NO322040B1 - Bimodal drift av ferroelektriske og elektrete minneceller og innretninger - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for adressering av en ferroelektrisk eller elektret minnecelle, hvor adresseringen omfatter leseoperasjoner og skrive- eller tilbakestillingsoperasjoner, hvor minnecellen i en initial skriveoperasjon er satt i en av to ikke-flyktige polarisasjonstilstander som er tilordnet respektive logiske verdier, og hvor minnecellen deretter er tillatt å innta en avtrykkstilstand.

Den foreliggende oppfinnelse angår også en fremgangsmåte for ikke-destruktiv utlesning av en lagret logisk verdi i en ferroelektrisk eller elektret minnecelle, hvor minnecellen i en initial skriveoperasjon er satt i en av to ikke-flyktige polarisasjonstilstander som er tilordnet respektive logiske verdier, og hvor minnecellen deretter er blitt tillatt å innta en avtrykkstilstand.

Endelig angår den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å lagre og aksessere data i en ferroelektrisk eller elektret minneinnretning omfattende en gruppe av minneceller hvor data er blitt skrevet som polarisasjonstilstander i de respektive minneceller som deretter er tillatt å innta en avtrykkstilstand.

I senere år er det blitt foreslått en rekke nye datalagringskonsepter basert på polariserbare, dielektriske materialer som minnemedium og spesielt ferroelektriske eller elektrete materialer som kan polariserer til en av to polarisasjonstilstander. I denne henseende skal det bemerkes at ferroelektriske minnematerialer egentlig er en underklasse av elektrete materialer og har koersitivfelt og hysterese. Minnematerialet er typisk anordnet i en mikroskopisk minnecellestruktur som oppfører seg som en kondensator, dvs. at den er i stand til å lagre elektrisk ladning ved å utsette minnematerialet for en elektrisk felt som polariserer det til én av to motsatte retninger som kan anses å representere henholdsvis f.eks. logisk null eller en logisk en. Det ferroelektriske eller elektrete materiale kan være uorganisk eller organisk, og minnecellene er foretrukket anordnet i en matriseadresserbar gruppe, f.eks. mellom et første sett av parallelle stripelignende elektroder kalt ordlinjer og et annet sett av parallelle stripelignende elektroder kalt bitlinjer, og vanligvis anordnet ortogonalt til det første sett av elektroder. En matrise av denne art betegnes som aktiv adresserbar hvis svitsjeanordninger, f.eks. transistorer, er forbundet med hver minnecelle eller kondensatorlignende struktur og således forhindrer at minnematerialet i denne står i permanent kontakt med mer enn en elektrode utenfor en adresseringssyklus, og som passivt adresserbar hvis minnematerialet i cellene permanent kontakterer ordlinje- og bitlinjeelektrodene, vanligvis ved å være anordnet i et globalt lag mellom disse slik at elektrodesettene og minnematerialet danner en sandwichstruktur, selv om andre arrangementer er mulige.

Minner basert på ferroelektriske eller elektrete minnematerialer er ikke-flyktige, dvs. at de beholder deres ladning og følgelig de lagrede data i fravær av en påtrykt elektrisk effekt. De er imidlertid ikke uten ulemper, spesielt fordi lesningen av den logiske verdi lagret i en minnecelle typisk er destruktiv. Da den logiske verdi til minnecellen ødelegges i den destruktive utlesningsoperasjon som innebærer en svitsjing av polarisasjonstilstanden, dvs. en omvending av dens retning, må denne verdien følgelig skrives tilbake hvis det er ønskelig å beholde det utleste datum. Mer konkret er en destruktiv utlesningsprosess særmerket ved å benytte svitsjespenning på minnecellen for utlesning, og for å generere en lett detekterbar utlesningsverdi blir svitsjespenningen vanligvis valgt vesentlig større enn koersitivspenningen til minnecellen. Hvis retningen av polarisasjonen er den samme som den for det elektriske felt, vil polarisasjonen av minnecellen gå til en metningsverdi og deretter tilbake til den opprinnelige remanente verdi. Hvis imidlertid det påtrykte felt ikke har samme retning som den innstilte polarisasjon i minnecellen, vil minnecellen svitsje, dvs. polarisasjonsretningen reverseres, og cellen ender opp i den motsatte polarisasjonstilstand.

Et spesielt særtrekk ved ferroelektriske minneceller er at dersom de ikke utsettes for en ikke-destruktiv lesning eller en annen skriveoperasjon i løpet av et forholdsvis kort tidsrom, men i stedet etterlates i deres innstilte polarisasjons- eller logiske tilstand over en lengre tidsperiode, vil cellenes polarisasjon så og si bli "låst" og være meget vanskelig å forandre under påtrykk av et elektrisk felt, selv om dette er vesentlig større enn minnematerialets ordinære koersitivfelt. Dette endrer den dynamiske respons når en utlesnings- eller skriveoperasjon forsøkes. Fenomenet blir vanligvis betegnet "avtrykk" eller "preging".

Det skal bemerkes at når en minnecelle utsette for et elektrisk felt er polarisasjonsforandringen ikke øyeblikkelig, men følger en dynamisk responskurve og denne egenskapen har tidligere vært utnyttet for å skaffe i det minste en delvis ikke-destruktiv utlesning av en matriseadresserbar gruppe av ferroelektriske eller elektrete minneceller, så som vist i den internasjonale publiserte søknad nr. WO02/0S288 (overdratt til Thin Film Electronics ASA). Dette gjøres ved å begrense en grad av polarisasjon i det polariserbare minnemateriale under hver lese- og skrivesyklus til en verdi definert av en kontrollinnretning og deretter å kontrollere skrive- og leseoperasjoner med denne verdi variererende fra null til en øvre grense svarende til eller som nærmer seg en metning for polarisasjonen og som er konsistent med forhåndsbestemte kriterier for pålitelig deteksjon av den logiske tilstand til en minnecelle, men uten å føre til en reversering av polarisasjonen i tilfelle det elektriske felt påtrykt for deteksjon ikke har samme retning som polarisasjonsretningen allerede innstilt i minnecellen. Imidlertid er denne fremgangsmåte ment å skulle utføres på minneceller som ikke er i avtrykk, og generelt er avtrykk ansett som en alvorlig ulempe for en korrekt drift av ferroelektriske eller elektrete matriseadresserbare minneinnretninger. Da denne ulempe imidlertid er en iboende egenskap ved ferroelektriske eller elektrete minnematerialer, dvs. at den alltid vil forekomme hvis minnecellen etterlates i en og samme polarisasjonstilstand i et tilstrekkelig lagt tidsrom, uten gjentatt oppfrisking eller gjentatte adresseringsoperasjoner med tilstrekkelig høy frekvens. I lys av dette ville det være ønskelig å omforme avtrykkegenskapen til en aktivum og faktisk utnytte den for å forbedre datalagirngsevnen til ferroelektriske eller elektrete matriseadresserbare minner.

Følgelig er det en første hensikt med oppfinnelsen å skaffe en framgangsmåte for å relaksere en minnecelle i avtrykk og dermed muliggjøre lese- og skriveoperasjoner på minnecellen.

Det er videre en hensikt med oppfinnelsen å utnytte avtrykktilstanden i minnecellen for å oppnå en ikke-destruktiv utlesning.

Endelig er det også en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en minneinnretning hvor avtrykkstilstanden utnyttes for lagring av data.

De ovennevnte hensikter så vel som andre trekk og fordeler oppnås i henhold til den foreliggende oppfinnelse med en fremgangsmåte som er kjennetegnet ved å påtrykke minnecellen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral tilstrekkelig til å frembringe en relaksasjon av avtrykktilstanden og deretter enten utføre en ikke-destruktiv leseoperasjon ved å påtrykke en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller et tidsintegral som ikke endrer eller svitsjer cellens remanente polarisasjonstilstand som satt inn i den initiale skriveoperasjon, slik at det fåes et utlesningssignal som er indikativt for den tilordnede logiske verdi representert av denne polarisasjonstilstand, eller å utføre en skriveoperasjon ved å påtrykke minnecellen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral som bevirker en overskriving av minnecellens polarisasjonstilstand som satt i den initiale skriveoperasjon, slik at den i minnecellen lagrede logiske verdi overskrives med den samme eller den motsatte logiske verdi.

Ytterligere trekk og fordeler ved denne fremgangsmåte vil fremgå av de vedføyde uselvstendige krav 2-5.

De ovennevnte hensikter så vel som ytterligere trekk og fordeler oppnås i henhold til den foreliggende oppfinnelse også med en fremgangsmåte for ikke-destruktiv utlesning som er kjennetegnet ved å påtrykke over minnecellen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral tilstrekkelig til å frembringe et utlesningssignal som er indikativt for cellens remanente polarisasjonstilstand, men uten å relaksere cellens avtrykkstilstand eller å endre den remanente polarisasjonstilstand, idet deteksjon av utlesningssignalet svarer til en ikke-destruktiv leseoperasjon, hvorved den i minnecellen lagrede logiske verdi kan bestemmes. I sammenheng med en slik ikke-destruktiv utlesning, hvor det benyttes flere spenningspulser, kan disse fordelaktig være bipolare og da foretrukket asymmetriske.

Endelig oppnås de ovennevnte hensikter så vel som ytterligere trekk og fordeler i henhold til den foreliggende oppfinnelse med en fremgangsmåte for å lagre og aksessere data og som er kjennetegnet ved å påtrykke valgte minneceller i gruppen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral tilstrekkelig til å frembringe en relaksasjon av avtrykkstilstanden, mens de ikke-valgte minneceller i gruppen fortsatt befinner seg i avtrykkstilstand, å tilordne de respektive relakserte minneceller en første logisk verdi, og å tilordne de minnecellene i avtrykkstilstand en annen logisk verdi, hvorved gruppen av minneceller flyktig kan lagre et dataord binært på henholdsvis den relakserte tilstand og avtrykkstilstanden, og å påtrykke minnecellene i gruppen en eller flere spenningspulser som genererer en dynamisk respons som skjelner mellom en relaksert minnecelle og en minnecelle i avtrykk, hvorved de i gruppen av minneceller temporært lagrede data kan utleses i en ikke-destruktiv leseoperasjon i tidsvinduet gitt av levetiden for den relakserte tilstand.

Oppfinnelsen skal bedre forståes med den etterfølgende beskrivelse av forskjellige eksempler på utførelser tatt i samband med den vedføyde tegning på hvilken

fig. 1 viser en hysteresekurve for et ferroelektrisk minnemateriale,

fig. 2a en spenningspulssekvens i henhold til den foreliggende oppfinnelse og slik den kan benyttes for å relaksere en polarisasjonstilstand i avtrykk, samt responsen til en relaksert minnecelle,

fig. 2b dynamiske utleste responskurver for henholdsvis en relaksert og ikke-relaksert minnecelle eller minnecelle i avtykk i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

fig. 3 dynamiske utlesningsresponser for en minnecelle i avtrykk frembrakt ved påtrykking av spenningspulssekvenser med et økende antall sykler,

fig. 4 en skjematisk representasjon av en matriseadresserbar gruppe av minneceller som benyttet med den foreliggende oppfinnelse,

fig. Sa en skjematisk gjengivelser av hvordan data i form av en byte og i henhold til den foreliggende oppfinnelse skrives til en rad av minneceller og lagres i en avtrykkstilstand av disse,

fig. 5b et eksempel på hvordan data i form av en byte overskrives for en temporær eller flyktig lagring på raden av minneceller på fig. 5a.

Den generelle bakgrunn for den foreliggende oppfinnelse skal nå forklares noe mer detaljert med henvisning til fig. 1 som viser hysteresekurven for et ferroelektrisk materiale, f.eks. en organisk kopolymer så som polyvinylidenfluoirdtrifluoretylen (P(VDF-TrFE)) som er den for tiden fremherskende minnematerialekandidat blant organiske, ferroelektriske polymerer. I det følgende vil minnematerialet for enkelthets skyld bli betegnet som ferroelektrisk minnemateriale, dvs. et som er i stand til å polariseres til en av to polarisasjonstilstander og som i tillegg har koersitivfelt og hysterese, selv om det skal forståes at ferroelektriske materialer danner et egentlig undermengde av elektrete materialer og vanligvis skjelnes fra disse ved deres evne til å vise hysterese og koersitivfelt som angitt, dvs. et materiale som viser en ferroelektrisk oppførsel under sin curietemperatur. Over denne temperaturen mister den sine ferroelektriske egenskaper og blir paraelektrisk. Hysteresekurven på fig. 1 er vist i et koordinatsystem hvor abscissen gir spenningen og ordinaten polarisasjonen, den sistnevnte vanligvis i tilfelle ferroelektriske minner målt i uC/cm<2>.1 stedet for spenning kunne abscissen like gjerne angi den elektriske feltstyrke, men hensiktsmessig blir spenningen benyttet, som tilfellet er, på en gitt minnecelle, idet spenningsparameterne lett beregnes av den koersitive feltstyrke til materialet og tykkelsen av minnematerialet i minnecellen, dvs. avstanden mellom adresseringselektrodene til denne, idet disse utgjør en ordlinje og en bitlinje som kontakterer minnematerialet og sammen med dette danner en kondensatorlignende struktur. Data blir nå lagret i minnecellen og polariserer minnematerialet til en av to remanente polarisasjonstilstander, nemlig +PR og -PR for minnecellen og svarende til motsatte retninger av det elektriske felt. Den remanente polarisasjonstilstand til minnematerialet er permanent og kan benyttes til å representere en lagret logisk verdi eller datum, f.eks. "0" eller "l" som angitt på fig. 1. Denne verdien kan etter å ha blitt skrevet i minnecellen lagres på ubestemt tid i en ikke-flyktig tilstand i fravær av ytterligere påtrykking av elektriske felt i minnecellen. En typisk remanent polarisasjon for minnecellen vil være i størrelsesorden 10-20 uC/cm<2>. Metningspolarisasjonsnivfiet er angitt henholdsvis med +Ps og -Ps, mens forskjellen mellom metningspolarisasjonen Ps og den remanente polarisasjon PR kalles den ikke-svitsjende polarisasjon og betegnes som P, dvs. at den henholdsvis vil være+ P og - P, alt ettersom. Videre skal forskjellen i polarisasjonsnivåer mellom de remanente polarisasjonstilstander absolutt uttrykt tas som P<*>og kalles svitsjepolarisasjonen, hvilket utgjør en netto polarisasjonsforandring indusert når retningen av polarisasjon reverseres i en svitsjeoperasjon, dvs. ved å påtrykke et elektrisk feltstyrke tilstrekkelig til å oppnå dette. Dette elektriske koersitivfelt skal svare til koersitivspennigene, dvs. verdiene +Vc, -Vchenholdsvis ved krysningen mellom hysteresekurven og abscissen. En ferroelektrisk minnecelle stilles fra sin jomfruelige eller upolariserte tilstand til en ønsket polarisasjonstilstand ved å benytte en potensialforskjell eller spenningsforskjell over minnematerialet og større enn koersitivspenningen Vc, vanligvis f.eks. minst 50% større enn Vc. Dette spenningsnivå kalles svitsjespenningen Vs. I tilfelle Vshar samme retning som polarisasjonsretningen, f.eks. positiv på fig. 1 betegnet med +VSjvil polarisasjonen bli drevet til metningsverdien +Ps og deretter relaksere til den remanente polarisasjonstilstand +pR som på fig. 1 skal representere lagringen av en logisk 0. Tilsvarende vil påtrykking av en negativ svitsjespenning -Vsresultere i at minnecellen polariseres til den motsatte remanente polarisasjon -PR på fig. 1, som skal representere lagringen av en logisk 1. Utlesing av en lagret logisk verdi kan nå øyeblikkelig finne sted ved å avspørre minnecellen med en passende spenningspuls, vanligvis svitsjespenningen V$. I tilfelle minnecellen befinner seg i en positiv remanent polarisasjonstilstand +Pr og lagre en logisk 0, vil en positiv svitsjespenning +VSdrive polarisasjonen til minnecellen mot metningen +PS og den vil deretter etter at svitsjespenningen Vser fjernet, relaksere tilbake til den permanente polarisasjonstilstand +PR. Den induserte polarisasjonsforandring svarer i dette tilfelle til den ikke-svitsjende polarisasjon P og resulterer vanligvis i et lite strømsignal på bitlinjeelektroden og med en styrke svarende til den induserte polarisasjonsforandring. Hvis minnecellen befinner seg i sin negative remanente polarisasjonstilstand -Pr og såtedes lagrer en logisk 1, vil en stor positiv svitsjespenning +VSdrive polarisasjonen i minnecellen til en positiv metningsverdi +PS, hvoretter fjerning av svitsjespenningen +VSresulterer i at minnecellen relakserer til den motsatte remanente polarisasjon +PR. Med andre ord er retningen av polarisasjon til det elektriske felt nå reversert og den initiale, lagrede datum, nemlig "1", er nå blitt forvandlet til en "0". Den tilordnede logiske verdi er naturligvis avhengig av den forhåndsbestemte valgte protokoll, dvs. konvensjon. Da vil nettoforandringen i polarisasjonen svare til svitsjepolarisasjonen P<*>og resultere i et utlesningssignal på bitlinjen tilsvarende stort slik at forskjellen mellom den lagrede logiske "0" og "1" lett skjelnes i en utlesningsoperasjon. Hvis imidlertid det opprinnelige datum ble ødelagt i en såkalt destruktiv utlesningsprosess, kan det bare beholdes ved nå å utføre en skriveoperasjon til minnecellen for nok en gang å forandre dens polarisasjonsretning. Dette gjøres ved å påtrykke en negativ svitsjespenning -Vstil cellen som befinner seg i en positiv remanent polarisasjon +PR, og det vil resultere i at polarisasjonen til cellen drives mot den negative metningspolarisasjon -Ps, hvorpå minnecellen etter fjerning av svitsjespenningen -Vsrelakserer tilbake til den opprinnelige remanente polarisasjon -Pr og således gjenoppretter den opprinnelige skrevne logiske "1".

I den ovennevnte drøftelse er det antatt at minnecellen ikke befinner seg i en avtrykkstilstand, dvs. at dataene lagres permanent, men at lesing og svitsjing lett utføres ved å påtrykke f.eks. en enkel svitsjespenningspuls i utlesningsoperasjonen og et ødelagt datum blir tilsvarende lett tilbakestilt ved å benytte svitsjespenningen Vs>men med motsatt fortegn, på minnecellen. Hvis imidlertid minnecellen etterlates uadressert i noen tid etter den initiale innstilling eller skriving av et datum tit den, er den tilbøyelig til å utvikle avtrykk, dvs. ende opp mer eller mindre permanent låst i sin remanente polarisasjonstilstand og ville ikke reagere på f.eks. normal påtrykking av en svitsjespenning. Avtrykkstilstanden kan eventuelt relakseres og datainnholdet i minnecellen leses eller tilbakestilles ved å påtrykke en eller flere spenningspulser, med enten en meget stor amplitude eller alt ettersom tilstrekkelig lang varighet for å fremtvinge en respons eller til syvende og sist utføre en destruktiv utlesning eller tilbakestilling av minnecellen. Med andre ord avhenger i avtrykkstilstanden muligheten for å utføre en adresseringsoperasjon til minnecellen av å påtrykke spenningspulser av en passende form, polaritet og/eller med tilstrekkelige tidsintegral til å relaksere avtrykkstilstanden til minnecellen. En slik avtrykkrelakserende operasjon blir også kalt oppfrisking, da den etter å ha vært utført vil igjen gjøre minnecellen tilgjengelig i den normale mode. Avhengig av den påfølgende aksessfrekvens, kan den forbli i tilstanden uten avtrykk. Annerledes uttrykt, ved å påtrykke repetitive oppfriskingsspenningssykler med tilstrekkelig høy frekvens, kan avtrykk unngås.

Polarisasjonstilstanden til en minnecelle i avtrykk kan endres på forskjellige måter, men i henhold til en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse blir avtrykk relaksert ved å benytte en hurtig sekvens av bipolare spenningspulser med forholdsvis kort varighet eller lengde, men med spenninger sammenlignbare med svitsjespenningen eller til og med høyere. Denne prosedyren vil relaksere avtrykkstilstanden og datainnholdet i cellen kan leses ut som normalt En, foretrukket spenningspulssekvens for å bevirke relaksasjon av denne art i en minnecelle i avtrykk er vist på fig. 2a. Denne figuren gjengir spenningspulssekvensen påtrykt for relaksering og den resulterende utlesningsrespons til en minnecelle ved 25°C etter at den oppholdt seg i avtrykkstilstanden i 1000 s. Den påtrykte spenningspulssekvens er vist med tynn linje og omfatter en initial puls på omtrent 30 ms varighet fulgt av en sekvens av meget kortere pulser med motsatt polaritet. Utlesningsresponsen som gis ved en tykk linje på fig. 2a fremtrer som en ringepulssekvens, f.eks. som en 30 us puls svarende til en polarisasjon på mellom 10 og 12 uC/cm<2>etterfulgt av en sekvens av meget skarpe pulser med motsatt polaritet, men med omtrent den samme polarisasjonsverdi som den første puls. Det skal bemerkes at pulsamplitudene angir de tilsvarende oppnådde polarisasjonsverdier, mens de korte linjer perpendikulære til abscissen markerer brudd på tidsaksen. Fig. 2b viser pulssekvenser for responsen henholdsvis til en relaksert, dvs. avtrykksfri minnecelle, og en minnecelle i avtrykk. Den tynne linje gjengir pulssekvensen for den relakserte celle ved 2S°C og etter 1000 s avtrykkstid, mens den tykke linje gjengir utlesningsresponsen for en minnecelle som fortsatt befinner seg i avtrykkstilstanden. Slik det vil ses, er det en vesentlig forskjell i ladningsverdiene både i tilfelle av amplitudene i først puls i hver sekvens så vel som av amplitudene av de følgende negative pulser av sekvensene. Dette innebærer at det vil være lett å skjelne mellom utlesningssignaler fra en minnecelle i den relakserte tilstand og en minnecelle i dens avtrykkstilstand. I likhet med fig. 2a markerer linjene perpendikulært til abscissen på fig. 2b brudd på tidsaksen. Den initiale triggerpuls i sekvensen har en spenning på 14 V, hvilket kan anses som den normale svitsjespenning, men naturligvis uten å bevirke noe annet enn temporære eller transiente forandringer i polarisasjonen, da det ikke forekommer noen permanent forandring i dens retning, og utlesningsoperasjonen er i den forstand ikke-destruktiv, dvs. den opprinnelige polarisasjonstilstand beholdes etter utlesningen eller når minnecellen nok en gang tillates til å innta avtrykkstilstanden.

Den virkelige og momentane polarisasjonsverdi til minnecellen vil imidlertid oscillere omkring de remanente polarisasjonsverdier med perioder avhengig av pulssekvensens tidsparametere og en tidskonstant for den dynamiske polarisasjonsrespons, noe som er angitt med dobbeltpiler på fig. 1.

Utlesningssignalet i den relakserte mode vil imidlertid være merkbart forskjellig fra det som kan fås fra minnecellen i avtrykk og dette viser seg i de dynamiske karakteristikker til denne som vist på fig. 3 Her angir den øverste kurve den dynamiske polarisasjonsrespons for en ikke-relaksert minnecelle i avtrykk med bruk av en lesepuls på 5 us. De følgende kurver angir i rekkefølge påtrykkingen av det angitte antall (6 til 5SS6) av bipolare 30 us spenningspulser, initialt på 14 V, etter at minnecellen har befunnet seg i avtrykktilstanden i 52 dager. Det kan lett ses at f.eks. ved bruk av pulsekvens på 56 bipolare 30 us spenningspulser som resulterer i en tredje responskurve fra toppen og bunnen, forårsaker en merkbar forskjell i signalstyrken mellom minnecellen i avtrykk, dvs. ikke-relaksert tilstand, og den relakserte minnecelle. I det første tilfelle er polarisasjonen etter 5 us ca. - 6 uC/cm<2>; i det annet ca. -11 uC/cm<2>, noe som gir en signalstyrkeforskjell på ca. 5 uC/cm<2>. Denne forbløffende store forskjell i signalstyrken kan utnyttes til å forbedre datalagringsevnen til minnecelle på en helt ny og uventet måte, noe som vit bli drøftet i detalj nedenfor.

Fig. 4 viser meget skjematisk utførelsen av en minneinnretning som en gruppe av minneceller og som vil bli benyttet ved den foreliggende oppfinnelse. For enkelthets skyld er minneinnretningen på fig. 4 vist som en passiv matrise med bare 8 ordlinjer og 8 bitlinjer og således 64 minneceller i alt. Generelt vil antallet ordlinjer og bitlinjer hver andra til tusener, og minnematrisen omfatter millioner av minneceller ved krysningene mellom ordlinjene og bitlinjene. Anta at data er blitt skrevet til alle minneceller i minneinnretningen på fig. 4 og at den er blitt etterlatt i denne tilstand i et tidsrom som kan være fra en brøkdelen av et sekund til en ubestemt lang tidsperiode. Minnecellen vil låses i en avtrykkstilstand, dvs. mye mer energi vil være nødvendig for å fremkalle respons fra minnecellene, eksempelvis for en utlesning eller for å svitsje minnecellene til motsatt polarisasjonstilstand. Det skal nå antas at en hel rad i avtrykkstilstand i en matriseadresserbar minneinnretning skal overskrives med de nye data. Fig. 5 viser et diagram som representerer raden av minneceller som svarer til en situasjon hvor den aktive ordlinje AWL er blitt skrevet med dataordet eller byten 01011001. Polarisasjonstilstanden er angitt for raden av 8 minneceller i rekkefølge på den horisontale akse, mens polarisasjonsnivåene er gitt ved den vertikale akse til venstre. Hver minnecelle er representert av en pil som angir polarisasjonsretningen for den remanente polarisasjon av minnematerialet og følgelig er dataordet 01011001 innstilt i raden av minneceller med en av polarisasjonstilstandene og befinner seg i avtrykk i disse som angitt. Det er nå ønskelig å temporært overskrive dette dataord i avtrykksstand med et nytt dataord eller byte 10101110. Dette gjøres ved å relaksere polarisasjonstilstanden i den første minnecelle i avtrykk, beholde avtrykkstilstanden i den annen celle, relaksere polarisasjonstilstanden i den tredje celle, beholde avtrykkstilstanden til den fjerde celle, relaksere polarisasjonstilstanden til den femte celle, relaksere polarisasjonstilstanden til den sjette og syvende celle, og la den åttende og siste celle beholde sin avtrykkstilstand. Minnecellene som befinner seg i sin avtrykkstilstander uansett hvorvidt disse svarer til den positive eller negative remanente polarisasjonstilstand, anses nå for å representere en logisk 0, mens alle relakserte minneceller anses for å representere en logisk 1. Dette muliggjør en meget enkel tilbakeskrivningsprotokoll, da de opprinnelige polarisasjonstilstander ikke spiller noen rolle i det hele tatt. Protokollen krever bare at den første logiske tilstand (i dette tilfelle en logisk 0), blir tilordnet til minnecellene i avtrykk, mens den annen logiske tilstand (i dette tilfelle er en logisk 1) det blir tilordnet de relakserte minneceller. Utlesningen utføres nå lett ved en initial bipolar pulsing med forholdsvis høy spenning, eksempelvis mer enn 10 V i hvilket tilfelle en foreliggende avtrykkstilstand vil avsløres av en meget langsom eller manglende dynamisk respons, mens de relakserte minneceller har en meget større dynamisk respons, slik det fremgår av fig. 2b. Hvis det ikke forsøkes med ytterligere aksess innenfor tidsvinduet gitt av levetiden til den relakserte polarisasjonstilstand, vil naturligvis disse minnecellene vende tilbake til den opprinnelige avtrykkstilstand og den skrevne informasjonen går tapt.

Slik det vil ses, foregår utlesning av den relakserte minnetilstand i henhold til den foreliggende oppfinnelse ikke-destruktivt og uten svitsjing til polarisasjonstilstanden ved ganske enkelt å registrere den dynamiske respons i utlesningssyklusen. Dette er allerede foreslått i den ovennevnte publiserte internasjonale patentsøknad WO02/05288 og vil i tillegg være standardmodus for utlesning også i den foreliggende oppfinnelse, dvs. det er den dynamiske respons som er av faktisk betydning i utlesningsprosessen og forskjellene i de registrerte dynamiske responser som muliggjør diskriminering mellom de lagrede logiske verdier. Det vil ses at selv om relaksasjonen som i dette tilfelle svarer til en skriveoperasjon til minnecellen, er langsom med hensyn til slumpmessige aksesstid, vil muligheten for parallell skriving tjene til å øke bitraten vesentlig. Data lagret med bruk av relakserte minneceller vil i fravær av aksess til slutt gå tapt, men det foreligger som nevnt en rekke tilfeller hvor en temporær lagring av data er påkrevet eller ønskelig, til og med for bare noen få sekunder eller en brøkdel av et sekund. Et typisk eksempel er temporær lagring av foreløpig data generert av en databehandlingsoperasjon og som skal lastes opp i et umiddelbart påfølgende trinn i operasjonen. Såkalte høyhastighetscache- eller bufferminner kan benyttes for dette, men de skal i tillegg også allokeres for permanent lagring av andre typer data, f.eks. kildekode som eksempelvis benyttet i behandlingsoperasjonen og som også må beholdes. Dette vil naturligvis minske lagringsplassen som står til rådighet for temporær lagring av data i henhold til kjent teknikk, noe som kan være ulempe i store databehandlingsoperasjoner hvor behovet for både permanent og temporær datalagring i det interne minne krever en stor datalagringskapasitet.

Slik det vil være innlysende for fagfolk, vil drift av et ferroelektrisk minne i henhold til oppfinnelsen med minneceller i avtrykkstilstand og relaksert (flyktig) tilstand, innebære ikke-destruktive adresseringsoperasjoner, dvs. at det ikke finner sted noen svitsjing av polarisasjonsretningene til minnecellene. Dette kan sammenlignes med adresseringsoperasjoner i en minneinnretning som ikke befinner seg i avtrykk, hvor gjennomsnittlig 50% av minnecellene i en rad (under antagelse av en jevn fordeling av logiske 0 og logiske 1) vil svitsjes i en utlesningsoperasjon. Da utlesningen nesten alltid vil utføres som en helradsutlesning, dvs. alle minneceller på de aktive ordlinjer leses i parallell og et dataord likt antallet minneceller (eller bitlinjer) på raden gis ut, genererer utlesningen en såkalt forstyrrelse, dvs. uønskede spenningspulser til ikke-adresserte minneceller på de inaktive ordlinjer. Dette kan i stor grad avbøtes ved å benytte en passende spenningspulsprotokoll som foreskriver påtrykking av spenningsnivåer som f.eks. utgjør en valgt fraksjon, vanligvis halvparten eller tredjeparten av svitsjespenningen, til ordlinjene og bitlinjene utenfor en lesesyklus og å låse inaktive ordlinjer under lesesyklusen på f.eks. det samme spenningsnivå som de aktive bitlinjer, slik at potensialforskjeller mellom de første og sistnevnte fjernes, noe som vil tjene til å redusere virkningen av forstyrrelsesspenninger. Tilsvarende protokoller blir også benyttet når destruktivt leste minneceller må tilbakestilles, dvs. svitsjes tilbake til sine opprinnelige polarisasjonstilstander, dvs. den logiske verdi. Dette innebærer en noe mer kompleks protokoll som benytter tilbakestilling (eller oppfrisking) gjennomsnittlig utført på halvparten av minnecellene i en rad, dvs. en ordlinje (vedrørende spenningspulsprotokoller for adresseringsoperasjoner i ferroelektriske minner, se internasjonal publisert patentsøknad WO02/05287). I den foreliggende oppfinnelse er alle ikke-adresserte celler naturligvis i avtrykkstilstand og alle skrive/leseoperasjoner som vanligvis kan utføres som en helrads skrive/leseoperasjon er alltid ikke-destruktive og vil ikke være i stand til å generere noen nevneverdig forstyrrelse, men minneceller i avtrykk vil i ethvert tilfelle stort sett være immune for forstyrrelser.

Den foreliggende oppfinnelse angir en fremgangsmåte som skal tillate et minne fullt ut å benyttes til permanent lagring av data, samtidig som den vil tillate at de permanent lagrede data overskrives for temporær lagring. Dette vil naturligvis effektivt fordoble datalagringskapasiteten til ferroelektriske eller elektrete minner som benyttet ved den foreliggende oppfinnelse. De flyktige eller de relakserte tilstander kan da etter at data f.eks. er blitt lastet opp eller ned ganske enkelt gå tilbake til de opprinnelige avtrykkstilstander i en ytterligere overføringsoperasjon, og de permanent lagrede data kan da naturligvis aksesseres som ovenfor nevnt.

Det kan imidlertid være ønskelig å beholde data som ble lagret i den annen mode, dvs. med bruk av flyktig lagring i relakserte minneceller. Dette kan utføres ved å utsette de relakserte minneceller for en gjentatt oppfrisking med en frekvens på 10-1000 Hz slik at de kan forbli i sin flyktige tilstand. Alternativt kan de utleste data overføres til et annet sted i den samme minneinnretning og skrives til denne som vekslende polarisasjonstilstander som etter valg kan tillates å havne i avtrykk, i hvilket tilfelle en oppfrisking vil være nødvendig før det forsøkes en konvensjonell, destruktiv utlesning. Det vil imidlertid være innlysnende for fagfolk at passende avbildningsprosedyrer kan benyttes på minneinnretninger for optimalt å håndtere lagringen av data i disse som ønsket eller påkrevet. Videre skal også bemerkes at gjentatte oppfriskingsoperasjoner for å beholde data lagret i en relaksert eller flyktig tilstand svarer til oppfriskingsoperasjoner, slik som er nødvendige for å opprettholde data lagret i dynamiske randomaksessminner (DRAMs), og følgelig vil et ferroelektrisk minne drevet i den relakserte mode i denne henseende ligne en DRAM.

For alte praktiske formål kan det ses at den ferroelektriske eller elektrete minneretning i avtrykk kan anses som en art av leselager eller ROM når den etterlates i sin avtrykkstilstand: Data kan aksesseres og utleses, men det gjøres ikke noe forsøk på å oppfriske eller relaksere minnets avtrykkstilstand. Implikasjonen av lagring i avtrykkstilstanden er at minnet bare skrives en gang og deretter leses ut så mange ganger som ønskelig og med muligvis lange intervaller mellom utlesningen. På den annen side kan datalagringskapasiteten naturligvis dobles hvis det samme minne benyttes på måten som er vist i den foreliggende oppfinnelse, nemlig ved å benytte relakserte polarisasjonstilstander og avtrykkstilstander til å representere logiske verdier, og en skriveoperasjon vil enten relaksere en avtrykkstilstand eller ikke.

For å oppsummere tillater den foreliggende oppfinnelse i utgangspunktet å relaksere minneceller i avtrykk, slik at minneinnretningen i en første mode fortrinnsvis drives som en ROM og med data lagret i form av remanente polarisasjonstilstander og bruk av ikke-destruktiv utlesning, og i en annen mode drives som en hurtig, transient buffer som benytter relakserte minnetilstander eller avtrykkstilstander til å representere binære data for flyktig lagring, og hvor data fortsatt kan aksesseres for ikke-destruktiv utlesning. Som fagfolk lett vil innse, kan forskjellige protokoller benyttes med den foreliggende oppfinnelse. Endelig kan den interessante, men trivielle iakttagelse gjøres at da datalagring i den annen mode naturligvis er flyktig og transient, kan det ses hvordan flyktige data viskes ut og faktisk forsvinner uten spor etter hvert som minnet går tilbake til den initiale avtrykkstilstand. Dette spesielle fenomen kan muliggjøre anvendelser av den foreliggende oppfinnelse i andre sammenhenger enn de som bare vedrører datalagring.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for adressering av en ferroelektrisk eller elektret minnecelle, hvor adresseringen omfatter leseoperasjoner og skrive- eller tilbakestillingsoperasjoner, hvor minnecellen i en initial skriveoperasjon er satt i en av to ikke-flyktige polarisasjonstilstander som er tilordnet respektive logiske verdier, og hvor minnecellen deretter er tillatt å innta en avtrykkstilstand, karakterisert vedå påtrykke minnecellen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral tilstrekkelig til å frembringe en relaksasjon av avtrykktilstanden og deretter enten utføre en ikke-destruktiv leseoperasjon ved å påtrykke en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller et tidsintegral som ikke endrer eller svitsjer cellens remanente polarisasjonstilstand som satt inn i den initiale skriveoperasjon, slik at det fåes et utlesningssignal som er indikativt for den tilordnede logiske verdi representert av denne polarisasjonstilstand, eller å utføre en skriveoperasjon ved å påtrykke minnecellen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral som bevirker en overskriving av minnecellens polarisasjonstilstand som satt i den initiale skriveoperasjon, slik at den i minnecellen lagrede logiske verdi overskrives med den samme eller den motsatte logiske verdi.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor mer enn en spenningspuls påtrykkes, karakterisert vedat de påtrykte spenningspulser er bipolare.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat de dipolare pulser er asymmetriske med hensyn til form, polaritet og/eller tidsintegral.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat skri veoperasj onen utføres ved å utsette minnecellen for nevnte spenningspuls eller spenningspulser med samme polaritet.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat skri veoperasj onen utføres ved å utsette minnecellen for nevnte spenningspulser med begge polariteter.

6. Fremgangsmåte for ikke-destruktiv utlesing av en lagret logisk verdi i en ferroelektrisk eller elektret minnecelle, hvor minnecellen i en initial skriveoperasjon er satt i en av to ikke-flyktige polarisasjonstilstander som er tilordnet respektive logiske verdier, og hvor minnecellen deretter er blitt tillatt å innta en avtrykkstilstand, karakterisert vedå påtrykke over minnecellen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral tilstrekkelig til å frembringe et utlesningssignal som er indikativt for cellens remanente polarisasjonstilstand, men uten å relaksere cellens avtrykkstilstand eller å endre den remanente polarisasjonstilstand, idet deteksjon av utlesningssignalet svarer til en ikke-destruktiv leseoperasjon, hvorved den i minnecellen lagrede logiske verdi kan bestemmes.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, hvor mer enn en spenningspuls påtrykkes, karakterisert vedat de påtrykte spenningspulser er bipolare.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert vedat de dipolare pulser er asymmetriske med hensyn til form, polaritet og/eller tidsintegral.

9. Fremgangsmåte for å lagre og aksessere data i en ferroelektrisk eller elektret minneinnretning omfattende en gruppe av minneceller hvor data er blitt skrevet som polarisasjonstilstander i de respektive minneceller som deretter er tillatt å innta en avtrykkstilstand, karakterisert vedå påtrykke valgte minneceller i gruppen en eller flere spenningspulser med form, polaritet og/eller tidsintegral tilstrekkelig til å frembringe en relaksasjon av avtrykkstilstanden, mens de ikke-valgte minneceller i gruppen fortsatt befinner seg i avtrykkstilstand, å tilordne de respektive relakserte minneceller en første logisk verdi, og å tilordne de minnecellene i avtrykkstilstand en annen logisk verdi, hvorved gruppen av minneceller flyktig kan lagre et dataord binært på henholdsvis den relakserte tilstand og avtrykkstilstanden, og å påtrykke minnecellene i gruppen en eller flere spenningspulser som genererer en dynamisk respons som skjelner mellom en relaksert minnecelle og en minnecelle i avtrykk, hvorved de i gruppen av minneceller temporært lagrede data kan utleses i en ikke-destruktiv leseoperasjon i tids vinduet gitt av levetiden for den relakserte tilstand.