesenheit von Rauschen und Variabilität von Zelle zu Zelle detektiert
werden kann, und zu diesem Zeitpunkt wird der Leseimpuls beendet
und die Leseverstärker
der Zeile oder des Clusters von Speicherzellen, die diesen Referenzzellen
zugeordnet sind, werden gelesen. Die aufgezeichneten Werte σ0(τTH)
und σ1(τTH) sind an diesem Punkt als Eingangsparameter
für den
Prozeß der
Bestimmung des Logikzustands verfügbar.
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In
beiden obigen Fällen
i) und ii) nimmt die Leseimpulslänge τTH automatisch
zu, wenn die Zellen ermüden,
und wird gleichzeitig so kurz gehalten, wie es mit bestimmten vordefinierten
Detektions- und Unterscheidungskriterien vereinbar ist. Die letzteren können so
gewählt
werden, daß gemäß der beabsichtigten
Verwendung des Bausteins verschiedene Konfidenzniveaus erreicht
werden.
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Die
Fälle i)
und ii) liefern verschiedene Vorteile und Nachteile, die folgendermaßen festgestellt werden
können.
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Fall i)
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Vorteil:
Es werden direkte Informationen über
die Entwicklung der Parameter σSATURATION und σBACKGROUND erhalten.
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Nachteil:
Es ist ein separater Impulszyklus erforderlich.
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Fall ii)
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Vorteil:
Kann ohne separaten Impulszyklus implementiert werden (aber die
Referenzzellen müssen
sich bei der Einleitung der Leseoperation in dem korrekten Logikzustand
befinden) und erlegt den Referenzzellen eine repräsentative
Impulsermüdung auf.
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Nachteil:
Erfordert Schaltkreise, die Schwellenwert-/Diskriminationsparameter
in Echtzeit erzeugen können.
Im "Singleshot"-Verfahren, d. h.
wenn die Daten in dem fraglichen Cluster bzw. in der fraglichen
Zeile von Zellen nur einmal oder in langen Intervallen gelesen werden,
werden die in diesem Modus abgeleiteten Unterscheidungsparameter
das volle Rauschen in dem erfaßten
Einzelprobeereignis widerspiegeln.
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Die
physische Implementierung von Ausleseschaltkreisen, die Referenzzellen
verwenden, kann auf vielerlei, Fachleuten offensichtlichen Weisen
erzielt werden. Eine Vorrichtung mit einem matrixadressierbaren
Array von Speicherzellen und der Fähigkeit zur Durchführung von
Schreib- und Leseoperationen daran gemäß dem Verfahren der Erfindung
ist in 3 gezeigt. Es versteht sich, daß die Vorrichtung
in 3 zwar prima face als ein passiv-matrixadressierbares
Array dargestellt ist, aber nicht darauf beschränkt ist, und daß das matrixadressierbare
Array von Speicherzellen genausogut auf Aktiv-Matrixadressierung
basieren kann, d. h. mit Speicherzellen ausgestattet, die einen
Schalttransistor enthalten. Das in 3 gezeigte,
einfache Schema kann in Verbindung mit beiden oben besprochenen
Betriebsmodi i) und ii) verwendet werden. Hierbei befinden sich
Referenzzellen auf zwei eigenen Vertikal-Adressierungsleitungen
("Bitleitungen"), eine mit den "0"-Zellen und die andere mit "1"-Zellen. Bei einer Leseoperation wird
eine Horizontalleitung ("Wortleitung") auf einmal einem
Leseimpuls unterzogen und die Ladung, die zu den Zellen an dem Kreuzpunkt
zwischen der adressierten Horizontalleitung und den kreuzenden Vertikalleitungen,
fließt
wird durch im unteren Teil der Matrix gezeigte Schaltkreise überwacht.
Somit ist den Speicherzellen auf jeder gegebenen Horizontalleitung
ein Referenzzellenpaar auf dieser selben Leitung zugeordnet.
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Es
können
natürlich
weitere Bitleitungen mit Referenzzellen in Intervallen über die
gesamte Speichermatrix hinweg hinzugefügt werden. In bestimmten Fällen kann
es vorteilhaft sein, anstelle von Paaren einzelne "1"- oder "0"-Referenzbitleitungen
zu verwenden, oder Referenzzellen können weniger als die gesamte
Länge einer
Bitleitung (sogar bis herab zu einer einzigen Zelle) einnehmen.
Letzteres soll der Fall sein, wenn sich Referenzzellen anstatt entlang von
Bitleitungen entlang von Wortleitungen befinden, wobei es sich um
eine Variante der vorliegenden Erfindung handelt.
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Das
in 3 gezeigte Diagramm zeigt eine Festverdrahtung
zwischen den Referenzbitleitungen und den Referenzsignaldetektoren.
Durch Multiplexen und Signalrouting können jedoch Referenzbitleitungen
an beliebiger Stelle in der Matrix definiert werden. In vielen Fällen wird
es also vorteilhaft sein, Referenzzellen in Regionen der Speichermatrix
einzurichten, die während
der regulären
Benutzung des Speicherbausteins einer Ermüdung und Einprägung unterzogen
wurden, mit der Möglichkeit
des Verlagerns von Stelle zu Stelle in der Matrix über die
gesamte Lebensdauer des Speicherbausteins hinweg. Auf diese Weise
werden immer realistische Daten für den Ausleseentscheidungsprozeß verfügbar sein.
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Der
Einfachheit halber sind in 3 keine Schaltkreise
zum Schreiben von Daten in die Zellen in der Matrix gezeigt. Das
Rückschreiben
zum Erhalten der destruktiv gelesenen Daten kann sofort nach der
Leseoperation mit einem Impuls ungefähr derselben Länge, wie
bei der Leseoperation bestimmt, erfolgen oder kann zurückgestellt
werden, bis das Polarisationsniveau in der Zelle als Folge mehrfacher Lesevorgänge einen
niedrigeren Wert erreicht hat. Im letzteren Fall ist ein längerer Rückschreibeimpuls
erforderlich.
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Um
zuverlässige
Referenzdaten zu erhalten, sollte die Anzahl von Referenzzellen
in dem Speicherbaustein offensichtlich groß genug sein, um das Benutzungsmuster
der tatsächlichen
fraglichen Speicherzellen mit kleiner statistischer Streuung gut nachahmen
zu können.
Mit den anderen Speicher- und Verarbeitungsfunktionen in dem Baustein
wird jedoch eine große
Zuteilung von Grundfläche
und eigenen Schaltkreisen für
Referenzzellen konkurrieren, und in der Praxis wird eine begrenzte
Anzahl von Referenzzellen mit einer viel größeren Anzahl von Speicherzellen
assoziiert sein, die sich in nächster physischer
Nähe der
Referenzzellen (z. B. in einem Cluster) befinden können oder
mit einer Menge von Speicherzellen verknüpft sein können, die gegenseitig eine ähnliche
Art von Lese- und Schreibaussetzung erfahren. Bei letzterem kann
es sich z. B. um einen gegebenen Sektor in dem Speicherbaustein handeln,
der Zellen nicht unbedingt in gegenseitiger physischer Nähe umfaßt, oder
um eine Zeile von Zellen in einer Adressierungsmatrix, wobei die
gesamte Zeile aufeinmal gelesen wird.