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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Speicherzelle, die ein polymeres
Speichermaterial mit ferroelektrischen oder Elektret-Eigenschaften
umfasst, polarisierbar ist und eine Hysterese aufweist, wobei das
polymere Speichermaterial so vorgesehen ist, dass es erste und zweite
Elektroden kontaktiert, und wobei das polymere Material eine Mischung
aus mindestens einem ersten und einem zweiten polymeren Material
ist, wobei das erste polymere Material ein ferroelektrisches oder
Elektret-Polymermaterial ist. Ebenso bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zur Konditionierung einer Speicherzelle vor deren
Einsatz, welche ein polymeres Speichermaterial mit ferroelektrischen
oder Elektret-Eigenschaften aufweist, polarisierbar ist und eine
Hysterese aufweist, wobei das polymere Speichermaterial so vorgesehen
ist, dass es erste und zweite Elektroden kontaktiert, und wobei
das polymere Material eine Mischung aus mindestens einem ersten
und einem zweiten polymeren Material ist, wobei das erste polymere
Material ein ferroelektrisches oder Elektret-Polymermaterial ist.
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Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Bauelemente zur Datenspeicherund und/oder
Datenverarbeitung, die auf Strukturen aufbauen, bei denen dünne Filmschichten
aus polymeren Elektret-Substanzen oder ferroelektrischen Substanzen
elektrischen Feldern ausgesetzt werden, die von Elektroden aufgebaut
werden, welche einen Teil der Struktur bilden.
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In
den vergangenen Jahren wurden Bauelemente zur nicht-flüchtigen
Datenspeicherung aufgezeigt, bei denen jedes Informationsbit in
Form eines Polarisierungszustands in einem örtlich definierten Volumenelement
aus elektrisch polarisierbarem Material abgespeichert wird. Die
Nicht-Flüchtigkeit
wird aus dem Grund er reicht, dass das Material seine Polarisierung
sogar dann auf rechterhalten kann, wenn von außen angelegte elektrische Felder
fehlen. Bisher handelte es sich bei den polarisierbaren Materialien
im typischen Fall um ferroelektrische Keramik-Werkstoffe; das Schreiben,
Lesen und Löschen
von Daten zog die Anlegung elektrischer Felder an das ferroelektrische
Material an örtlich
definierten Zellen in den Speicherbausteinen nach sich, wodurch
das Material in einer bestimmten Zelle dazu veranlasst wurde, seine
Polarisierungsrichtung je nach seiner vorangegangenen Vorgeschichte
hinsichtlich des elektrischen Zustands umzuschalten oder nicht umzuschalten.
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Im
Normalbetrieb des hier angesprochenen Bauelements kann die ferroelektrische
Substanz mit Strom über
einen längeren
Zeitraum oder wiederholt und/oder mit zahlreichen Vorgängen der
Polarisierungs-Umkehr beaufschlagt werden. Dies veranlasst gegebenenfalls
die ferroelektrische Substanz dazu, dass sie ermüdet, d.h. dass sich ihre für den normalen
Betrieb des Bauelements erforderlichen Charakteristika der elektrischen
Reaktion verschlechtern. Somit kann das ferroelektrische Material
unter Umständen
eine verringerte remanente Polarisierung aufweisen, was zu einer
verringerten Umschaltung von Stromsignalen im Anschluss an eine
induzierte Polarisierungs-Umkehr führt. Außerdem geht der Prozess der
Ermüdung
gelegentlich mit einem verstärkten
Koerzitivfeld einher, wodurch sich das Bauelement von einer Polarisierungsrichtung in
eine andere noch schwerer umschalten lässt und wodurch der Umschaltvorgang
verlangsamt wird.
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Eine
weitere unerwünschte
Alterungserscheinung ist die Ausbildung von Dauerspuren, was bedeutet, dass
dann, wenn eine ferroelektrische Speicherzelle über einen gewissen Zeitraum
in einem bestimmten Polarisierungszustand belassen wird, es immer
schwieriger wird, die Polarisierungsrichtung umzukehren, weshalb
sich in den Feldern, die zum Schalten der Polarisierung in einer
von beiden Richtungen benötigt
werden, eine Asymmetrie ausbildet.
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Durch
die Dauerspurenbildung können
sich auch Probleme noch verschärfen,
die mit einem anderen Phänomen
in Zusammenhang stehen, das insbesondere in passiven, über eine
Matrix adressierten Speicherbausteinen auftritt, nämlich die
Störung:
Dies bezieht sich auf eine Änderung
im Polarisierungszustand des ferroelektrischen Materials, im typischen
Fall auf den Verlust der Polarisie rung oder auch das Auftreten einer
Polarisierungs-Umkehr, wenn auf das ferroelekrtrische Material unabsichtlich
elektrische Felder wiederholt oder über einen längeren Zeitraum hinweg einwirken,
deren Größe geringer
ist als die Stärke
des Koerzitiv-Feldes. Solche Störfelder
können
als Nebeneffekt bei nicht adressierten Speicherzellen im normalen
Betrieb des Bauelements auftreten. Ein Beispiel hierfür ist die
Beaufschlagung nicht adressierter Zellen in einer passiven Matrix
während
der Schreibvorgänge
mit einer Spannung von Vs/3, bei denen eine
Schreibspannung Vs bei den adressierten
Zellen herangezogen wird (hierzu wird beispielsweise auf die Abhandlung
von pulsierenden Protokollen in der norwegischen Patentanmeldung
Nr. 20003508 verwiesen, welche derselben Anmelderin gehört).
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Eine
Lösung
der vorstehend angesprochenen Probleme ist für die erfolgreiche kommerzielle
Nutzung der hier behandelten Bauelemente auf der Grundlage von ferroelektrischen
Substanzen wesentlich. Es wurde schon viel Mühe auf diese Fragen verwendet,
soweit es sich um Bauelemente handelte, bei denen anorganische ferroelektrische
Substanzen verwendet wurden. Letztere bauen im Wesentlichen auf
zwei Gruppen von Perovskit-Materialien auf, nämlich Blei-Zirkonat-Titanat
(PZT) und geschichteten Perovskit-Substanzen wie zum Beispiel Strontium-Wismut-Tantalat
(SBT) und Lanthan-modifiziertes Wismut-Titanat (BLT). Unter diesen Substanzen
zeigen SBT und BLT bei einfachen Speicherzellstrukturen in der Art
von Kondensatoren mit Metallelektroden, beispielsweise aus Pt, eine
gute Widerstandsfähigkeit
gegenüber
der Ermüdung.
Allerdings sind im Vergleich zu PZT die Charakteristiken bei Polarisierung,
Streustrom und Schaltverhalten schlechter, und darüber hinaus
sind während
der Herstellung hohe Temperaturen erforderlich. Andererseits erwiesen
sich anfängliche
Versuche mit der Verwendung von PZT in Verbindung mit Metallelektroden
bei den meisten Speichereinsätzen
als wenig erfolgreich, was auf die rasche Qualitätseinbuße während wiederholter Schaltvorgänge zurückzuführen ist.
Als Ergebnis intensiver Forschungsbemühungen zeigte sich, dass während der
Umschaltung des ferroelektrischen Materials integrale Bestandteile
dieser Substanz. z.B. Sauerstoff bei PZT, verloren gehen, was zu
Leerstellen bzw. Vakanzen führt,
die zu den Elektroden hin wandern und dabei Haft- bzw. Pinning-Stellen
bilden, welche eine Bereichsumschaltung verhindern und zur Ermüdung in
dem Bauelement führen.
Eine Strategie, die sich bei der Bekämpfung dieser Erscheinung als
erfolgreich erwiesen hat, besteht darin, leitfähige Oxidelektroden zu verwenden,
vorzugsweise mit einer Gitterstruktur, die der Struktur der ferroelektrischen
Massesubstanz ähnlich
oder gleich ist, wodurch die Sauerstoff-Leerstellen neutralisiert
werden, die an der Schnittstelle zwischen der Elektrode und dem
ferroelektrischen Material ankommen. Als Beispiele für Substanzen,
die für
das Elektrodenmaterial in Frage kommen, sind im Falle von ferroelektrischen
Substanzen mit Oxid, wie beispielsweise PZT, RuO2,
SrRuO2, Indium-Zinnoxid (ITO), LaNiO3, Lanthan-Strontium-Kobaltat (LSCO) und
Yttrium-Barium-Kupferoxid. Eine Alternative zu der vorstehend angesprochenen
Strategie, für
einen Vorrat der kritischen Atomarten in den Elektroden zu sorgen,
besteht darin, für
Leerstellen in der ferroelektrischen Massesubstanz über Dotierung
und/oder Einstellung der Stöchiometrie
Senken einzulassen. Mit diesem Ansatz wurde bei PZT gearbeitet,
indem Spender-Dotiersubstanzen wie Nb und La eingeleitet wurde,
welche an Zr- oder Ti-Stellen substituieren und die Sauerstoff-Leerstellen
neutralisieren.
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Weitere
Verbesserungen und Anpassungen an unterschiedliche anorganische
ferroelektrische Zusammensetzungen haben sich entwickelt und bilden
nun einen großen
Korpus nach dem Stand der Technik, der sich auf anorganische und
insbesondere keramische ferroelektrische Filmschichten bezieht.
Zu weiterer Hintergrundinformation zum Stand der Technik wird der
Leser beispielsweise auf folgende Vorveröffentlichungen verwiesen: S.
B. Desu „Minimierung
der Ermüdung
in ferroelektrischen Filmschichten" in: Phys. Stat. Sol. (a) 151, S. 467–480 (1995);
K.-S. Lui und T.-F. Tseng: „Verbesserungen
bei ferroelektrischen Dünnfilmschichten
aus (Pb1-xLax)(ZryTi1-<)1-x/4O3 durch Verwendung von unten angeordneten
Elektroden aus SrRuO3/Ru/Pt/Ti" in: Appl. Phys.
Lett. 72, S. 1182–1184
(1998) und S. Aggarwal u.a.: „Schaltverhalten
von Kondensatoren aus Pb(Nb,Zr,Ti)O3 unter
Verwendung von Elektroden aus SrRuO3 in:
Appl. Phys. Lett. 75, S. 1787–1789
(1999). Wie nachstehend noch ausgeführt wird, ist jedoch den Erfindern
dieser Anmeldung keine einschlägige
Vorveröffentlichung
zum Stand der Technik im vorliegenden Zusammenhang mit der Verringerung
der Ermüdung
bei Bauelementen bekannt, bei denen organische oder polymere Elektret-
oder ferroelektrische Substanzen zum Einsatz kommen.
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Wie
in Patentanmeldungen beschrieben wird, die von derselben Anmelderin
wie bei dieser Anmeldung eingereicht wurden, können ferroelektrische Materialien
auf organischer Basis und insbesondere polymere Substanzen im Vergleich
zu ihren anorganischen Gegenstücken
ganz erhebliche Vorteile bei der Verwendung bei Bauelementen für Speicher
und/oder zur Verarbeitung erbringen. Allerdings wurde festgestellt,
dass auch bei ferroelektrischen Substanzen auf Polymerbasis Probleme
hinsichtlich der Ermüdung
und der dauerhaften Spuren festzustellen sind. Wenn diese Probleme
nicht gelöst
werden, so verringert sich dadurch erheblich das kommerzielle Potential
für Bauelemente,
die auf derartigen Werkstoffen aufbauen. Leider können in
diesem Fall wegen grundlegender Schwierigkeiten in der Chemie und
in grundlegenden ferroelektrischen Eigenschaften (z.B. verlagerbare
gegenüber
permanenten Dipolen) Abhilfen nicht helfen, die zur Bekämpfung der
Ermüdung
bei anorganischen ferroelektrischen Substanzen entwickelt wurden.
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Somit
besteht die Notwendigkeit, Strategien und Abhilfen zu schaffen,
mit denen sich die Erscheinungen der Ermüdung, der dauerhaften Spuren
und der Störungserscheinungen
bei Bauelementen zur Speicherund und/oder zur Datenverarbeitung
bekämpfen
lassen, die auf organischen und insbesondere polymeren Elektret-
oder ferroelektrischen Werkstoffen aufbauen.
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Entsprechend
den vorstehenden Ausführungen
liegt der vorliegenden Erfindung vornehmlich die Zielsetzung zugrunde,
grundlegende Strategien zur Vermeidung oder Verringerung der schädlichen
Auswirkungen bei der Beaufschlagung von organischen, insbesondere
polymeren Elektret- oder ferroelektrischen Werkstoffen mit einem
elektrischen Feld zu entwickeln, die bei Bauelementen zur Datenspeicher
und/oder Datenverarbeitung eingesetzt werden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ausführliche
Beschreibungen von Speicherzellenstrukturen zu bieten, bei denen
verhindert wird, dass die grundlegenden Mechanismen der Schaltermüdung, der
Dauerspuren und der Störungen
entstehen, oder bei denen diese Phänomene nur verzögert wirksam
werden.
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Eine
noch weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung besteht in der
Aufzählung
spezieller Werkstoffklassen zur Einbeziehung in Bauelementstrukturen,
die gegenüber
Ermüdung,
Dauerspurentwicklung und Störungen
widerstandsfähig
sind, wobei bevorzugte und besonders relevante Ausführungsbeispiele
genannt werden.
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Die
vorstehend dargelegten Zielsetzungen sowie weitere Merkmale und
Vorteile werden mit einer Speicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung
erreicht, die sich dadurch auszeichnet, dass jede Elektrode eine
mehrschichtige Verbundelektrode ist, die eine erste Schicht aus
gut leitendem Material und eine zweite Schicht aus leitendem Polymer
aufweist, wobei das leitende Polymer eine Kontaktschicht zwischen
dem gut leitenden Material und dem Speichermaterial bildet.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem ersten polymeren Material um ein Kopolymer
und vorzugsweise ist das zweite polymere Material ein Homopolymer,
während
das gut leitende Material vorzugsweise ein metallisches Material
sein kann.
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Zwischen
der ersten und der zweiten Schicht der Elektrode ist vorzugsweise
eine Sperrschicht vorgesehen, welche in dem Fall, dass das gut leitende
Material ein metallisches Material ist, aus einem Oxid, einem Nitrid
oder Borid aus dem metallischen Material besteht.
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Bei
einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Speicherzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Speichermaterial zwischen den Elektroden als Zwischenschicht
vorgesehen.
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Bei
einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden auf gegenüber liegenden
Flächen
einer Brücke
aus Isoliermaterial vorgesehen, wobei sich die erste Elektrode über die
Isolierbrücke
hinaus erstreckt und das Speichermaterial auf freiliegenden Flächen der
ersten und der zweiten Elektrode vorgesehen ist und sich zwischen
den Elektroden über
die Seitenflächen
der Isolierbrücke erstreckt.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der erfindungsgemäßen Speicherzelle
ist es von Vorteil, wenn das Speichermaterial und die Elektroden
in Form von Dünnfilmschichten
vorgesehen werden, so dass die Speicherzelle insgesamt eine mehrschichtige
Dünnfilmstruktur
darstellt.
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Die
vorstehend genannten Zielsetzungen sowie weitere Merkmale und Vorteile
werden auch mit einem Verfahren zur Konditionierung einer Speicherzelle
vor dem Einsatz gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielt, das sich dadurch auszeichnet, dass an die Elektroden
eine Spannungsimpulsfolge aus abwechselnden positiven und negativen
Impulsen angelegt wird, welche ein elektrisches Feld erzeugen, das
das Speichermaterial in beiden Richtungen polarisieren kann, und
dass das Speichermaterial einer Reihe von aufeinander folgenden Umkehrungen
seiner Polarisationsrichtung unterzogen wird.
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Schließlich wird
eine Speicherzelle gemäß der Erfindung
bei einer passiven oder aktiven, über eine Matrix adressierbaren
ferroelektrischen oder Elektret-Speichereinrichtung
eingesetzt.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird diese nachstehend anhand verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung ausführlich beschrieben,
in welcher:
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1 einen
schematisierten Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Speicherzelle herkömmlicher
Art nach dem Stand der Technik zeigt;
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2 einen
zweiten schematisierten Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Speicherzelle herkömmlicher
Art nach dem Stand der Technik darstellt;
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3 die
Hysterese-Kurven für
ein ferroelektrisches Material vor und nach Ermüdung darstellt;
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4 ein
schematisierter Querschnitt durch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Speicherzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, welches von der Struktur her dem allgemeinen Ausführungsbeispiel
gemäß 1 entspricht;
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5 ein
schematisierter Querschnitt durch ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Speicherzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, welches von seiner Struktur her dem allgemeinen Ausführungsbeispiel
gemäß 1 entspricht;
und
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6 einen
schematisierten Querschnitt durch ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Speicherzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, welches von seiner Struktur her dem allgemeinen
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 entspricht.
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Es
folgt nun eine kurze Beschreibung der verschiedenen herkömmlichen
und allgemeinen Ausführungsformen
von Speicherzellen nach dem Stand der Technik als Hintergrundinformation
und zur Einführung in
die vorliegende Erfindung, die in ihren allgemeinen Aspekten auf
strukturell ähnlichen
Speicherzellen aufbaut.
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1 stellt
ein herkömmliches
allgemeines Ausführungsbeispiel
für eine
Speicherzelle 1 nach dem Stand der Technik dar. Die Speicherzelle 1 weist
dabei ein Speichermaterial 2 auf, beispielsweise ein anorganisches
oder organisches ferroelektrisches oder Elektret-Material; im letzteren
Fall vorzugsweise ein Polymer, das sandwichartig zwischen einer
ersten Elektrode 3 und einer zweiten Elektrode 4 angeordnet
ist. Hierbei handelt es sich um eine rein passive Speicherzelle,
doch kann diese mit einem Schalttransistor so verbunden werden,
dass eine aktive Speicherzelle entsteht. Diese aktive Speicherzelle
kann von der Art sein, die aus einem Transistor und einer Speicherzelle
besteht und als IT-IC-Speicherchaltung bezeichnet wird; sie kann
aber auch aus mehr als einem Transistor und mehr als einer Speicherzelle
aufgebaut werden, usw., wobei sich dann zum Beispiel 2T-2C-Speicherschaltungen
bilden, usf. Das Speichermaterial 2 wird durch ein elektrisches
Feld polarisiert, das dann aufgebaut wird, wenn an die Elektroden 3, 4 eine
Spannung angelegt wird.
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2 stellt
ein weiteres herkömmliches
Ausführungsbeispiel
allgemeiner Art für
eine Speicherzelle 1 nach dem Stand der Technik dar. Hierbei
werden die ersten und zweiten Elektroden 3, 4 mittels
einer Brücke aus
Isoliermaterial 5 von einander isoliert, wobei sich die
erste Elektrode 3 etwas über die Isolierbrücke 5 hinaus
erstreckt. Das Speichermaterial 4 ist dann auf der freiliegenden
Fläche
der Elektroden 3, 4 vorgesehen und überdeckt
diese und ebenso die Seitenflächen
der Isolierbrücke 5.
In diesem Fall wird das Speichermaterial 2 in dem Bereich
polarisiert, der sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 3 bzw. 4 in
der Nähe von
den Seitenflächen
der Isolierbrücke 5 und
diesen benachbart erstreckt. Auch in diesem Fall wird bei Anlegen
einer Spannung an die Elektroden 3, 4 ein elektrisches
Streufeld aufgebaut, welches die Polarisierung des Speichermaterials
verursacht.
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3 zeigt
die Hysterese-Kurven für
die Polarisierung eines ferroelektrischen oder Elektret-Materials bei
einem ferroelektrischen oder Elektret-Material im Vergleich zu einem
angelegten elektrischen Feld E. Die herbeigeführte Polarisierung P kann dabei
positiv (+Pr) oder negativ (–Pr) sein. Die erste Hystereseschleife I bezeichnet
die Hysteresekurve für
ein ferroelektrisches oder Elektret-Material, das nicht ermüdet ist,
bei dem also die erzielbare Polarisierung nach einer großen Anzahl
von Schaltzyklen nicht verringert ist. Nach Eintreten der Ermüdung bei
ferroelektrischem oder Elektret-Material zeigt das Material unter
Umständen
eine Hystereseschleife ähnlich
der zweiten Hysteresekurve II; dabei wird deutlich, dass die erzielbaren
Polarisierungen des Materials im Vergleich zur Hysteresekurve I
beträchtlich
verringert wurden. In 3 wird jeweils mit +Ec bzw. –Ec das positive bzw. das negative elektrische
Koerzitiv-Feld angegeben. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Ec
nicht unbedingt bei den Hysterese-Kurven I und II gleich sein muss,
sondern tatsächlich
ist das Koerzitiv-Feld Ec etwas höher bei
der Hysteresekurve II.
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Als
nächstes
soll nun ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Speicherzelle
gemäß der vorliegenden
Erfindung in etwas mehr Einzelheiten anhand von 4 erläutert werden.
Zur Vereinfachung soll die in 4 abgebildete
Speicherzelle 1 als ferroelektrische Zelle betrachtet werden,
d.h. das Speichermaterial 2 zeigt ferroelektrisches Verhalten,
auch wenn es zu seinen Gunsten auch ein Elektret-Material sein könnte, das
ebenfalls polarisiert wer den und Hysterese-Verhalten zeigen kann.
Die Schicht 2 des Speichermaterials ist sandwichartig zwischen
der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 angeordnet,
wobei die beiden Elektroden zu beiden Seiten kontaktieren. Wie aus 4 ersichtlich
ist, ist jede der Elektroden 3, 4 in Form einer
doppellagigen Elektrode ausgeführt.
Die Schicht 3a in der Elektrode 3 besteht aus
gut leitfähigem
Material, beispielsweise einem metallischen Material, während die
zweite Schicht 3b aus einem leitfähigen Polymer besteht, das
zum Beispiel PEDOT, PANI, Polypyrrol oder ein anderes Polymer mit
Leitungseigenschaften sein kann. Die zweite Elektrode 4 weist
in ähnlicher
Weise eine erste Schicht aus einem gut leitfähigen Material 4a auf,
bei dem es sich um ein metallisches Material handeln kann, während in
gleicher Weise die zweite Schicht 4b aus einem leitfähigen Polymer
besteht. Es versteht sich von selbst, dass die Werkstoffe in beiden
Elektroden vorzugsweise gleich bzw. ähnlich sein sollen und das
als gut leitfähiges
Material ein metallischer Leiter, z.B. Titan oder Aluminium vorzuziehen
ist.
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Hinsichtlich
des Speichermaterials 2 ist zu beachten, dass zur Optimierung
eines ferroelektrischen Speichermaterials auf der Grundlage von
Polymeren bereits angeregt wurde, ein ferroelektrisches Polymer
mit anderen Polymeren zu mischen, die nicht unbedingt ein ferroelektrisches
Verhalten zeigen. Außerdem
wurden Versuche mit einem Gemisch aus einem stark polarisierbaren
und einem eher schwach polarisierbaren Polymer unternommen. Des
Weiteren ist der Einsatz von verschiedenen Kopolymeren mindestens
seit 1980 auf diesem Gebiet bekannt. In diesem Zusammenhang kann
auf die deutsche Offenlegungsschrift DE-OS 36 02 887 A1 verwiesen
werden, die auf die Bayer AG überschrieben
wurde und welche den Einsatz ferroelektrischer Kondensatoren bei
statischen oder dynamischen RAM-Speicher (SRAM- oder DRAM-Speicher)
beschreibt. Neben anorganischen ferroelektrischen Werkstoffen regt
diese Vorveröffentlichung
auch organische ferroelektrische Werkstoffe wie Polymere mit leicht
polarisierbaren Atomen an, in diesem Fall speziell Polyolefine mit Fluoratomen,
die Polyvinyliden-Difluorid ähnlich
sind, oder Polymere mit stark polarisierbaren Endgruppen wie Polyvinyliden-Zyanid
(PVCN). Die gewünschte
Optimierung dieser Speichermaterialien kann unter Verwendung von
Kopolymeren erfolgen, zum Beispiel PVDF-TrFE, oder Mischungen wie
zum Beispiel Polymethyl-Metacrylat PMMA bzw. Kopolymere aus PVCN
mit Polyvinylacetat.
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Das
in dieser Form sandwichartig zwischen den Elektroden 3, 4 vorgesehene
Speichermaterial 2 besteht aus einem Gemisch mit einem
speziellen Anteil eines ersten Polymermaterials 2a, bei
dem es sich in diesem Fall natürlich
um ein ferroelektrisches Polymer handelt. Genauer gesagt, kann es
sich bei dem Material 2a um ein Kopolymer wie zum Beispiel
PVDF-TrFE handeln, während
das zweite Polymermaterial 2b in der Figur in Form von
kleinen Inseln in dem Speichermaterial 2 abgebildet ist.
Dieses zweite Polymermaterial 2b, aus dem das Gemisch gebildet
ist, ist vorzugsweise ein Homopolymer, zum Beispiel aus PVDF.
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Ein
zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Speicherzelle 1 gemäß der Erfindung
ist in 5 dargestellt, wobei die gleichen technischen
Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen wie bei dem Ausführungsbeispiel
in 3 angegeben sind und hinsichtlich der Materialien
und Strukturen in jeder Hinsicht diesen ähnlich sind. Somit muss in
diesem Fall auf diese nicht näher
eingegangen werden. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 und
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 besteht darin,
dass eine Sperrschicht 3c, 4c in den Elektroden 3, 4 zwischen
den Schichten 3a, 4a aus gut leitfähigem Material
und den Schichten 34a, 3b aus einem leitfähigen Polymer
vorgesehen ist. Die Hauptfunktion der Sperrschicht besteht darin,
jegliche unerwünschten
Reaktionen zwischen dem gut leitfähigen Material in der Schicht 3a, 4a und
dem leitfähigen
Polymer in den Schichten 3b, 4b zu verhindern.
Wenn das gut leitfähige Material
der Schichten 3a, 4a aus einem metallischen Material
besteht, zum Beispiel aus Aluminium oder Titan, könnte die
Sperrschicht in Form eines Oxids, eines Nitrids oder Borids dieser
Elemente vorgesehen werden und in einem Arbeitsschritt, der sich
unmittelbar an die Aufbringung des metallischen Materials anschließt, dadurch
gebildet werden, dass das metallische Material einer Behandlung
zur Oxidierung, Nitrierung oder Borierung unterzogen wird, wie dies
dem Fachmann auf diesem Gebiet ganz allgemein bekannt ist.
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Ein
drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Speicherzelle gemäß der Erfindung
ist in 6 in schematisiertem Querschnitt dargestellt;
es entspricht dabei der allgemein bekannten Ausführungsform gemäß 2.
Hier ist das Speichermaterial 2 nicht in Form einer eingeschlossenen
Zwischenlage sondern oberhalb der Elektroden 3, 4 vorgesehen.
Die erste Elektrode 3 ist ähnlich der im zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß 5 ausgeführt, d.h.
sie ist mit drei Schichten 3a, 3b, 3c wie
im Falle des Ausführungsbeispiels
aus 5 ausgebildet. Über der ersten Elektrode 3 ist
eine Brücke
aus Isoliermaterial 5 in der Weise vorgesehen, dass sich
letztere etwas über
die Isolierbrücke 5 hinaus
erstreckt, wobei die Oberfläche
der Schicht 3b aus leitfähigem Polymer freiliegt. Die
zweite Elektrode 4 ist nun auf der Isolierbrücke 5 vorgesehen,
während
sie in jeder anderen Hinsicht von ihrer Struktur her ähnlich der
ersten Elektrode 3 ausgebildet ist. Die erste Schicht 4a aus
gut leitfähigem
Material 4 wird von der Sperrschicht 4c überdeckt
und darüber
ist die Schicht 4b aus leitfähigem Polymer so vorgesehen,
dass ihre Außenfläche freiliegt.
Nun wird das Speichermaterial 2a, das aus dem Gemisch aus
den beiden Polymermaterialien 2a, 2b besteht,
welche zu allen praktischen Zwecken ähnlich den vorgenannten Materialien
sind, über
den Elektroden in der in 6c abgebildeten
Weise vorgesehen, was bedeutet, dass es die Schicht 3b, 4b aus
leitfähigem
Polymer der Elektroden 3, 4 kontaktiert. Das Speichermaterial 2 erstreckt
sich über
die Seitenkante der Isolierbrücke 5.
Wird an die Elektroden eine Spannung angelegt, so bildet sich das
so erzeugte Polarisierungsfeld als Streufeld aus, das sich über die
Seite der Isolierbrücke 5 zwischen
Elektroden hinzieht. Je nach den geometrischen Proportionen bei
den strukturellen Merkmalen des Ausführungsbeispiels gemäß 6 könnte das
Polarisierungsfeld auch als geneigtes seitliches Feld aufgebaut
werden, das zwischen den Elektroden 3, 4 verläuft. In
jedem Fall bildet sich an den Seitenkanten der überbrückten Elektrodenanordnung der
Speicherzelle 1 in dem Speichermaterial I ein polarisierter
Bereich aus. Der Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß 6 besteht
insbesondere darin, dass das Speichermaterial 2, welches
das Gemisch aus zwei Polymermaterialien 2a, 2b enthält, in einem
abschließenden
Arbeitsschritt aufgebracht werden kann, wodurch verhindert wird,
dass es in den Prozessschritten zur Bildung der Elektroden 2, 3 einer
unkompatiblen Chemikalie oder Wärmeeinflüssen ausgesetzt
wird.
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Bei
dem Herstellungsverfahren wird die Speicherzelle 1 einer
Wärmebehandlung
unterzogen, normalerweise bei recht niedrigen Temperaturen und im
typischen Fall in einem Bereich zwischen 100°C und 150°C. Um jedoch eine Speicherzelle
gemäß der Erfindung
mit den gewünschten
funktionalen Eigenschaften zu erhalten, ist es unter Umständen notwendig,
die Zelle einer Konditionierung vor dem Einsatz zu unterziehen,
ehe sie tatsächlich
als Speicherzelle in einem Speicherbauelement tatsächlich eingesetzt
wird. Diese Konditionierung vor dem Einsatz erfolgt dadurch, dass über eine
bestimmte Anzahl von Impulsen oder Zyklen hinweg eine Folge von
Impulsen in Form abwechselnder positiver und negativer Spannungsimpulse
an die Elektroden der Speicherzelle angelegt wird. Die angelegten
Spannungen sollen dabei in der Lage sein, zwischen den Elektroden
ein elektrisches Feld aufzubauen, das zur Polarisierung des Speichermaterials
je nach Polarität
der Spannungsimpulse in positiver oder negativer Richtung geeignet
ist. Die angelegten Spannungsimpulse sollen nun eine Abfolge von
Umkehrvorgängen
bei der Polarisierungsrichtung in dem Speichermaterial herbeiführen. Bei
dieser Konditionierung vor dem Einsatz liegt es auf der Hand, dass
die Impulsdauer und die Amplitude in der Weise gewählt und
eingestellt werden müssen,
dass man die gewünschte
Polarisierungswirkung erzielt, d.h. hierbei müssen die Taktung und die Amplitude
mit berücksichtigt
werden. Im typischen Fall liegt die Zeitdauer, die zur Herbeiführung der
Umkehr der Polarisierung, d.h. zum Umschalten des gesamten Polarisierungszustands
der Speicherzelle, benötigt
wird, in der Größenordnung
einiger Mikrosekunden, beispielsweise etwa 50 Mikrosekunden. Die
Speicherzelle kann bei der Konditionierung vor dem Einsatz einer
großen
Anzahl von Schaltvorgängen
oder Vorgängen
zur Umkehr der Polarisierung unterzogen werden. Die Anzahl der Schaltvorgänge kann
mehr als 10.000 betragen und kann gegebenenfalls noch viel größer sein,
doch gilt für die
Auswahl der Parameter für
eine optimale Konditionierung vor dem Einsatz die Heuristik.
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Speicherzellen
gemäß der Erfindung
können
als Speicherzellen bei passiven, über eine Matrix adressierbaren
Speicherbausteinen verwendet werden; in einem solchen Fall wird
das Speichermaterial bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in Form einer
durchgehenden Schicht vorgesehen, die sandwischartig zwischen einer
ersten und einer zweiten Elektrodenschicht ange ordnet ist, wobei
deren Elektroden in Form streifenförmiger paralleler Elektroden
in der Weise ausgebildet sind, dass die Elektroden in den ersten
Elektrodenschichten senkrecht zu den Elektroden in der zweiten Schicht
ausgerichtet sind, wobei die Elektroden somit eine rechtwinklig
ausgebildete Elektrodenmatrix bilden, bei welcher die Speicherzellen
nun in den Bereichen des Speichermaterials definiert sind, die zwischen
sich überkreuzenden
Elektroden der Elektrodenschichten liegen. Ein passiver, über eine
Matrix adressierbarer Speicherbaustein, der auf dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 aufbaut,
kann in ähnlicher
Weise ausgelegt werden und stellt darüber hinaus den Gegenstand der norwegischen
Patentschrift 309 500 dar, weshalb hier nicht in weiteren Einzelheiten
darauf eingegangen wird.
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Bei
Versuchen hat sich gezeigt, dass eine Speicherzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung, die einer Konditionierung vor dem Einsatz unterzogen
wurde, eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber der Ermüdung zeigt,
während
eine geeignete Wahl der Parameter für die Konditionierung vor dem
Einsatz auch dazu dienen kann, die Neigung der Speicherzelle zu
Dauerspuren und Störungen
zu verringern. Doch hat sich in erster Linie und vor allem anderen
gezeigt, dass die Speicherzelle gemäß der Erfindung gegenüber Ermüdungserscheinungen
praktisch immun ist, wodurch man eine Speicherzelle mit Polarisierungseigenschaften erhält, die
sich über
eine große
Anzahl von Schaltzyklen hinweg beim normalen Einsatz nicht verschlechtern, so
dass die Speicherzellen für
den erfolgreichen Einsatz bei ferroelektrischen oder Elektret-Speicherbauelementen
ins Auge gefasst werden können.
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