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Dokumentenidentifikation DE69824293T2 16.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001002319
Titel FERROELEKTRISCHE DATENVERARBEITUNGSANORDNUNG
Anmelder Thin Film Electronics ASA, Oslo, NO
Erfinder GUDESEN, Gude, Hans, N-1639 Gamle Fredrikstad, NO;
NORDAL, Per-Erik, N-1370 Asker, NO;
LEISTAD, I., Geirr, N-1330 Sandvika, NO
Vertreter Leonhard Olgemöller Fricke, 80331 München
DE-Aktenzeichen 69824293
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, IE, IT, LI, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.08.1998
EP-Aktenzeichen 989398300
WO-Anmeldetag 13.08.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/NO98/00237
WO-Veröffentlichungsnummer 0099012170
WO-Veröffentlichungsdatum 11.03.1999
EP-Offenlegungsdatum 24.05.2000
EP date of grant 02.06.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.06.2005
IPC-Hauptklasse G11C 11/22
IPC-Nebenklasse H03K 19/177   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ferroelektrische Datenverarbeitungsvorrichtung, insbesondere zum Verarbeiten und/oder Speichern von Daten mit aktiver oder passiver elektrischer Adressierung, umfassend ein Datenträgermedium in der Form eines Dünnfilms aus ferroelektrischem Material, wobei das ferroelektrische Material durch ein aufgebrachtes elektrisches Feld einen ersten oder einen zweiten Polarisierungszustand erreichen kann, indem es von einem ungeordneten Zustand zu einem der Polarisierungszustände oder von dem ersten zu dem zweiten Polarisierungszustand oder umgekehrt geschaltet wird, wobei das ferroelektrische Material Verknüpfungselemente umfasst, wobei ein einem Verknüpfungselement zugewiesener Polarisierungszustand einen logischen Wert des Verknüpfungselements darstellt, wobei der ferroelektrische, dünne Film als Schicht vorgesehen ist, wobei eine erste und eine zweite Elektrodenstruktur jeweils im Wesentlichen zueinander parallele streifenartige Elektroden aufweisen, derart, dass die Elektrodenstrukturen in ihrem Verhältnis zueinander eine im Wesentlichen orthogonale x,y-Matrix bilden, wobei die Elektroden in der ersten Elektrodenstruktur die Spalten der Elektrodenmatrix oder die x-Elektroden und die Elektroden in der zweiten Elektrodenstruktur die Zeilen der Elektrodenmatrix oder die y-Elektroden bilden, wobei ein Bereich des ferroelektrischen, dünnen Films an der Überlappung zwischen einer x-Elektrode und einer y-Elektrode der Elektrodenmatrix ein Verknüpfungselement derart bildet, dass die Verknüpfungselemente gemeinsam eine elektrisch angeschlossene passive Matrix in der Datenverarbeitungsvorrichtung bilden.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Auslesen bei der Adressierung von Verknüpfungselementen in einer ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung, insbesondere einer ferroelektrische Datenverarbeitungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, worin das Verfahren ein Protokoll zum Auslesen unterstützt und Schritte für das jeweilige Auslesen, Verifizieren und Rücksetzen umfasst.

Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung.

Ganz allgemein betrifft die Erfindung Datenverarbeitungsvorrichtungen mit Verknüpfungselementen, die in einem ferromagnetischen Material implementiert sind. Es darf unterstellt werden, dass das Phänomen der Ferroelektrizität in diesem Zusammenhang Fachleuten bekannt ist, da das Gebiet umfänglich in der Literatur behandelt ist, beispielsweise in J. M. Herbert, Ferroelectric Transducers and Sensors, Gordon and Breach, 1982, wo auf den Seiten 126 bis 130 vorgeschlagen wird, einen ferroelektrischen Speicher zu verwenden, der auf Einkristallen aus Bariumtitanat basiert, die zwischen orthogonalen Elektroden in einer x,y-Elektrodenmatrix vorgesehen sind. Der Autor zieht die Schlussfolgerung, dass es in Verbindung mit der Verwendung von ferroelektrischen Einkristallen für die Informationsspeicherung auf diese einfache Weise beträchtliche praktische Schwierigkeiten gibt. Hinsichtlich kürzlich veröffentlichter Übersichtsliteratur kann Bezug auf R. G. Kepler und R. A. Anderson, Advances in Physics, Band 41, Nr. 1, Seiten 1 bis 57 (1992), genommen werden.

Um die Entwicklung von ferroelektrischen Speichern in einem historischen Zusammenhang zu erläutern, kann Bezug auf eine Abhandlung von W. J. Merz und J. R. Anderson mit dem Titel "Ferroelektric Storage Devices", genommen werden, die im September 1955 veröffentlicht wurde (Bell Lab. Records, 1: 335–342 (1955)) und die die Verwendung von anorganischen ferroelektrischen, kristallinen Materialien, insbesondere von Bariumtitanat, in Speicher- und Schaltvorrichtungen offenbart. Die Autoren schlagen insbesondere eine ferroelektrische Speichervorrichtung vor, die auf diesem Material basiert, wobei letzteres als planare 50 bis 100 &mgr;m dicke Platte zwischen sich überlappenden Sätzen paralleler Elektroden vorgesehen ist, wobei ein Satz der Elektroden zu den Elektroden des anderen Satzes orthogonal ist und so in Bereichen des ferroelektrischen Materials zwischen den überlappenden Elektroden ferroelektrische Speicherzellen gebildet werden. Sie offenbaren also eine ferroelektrische Vorrichtung mit einer passiven Elektrodenmatrix zum Adressieren (siehe 10 ihrer Abhandlung), wobei sie die allgemeine Anordnung aller späteren ferroelektrischen Speichervorrichtungen mit einer Adressierung auf der Basis einer Matrix vorwegnehmen. Sie deuten sogar die Verwendung von Transistoren zum Schalten an, aber die Bildung einer aktiven Speicherzelle mit einem Schalttransistor und ausreichend kleiner Abmessung wäre vor dem Aufkommen von beispielsweise integrierten Feldeffekttransistoren kaum praktikabel gewesen.

Wie vorstehend erwähnt, ist das Datenträgermedium ein ferroelektrisches Material in der Form eines dünnen Films. Solche ferroelektrischen Dünnenfilme, die entweder anorganische, keramische Materialien, Polymere oder Flüssigkristalle sein können, sind seit einiger Zeit bekannt, und es wird in diesem Zusammenhang auf den vorstehend erwähnten Artikel von Kepler und Anderson Bezug genommen. Es sind beispielsweise aus J. F. Scott, Ferroelectric memories, Physics World, Februar 1995, Seiten 46 bis 50, Datenspeichervorrichtungen auf der Grundlage von ferroelektrischen Speichermaterialien bekannt. Sie haben alle gemeinsam, dass mindestens ein Transistor in jeder Bitposition oder Speicherzelle notwendig ist. Bei den üblichsten Ausführungsformen wird das ferroelektrische Material als Dielektrikum in der zugehörigen Speicherschaltung verwendet und umfasst einen bitspeichernden Kondensator. Aufgrund der hohen dielektrischen Konstante ferroelektrischem Materialien kann der Kondensator sehr viel kleiner ausgeführt werden als es sonst möglich wäre, und diese sorgt zusätzlich für eine ziemlich überlegene Ladungs-Lebenszeit. Vor kurzem hat sich die Entwicklung auf eine andere Eigenschaft ferroelektrischer Materialien konzentriert, nämlich ihre Fähigkeit, elektrisch polarisiert zu werden, wenn sie kurz einem starken elektrischen Feld ausgesetzt werden. Während des Polarisierungsprozesses erreichen die Dipole des ferroelektrischen Materials eine bevorzugte Orientierung, und das ist etwas, was zu einem makroskopischen Dipolmoment führt, das nach dem Entfernen des polarisierenden Felds aufrechterhalten bleibt. Indem so das ferroelektrische Material in der Gatterelektrodenstruktur eines Feldeffekttransistors in der Speicherzellenschaltung aufgenommen wird, können die Transkonduktanzcharakteristiken der Transistoren durch Steuern des Polarisierungszustands des ferroelektrischen Materials gesteuert werden. Der letztere kann beispielsweise durch polarisierende Felder mit einer Richtung geschaltet werden, die entweder einen Transkonduktanzzustand "Ein" oder "Aus" im Transistor bewirkt.

Das EP Patent Nr. 0 721 189 offenbart einen ferroelektrischen Speicher mit in einer Elektrodenmatrix vorgesehenen, diskreten Speicherzellen. Zusätzlich zu einem diskreten, ferroelektrischen Kondensator umfasst jede Speicherzelle auch Schaltmittel, vorzugsweise in der Form mindestens eines Transistors. Die diskreten Speicherzellen bilden folglich keine passive Matrix. Unter diskreten Speicherzellen soll hier verstanden werden, dass der ferroelektrische Kondensator durch eine diskrete Komponente derart gebildet ist, dass das ferroelektrische Material keine kontinuierliche Schicht in der Matrix bilden kann. Es sind getrennte Daten- und Auswahlleitungen vorgesehen, und das Auslesen einer gespeicherten Dateninformation kann in der Strom- oder Spannungsbetriebsart auf Datenleitungen, die für diesen Zweck vorgesehen sind, stattfinden, jedoch gemäß einem relativ komplizierten Protokoll, wie es beispielsweise im Patentanspruch 6 offenbart ist. Es muss auch bemerkt werden, dass die Anzahl von Speicherzellen, die in einer Datensignalleitung verbunden sind, eingestellt werden muss, um während des Auslesens parasitäre Kapazität an jeder Datensignalleitung aufzunehmen bzw. anzupassen, derart, dass die Spannungsänderung in einer der Datensignalleitungen auf ein Minimum herabgesetzt wird.

Das US-Patent Nr. 5,592,409 betrifft einen nichtflüchtigen, ferroelektrischen Speicher, bei dem Daten ohne Zerstörung ausgelesen werden können. Die Speicherzellen sind in einer aktiven Matrix enthalten und sind darin als Transistorstrukturen ausgebildet, wobei die Gatterelektrode eine der Elektroden in einem ferroelektrischen Kondensator bildet. Es ist ersichtlich, dass die ferroelektrischen Kondensatoren diskrete Komponenten sind. Die Polarisierung des Kondensators findet auf eine wohlbekannte Weise statt; jedoch ist es aufgrund des Auslesens, das in der Strombetriebsart stattfindet, der Drainstrom, der detektiert wird, und zwar um zu verhindern, dass die gespeicherten Daten gelöscht werden.

Selbst wenn die Verwendung von ferroelektrischen Materialien wie vorstehend erwähnt für die Speicherung von Daten beträchtliche Verbesserungen im Verhältnis zu alternativen Technologien darstellt, ist der grundlegenden Aufbau von Speichern auf ferroelektrischer Basis auf die Verwendung von aktiven Mikroschaltungen gerichtet, die in jeder Speicherzelle enthalten sind. Dies hat negative Auswirkungen auf die erzielbare Datenspeicherdichte, d. h. die Anzahl der Bits, die auf einem gegebenen Oberflächenareal gespeichert werden können, wie auch auf die Kosten für jedes gespeicherte Bit, was teilweise auf die komplizierte Herstellungstechnologie und die Verwendung aktiver halbleitender Komponenten zurückgeführt werden könnte.

In jüngster Zeit wurden Vorschläge einer Rückkehr zu ferroelektrischen Speichervorrichtungen gemacht, die als Speicherzellenanordnung in einer passiven Elektrodenmatrix ausgestaltet sind. So offenbart das US-Patent Nr. 5,329,485 (Y. Isono & al.), auf das sich der Oberbegriff von Anspruch 1 stützt, ein Speicherelement und eine Matrixspeicherzellenanordnung mit Speicherzellen, die jeweils ein bipolares Schaltelement mit nichtlinearer Leitfähigkeit aufweisen, das durch eine Mehrschichtenstruktur gebildet ist, die Schreib-/Leseoperationen eines Polarisierungszustands an einem ferroelektrischen Körper durchführt, der ein Aufzeichnungsmedium der Speicherzelle darstellt. Das Schaltelement besitzt die Form eines isolierenden Films, der als Schaltelement wirkt, um Ladungen in einem ladungsakkumulierenden, ferroelektrischen Kondensator zu akkumulieren, der die eigentliche Speicherzelle bildet. Der isolierende Film, der insbesondere ein Polyimidfilm sein kann, gestattet es, dass ein direkter Tunnelstrom fließt, wenn eine Spannung, die einen vorbestimmten Wert übersteigt, an den isolierenden Film angelegt wird. Wenn die Spannung abgeschaltet wird, gewinnt der Film seine isolierende Eigenschaft zurück und hält die Ladungen dadurch aufrecht, dass er deren Abfließen verhindert. Gemäß Isono & al. soll der Film nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaften aufweisen und für eine hohe Schreibgeschwindigkeit ohne eine hohe Betriebsspannung sorgen, da ein großer Teil des Antriebsstroms des isolierenden Films ein direkter Tunnelstrom ist. Dies ermöglicht auch eine hohe Integrationsdichte der Speicherzellen, während der Schaltfilm, der eine Diodengrenz- oder -sperrschicht in der Speicherzelle bildet, ein Nebensprechen zwischen den Zellen verringert.

Das US-Patent Nr. 5,375,085 offenbart ein weiteres Beispiel eines ferroelektrischen Speichers in der Form einer ferroelektrischen, integrierten Schaltung, die mit einer passiven Elektrodenmatrix realisiert ist, wobei eine ferroelektrische Schicht zwischen den Elektrodensätzen, die die im Wesentlichen orthogonale Matrix bilden, vorgesehen ist. Wie üblich, ist die Speicherzelle im Bereich der ferroelektrischen Schicht zwischen der überlappenden Elektrode eines jeden Elektrodensatzes gebildet. Indem eine Isolierschicht über der Elektrodenmatrix vorgesehen ist, kann eine zweite Elektrodenmatrix auf der ersteren angeordnet werden usw., wodurch so eine gestapelte Struktur gebildet wird, die eine volumetrische, dreidimensionale, ferroelektrische, integrierte Schaltung mit einer passiven Matrixadressierung bildet. Dies ist jedoch bereits aus dem vorstehend erwähnten US-Patent Nr. 5,329,485 bekannt, siehe beispielsweise Spalte 14, Z. 31–36.

Des weiteren könnte auch erwähnt werden, dass das Adressieren einer passiven Matrix für den Fall ferroelektrischer Flüssigkristallelemente natürlich gut bekannt ist, wo es beispielsweise bei Flüssigkristallanzeigen verwendet wird. In dieser Hinsicht kann beispielsweise auf das US-Patent 5,500,749 (Inaba & al.) verwiesen werden.

Es wurde auch gezeigt, dass ferroelektrische Polymermaterialien in löschbaren optischen Speichern verwendet werden können. Beispielsweise sind Vorrichtungen für die ultraschnelle, nichtflüchtige Informationsspeicherung mit ferroelektrischen Polymeren als aktive Speicherelemente offenbart (IBM Technical Disclosure Bulletin 37: 421–424 (Nr. 11 (1994)). Bei bevorzugten Ausführungsformen werden Poly(vinylidenfluorid)-(PVDF-) oder PVDF-Trifluorethylen-(PVDF-TrFE-)Copolymere als ferroelektrisches Material eingesetzt, da diese Polymere als sehr dünne Filme erhalten werden können und Ansprechzeiten von besser als 350 Pikosekunden besitzen. Die ferroelektrischen Polymere können im Gatter einer dynamischen oder statischen Standard-RAM-Anordnung verwendet werden. Die grundlegendste Informationsspeichervorrichtung, die vorgeschlagen wurde, besteht aus einem ferroelektrischen, dünnen Film, wobei ein Satz paralleler leitender Elektroden an einer Seite angeordnet ist und ein orthogonaler Satz leitender Elektroden an der anderen Seite angeordnet ist. Die einzelnen Speicherzellen sind an den Verbindungsstellen von sich gegenüberliegenden Elektroden ausgebildet. Ein Stapel aus zweidimensionalen passiven Anordnungen dieser Art kann durch wechselweises Abscheiden von leitenden Streifen und ferroelektrischem Material hergestellt werden, um eine dreidimensionale Anordnung aus ferroelektrischen Kondensatoren aufzubauen, die sich leicht vertikal auf einer integrierten Schaltung mit adressierenden Logikabfühlverstärkern stapeln lassen und so einen volumetrischen oder dreidimensionalen, ferroelektrischen Speicher ergeben.

Des weiteren hat M. Date & al. in dem Aufsatz "Opto-ferroelectric Memories using Vinylidene Fluoride und Trifluoroethylene Copolymers", IEEE Trans. Electr. Ins., Band 24, Nr. 3, Juni 1989, Seiten 537 bis 540 ein Datenmedium vorgeschlagen, das ein mit Farbstoff dotiertes Vinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer mit einer Dicke von 2 &mgr;m umfasst, das auf einer sich drehenden mit ITO beschichteten Glasplatte abgeschieden wird. Die Information wird in Form von Sequenzen positiver und negativer Polarisationen geschrieben, die durch Bestrahlung mit einem fokussierten Laserstrahl mit einem Durchmesser von etwa 5 &mgr;m in Gegenwart von vorzeichensteuernden, elektrischen Feldern erzeugt werden. Die Daten werden pyroelektrisch durch Abtasten mit einem Laserstrahl ausgelesen. Ein Träger-/Rauschverhältnis von 48 dB wurde unter Verwendung einer sich regelmäßig wiederholenden Datenfolge in der Form eines 0/1-Zustands mit einer Teilung von 20 &mgr;m und unter Verwendung einer Laserenergie von 20 mW und einer Feldstärke von 25 mV/m erhalten. Die Lesegeschwindigkeit betrug dann 100 mm/s.

Der Gegenstand der Erfindung ist somit die Schaffung einer einfachen Logikarchitektur, die zur Verwirklichung von entweder bistabilen Schaltern oder Speicherzellen in einer Datenverarbeitungsvorrichtung verwendet werden kann, oder die Schaffung einer rein ferroelektrischen Datenspeichervorrichtung, die die Möglichkeit bietet, eine sehr große Anzahl von Bits in einer Bereichseinheit zu speichern und die gleichzeitig auf einfache Weise in einem großen Volumen und mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann, sodass die vorstehend erwähnten Nachteile der bekannten Dünnfilm-Vorrichtungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird dieser Gegenstand erhalten und der entsprechende Vorteil erzielt mit einer ferroelektrischen Datenverarbeitungsanlage, wie in Anspruch 1 angegeben, einem Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung, wie in Anspruch 9 angegeben, und einem Verfahren zum Auslesen, wie in Anspruch 12 angegeben.

Vorteilhafterweise bildet ein Verknüpfungselement einen bistabilen Schalter in einer Datenverarbeitungseinrichtung oder eine Speicherzelle in einer Datenspeichereinrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektrodenstrukturen und der ferroelektrische, dünne Film auf einem Substrat angeordnet.

Erfindungsgemäß ist der ferroelektrische Dünnfilm vorteilhafterweise aus einem keramischen Material oder einem ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial oder einem Polymer, wobei das Polymer vorzugsweise Polyvinylidenfluorid ist, oder einem Copolymer gebildet, wobei das Copolymer vorzugsweise ein Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymer ist.

Im Verfahren zur Herstellung der ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, dass das Substrat aus einem kristallinen, polykristallinen oder amorphen, halbleitenden Material, beispielsweise Silicium, gebildet ist.

Vorteilhafterweise kann eine kontinuierliche Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material zwischen dem Substrat und der ersten Elektrodenstruktur aufgebracht werden, bevor die erste Elektrodenstruktur auf dem Substrat aufgebracht wird.

In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Auslesen wird die Rückstellung nach dem Lesen ohne Verifikation durchgeführt, indem eine Spannung entgegengesetzter Polarität zu derjenigen der Lesespannung nur in dem Fall angelegt wird, dass im Leseschritt ein hohes Stromsignal detektiert wird.

In einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens für das Auslesen wird die Rückstellung nach dem Lesen zusammen mit der Verifikation durchgeführt, indem eine Spannung der selben Polarität wie derjenigen der Lesespannung nur in dem Fall angelegt wird, dass im Leseschritt ein niedriges Stromsignal detektiert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Auslesen ist es besonders bevorzugt, eine Spannung anzulegen, die zwischen den Elektroden des Verknüpfungselements eine Feldstärke erzeugt, die mehr als zweimal so hoch ist wie das Koerzitivfeld des ferroelektrischen Materials. Vorteilhafterweise wird die angelegte Spannung in den Lese- und/oder Verifikationsschritten als Sägezahnspannung oder Schwellenspannung erzeugt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Auslesen ist es besonders bevorzugt, dass die Stromdetektion im Leseschritt entweder durch Abtasten im Zeitbereich oder in einem Zeitfenster in Abhängigkeit von der Sättigungszeitkonstante der Polarisierung stattfindet. Vorteilhafterweise findet die Stromerfassung, insbesondere im letzteren Fall, durch einen Pegelvergleich statt.

Die Datenverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird in einer volumetrischen Datenverarbeitungs- oder -speichervorrichtung verwendet.

Die Erfindung wird nachstehend detaillierter im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen sowohl der Datenverarbeitungsvorrichtung als auch des Verfahrens und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt, in denen zeigen:

1 eine Ausführungsform einer ferroelektrischen Datenverarbeitungseinrichtung gemäß Stand der Technik in Aufsicht;

2 die Datenverarbeitungseinrichtung gemäß Stand der Technik von 1 in einem schematischen Schnitt entlang der Linie A-A von 1;

3a eine Aufsicht auf ein Verknüpfungselement der Datenverarbeitungseinrichtung gemäß Stand der Technik in 1;

3b schematisch die Polarisierung des Verknüpfungselements von 3a;

4 eine Ausführungsform der Datenverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung in Aufsicht;

5 die Datenverarbeitungsvorrichtung von 4 in einem schematischen Schnitt entlang der Linie A-A von 4;

6a eine Aufsicht auf ein Verknüpfungselement in der Datenverarbeitungsvorrichtung von 4;

6b schematisch die Polarisierung des Verknüpfungselements in der Datenverarbeitungsvorrichtung von 4;

7 eine typische Hystereseschleife für die Polarisierung eines ferroelektrischen Copolymermaterials, wie es in der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung verwendet wird;

8 ein Diagramm des Zeitverhaltens eines aufgefundenen Ausgangssignals aus der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung;

9 ein Diagramm der Schaltcharakteristiken eines ferroelektrischen Copolymermaterials;

10 schematisch und perspektivisch die Datenverarbeitungsvorrichtung der 4 als x,y-Elektrodenmatrix mit x = y = 5; und

11 die Datenverarbeitungsvorrichtung entsprechend derjenigen von 10 und in gestapelten Schichten angeordnet, um eine volumetrische Konfiguration zu implementieren.

Nachstehend sollen Ausführungsform-Beispiele der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung im Zusammenhang mit Datenverarbeitungsvorrichtungen offenbart werden, in denen das Verknüpfungselement als Speicherzellen konfiguriert ist, d. h. in denen die Vorrichtung in ihrer Gesamtheit eine Datenspeichervorrichtung verwirklicht ist. Damit vergleichbar soll nachstehend nur Bezug auf den Einsatz passiver elektrischer Adressierung des einzelnen Verknüpfungselements genommen werden. – Bevor die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch detaillierter erörtert wird, soll eine ferroelektrische Datenspeichervorrichtung des Stands der Technik, wie in 1 gezeigt, kurz beschrieben werden.

1 zeigt die Datenspeichereinrichtung des Stands der Technik mit einem ferroelektrischen, dünnen Film 1, der zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenstruktur ausgebildet ist. Die erste und die zweite Elektrodenstruktur bilden, wie in der Draufsicht von 1 gezeigt, eine zweidimensionale x,y-Matrix mit den Elektroden 2 der ersten Elektrodenstruktur als Spalten in der Matrix oder x-Elektroden und den Elektroden 3 in der zweiten Elektrodenstruktur als Zeilen in der Matrix oder y-Elektroden. Die Elektroden 2, 3 sind mit jeweiligen Treiber- und Steuerschaltungen 5 zum Treiben der Elektroden und der Detektion von Ausgangssignalen verbunden.

Die Elektroden 2, 3 und der ferroelektrische, dünne Film sind, wie im Schnitt in 2 entlang der Linie A-A von 1 gezeigt, in einer Sandwichkonfiguration zwischen einem nicht gezeigten darüberliegenden und darunterliegenden Substrat angeordnet, das beispielsweise aus kristallinem Silicium bestehen kann. Um der Klarheit willen sind die Substrate auch in 1 weggelassen. Zwischen den jeweiligen Substraten und den Elektroden 2, 3 und dem ferroelektrischen, dünnen Film 1 können nicht gezeigte Schichten aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen sein. Da die Substrate selbst aus Halbleitermaterial hergestellt wurden, können die Treiber- und Steuerschaltungen 5 in vorteilhafter Weise integriert mit den Substraten mit einer kompatiblen Technologie hergestellt werden, beispielsweise entlang eines Seitenrands der Datenverarbeitungsvorrichtung wie vorgeschlagen.

3a liefert eine Vergrößerung des überlappenden Kreuzungspunkts zwischen einer x-Elektrode 2 und einer y-Elektrode 3 sowie des aktiven Bereichs 4, der ein Verknüpfungselement in dem ferroelektrischen, dünnen Film 1 bildet. Dieser aktive Bereich 4 wird, wenn an die Elektroden 2, 3 eine Treiberspannung angelegt wird, die ein elektrisches Feld zwischen der x-Elektrode und der y-Elektrode 3 erzeugt, elektrisch in einer Richtung polarisiert, die durch das Vorzeichen der Treiberspannung oder der Polarisierungsspannung bestimmt ist. Das Verknüpfungselement 4 mit dem aktiven Bereich in dem ferroelektrischen, dünnen Film 1 zwischen den Elektroden 2, 3 entlang der Linie B-B in 3a wird in 3b schematisch im polarisierten Zustand gezeigt, der eine Polarisierung in der Richtung "nach oben" mit sich bringt, die beispielsweise der positiven Polarisierung entsprechen kann und deshalb einen Zustand logisch 0 oder logisch 1 in dem Verknüpfungselement 4 oder in der Speicherzelle darstellt, das bzw. die in dem Volumen des ferroelektrischen, dünnen Films 1 in dem überlappenden Kreuzungsbereich zwischen der x-Elektrode 2 und der y-Elektrode 3 gebildet ist. Die Feststellung des Polarisierungszustands, d. h. ob er positiv oder negativ ist, kann nun ziemlich einfach stattfinden, indem das Verknüpfungselement 4 passiv mit einer Spannung angesteuert wird und indem der Polarisierungszustand durch die Ladungsübertragung zwischen den Elektroden 2, 3 während des Ansteuerns und damit im Strommodus als repräsentativ für einen bestimmten logischen Zustand im Verknüpfungselement 4 detektiert wird. Das Ausgangssignal wird durch die Steuerschaltungen registriert und entspricht dem Lesen des Logikwerts, der dem Verknüpfungselement 4 oder der Speicherzelle durch seinen bzw. ihren gegenwärtigen Polarisierungszustand zugewiesen ist. Dies soll jedoch detaillierter im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung des Ansteuerns der Datenverarbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erörtert werden.

Eine erfindungsgemäße Datenverarbeitungsvorrichtung ist in 4 gezeigt. Hier sind die Elektrodenstrukturen in einer Brückenkonfiguration realisiert, die jedoch als solche aus der NO Patentanmeldung 973390, eingereicht am 17. Juni 1997 und auf den vorliegenden Anmelder lautend, bekannt ist. (Die entsprechende PCT-Anmeldung NO98/00212 wurde mittlerweile als WO 99/08325 veröffentlicht). Wie zuvor sind die Elektroden 2, 3 in jeder Struktur übereinander in einer matrixartigen Konfiguration und zwischen nicht gezeigten Substraten angeordnet, die wiederum aus kristallinem Silicium bestehen können, wie dies durch den Schnitt in 5 entlang der Linie A-A in 4 gezeigt ist. Im Gegensatz zur Vorrichtung des Stands der Technik ist der ferroelektrische Dünnfilm 1 jedoch über den Elektrodenstrukturen vorhanden. Die Elektroden 2 der ersten Elektrodenstruktur sind von den Elektroden 3 in der zweiten Elektrodenstruktur elektrisch isoliert, indem eine Schicht 6 aus elektrisch isolierendem Material an der Kreuzung zwischen den Elektroden 2, 3 vorgesehen ist. Der aktive Bereich im ferroelektrischen, dünnen Film 1, der ja das Verknüpfungselement 4 selbst enthält, erscheint daher wie in der Draufsicht von 6a und im Schnitt in 6b entlang der Linie B-B von 6a gezeigt. In 6b ist außerdem die Polarisierung des aktiven Bereichs für eine 3b entsprechende Polarisierung gezeigt, wobei jedoch die Feldlinien entlang den Seitenrändern der Isolierschicht im aktiven Bereich gebogen sind. Die Treiber- und Steuerschaltungen können in Halbleitertechnologie realisiert und in dem nicht gezeigten Halbleitersubstrat oder als separate Schaltungsmodule 5 vorgesehen sind, die entlang der Seitenränder der Matrix, wie durch 4 und 5 offenbart, angeordnet sind.

Bei der Herstellung der in 4 und 5 gezeigten Ausführungsform wird die erste Elektrodenstruktur auf einem Substrat abgeschieden und dann mit einer isolierenden Schicht 6 abgedeckt. Auf die Oberseite der isolierenden Schicht 6 wird nun die zweite Elektrodenstruktur derart abgeschieden, dass die erste und die zweite Elektrodenstruktur wiederum eine zweidimensionale Matrixkonfiguration bilden, in der die x-Elektroden 2 die Spalten und die y-Elektroden 3 die Zeilen sind. In den Bereichen, in denen die isolierende Schicht 6 nicht von den Elektroden 3 der zweiten Elektrodenstruktur abgedeckt ist, wird das isolierende Material nun derart weggeätzt, dass die Elektroden 2 in der ersten Elektrodenstruktur am Kreuzungspunkt der Elektroden noch vollständig von den Elektroden 3 der zweiten Elektrodenstruktur elektrisch isoliert, jedoch im übrigen freigelegt sind. Der ferroelektrische, dünne Film 1 wird nun über den Elektrodenstrukturen angeordnet, bevor alle Teile außerdem möglicherweise auch durch ein darüberliegendes Substrat abgedeckt werden. Ansonsten ist die Ausführungsform derjenigen, die für die Vorrichtung des Stands der Technik in 1 und 2 gezeigt ist, vollständig gleich. Ein Vorteil der Ausführungsform von 4 und 5 ist es, dass die Elektrodenstrukturen und die dazugehörigen Verbindungen und Treiber- und Steuerschaltungen auf beispielsweise kristallinen Siliciumsubstraten angeordnet werden, bevor der ferroelektrische, dünne Film aufgebracht wird. Daher können die unterschiedlichen Verfahrensschritte, die zur Herstellung der aktiven Schaltungselemente in Halbleitertechnologie gehören, ohne Beeinträchtigung des ferroelektrischen, dünnen Films durchgeführt werden, der beispielsweise ein Polymer mit einer begrenzten Temperaturtoleranz sein kann.

Es gibt eine Anzahl von ferroelektrischen Materialien, die für den ferroelektrischen Dünnfilm eingesetzt werden können. Das ferroelektrische Material kann beispielsweise ein anorganisches, keramisches Material wie Bleizirconattitanat, ein ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial oder dünne Filme aus Polymeren sein. Ein Fall des letztgenannten ist ein Copolymer aus Vinylidenfluorid (VF2 oder VDF genannt) und Trifluorethylen (C2F3H, TFE genannt), in dem der relative Gehalt jeder Komponente im dünnen Film variabel ist, um unterschiedliche Eigenschaften zu erreichen. Solche Copolymere können typischerweise ein niedriges Koerzitivfeld aufweisen und eine eher quadratische Hystereseschleife zeigen als dies bei reinen Vinylidenfluoridpolymeren der Fall ist.

Die Schaltcharakteristiken ferroelektrischer Polymere, die als Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymere realisiert sind, werden in einem Aufsatz von Y. Tajitsu & al. mit dem Titel "Investigation of Switching Characteristics of Vinyliden Fluoride/Trifluoroethylene Copolymers in Relation to their Structures" (Japanese Journal of Applied Physics, 26, Seiten 554–560 (1987)) erörtert und sollen als allgemeine Bezugnahme im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung des Adressierens bzw. Aussteuerns eines Verknüpfungselements oder einer Speicherzelle in der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung angesehen werden.

7 zeigt die Hystereseschleife für die Polarisierung eines ferroelektrischen, dünnen Films, der beispielsweise aus Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymer hergestellt ist.

Die Polarisierung in C/m2 ist auf der y-Achse und die Feldstärke zwischen den Elektroden in V/m auf der x-Achse angegeben. Der ferroelektrische Dünnfilm zwischen den Elektroden befindet sich anfänglich in einem ungeordneten oder unpolarisierten Zustand und wird polarisiert, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, die eine Feldstärke zwischen den Elektroden erzeugt, die größer ist als das Koerzitivfeld des ferroelektrischen Materials. Das ferroelektrische Material erreicht in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Polarisierungsspannung eine elektrische Polarisierung mit bevorzugter Orientierung "nach oben", die durch den Punkt I auf der Hystereseschleife dargestellt ist oder "nach unten", die durch den Punkt II auf der Hystereseschleife dargestellt ist. Die Polarisierungszustände I und II können auch zur Darstellung einer logischen 0 oder einer logischen 1 oder umgekehrt verwendet werden. Es ist anzumerken, dass die Begriffe "positiv", negativ", "nach oben", "nach unten" selbstverständlich als in üblicher Weise normativ angesehen werden müssen, da sie bestimmt werden, sobald eine Bestimmung im Hinblick darauf erfolgt ist, was als positive oder negative Elektrode oder die Polarisierung "nach oben" oder die Polarisierung "nach unten" angesehen wird. Eine entsprechende Übereinkunft gilt für die Wahl im Hinblick darauf, welcher Polarisierungszustand als logische 1 oder logische 0 angesehen werden soll, und dies sollte nicht zu Problemen führen, vorausgesetzt, dass ein festgelegtes Protokoll strikt beachtet wird.

Folglich kann ein Verknüpfungselement aus einem ferroelektrischen Material, das sich in einem von zwei Polarisierungszuständen befindet, eine logische 0 oder 1 oder eine binäre 0 oder 1 darstellen und entweder als bistabile Schalter in einer Datenverarbeitungsvorrichtung oder als Speicherzellen bei einer Datenspeichervorrichtung implementiert werden. Die Polarisierung des Verknüpfungselements bis zu einem bestimmten Zustand stellt mit anderen Worten das Schreiben von Daten in dieses Verknüpfungselement dar.

Es darf erwähnt werden, dass die Polarisierung von geeigneten ferroelektrischen Materialien, die in einem Verknüpfungselement verwendet werden, infolge der Wahl von geeigneten ferroelektrischen Materialien und die Verwendung einer entsprechend hohen Feldstärke durch die Polarisierungsspannung, die an die Elektroden des Verknüpfungselements angelegt wird, bei Raumtemperatur und mit hoher Geschwindigkeit stattfinden kann. Wenn das ferroelektrische Material als dünner Film eingesetzt wird, beinhaltet dies eine Reihe von Vorteilen. Sobald dem Verknüpfungselement, d. h. dem ferroelektrischen Dünnfilm-Material in dem Verknüpfungselement, eine bevorzugte Polarisation verliehen wurde, dauert dieser Polarisierungszustand bei Raumtemperatur eine unbegrenzte Zeitspanne und auf jeden Fall viele Jahre lang an, sofern der Polarisierungszustand nicht unter Verwendung eines Polarisierungsfelds mit entgegengesetztem Vorzeichen umgekehrt wird. Eine Löschung des Polarisierungszustands kann in Analogie zu einer ferromagnetischen Entmagnetisierung stattfinden, indem man das Verknüpfungselement durch ein cyclisches Depolarisierungsfeld führt. Ein starkes Erwärmen des Verknüpfungselements kann ebenfalls zu einer Zerstörung des Polarisierungszustands führen, indem die elektrischen Dipole ihre bevorzugte Orientierung verlieren.

Die Polarisierungsrichtung entlang der Hystereseschleife während des Anlegens eines Polarisierungsfelds ist durch die Pfeile zwischen den Punkten I und IV und V und VI angegeben.

Das Auslesen von Daten aus dem Verknüpfungselement soll nachstehend etwas detaillierter und auch im Zusammenhang mit der in 7 gezeigten Hystereseschleife erörtert werden. Wiederum sollen Bezugnahmen auf Ausdrücke wie logische 0 und logische 1 oder "nach oben" oder "nach unten" vermieden werden, und es soll nur von positiver oder negativer Polarisierung gesprochen werden, die jeweils vom Bereich der Hystereseschleife, der sich oberhalb der x-Achse befindet, und vom Bereich der Hystereseschleife, der sich unterhalb der x-Achse befindet, repräsentiert wird. Falls sich das Verknüpfungselement nun in einem positiven Polarisierungszustand befindet, dargestellt durch den Punkt I auf der Hystereseschleife, findet das Auslesen statt, indem an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, die vorzugsweise eine Feldstärke von etwa dem Doppelten des Koerzitivfelds oder mehr erzeugt. Die Polarisierung des Verknüpfungselements bewegt sich dann vom Punkt I zu III, vorausgesetzt, dass die Lesespannung ein positives Vorzeichen hat. Aufgrund der Form der Hystereseschleife, die in diesem Fall beinahe quadratisch ist, führt eine Änderung des Polarisierungszustands von I nach III zu einer völlig unbedeutenden Ladungsübertragung zwischen den Elektroden, und durch die Detektion einer Ladungsübertragung zwischen den Elektroden in der angeschlossenen Steuerschaltung erhält man ein sehr schwaches Stromsignal. Falls sich das Verknüpfungselement jedoch in einem negativen Polarisierungszustand befindet, dargestellt durch den Punkt II auf der Hystereseschleife, steigt der detektierte ausgehende Strom beim Anlegen einer positiven Spannung an die Elektroden zum Auslesen erst insignifikant an und liefert ansschließend einen sehr scharf definierten Übergangs-Stromimpuls, der den Verlauf zwischen den Punkten V und VI auf der Hystereseschleife darstellt, wo die Ladungsübertragung groß ist. Zwischen den Punkten I und II auf der Hystereseschleife impliziert der Umstand einer relativ flachen Hystereseschleife mit anderen Worten, dass sich die Polarisierung während des Anlegens eines positiven Spannungsfelds nur sehr wenig ändert, während die Änderung beim Anlegen einer entsprechenden positiven Spannung, wenn sich das logische Speicherelement an Punkt II auf der Hystereseschleife befindet, eine sehr große Änderung der Polarisierung verursacht, wobei insbesondere ein beträchtlicher Teil der Änderung zwischen den Punkten V und VI auf dem steilsten Bereich der Hystereseschleife und außerdem innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums stattfindet, und das ist etwas, was zu dem vorstehend erwähnten, vorübergehenden Stromfluss als detektiertem Ausgangssignal führt. Dies macht es auch einfach, beim Auslesen zwischen beispielsweise einer logischen 0, die durch den Polarisierungszustand im Punkt I auf der Hystereseschleife dargestellt ist, und einer logischen 1, die entsprechend durch den Punkt II auf der Hystereseschleife dargestellt ist, zu unterscheiden. Die Punkte III und IV auf der Hystereseschleife stellen den Sättigungszustand für die jeweilige positive und negative Polarisierung dar, und wenn das angelegte elektrische Feld entfernt wird, fällt die Polarisierung auf der Hystereseschleife jeweils von III auf I und von IV auf II zurück. Es sollte selbstverständlich klar sein, dass das Feld gemäß der hier befolgten Konvention positiv sein muss, damit die Polarisierung von I auf III gebracht werden kann, während es für das Verschieben der Polarisierung vom Zustand II auf IV selbstverständlich entsprechend negativ sein muss.

Es sei hier darauf hingewiesen, dass das Auslesen oder die Detektion des Polarisierungszustands bei II löschend ist, da das Verknüpfungselement nach dem Auslesen in einen von Punkt III repräsentierten Polarisierungszustand kommt und danach in den stabilen Zustand bei I zurückfällt. Falls das Auslesen des Polarisierungszustands stattgefunden hat, als sich das Verknüpfungselement bereits in I befand, wird dieser Polarisierungszustand selbstverständlich beibehalten. Nach einem Auslesen der Datenspeichervorrichtung auf der Grundlage der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Speicherzellen können die Informationen folglich als durch alle Speicherzellen in der Speichereinrichtung, die sich in dem gleichen Logikzustand befinden, sei dies 0 oder 1, gelöscht erachtet werden. In der Praxis entspricht dies selbstverständlich dem Löschen von Informationen und muss keine negativen Folgen haben, falls die gespeicherten Informationen nur einmal gelesen werden sollen oder falls bei einer bestimmten Anwendung nur ein Auslesen erforderlich ist. Falls die ursprünglichen Informationen jedoch noch gespeichert bleiben sollen, ist allerdings eine Rückstellung oder Auffrischung notwendig. Dies kann dadurch stattfinden, dass das Verknüpfungselement, das sich ursprünglich im Polarisierungszustand II befand, das sich jedoch nach dem Auslesen im Polarisierungszustand I befindet, zurück in den Polarisierungszustand II geschaltet wird, indem eine negative Spannung für das Rückstellen und vorzugsweise mit der gleichen Feldstärke wie beim Auslesen angelegt wird. Die Polarisierung wird dann entlang der Hystereseschleife von I nach IV stattfinden, wo das Feld abgeschaltet wird und das Verknüpfungselement auf den ursprünglichen Polarisierungzustand bei II zurückfällt. Das Rückstellen eines Verknüpfungselements auf den ursprünglichen Polarisierungszustand nach einem Auslesen, das diesen Zustand gelöscht hat, kann automatisch durch geeignete Verifikations- und Überwachungsverfahren, die über die Steuerschaltungen der Datenverarbeitungsvorrichtung implementiert werden und beispielsweise gemäß einem Ausleseprotokoll softwaregesteuert sein können, stattfinden. Beispielsweise wird bei der Rückstellung des Polarisierungszustands von I auf II, mit anderen Worten dem Schalten des Polarisierungszustands I auf den Polarisierungszustand II, mit dem Übergang noch einmal ein Stromsignal ausgegeben, und dieses kann dann das Verifikationssignal bilden. Ein korrektes Auslesen des Polarisierungszustands I kann auch entweder durch Anlegen einer Spannung mit dem entgegengesetzten Vorzeichen an das Verknüpfungselement und Lesen eines starken Stromsignals verifiziert werden, aber dann wird das Verknüpfungselement von I auf II geschaltet und muss folglich zurückgestellt werden. Mit anderen Worten wird schnell realisiert, dass in Abhängigkeit von den anfänglichen Polarisierungszuständen und einer möglichen Zerstörung während des Auslesens die Verwendung von Verifikationsverfahren und Rückstellverfahren austauschbar ist. Um dies leichter zu zeigen, sei Bezug auf die beigefügte Tabelle genommen, die die bevorzugten Betriebsarten für das Auslesen, die Verifikation und/oder die Rückstellung offenbart, wobei die Polarität der angelegten Spannung wie anwendbar angegeben ist, sowie die sich ergebenden Stromimpulse als niedrig oder hoch bezeichnet sind in Übereinstimmung damit, ob sich der Polarisierungszustand entlang der Schleife von I nach III, möglicherweise von IV nach II oder von I nach IV, möglicherweise von II nach III ändert.

Das Verfahren für das Auslesen von Daten, wie hier erörtert, wird trotz der Löschung als sehr vorteilhaft angesehen, wenn ferroelektrische Materialien mit einer fast quadratischen Hystereseschleife verwendet werden, wie es der Fall bei VDF-TFE ist, da es eine zuverlässige Detektion und Verifikation liefert und die Rückstellung teilweise spontan oder in Kombination mit der Verifikation stattfindet. Eine reine Niedersignalfeststellung, beispielsweise zwischen II und V, ist in diesem Fall im Hinblick auf die Unterscheidung problematischer und erfordert eine genaue Steuerung der Lesespannung. Falls die Hystereseschleife im Gegenteil dazu einen sanfteren Verlauf zwischen II und V und zwischen V und VI zeigt, kann dennoch eine Niedersignalfeststellung verwendet und eine zuverlässige Detektion erhalten werden, ohne dass der Sättigungszustand III erreicht wird, während das Fehlen einer scharfen Spannungsschwelle bei V es leicht macht, ein löschendes Auslesen zu vermeiden.

Wie bereits erwähnt, ist die Form der Hystereseschleife, die materialabhängig ist, für die Antwort wichtig, die bei einem Auslesen detektiert wird. Wie die Hystereseschleife in 7 gezeigt ist, ist es vorteilhaft, dass die Lesespannung oder das angelegte elektrische Feld, das für die Detektion des Polarisierungszustands verwendet wird, die Form einer Schwellenspannung besitzt, d. h. sofort ihren Maximalwert erreicht. In Abhängigkeit von der Polarisierungsantwort und/oder der Zeitkonstante der Polarisierung kann die Verwendung einer Rampenspannung gerechtfertigt sein, d. h. einer Spannung, die kontinuierlich auf den gewünschten Maximalwert steigt, der vorzugsweise doppelt so hoch wie das Koerzitivfeld oder etwas höher ist.

Bei einer passiv ansteuerbaren Elektrodenmatrix können Verschiebungsströme und hochohmige Stromkomponenten erzeugt werden. Diese können ein schwaches Ausgangssignal in der Strombetriebsart maskieren, wie es bei der Detektion des Polarisierungszustands I erscheint, während ein Übergangs-Signal, wie es bei der Detektion des Polarisierungszustands II erhalten wird, klar unterscheidbar ist, da die Verschiebungsströme bei üblichen dielektrischen Materialien linear mit der Feldstärke variieren und bei Anlegung der Spannung unveränderlich erscheinen, was auch der Fall bei hochohmigen Komponenten ist. Die hochohmigen Stromkomponenten sind des weiteren vorhanden, so lange das Feld an das Verknüpfungselement angelegt wird. Folglich ist es in jedem Fall möglich, mit einer klaren Unterscheidung zwischen dem Polarisierungszustand I oder dem Polarisierungszustand II zu unterscheiden. Durch die Detektion des Polarisierungszustands II auf der Hystereseschleife und die Verwendung einer positiven Lesespannung bewegt sich die Polarisierung von II nach III, und der ausgehende Strom, der Verschiebungsstrom und die hochohmige Stromkomponente zeigen eine Reaktion wie in 8 dargestellt. Der Übergang im ausgehenden Strom erreicht eine Spitze mit einer Verzögerung &Dgr;t nach Anlegung der Lesespannung und erscheint in einem Zeitfenster ts, das in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Felds einem der beiden steilsten Bereiche der Hystereseschleife von 7 entspricht. Wie man erkennen kann, unterscheidet sich das Stromsignal in Relation zum Verschiebungsstrom und die hochohmige Stromkomponente deutlich. Die Detektion kann durch Abtasten oder als Pegelvergleich, beispielsweise im Zeitfenster ts, stattfinden, das hier beispielsweise zwischen V und VI auf der Hystereseschleife fällt. Die Position des Zeitfensters auf einer Zeitskala hängt von der Polarisierungsantwort für eine gegebene Lesespannung und den Polarisierungseigenschaften des ferroelektrischen Materials und den Dünnfilm-Parametern ab.

Ein weiteres interessantes Merkmal bei der Verwendung eines ferroelektrischen Materials auf der Basis von Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymeren VDF-TFE ist, dass ihre Schaltcharakteristiken von der elektrischen Feldstärke abhängen, d. h. von der Elektrodenspannung. Folglich beeinflusst eine hohe Polarisierungsspannung die Schaltzeit eines Verknüpfungselements, das in diesem ferroelektrischen Material realisiert ist, derart, dass die Schaltzeit umso höher ist, je höher die elektrische Feldstärke ist. Typische Schalteigenschaften für ein Vinyliden-/Trifluorethylen-Copolymer sind in 9 gezeigt, in der die Beziehung zwischen der Schaltzeit und der elektrischen Flussdichte D bzw. ihrer Ableitung &dgr;D/&dgr;log t für unterschiedliche Feldstärken ausgedrückt ist, wobei &tgr;s durch den Zeitpunkt gegeben ist, zu dem die Ableitung ein Maximum wird. Es ist ersichtlich, dass, wenn das Koerzitivfeld dieses Copolymers etwa 40 MV/m beträgt, eine Feldstärke von 100 MV/m, d. h. fast dem Zweieinhalbfachen der Koerzitivfelder, zu einer Schaltzeit von 10–5 s führt, während die Schaltzeit für die Feldstärke, die nur unbedeutend oberhalb derjenigen des Koerzitivfelds liegt, nämlich 42 MV/m, zu einer Schaltzeit von etwa 5 s führt. Die Schaltzeit wird mit anderen Worten durch eine solche Erhöhung der Feldstärke um 5 oder 6 Größenordnungen verringert. Andererseits ist es aus unterschiedlichen Gründen nicht wünschenswert, eine zu hohe Feldstärke zu verwenden, unter anderem deshalb, um unerwünschte Streukapazitäten oder Kriechströme im Matrixnetzwerk und Entladungen durch den Dünnfilm hindurch zu vermeiden.

Falls die erfindungsgemäße Datenverarbeitungsvorrichtung durch Impedanzrauschen belastet ist, ist es möglich, stromverstärkende Zeilentreiber vorzusehen, die mit den Verknüpfungselementen verbunden sind, um eine Rauschfestigkeit beim Treiben für das Auslesen oder Schalten sicherzustellen. Solche Zeilentreiber könnten möglicherweise durch die Lese-/Verifikations-/Rückstellspannung oder über eine getrennte Versorgungsleitung angetrieben werden.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung gemäß 4 ist perspektivisch in 10 gezeigt, wobei jedoch mögliche Substrate und isolierende Schichten weggelassen sind. Sie erscheint in 10 als Planare x,y-Elektrodenmatrix, wobei die Verknüpfungselemente an jedem überlappenden Kreuzungspunkt zwischen den Elektroden 2, 3 in der ersten und der zweiten Elektrodenstruktur gebildet sind, die hier durch das Isoliermaterial 6 gegeneinander isoliert sind. Eine Planare Matrixgestaltung dieser Art kann schichtweise gestapelt sein, um eine volumetrische (dreidimensionale) Datenverarbeitungsvorrichtung mit k gestapelten planaren Strukturen Si, .. Sk, wie in 11 gezeigt, zu ergeben. Dann müssen Schichten 7 des elektrisch isolierenden Materials zwischen jeder planaren Struktur S vorgesehen werden, was im Schnitt grob wie in 11 gezeigt erscheint. Die Elektroden 2, 3 können mit nicht gezeigten Adressier- und Feststellungsleitungen, d. h. Strom- und Spannungssammelschienen verbunden sein, die beispielsweise in einer für diesen Zweck hergestellten Halbleitervorrichtung entlang der Seitenränder der volumetrischen Vorrichtung vorhanden sind oder, falls die Vorrichtung als Hybridvorrichtung auf Siliciumsubstraten integriert ist, direkt zu einer Treiberspannung und Steuersignalleitungen führen, die mit Treiber- und Steuereinheiten verbunden sind, die im Siliciumsubstrat in kompatibler Halbleitertechnologie implementiert sind. Das Aussteuern und Detektieren kann beispielsweise in einem Zeitmultiplex oder durch Verwendung einer Logik, die jedes einzelne Verknüpfungselement ansteuert, stattfinden. Die Anzahl der Logikadressen ist dann das Produkt der Anzahl der gestapelten Matrixstrukturen oder Schichten, der Anzahl der Zeilen und der Anzahl der Spalten in jeder Matrixstruktur. Die Anzahl der separaten Adressen ist die Summe der Anzahl der x- und y-Elektroden in einer Schicht S und der Anzahl der Schichten Si, .. Sk in der Vorrichtung. Die Kombination der zeitmultiplex-basierten und logischen Ansteuerung kann daneben auch verwendet werden, um ein massives paralleles Ansteuern zu realisieren, das für sehr hohe Schreib- und Lesegeschwindigkeiten sorgen könnte. In dieser Hinsicht kann auch Bezug genommen werden auf die Erörterung von volumetrisch implementierten Datenverarbeitungsvorrichtungen, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung PCT/NO97/00154 der vorliegenden Anmelderin offenbart sind, oder auf die Erörterung von gestapelten Elektrodenvorrichtungen, wie sie in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung WO98/58383 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung offenbart sind.

Es ist für Fachleute offensichtlich, dass die Verknüpfungselemente, die entweder als bistabile Schalter oder als Speicherzellen realisiert sind, verwendet werden können, um Logikgatter zu konfigurieren, oder als Schalter in Prozessornetzwerken und arithmetischen Registern enthalten sein können, gegebenenfalls integriert mit den Verknüpfungselementen, die als Speichermodule realisiert sind, oder dass die Verknüpfungselemente alle als Speicherzellen derart realisiert sind, dass die Vorrichtung von 11 eine volumetrische Datenvorrichtung mit einer hohen Speicherdichte ist. Mit der Verwendung von ferroelektrischen dünnen Filmen ist es möglich, Filmdicken im Bereich von etwa 100 nm und entsprechende Elektrodenabmessungen zu erzielen, und das ist etwas, was impliziert, dass die Spannungen zur Erzeugung der notwendigen Feldstärken im Bereich von etwa 10 Volt liegen. Auf 1 &mgr;m2 ist es dann möglich, etwa 100 Verknüpfungselemente oder Speicherzellen zu realisieren, also etwas, was eine beträchtliche Verbesserung der Datenspeicherdichte im Vergleich zu Datenspeichervorrichtungen der ROM oder RAM-Typen impliziert, die auf herkömmlicher Halbleitertechnologie basieren.


Anspruch[de]
  1. Ferroelektrische Datenverarbeitungsvorrichtung, insbesondere zum Verarbeiten und/oder Speichern von Daten mit aktiver oder passiver elektrischer Adressierung, umfassend ein Datenträgermedium in der Form eines dünnen Films (1) aus ferroelektrischem Material, wobei das ferroelektrische Material durch ein aufgebrachtes elektrisches Feld einen ersten oder einen zweiten Polarisierungszustand erreichen kann, indem es von einem ungeordneten Zustand zu einem der Polarisationszustände oder von dem ersten zu dem zweiten Polarisationszustand oder umgekehrt geschaltet wird, wobei das ferroelektrische Material Verknüpfungselemente (4) umfaßt, wobei ein einem Verknüpfungselement (4) zugewiesener Polarisationszustand einen logischen Wert des Verknüpfungselement darstellt, wobei der ferroelektrische dünne Film (1) als Schicht ausgestaltet ist, wobei eine erste und eine zweite Elektrodenstruktur jeweils im wesentlichen zueinander parallele streifenartige Elektroden (2; 3) aufweist, derart, dass die Elektrodenstrukturen in ihrem Verhältnis zueinander eine im wesentlichen orthogonale x,y-Matrix bilden, wobei die Elektroden (2) in der ersten Elektrodenstruktur die Spalten der Elektrodenmatrix oder die x-Elektroden bilden und die Elektroden (3) in der zweiten Elektrodenstruktur die Zeilen der Elektrodenmatrix oder die y-Elektroden bilden, wobei ein Bereich des ferroelektrischen dünnen Films (1) an der Überlappung zwischen einer x-Elektrode (2) und einer y-Elektrode (3) der Elektrodenmatrix ein Verknüpfungselement (4) derart bildet, dass die Verknüpfungselemente (4) gemeinsam eine elektrisch angeschlossene passive Matrix in der Datenverarbeitungsvorrichtung (2) bilden, und wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Schicht (6) eines elektrisch isolierenden Materials zwischen und benachbart zu den Elektroden (2; 3) der ersten und der zweiten Elektrodenstruktur vorhanden ist, dass der ferroelektrische dünne Film (1) in der Form einer Schicht über den Elektrodenstrukturen auf deren einer Seite vorhanden ist und dass die Verknüpfungselemente (4) jeweils in einem Bereich des ferroelektrischen dünnen Films (1) entlang der Seitenränder einer y-Elektrode (3) bis herunter zu der x-Elektrode (2) an der Überlappung zwischen der x-Elektrode (2) und der y-Elektrode (3) ausgebildet sind.
  2. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verknüpfungselement (4) einen bistabilen Schalter in einer Datenverarbeitungseinrichtung bildet.
  3. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verknüpfungselement (4) eine Speicherzelle in einer Datenspeicherungseinrichtung bildet.
  4. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstrukturen und der ferroelektrische dünne Film (1) auf einem Substrat angeordnet sind.
  5. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferroelektrische dünne Film (1) aus einem keramischen Material gebildet ist.
  6. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferroelektrische dünne Film (1) aus einem ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial gebildet ist.
  7. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferroelektrische dünne Film (1) aus einem Polymer oder Copolymer gebildet ist.
  8. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Copolymer ein Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymer ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch aufeinanderfolgende Schritte zum Abscheiden der ersten Elektrodenstruktur auf einem Substrat, Abscheiden der Schicht (6) des elektrisch isolierenden Materials über der ersten Elektrodenstruktur, Abscheiden der zweiten Elektrodenstruktur über der isolierenden Schicht (6), Entfernen der isolierenden Schicht (6) dort, wo sie nicht von der zweiten Elektrodenstruktur abgedeckt ist derart, dass die Elektroden (2) in der ersten Elektrodenstruktur außer in den sich überlappenden Kreuzungsbereichen zwischen den Elektroden (2; 3) der jeweils ersten und zweiten Elektrodenstruktur freigelegt sind, und Abscheiden des ferroelektrischen dünnen Films (1) in der Form einer Schicht über den Elektrodenstrukturen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch das Ausbilden des Substrats aus einem kristallinen, polykristallinen oder amorphen Halbleitermaterial, z. B. Silicium.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch das Abscheiden einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material zwischen dem Substrat und der ersten Elektrodenstruktur vor dem Abscheiden der ersten Elektrodenstruktur auf dem Substrat.
  12. Verfahren zum Auslesen in der Adressierung von Verknüpfungselementen in einer ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, wobei das Verfahren ein Protokoll zum Auslesen unterstützt und die Schritte jeweils für das Auslesen, Verifizieren und Rücksetzen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Leseschritt eine Spannung mit einer vorgegebenen Polarität an ein Verknüpfungselement angelegt und eine Ladungsübertragung zwischen dessen Elektroden in der Form eines entweder hohen oder niedrigen ersten Stromwerts, der einen im Verknüpfungselement gespeicherten logischen Wert anzeigt, detektiert wird, dass im Verifizierungsschritt eine Spannung, deren Polarität derjenigen der Spannung, die bei dem Leseschritt angelegt wird, entgegengesetzt ist, angelegt, und eine Ladungsübertragung zwischen den Elektroden des Verknüpfungselements in der Form eines hohen zweiten Stromwerts festgestellt wird, und dass, falls der im Verknüpfungselement gespeicherte logische Wert im Lese- oder Verifizierungsschritt gelöscht wurde, im Schritt zum Zurückstellen eine Spannung an das Verknüpfungselement angelegt wird, wobei dessen einer anfänglicher Polarisierungszustand wiederhergestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung nach dem Lesen ohne Verifizieren durchgeführt wird, indem eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität zu derjenigen der Lesespannung nur im Fall der Detektion eines hohen Stromsignals beim Leseschritt angelegt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellung nach dem Lesen in Verbindung mit dem Verifizieren durchgeführt wird, indem eine Spannung der gleichen Polarität wie diejenige der Lesespannung nur im Fall der Detektion eines niedrigen Stromsignals beim Leseschritt angelegt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch das Anlegen einer Spannung, die zwischen den Elektroden (2, 3) des Verknüpfungselements (4) eine Feldstärke erzeugt, die mehr als doppelt so hoch wie das Koerzitivfeld des ferroelektrischen Materials ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Spannung im Lese- und/oder im Verifizierungsschritt in Form einer Sägezahnspannung erzeugt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Spannung im Lese- und/oder im Verifizierungsschritt in Form einer Schwellenspannung erzeugt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassung durch Abtasten im Zeitbereich erfolgt.
  19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassung im Leseschritt in einem Zeitfenster in Abhängigkeit von der Sättigungszeitkonstante der Polarisation erfolgt.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassung durch einen Pegelvergleich erfolgt.
  21. Verwendung einer Datenverarbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer volumetrischen Datenverarbeitungs- oder -speichervorrichtung.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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