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Die
Erfindung betrifft eine FeRAM-Speicherzelle zum Speichern von Daten
in Form einer remanenten Polarisation eines ferroelektrischen Bereichs. Die
Erfindung betrifft weiterhin eine FeRAM-Speicherschaltung und Verfahren
zum Speichern eines Datumwertes in einer FeRAM-Speicherzelle.
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Ferroelektrische
Speicherzellen umfassen üblicherweise
eine Kondensatorstruktur mit Kondensatorelektroden, zwischen denen
ein ferroelektrisches Material angeordnet ist. Entsprechend einer geeigneten
Schreibspannung, die an die Kondensatorelektroden angelegt wird,
kann die Polarisation des ferroelektrischen Materials eingestellt
werden, wodurch ein Zustand in der ferroelektrischen Speicherzelle
gespeichert werden kann. Das Auslesen des Zustandes aus der ferroelektrischen
Speicherzelle erfolgt durch Anlegen einer bestimmten Lesespannung,
wobei durch das Auftreten oder Nicht-Auftreten einer plötzlichen
Ladungsänderung
der Kondensatorstruktur festgestellt wird, ob sich die Polarisation
der ferroelektrischen Speicherzelle bei Anlegen der Lesespannung ändert oder
nicht. Je nach dem, ob festgestellt wird, dass sich die Polarisation ändert oder
nicht, wird ein bestimmter Zustand in der ferroelektrischen Speicherzelle
erkannt.
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Die
Polarisation des ferroelektrischen Materials bewirkt ein Hystereseverhalten
einer Polarisations-Spannungs-Kennlinie. Das Hystereseverhalten wird
durch die remanente Polarisation bewirkt, d. h. die Polarisationsladung
des ferroelektrischen Materials, wenn kein elektrisches Feld angelegt
ist. Die Polarisation des ferroelektrischen Materials wechselt bei
einer entsprechend angelegten elektrischen Feldstärke, die
der Polarisation entgegen gerichtet ist. Die Spannung, bei der die
Polarisation umschlägt,
wird Koerzitivspannung genannt.
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Im
Vergleich zu anderen Arten von nichtflüchtigen Speicherzellen, wie
beispielsweise EEPROM-Speicherzellen oder Flash-Speicherzellen ist bei einer integrierten
Aufbauweise die benötigte
Fläche
für eine
FeRAM-Speicherzelle mehr als doppelt so groß, so dass bislang vergleichbare
Speicherdichten mit FeRAM-Speicherzellen nicht erreicht werden können.
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Aus
der Druckschrift
DE
197 24 449 A1 ist eine FeRAM-Speicherzelle mit einem Auswahltransistor
und einem ferroelektrischem Speicherelement zum Speichern von Daten
bekannt das eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode, einen
ersten ferroelektrischen Bereich aus einem ersten ferroelektrischen
Material, der sich in einem ersten Abschnitt zwischen der ersten
und zweiten Kondensatorelektrode erstreckt und in dem ersten Abschnitt
eine erste Koerzitivspannung und eine erste remanente Polarisation
bewirkt, und einen zweiten ferroelektrischen Bereich aus einem zweiten
ferroelektrischen Material, der sich in einem zweiten Abschnitt
zwischen der ersten und zweiten Kondensatorelektrode erstreckt und
in einem zweiten Abschnitt eine zweite Koerzitivspannung und eine
zweite remanente Polarisatoinsladung bewirkt, aufweist, wobei der
erste und der zweite ferroelektrische Bereich so gestaltet sind, dass
die erste und zweite Koerzitivspannung und die erste und zweite
remanente Polarisationsladung jeweils unterschiedlich sind, so dass
die durch die Kondensatorelektroden gebildete Kondensatorstruktur eine
stufige Hysteresecharakteristik in einer Polarisationsladungs-Spannungs-Kennlinie
aufweist, und wobei der erste und zweite ferroelektrische Bereich aufeinander
folgend bezüglich
einer Richtung, die senkrecht. zur Abstandsrichtung der beiden Kondensatorelektroden
verläuft,
angeordnet sind.
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Aus
der
DE 19724499 A1 ist
weiter eine FeRAM-Speicherzelle mit einem Auswahltransistor und einen
ferroelektrischen Speicherelement zum Speichern von Daten bekannt,
das eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode, einen ersten
ferroelektrischen Bereich aus einem ersten ferroelektrischen Material, der
sich in einem ersten Abschnitt zwischen der ersten und zweiten Kondensatorelektrode
erstreckt und in dem ersten Abschnitt eine erste Koerzitivspannung
und eine erste remanente Polarisation bewirkt und einer zweiten
ferroelektrischen Bereich aus einem zweiten ferroelektrischen Material,
der sich in einem zweiten Abschnitt zwischen der ersten und zweiten
Kondensatorelektrode erstreckt und in einem zweiten Abschnitt eine
zweite Koerzitivspannung und eine zweite remanente Polarisatoinsladung bewirkt,
aufweist, wobei der erste und der zweite ferroelektrische Bereich
so gestaltet sind, dass die erste und zweite Koerzitivspannung und
die erste und zweite remanente Polarisationsladung jeweils unterschiedlich
sind, so dass die durch die Kondensatorelektroden gebildete Kondensatorstruktur
eine stufige Hysteresecharakteristik in einer Polarisationsladungs-Spannungs-Kennlinie
aufweist, und wobei das erste und das zweite ferroelektrische Material
unterschiedlich sind.
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Die
Druckschrift
DE 102
19 396 A1 zeigt ein ferroelektrisches Bauelement mit mehreren
dielektrischen Bereichen zwischen zwei Kondensatorelektroden.
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Aus
der Druckschrift
US
5,495,438 A sind ferroelektrische Speicherelemente mit
einem ferroelektrischen Material mit verschiedenen remanenten Polarisationen
offenbart. Um eine stufige Hysterecharakteristik zu bewirken, weist
das ferroelektrische Speicherelement eine Kondensatorstruktur mit verschiedenen
Bereichen auf, wobei Kondensatorelektroden verschiedene Abstände in den
verschiedenen Bereichen aufweisen.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 720 172 A2 ist ein ferroelektrisches Speicherelement
bekannt, das zwei Kondensatorstrukturen aufweist, die jeweils ein
ferroelektrisches Material unterschiedlicher Dicke enthalten.
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Auch
die Druckschrift
US
2001/0022292 A1 zeigt ein ferroelektrisches Speicherelement
mit einem Kondensatorelement, das Abschnitte verschiedener Dicke
aufweist.
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Aus
der Druckschrift
US
6,091,621 A ist eine Feldeffekttransistorstruktur, bei
dem die Gate-Elektrode über
einen zweigeteilten Bereichen mit ferroelektrischen Materialien
von dem Kanalbereich getrennt ist, bekannt, wobei die verschiedenen
Bereiche unterschiedliche ferroelektrische Eigenschaften aufweisen.
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In
3 ist
eine aus der
DE 197
24 499 A1 bekannte Ausführungsform
eines ferroelektrischen Speicherelements dargestellt. Das ferroelektrische Speicherelement
10 weist
einen ersten Abschnitt A1 und einen zweiten Abschnitt A2 auf. Das
ferroelektrische Speicherelement der bekannten Ausführungsform
ist als Kondensatorstruktur ausgebildet, und weist eine erste Kondensatorelektrode
11 und
eine zweite Kondensatorelektrode
12 auf. Der Bereich zwischen
den Kondensatorelektroden
11,
12 ist im Gegensatz
zu der Erfindung mit demselben ferroelektrischen Material (z. B.
PZT) gefüllt.
In einem ersten Abschnitt A1 sind die Kondensatorelektroden
11,
12 mit
einem ersten kleineren Abstand d1 von einander beabstandet, während in
einem zweiten Bereich A2 die Kondensatorelektroden
11,
12 mit
einem größeren Abstand
d2 beabstandet sind. Dadurch wird eine Stufenstruktur der Kondensatorelektroden
11,
12 gebildet.
Eine solche Struktur eines ferroelektrischen Speicherelements
10 führt zu verschiedenen Hysteresekennlinien
der Polarisations-Spannungs-Kennlinie. Aufgrund des verwendeten,
identischen, ferroelektrischen Materials in beiden Abschnitten A1,
A2 des ferroelektrischen Speicherelements
10 und aufgrund
der im Wesentlichen gleichen Kondensatorflächen in den Abschnitten A1,
A2 weisen beiden Abschnitte des ferroelektrischen Speicherelements
eine identische remanente Polarisation P
r auf.
Nur aufgrund der unterschiedlichen Abstände d1, d2 in den Kondensatorelektroden
11,
12 sind
die Koerzitivspannungen V
C der beiden Abschnitte,
A1, A2 verschieden, da es auf die auf das ferroelektrische Material
wirkende elektrische Feldstärke
ankommt. Insbesondere muss zum Erreichen eines gleichen Feldstärkewertes
in dem zweiten Abschnitt A2 eine höhere Spannung an die Kondensatorelektroden
11,
12 angelegt
werden, da dort der Elektrodenabstand d2 größer ist als in dem ersten Abschnitt A1.
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Um
bei der Ausführungsform
der 3 auch unterschiedliche remanente Polarisationen
Pr zu erreichen, ohne verschiedene ferroelektrische
Materialien zu verwenden, könnten
die Flächen
der Kondensatorelektroden 11, 12 in den Abschnitten
A1, A2 unterschiedlich gewählt
werden. D. h. im Allgemeinen lässt
sich die Koerzitivspannung Vc eines derartigen ferroelektrischen
Speicherelements mit mehreren Abschnitten durch die Wahl des ferroelektrischen Materials
und/oder durch unterschiedliche Abstände zwischen den Kondensatorelektroden 11, 12 in
den Abschnitten A1, A2 einstellen. Eine geeignete remanente Polarisation
Pr lässt
sich in den beiden Abschnitten durch die Wahl von verschiedenen
ferroelektrischen Materialien und/oder durch das Vorsehen unterschiedlicher
Flächen
der Kondensatorelektroden 11, 12 in den Abschnitten
A1, A2 erreichen.
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In
den 4a und 4b sind
mit Bezug auf die Ausführungsform
des ferroelektrischen Speicherelements nach 3 die Polarisations-Spannungs-Kennlinien
sowohl für
die einzelnen Abschnitte A1, A2 des ferroelektrischen Speicherelements
als auch für
das gesamte ferroelektrische Speicherelement dargestellt. Man erkennt
in 4c, dass die Überlagerung der Hysteresekennlinien
dazu führt, dass
drei verschiedene remanente Polarisationen der Gesamtanordnung des
ferroelektrischen Speicherelements auftreten können. Dass nur drei statt vier
verschiedene Polarisationswerte auftreten, liegt daran, dass die
remanenten Polarisationen Pr beider Abschnitte
der Ausführungsform
der 3 identisch sind. Damit fallen die gesamten remanenten
Polarisationen bei einer negativen remanenten Polarisation des ersten
Abschnitts und bei einer posi tiven Polarisation des zweiten Abschnitts
sowie bei einer positiven remanenten Polarisation des ersten Abschnitts
und bei einer negativen remanenten Polarisation des zweiten Abschnitts
zusammen und addieren sich zu einer gesamten remanenten Polarisation von
0.
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Aufgabe
der Erfindung ist es eine FeRAM-Speicherzelle, eine FeRAM-Speicherschaltung und
ein Verfahren zum Speichern eines Datumwertes in der Fe-RAM-Speicherzelle
bereitzustellen, mit denen sich die Speicherdichte von Daten erhöhen lässt und
ein zuverlässiges
Ein- und Auslesen gewährleistet
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die FeRAM Speicherzelle nach Anspruch 1, die
FeRAM-Speicherschaltung nach Anspruch 7 sowie durch das Verfahren
nach Anspruch 13 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein ferroelektrisches
Speicherelement zum Speichern von Daten vorgesehen. Das ferroelektrische
Speicherelement umfasst eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode,
zwischen denen ein erster ferroelektrischer Bereich und ein zweiter
ferroelektrischer Bereich angeordnet sind. Der erste ferroelektrische
Bereich erstreckt sich in einem ersten Abschnitt zwischen der ersten
und zweiten Kondensatorelektrode und bewirkt in dem ersten Abschnitt
eine erste Koerzitivfeldstärke
und eine erste remanente Polarisation. Der zweite ferroelektrische Bereich
befindet sich in einem zweiten Abschnitt zwischen der ersten und
zweiten Kondensatorelektrode und bewirkt in den zweiten Abschnitt
eine zweite Koerzitivfeldstärke
und eine zweite remanente Polarisation. Der erste und der zweite
ferroelektrische Bereich sind aus unterschiedlichem Material gestaltet, so
dass die erste und die zweite Koerzitivfeldstärke und die erste und die zweite
remanente Polarisation jeweils unterschiedlich sind, so dass die
durch die Kondensatorelektroden gebildete Konden satorstruktur eine
stufige Hysteresecharakteristik in einer Polarisations-Spannungs-Kennlinie
des ferroelektrischen Speicherelements aufweist.
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Das
ferroelektrische Speicherelement gemäß der vorliegenden Erfindung,
ermöglicht
es mehr als zwei Zustände
einzunehmen, und somit mehr als ein Bit zu speichern. Dies wird
durch mehrere ferroelektrische Bereiche ermöglicht, die zwischen den beiden
Kondensatorelektroden im Wesentlichen nebeneinander bezüglich einer
Richtung, die senkrecht zur Abstandsrichtung der beiden Kondensatorelektroden verläuft, angeordnet
sind. Darüber
hinaus sind der erste und der zweite ferroelektrische Bereich mit
unterschiedlichen ferroelektrischen Materialien ausgebildet. Die
ferroelektrischen Bereiche weisen verschiedene Koerzitivfeldstärken und
verschiedene remanente Polarisationen auf, die vorzugsweise bei verschiedenen
Koerzitivspannungen eingenommen werden. Somit ist es möglich, die
ferroelektrischen Bereiche unabhängig
voneinander mit einer gleichgerichteten oder gegengerichteten Polarisation
zu belegen, so dass im besten Fall vier verschiedene Zustände in dem
ferroelektrischen Speicherelement eingenommen werden können.
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Es
kann vorgesehen sein, dass in dem ersten und zweiten ferroelektrischen
Bereich die Abstände
zwischen der ersten und zweiten Kondensatorelektrode unterschiedlich
sind, um den Betrag der jeweiligen Koerzitivfeldstärke einzustellen,
und/oder die Flächen
der Kondensatorelektroden, die im ersten und zweiten Abschnitt unterschiedlich
sind, um den Betrag der jeweiligen remanenten Polarisation einzustellen.
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Vorzugsweise
sind der erste und der zweite ferroelektrische Bereich so gestaltet,
dass sich die Beträge
der ersten und der zweiten Koerzitivfeldstärke um einen Faktor von mindestens
zwei unterscheiden. Weiterhin sind der erste und der zweite ferroelektrische
Bereich vorzugsweise so gestaltet, dass sich die Beträge der ersten
und der zweiten remanenten Polarisation um einen Faktor von mindestens zwei
unterscheiden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine FeRAM-Speicherschaltung
zum Speichern eines Datums in einem derartigen ferroelektrischen
Speicherelement vorgesehen. Das ferroelektrische Speicherelement
weist eine Schreibschaltung auf, die so gestaltet ist, dass nacheinander
eine von einem zu speichernden Datum abhängige erste und zweite Schreibspannung
an das ferroelektrische Speicherelement angelegt wird, um eine erste
und eine zweite Polarisationsladung des ersten bzw. zweiten ferroelektrischen
Bereichs abhängig
von dem zu speichernden Datum einzustellen. Auf diese Weise kann
ein zweiphasiger Schreibvorgang durchgeführt werden, bei dem zunächst die Polarisation
des ferroelektrischen Bereiches mit der größeren Koerzitivfeldstärke und
anschließend
die Polarisation des ferroelektrischen Bereichs mit der niedrigeren
Koerzitivfeldstärke
festgelegt wird.
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Vorzugsweise
kann der Betrag der ersten Schreibspannung größer sein als die größere der Spannungen,
die die Koerzitivfeldstärken
bewirken, und der Betrag der zweiten Schreibspannung größer sein
als die kleinere der Spannungen, die die Koerzitivfeldstärken bewirken,
und kleiner als die größere der
Spannungen, die die Koerzitivfeldstärke bewirken, sein.
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Insbesondere
kann die Schreibschaltung so gestaltet sein, dass ein erstes Datum
in dem ferroelektrischen Speicherelement gespeichert wird, indem die
erste Schreibspannung als positive Spannung angelegt wird, dass
ein zweites Datum in dem ferroelektrischen Speicherelement gespeichert
wird, indem die erste Schreibspannung als positive Spannung und
die zweite Schreibspannung als negative Spannung angelegt werden,
dass ein drittes Datum in dem ferroelektrischen Speicherelement
gespeichert wird, indem die erste Schreibspannung als negative Spannung
angelegt wird, und dass ein viertes Datum in dem ferroelektrischen
Speicherelement gespeichert wird, indem die erste Schreibspannung
als negative Spannung und die zweite Schreibspannung positive Spannung
angelegt werden.
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Vorzugsweise
ist das ferroelektrische Speicherelement an einer Wortleitung und
einer Bitleitung angeordnet und durch einen zugeordneten Auswahltransistor
auswählbar,
wobei die Schreibschaltung ein Auswahlsignal generiert, das an die
Wortleitung anlegbar ist. Auf der Bitleitung wird ein Schreibpotential
bereitgestellt, wobei der Auswahltransistor abhängig von dem Auswahlsignal
das ferroelektrische Speicherelement mit der Bitleitung verbindet,
um die erste und die zweite Schreibspannung an das ferroelektrische
Speicherelement anzulegen. Insbesondere kann das ferroelektrische
Speicherelement an einer Potentialleitung angeschlossen sein, über die
ein weiteres Schreibpotential bereitgestellt wird, so dass die erste
und die zweite Schreibspannung als Differenzspannung zwischen dem
Schreibpotential und dem weiteren Schreibpotential gebildet werden.
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Vorzugsweise
kann eine Ausleseschaltung vorgesehen sein, die so gestaltet ist,
dass beim Auslesen eine erste Lesespannung, dessen Betrag größer ist
als die kleinere der Spannungen, die die Koerzitivfeldstärken bewirken,
und kleiner ist als die größere der
Spannungen, die die Koerzitivfeldstärken bewirken, an das ferroelektrische
Speicherelement angelegt wird und ein Maß der ersten Ladungsflusses
an dem ferroelektrischen Speicherelement detektiert wird und dass
anschließend
eine zweite Lesespannung, deren Betrag größer ist als die größere der
Spannungen, die die Koerzitivfeldstärken bewirken, an dem ferroelektrischen
Speicherelement angelegt wird und ein Maß eines zweiten Ladungsflusses
an dem ferroelektrischen Speicherelement detektiert wird. Auf diese
Weise wird ein zweiphasiger Auslesevorgang durchgeführt, bei
dem zunächst
die Polarisationsladung des ferroelektrischen Bereichs mit der geringeren
der Spannungen, die die Koerzitivfeldstärken bewirken, und anschließend die
Polarisationsladung des ferroelektrischen Bereichs mit der höheren Koerzitivspannung
bestimmt wird.
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Vorzugsweise
kann die Ausleseschaltung abhängig
von dem Maß des
ersten Ladungsflusses und von dem Maß des zweiten Ladungsflusses
das in dem ferroelektrischen Speicherelement gespeicherte Datum
bestimmen.
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Insbesondere
kann die Ausleseschaltung mit der Schreibschaltung so gekoppelt
sein, um nach dem Auslesen das ausgelesene Datum in das ferroelektrische
Speicherelement erneut gemäß einem Schreibvorgang
zu speichern. Dies ist sinnvoll, wenn das ausgelesene Datum weiterhin
in der Speicherzelle bereitgestellt werden soll, da durch den Auslesevorgang
die zuvor gespeicherte Information verloren geht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Speichern eines Datums in einem ferroelektrischen Speicherelement
vorgesehen. Gemäß dem Verfahren
werden nacheinander eine von einem zu speichernden Datum abhängige erste
und/oder zweite Schreibspannung an das ferroelektrische Speicherelement
angelegt, um die erste und die zweite Polarisationsladung des ersten
und zweiten ferroelektrischen Bereichs abhängig von dem zu speichernden
Datum einzustellen.
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Insbesondere
wird ein erstes Datum in dem ferroelektrischen Speicherelement gespeichert,
in dem die erste Schreibspannung als positive Spannung angelegt
wird, wobei ein zweites Datum in dem ferroelektrischen Speicherelement
gespeichert wird, indem die erste Schreibspannung als positive Spannung
und die zweite Schreibspannung als negative Spannung angelegt wird,
wobei ein drittes Datum in dem ferroelektrischen Speicherelement
gespeichert wird, in dem die erste Schreibspannung als negative Spannung
angelegt wird, und wobei ein viertes Datum in dem ferroelektrischen
Speicherelement gespeichert wird, indem die erste Schreibspannung
als negative Spannung und die zweite Schreibspannung als positive
Spannung angelegt werden.
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Vorzugsweise
wird beim Auslesen eine erste Lesespannung, dessen Betrag größer ist
als die kleinere der Koerzitivspannungen und kleiner ist als die größere der
Spannungen, die die Koerzitivfeldstärken bewirken, an das ferroelektrische
Speicherelement angelegt und ein Maß des ersten Ladungsflusses
an dem ferroelektrischen Speicherelement detektiert. Anschließend wird
eine zweite Lesespannung, dessen Betrag größer ist als die größere der Spannungen,
die die Koerzitivfeldstärken
bewirken, an dem ferroelektrischen Speicherelement angelegt und
ein Maß eines
zweiten Ladungsflusses an dem ferroelektrischen Speicherelement
detektiert. Vorzugsweise wird das in dem ferroelektrischen Speicherelement
gespeicherte Datum abhängig
von dem Maß des
ersten Ladungsflusses und von dem Maß des zweiten Ladungsflusses
bestimmt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein ferroelektrisches
Speicherelement gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 sowohl die einzelnen Polarisations-Spannungs-Kennlinien der Abschnitte
des ferroelektrischen Speicherelements der 1 sowie
eine resultierende gemeinsame Polarisations-Spannungs-Kennlinie
mit einer stufigen Hysteresecharakteristik;
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3 eine
schematische Darstellung eines Querschnitts einer bekannten Ausführungsform
eines ferroelektrischen Speicherelements;
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4 eine
Darstellung der jeweiligen Hysterese-Kennlinie der einzelnen Abschnitte
des ferroelektrischen Speicherele ments nach 3, sowie eine
gemeinsame Polarisations-Spannungs-Kennlinie;
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5 ein
Blockschaltbild einer FeRAM-Speicherschaltung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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6a bis 6d zeigt
verschiedene Abfolgen von Spannungspulsen, die an das ferroelektrische
Speicherelement angelegt werden, um dieses mit einem bestimmten
Datum zu beschreiben;
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7 zeigt
eine Polarisations-Spannungs-Kennlinie mit einer stufigen Hysterese,
in der die remanenten Polarisationsladungen bezüglich der umschriebenen Zustände der 6a bis 6d dargestellt
sind;
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8a zeigt
den Verlauf einer Lesespannung an einem ferroelektrischen Speicherelement zum
Auslesen des in dem ferroelektrischen Speicherelement gespeicherten
Zustandes;
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8b zeigt
quantitativ ein Maß des
resultierenden Ladungsflusses an dem ferroelektrischen Speicherelement
abhängig
von den Leseimpulsen.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines ferroelektrischen
Speicherelements gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Das ferroelektrische Speicherelement 1 ist
in Form einer Kondensatorstruktur mit einer ersten Kondensatorelektrode 2 und
einer zweiten Kondensatorelektrode 3 ausgebildet. Zwischen den
Kondensatorelektroden 2, 3 befindet sich in einem
ersten Abschnitt A1 ein erster ferroelektrischer Bereich 4,
der mit einem ersten ferroelektrischen Material gebildet ist. In
einem zweiten Abschnitt A2 befindet sich zwischen der ersten und
zweiten Kondensatorelektrode 2, 3 ein zweiter
ferroelektrischer Bereich 5 mit einem zweiten ferroelektrischen
Material.
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Ferroelektrische
Materialien sind bei Anlegen eines elektrischen Feldes polarisierbar.
Befindet sich ein ferroelektrisches Material zwischen Kondensatorelektroden
eines Kondensators, so kann dieses Material je nach Polarisationsladung
ein zwischen den Kondensatorplatten bestehendes elektrisches Feld
verstärken
oder abschwächen.
Dabei kann das ferroelektrische Material im Wesentlichen zwei extreme
Polarisationszustände
einnehmen, die durch einen remanenten Polarisationswert Pr angegeben werden. Der remanente Polarisationswert
Pr entspricht einer durch das ferroelektrische
Material bewirkten Feldstärke,
wenn keine Spannung an die Kondensatorelektroden angelegt ist. Der
Betrag der remanenten Polarisation ist im Wesentlichen unabhängig von
dem Vorzeichen, so dass je nach Zustand des ferroelektrischen Materials
zwischen den Kondensatorelektroden eine positive remanente Polarisation
+Pr oder eine negative remanente Polarisation –Pr vorliegt. Die remanente Polarisation Pr eines ferroelektrischen Materials lässt sich ändern, wenn
eine der Polarisation entgegen gerichtete elektrische Feldstärke zwischen
den Kondensatorelektroden angelegt wird, wobei sich das Vorzeichen
der remanenten Polarisation Pr des ferroelektrischen
Materials im Wesentlichen bei einer bestimmten Koerzitivfeldstärke sprunghaft ändert.
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Der
Spannungswert (bzw. elektrische Feldstärke), bei dem es zu einer sprunghaften Änderung der
Polarisierung des ferroelektrischen Materiales kommt, wird Koerzitivspannung
Vc (Koerzitivfeldstärke) genannt. Der Betrag der
Koerzitivspannung Vc beim Wechsel von einer
negativen zu einer positiven Polarisation sowie bei einem Wechsel
von einer positiven zu einer negativen Polarisation ist im Wesentlichen
konstant und weist je nach Polarisationswechsel ein unterschiedliches
Vorzeichen auf.
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Man
erkennt, dass die Polarisation und die an den Kondensatorelektroden
angelegte Spannung eine Hysteresekennlinie bilden, wie sie in den 2a und 2b für die verschiedenen Abschnitte
A1 bzw. A2 des ferroelektrischen Speicherelements vorliegen.
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Das
gezeigte ferroelektrische Speicherelement wird also durch einen
Kondensator gebildet, der zwei verschiedene ferroelektrischen Materialien
aufweist. Die beiden ferroelektrischen Materialien sind bezüglich einer
Richtung, die senkrecht zur Abstandsrichtung verläuft, nebeneinander
zwischen den Kondensatorelektroden 2, 3 angeordnet.
Die Kondensatorelektroden 2, 3 sind vorzugsweise
als ebene Kondensatorplatten ausgebildet, um bei Anlegen einer Spannung
in dem jeweiligen ersten und zweiten ferroelektrischen Bereich eine
gleichmäßige elektrische
Feldstärke
zu erreichen. In den 2a und 2b ist
das elektrische Verhalten der beiden Abschnitte A1, A2 des ferroelektrischen
Speicherelements anhand einer Polarisations-Spannungs-Kennlinie
dargestellt.
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Beim
Vergleich der Hysteresekennlinien der 2a und 2b erkennt
man, dass das zweite ferroelektrische Material im Vergleich zu dem
ersten ferroelektrischen Material eine niedrige remanente Polarisation
jedoch eine höhere
Koerzitivspannung (Koerzitivfeldstärke) aufweist.
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Bei
einer Anordnung, wie sie in der Ausführungsform der 1 gezeigt
ist, kommt es zu einer einfachen Überlagerung der Hysteresekennlinien
der einzelnen Abschnitte des ferroelektrischen Speicherelements.
Es wird eine resultierende Polarisations-Spannungs-Kennlinie gebildet,
die im Wesentlichen eine stufige Hysteresekennlinie aufweist. Die stufige
Hysteresekennlinie wird im Wesentlichen durch die unterschiedlichen
remanenten Polarisationen Pr1, Pr2 bewirkt, die sich durch Addition bzw.
Subtraktion der remanenten Polarisationen Pr1,
Pr2 des ersten und zweiten ferroelektrischen
Bereiches des ferroelektrischen Speicherelements ergeben. So kann
je nach Speicherzustand (jeweilige Polarisation des ersten und zweiten
ferroelektrischen Bereichs) des ferroelektrischen Speicherelements
eine erste remanente Polarisation Pr1 – Pr2 eine zwei te remanente
Polarisation Pr1 + Pr2 eine dritte remanente Polarisation –Pr1 + Pr2
und eine vierte remanente Polarisation –Pr1 – Pr2 angenommen werden. Durch ein
geeignetes Schreibverfahren lassen sich die remanenten Polarisationen
der ferroelektrischen Bereiche individuell einstellen. Die so eingestellten
Zustände
der FeRAM-Speicherzelle können
durch ein geeignetes Leseverfahren ausgelesen werden. Schreib- und
Leseverfahren werden weiter unten beschrieben.
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Als
ferroelektrische Materialien mit niedriger Koezitivfeldstärke, kommt
SrBi2Tr2O9 (Strontium-Wismut-Tantalat, SBT), Blei-Zirkonat-Titanat (BZT)
und dergleichen in Betracht. Bevorzugt sind als ferroelektrische
Materialien mit niedriger Koerzitivfeldstärke solche Materialien zu wählen, die
eine Koerzitivfeldstärke
von 10–50
kV/cm aufweisen. Als ferroelektrische Materialien mit hoher Koerzitvfeldstärke sind
Lithiumniobat (LiNbO3 und Lithiumtantalat LiTaO3) zu nennen. Diese haben vorzugsweise eine Koerzitivfelstärke zwischen
150–300
kV/cm, vorzugsweise 200 kV/cm.
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In 5 ist
eine FeRAM-Speicherschaltung mit einem derartigen ferroelektrischen
Speicherelement als Blockschaltbild dargestellt. Dargestellt ist beispielhaft
eine FeRAM-Speicherzelle
mit einem Auswahl-Transistor 20 und einem ferroelektrischen Speicherelement 21 gebildet.
Der Übersichtlichkeit halber,
ist in der dargestellten FeRAM-Speicherschaltung
nur eine FeRAM-Speicherzelle dargestellt, die sich jedoch in einer
Matrix aus FeRAM-Speicherzellen befindet, die über eine Vielzahl von Wortleitungen
und Bitleitungen WL, BL adressiert werden können. Die Wortleitungen WL
sind mit einem Wortleitungsdecodierer 22 verbunden, der
einen Eingang aufweist, über
den der Wortleitungsdecodierer 22 mit einer Schreibschaltung 23 und
einer Ausleseschaltung 24 verbunden ist. Weiterhin ist
der Wortleitungsdecodierer 22 mit einem Adresseingang versehen, um
eine Wortleitungsadresse zu empfangen. Die Bitleitungen BL sind
mit einer Bitleitungs schalteinrichtung 25 verbunden, die
abhängig
von einer zu adressierenden FeRAM-Speicherzelle eine Bitleitung
BL auswählt
und ein von der Schreibschaltung 23 oder der Ausleseschaltung 24 bereitgestelltes
Bitleitungspotential an die betreffende Bitleitung BL anlegt. Der Wortleitungsdecodierer 22 aktiviert
abhängig
von der Adresse der zu adressierenden FeRAM-Speicherzelle die betreffende Wortleitung
WL, und schaltet den zugehörigen
Auswahltransistor 20 durch.
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf die 6a bis 6d auf
einen Schreibvorgang in einer FeRAM-Speicherzelle, wie sie in der
Ausführungsform der
FeRAM-Speicherschaltung nach 5 verwendet
wird, eingegangen. Der Schreibvorgang wird im Wesentlichen durch
die Schreibeinheit 23 gesteuert. Der Schreibvorgang wird
im Wesentlichen anhand einer FeRAM-Speicherzelle erklärt, wobei das ferroelektrische
Speicherelement 21 entsprechend der Ausführungsform
der 1 ausgebildet ist, wobei vier verschiedene Zustände als
unterschiedliche remanente Polarisationen Pr in
dem ferroelektrischen Speicherelement 21 gespeichert werden
können. Beim
Beschreiben der FeRAM-Speicherzelle wird zunächst die entsprechende Wortleitung
WL durch den Wortleitungsdecodierer 22 aktiviert, so dass
der Auswahltransistor 20 durchgeschaltet wird. Anschließend wird über die
Bitleitung BL ein erster Potentialpuls an das ferroelektrische Speicherelement 21 angelegt,
der bewirkt, dass über
dem ferroelektrischen Speicherelement 21 eine Schreibspannung
anliegt, dessen Betrag größer ist
als die zweite Koerzitivspannung VC2 desjenigen
Abschnitts des ferroelektrischen Speicherelements mit der höheren Koerzitivspannung,
d. h. im Ausführungsbeispiel
der 1 eine Spannung, die größer ist als die zweite Koerzitivspannung
VC2 des zweiten Abschnitts A2. Je nach zu
schreibenden Zustand kann die erste Schreibspannung positiv oder
negativ sein und stellt die Polarisationsladung des zweiten Abschnittes
des ferroelektrischen Speicherelements abhängig von dem Vorzeichen der
ersten Schreibspannung ein. Da die Koerzitivspannung VC1 des
ersten Abschnittes A1, d. h. die Koerzi tivspannung des Abschnittes
mit der geringeren Koerzitivspannung kleiner ist als der Betrag der
an dem Speicherelement 21 anliegenden ersten Schreibspannung
wird auch die remanente Polarisation des ersten Abschnittes A1 des
ferroelektrischen Speicherelements entsprechend eingestellt. Nachfolgend
wird eine zweite Schreibspannung über die entsprechende Bitleitung
BL an das Speicherelement 21 angelegt, deren Betrag kleiner
ist als die Koerzitivspannung des ferroelektrischen Bereichs mit
der größeren Koerzitivspannung
und größer ist
als die Koerzitivspannung des ferroelektrischen Bereichs mit der kleineren
Koerzitivspannung.
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Dies
ist jedoch nur dann notwendig, wenn die Polarisationsladung des
ersten ferroelektrischen Bereiches zu der Polarisationsladung des
zweiten ferroelektrischen Bereiches ein inverses Vorzeichen aufweist.
Soll ein Zustand in das Speicherelement 21 geschrieben
werden, bei dem beide ferroelektrischen Bereiche das gleiche Vorzeichen
der Polarisationsladung aufweisen sollen, so kann es ausreichend
sein, nur eine erste Schreibspannung an das ferroelektrische Speicherelement 21 anzulegen,
da damit auch die Polarisationsladung des ersten ferroelektrischen Bereiches
eingestellt wird.
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In
den 6a und 6d ist
diese Option gestrichelt dargestellt. Beim Schreiben der Zustände „1" und „2" ist es dagegen notwendig,
wie in den 6b und 6d gezeigt,
in zwei Schritten das ferroelektrische Speicherelement zu beschreiben,
indem zunächst
ein erstes entsprechendes Schreibpotential und anschließend ein
zweites Schreibpotential mit entgegengesetztem Vorzeichen, jedoch
mit einer geringeren Spannung an die FeRAM-Speicherzelle angelegt
wird.
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Um
die jeweilige Schreibspannung über
das Speicherelement 21 anzulegen, wird ein Bitleitungspotential
gewählt,
das eine den entsprechenden Potentialdifferenz zu dem Potential
auf einer Potentialleitung 26 aufweist. Die Potentialleitung 26 ist
mit dem ferroelektrischen Speicherelement verbunden und wird entweder
auf einem festgelegten Potential gehalten, so dass das Bitleitungspotential
je nach Schreibpotential eine positive oder eine negative Spannungsdifferenz
zu dem festgelegten Potential auf der Potentialleitung 26 aufweist,
oder die Potentialleitung 26 wird je nach der an das Speicherelement 21 anzulegenden
Schreibspannung bezüglich
des Bitleitungspotentials auf der Bitleitung BL geändert. Dies
wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel,
das in 5 dargestellt ist, dadurch erreicht, dass die
Potentialleitung 26 mit der Bitleitungsschalteinrichtung 25 in
Verbindung steht, die neben den Bitleitungen BL auch die Potentialleitungen 26 entsprechend
mit dem entsprechenden weiteren Schreibpotential verbindet.
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Das
nacheinander erfolgende Anlegen der beiden Schreibspannungspulse
an das ferroelektrische Speicherelement 21 kann erfolgen,
indem die Schreibspannungspulse bei zuvor durchgeschaltetem Auswahltransistor 20 an
die Bitleitung BL gesteuert durch die Schreibschaltung 23 bzw.
durch die Bitleitungsschalteinrichtung 25 angelegt werden.
Die Schreibspannungspulse können
auch dadurch an das Speicherelement 21 angelegt werden,
dass zunächst
an die Bitleitung BL das erste Schreibpotential angelegt wird, und
anschließend
für eine
vorbestimmte Zeitdauer die Wortleitung aktiviert wird, um den Auswahltransistor 20 durchzuschalten.
Anschließend
wird die Bitleitung BL mit dem zweiten Schreibpotential aufgeladen
und dieselbe Wortleitung WL erneut für eine vorbestimmte Zeitdauer
aktiviert. Die Schreibschaltung 23 kann abhängig von
dem in das Speicherelement zu schreibenden Zustand entscheiden,
ob ein einstufiger oder zweistufiger Schreibprozess notwendig ist,
und im Fall, dass nur ein einfacher Schreibspannungspuls an das
Speicherelement 21 angelegt werden muss, kann die Schreibschaltung 23 mit
dem Schreiben eines Datums in eine weitere Speicherzelle fortfahren.
Dadurch kann Zeit beim Beschreiben von mehreren Speicherzellen eingespart
werden. In 7 ist das Schreibverfahren nochmals
verdeutlicht. Anhand von gestrichelten Pfeillinien wird anhand der
stufen förmigen
Hysteresekennlinie des ferroelektrischen Speicherelements der 1 das
Beschreiben der verschiedenen Zustände dargestellt. Man erkennt,
dass bei Schreiben eines Zustandes „0" zunächst
ein Spannungsimpuls, in einem Vorgang IV, angelegt wird, so dass
beide ferroelektrische Bereiche eine positive remanente Polarisation
erhalten. Zum Schreiben eines Zustandes „1" wird zunächst ein Schreibimpuls, gemäß einem
Vorgang II, an das Speicherelement 21 angelegt. Dadurch
erhalten beide ferroelektrische Bereiche negative remanente Polarisationen,
wobei die remanente Polarisation des ferroelektrischen Bereichs mit
der niedrigeren Koerzitivspannung mithilfe des zweiten Schreibimpulses,
in einem Vorgang III erneut geändert
wird. Zum Einnehmen des Zustandes „2" wird zunächst eine erste Schreibspannung
in einem Vorgang IV an das Speicherelement 21 angelegt
und anschließend
die remanente Polarisation des ferroelektrischen Bereichs mit der
niedrigeren Koerzitivspannung mithilfe eines zweiten Schreibspannungspulses,
gemäß dem Vorgang
I geändert.
Zum Schreiben eines Zustands „3" wird ein erster
Schreibspannungspuls, in einem Vorgang II an das Speicherelement 21 angelegt
und das Anlegen eines zweiten Schreibspannungsimpulses kann optional
ausgeführt werden,
da der ferroelektrische Bereich mit der niedrigeren Koerzitivspannung
bereits die gewünschte remanente
Polarisation aufweist.
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Zum
Auslesen einer FeRAM-Speicherzelle, wie sie in 5 dargestellt
ist, wird die Ausleseschaltung 24 verwendet. Der Auslesevorgang
ist in dem Signal-Zeit-Diagramm der 8a und 8b dargestellt. 8a zeigt
die Lesespannungspulse und 8b die
resultierenden Ladungsflüsse
auf der Bitleitung BL abhängig
von dem gespeicherten Zustand.
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Die
Ausleseschaltung 24 steuert den Wortleitungsdecoder 22 und
die Bitleitungsschalteinrichtung 25 so an, dass zunächst ein
erster Lesespannungspuls an das Speicherelement 21 angelegt
wird, dessen Betrag die erste Koerzitivspannung VC1 des
ferroelektrischen Bereichs mit der niedrigeren Koerzitivspan nung übersteigt,
jedoch kleiner ist als die zweite Koerzitivspannung VC2 des
ferroelektrischen Bereichs mit der höheren Koerzitivspannung. Abhängig davon,
ob ein Polarisationswechsel beim Anlegen des ersten Lesespannungspulses
in dem Speicherelement 21 auftritt, kann ein Ladungsimpuls
auf der Bitleitung BL detektiert werden oder nicht. Tritt ein Wechsel
des Wertes der remanenten Polarisation auf, so fließt ein entsprechender
Ladungsimpuls, da sich die effektive Kapazität des Speicherelements 21 nahezu
sprunghaft ändert.
Tritt keine Änderung
in der remanenten Polarisation des ferroelektrischen Speicherelements
auf, so erfolgt auch keine sprunghafte Änderung der Kapazität des Speicherelements 21 und
es kann kein Ladungsimpuls detektiert werden.
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Anschließend wird
ein zweiter Lesespannungspuls an das Speicherelement 21 angelegt,
dessen Betrag der Spannung größer ist
als die zweite Koerzitivspannung VC2 des
ferroelektrischen Bereichs mit der höheren Koerzitivspannung. Auf
gleiche Weise wie beim ersten Lesespannungsimpuls kann nun auch
beim zweiten Lesespannungsimpuls festgestellt werden, ob ein Polarisationswechsel
in den ferroelektrischen Bereich mit der höheren Koerzitivspannung aufgetreten
ist oder nicht. Das Anlegen der Lesespannungspulse erfolgt im Wesentlichen,
wie bereits zuvor mit Bezug auf die Schreibspannungsimpulse beschrieben.
Somit können
die Lesespannungspulse durch Anlegen der entsprechenden Spannungspulse
auf die Bitleitung bei aktivierter Wortleitung oder durch kurzzeitiges
aufeinanderfolgendes Aktivieren der Wortleitung erzeugt werden.
Beim Auslesen der FeRAM-Speicherzelle ist die Polarität der anliegenden
Lesespannung im Wesentlichen beliebig, sie sollte jedoch für den ersten
und den zweiten Lesespannungspuls gleich sein.
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Beim
Auslesen einer FeRAM-Speicherzelle wird durch Anlegen einer Lesespannung,
die höher ist
als die Koerzitivspannungen der ferroelektrischen Bereiche der FeRAM-Speicherzelle
die darin enthaltenen Information beim Auslesen zerstört. Nach
dem Auslesen ist daher ein Zurückschreiben
der ausgelesenen Informationen notwendig, die vorzugsweise durch
die Schreibschaltung 23 gesteuert durch die Ausleseschaltung 24 durchgeführt wird.
Das Zurückschreiben
der ausgelesenen Informationen erfolgt im Wesentlichen wie zuvor
mit Bezug auf die Funktion der Schreibschaltung 23 beschrieben
wurde.
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- 1
- ferroelektrisches
Speicherelement
- 2
- erste
Kondensatorelektrode
- 3
- zweite
Kondensatorelektrode
- 4
- erster
ferroelektrischer Bereich
- 5
- zweiter
ferroelektrischer Bereich
- A1
- erster
Abschnitt
- A2
- zweiter
Abschnitt
- 10
- ferroelektrisches
Speicherelement
- 11
- erste
Kondensatorelektrode
- 12
- zweite
Kondensatorelektrode
- A1
- erster
Abschnitt
- A2
- zweiter
Abschnitt
- d1
- erster
Abstand
- d2
- zweiter
Abstand
- 20
- Auswahltransistor
- 21
- ferroelektrisches
Bauelement
- 22
- Wortleitungsdecoder
- 23
- Schreibschaltung
- 24
- Ausleseschaltung
- 25
- Bitleitungsschalteinrichtung
- 26
- Potentialleitung