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Dokumentenidentifikation DE60110461T2 27.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001346366
Titel VERFAHREN ZUM ZERSTÖRUNGSFREIEN AUSLESEN UND VORRICHTUNG ZUR VERWENDUNG MIT DEM VERFAHREN
Anmelder Thin Film Electronics ASA, Oslo, NO
Erfinder NORDAL, Per-Erik, N-1387 Asker, NO
Vertreter Fuchs, Mehler, Weiß & Fritzsche, 65201 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 60110461
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.11.2001
EP-Aktenzeichen 019978139
WO-Anmeldetag 27.11.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/NO01/00472
WO-Veröffentlichungsnummer 0002043070
WO-Veröffentlichungsdatum 30.05.2002
EP-Offenlegungsdatum 24.09.2003
EP date of grant 27.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.2006
IPC-Hauptklasse G11C 11/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G11C 7/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Logikzustands einer Speicherzelle in einem Datenspeicherbaustein, wobei die Zelle Daten in Form eines elektrischen Polarisationszustands in einem ein polarisierbares Material enthaltenden Kondensator speichert, wobei das polarisierbare Material bei Abwesenheit einer extern auferlegten Spannung an dem Kondensator eine nicht verschwindende elektrische Polarisation aufrechterhalten und eine Stromantwort auf eine angelegte Spannung erzeugen kann, wobei die Stromantwort lineare und nichtlineare Komponenten umfaßt. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine erste Vorrichtung bzw. eine zweite Vorrichtung zum Durchführen eines Phasenvergleichs bei dem Verfahren gemäß der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein zerstörungsfreies Auslesen von Speicherzellen, bei denen das polarisierbare Material eine Hysterese aufweist, insbesondere ein Elektret- oder ein ferroelektrisches Material, wie in der Technik bekannt.

In den vergangenen Jahren ist die Datenspeicherung in elektrisch polarisierbaren Medien vorgeführt worden, die aus Dünnfilmen aus keramischen oder polymeren Ferroelektrika bestehen. Ein Hauptvorteil derartiger Materialien besteht darin, daß sie ihre Polarisation ohne die ständige Zufuhr elektrischer Energie beibehalten, das heißt, der Datenspeicher ist nichtflüchtig.

Es sind zwei Hauptklassen von Speicherbausteinen vorgeführt worden, bei denen der Logikzustand einer individuellen Speicherzelle durch die Polarisationsrichtung des ferroelektrischen Dünnfilms in dieser Zelle dargestellt wird. In beiden Fällen werden Daten in die Speicherzellen geschrieben, indem der Film durch das Anlegen eines entsprechend gerichteten elektrischen Felds, das die Koerzitivfeldstärke des Ferroelektrikums übersteigt, in der gewünschten Richtung polarisiert wird. Die Bausteinarchitekturen sind jedoch fundamental verschieden: Bei der ersten Klasse von Bausteinen enthält jede Speicherzelle mindestens einen Transistor. Die Gesamtspeicherarchitektur ist vom aktiven Matrixtyp, wobei im Vergleich mit herkömmlichen SRAM- und DRAM-Bausteinen der Hauptvorteil im nichtflüchtigen Charakter des ferroelektrisch gespeicherten Logikzustands liegt.

Eine breite Unterklasse derartiger Speicherbausteine auf Basis eines Ferroelektrikums, üblicherweise als FeRAM oder FRAM (ein geschützter Ausdruck von Symetrix Corp.) bezeichnet, wird in der wissenschaftlichen und Patentliteratur eingehend beschrieben und wird gegenwärtig von einer Reihe von Firmen weltweit kommerzialisiert. Jede FeRAM-Speicherzelle weist in ihrer einfachsten Form (1T-1C-Architektur) einen einzigen Transistor und Kondensator auf, wie in 1 dargestellt, wobei der Kondensator ein Ferroelektrikum enthält, das in der einen oder anderen Richtung polarisiert werden kann, was eine logische „0" bzw. „1 darstellt. Eine gegebene Speicherzelle wird geschrieben, d.h. mit dem in der gewünschten Richtung polarisierten ferroelektrischen Kondensator hergestellt, indem entsprechende Spannungen an die Wortleitung, Bitleitung und Ansteuerleitung, die dieser Zelle dienen, angelegt wird. Das Lesen erfolgt, indem die Bitleitung potentialfrei geschaltet wird und an die Ansteuerschaltung eine positive Spannung angelegt wird, während die Wortleitung aktiviert wird. Je nach der Richtung der Polarisation in dem Kondensator, d.h., ob die Zelle eine logische „0" oder eine „1" speichert, kann die bei diesem Prozeß auf die Bitleitung übertragene Ladung entweder signifikant oder klein sein, und der Logikzustand er Zelle wird durch Aufzeichnen des Betrags dieser Ladung bestimmt. Da diese Leseoperation zerstörend ist, müssen die Daten danach zurückgeschrieben werden, um einen permanenten Verlust gespeicherter Informationen zu vermeiden. Über Abwandlungen des grundlegenden FeRAM-Konzepts ist eine große Anzahl von Patenten erteilt worden, zum Beispiel US-Patente Nr. 4,873,664 (Ramtron International Corp.), 5,539,279 (Hitachi, Ltd.), 5,530,668 (Ramtron International Corp.), 5,541,872 (Micron Technology), 5,550,770 (Hitachi, Ltd.), 5,572,459 (Ramtron International Corp.), 5,600,587 (NEC Corp.), 5,883,828 (Symetrix Corp.). Die Patente behandeln sowohl Schaltungsarchitekturen als auch Materialien, worin sich schwierige Probleme widerspiegeln, die die praktische Implementierung von ferroelektrischen Speichern seit ihrer konzeptuellen Einführung vor einigen Jahrzehnten behindert haben. Somit hat dieser zerstörende Leseaspekt dieser Speicher die Ermüdung bei den verwendeten ferroelektrischen Materialien verstärkt, was die Lebensdauer im Betrieb und somit die grundlegende Einsetzbarkeit für große Klassen von Anwendungen begrenzt. Nach intensiven Bemühungen sind bestimmte Materialien (z.B. PZT und SBT) so verfeinert und modifiziert worden, daß sie die große Anzahl von Schaltzyklen (1010 bis 1014) durchhalten, die bei den meisten anspruchsvollen Anwendungen von Relevanz sind, sowie eine angemessene Eindrucksbeständigkeit aufweisen, usw. Optimierte Materialien erfordern jedoch das Glühen bei hohen Temperaturen, sind gegenüber einer Wasserstoffumgebung verletzlich usw. und sind im allgemeinen in Verbindung mit der Integration in eine hochvolumige Produktion auf der Basis etablierter Siliziumbausteinherstellung mit teuren und komplexen Problemen verbunden. Daß sie thermisch behandelt werden müssen, macht sie zudem für die zukünftige Integration in Elektronikbausteine auf Polymerbasis ungeeignet. Bei einigen der Patente spiegeln sich die Bemühungen wider, Drift und Herstellungstoleranzprobleme durch den Einsatz komplexerer Architekturen zu umgehen. Dazu können Speicherzellen zählen, die zwei ferroelektrische Kondensatoren und zwei Transistoren enthalten (2C-2T-Designs), um referenzierende Zellen und Schaltungen und komplexere Impulsabgabeprotokolle zu gestatten. Es sei angemerkt, daß gegenwärtig alle in der Produktion stehenden ferroelektrischen Speicher die 2C-2T-Architektur verwenden, da es immer noch an Materialien fehlt, die angemessene Stabilität aufweisen, wenn sie Zeit-, Temperatur- und Spannungsschwankungen ausgesetzt werden (siehe: D. Hadnagy: „Making ferroelectric memories", The Industrial Physicist, S. 26–28 (Dezember 1999)).

Bei einer weiteren Unterklasse von Bausteinen, die in jeder Speicherzelle ein oder mehrere Transistoren verwenden, wird der Source-Drain-Widerstand eines Transistors in der Zelle direkt oder indirekt durch den Polarisationszustand in einem ferroelektrischen Kondensator in dieser Zelle gesteuert. Die zugrundeliegende Idee ist nicht neu und wurde in der Literatur beschrieben (siehe z.B. Noriyoshi Yamauchi, „A metal-Insulator-Semiconductor (MIS) device using a ferroelectric polymer thin film in the gate insulator", Jap. J. Appl. Phys. 25, 590–594 (1986); Jun Yu et al., „Formation and characteristics of Pb(Zr, Ti)O3 buffer layer", Appl. Phys. Lett. 70, 490–492 (1997); Si-Bei Xiong und Shigeki Sakai „Memory properties of SrBi2Ta2O9 thin films prepared on SiO2/Si substrates", Appl. Phys. Lett. 70, 1613–1615 (1999)). In dem US-Patent Nr. 5,592,409 (Rohm Co., Ltd.), beschreiben Nishimura et al. einen nichtflüchtigen Speicher auf der Basis eines ferroelektrischen Films, der in der einen oder der anderen Richtung polarisiert ist, was eine logische „0" oder „1" darstellt. Das polarisierte Ferroelektrikum sorgt für ein Bias am Gate eines Transistors, wodurch der Stromfluß durch den Transistor gesteuert wird. Ein offensichtlicher Vorteil dieser Funktionsweise besteht darin, daß der Logikzustand der Speicherzelle zerstörungsfrei gelesen werden kann, d.h., ohne das es zu einer Polarisationsumkehr in dem ferroelektrischen Kondensator kommt. Ein verwandtes Konzept, das aus US-Patent Nr. 5,070,385 (J. T. Evans und J. A. Bullington) bekannt ist, basiert auf einem Halbleitermaterial in engem Kontakt mit dem Ferroelektrikum. Hier weist das halbleitende Material einen elektrischen Widerstand auf, der von dem Polarisationszustand des Ferroelektrikums abhängt. Leider gibt es weiterhin schwerwiegende ungelöste Material- und Verarbeitungsfragen in Verbindung mit allen den oben erwähnten Konzepten (siehe z.B. D. Hadnagy, „Making ferroelectric memories", The Industrial Physicist, S. 26–28 (Dezember 1999)), und ihre erfolgreiche Kommerzialisierung in der voraussehbaren Zukunft ist gegenwärtig fraglich.

In beiden oben erwähnten Unterklassen stellt die Notwendigkeit für einen oder mehrere Transistoren in jeder Zelle hinsichtlich Komplexität und reduzierte datenspeicherungsflächendichte einen großen Nachteil dar.

Bei der zweiten Klasse von Bausteinen, die hier von besonderer Relevanz ist, sind Speicherzellen in einer passiven Matrixarchitektur ausgelegt, wobei zwei Mengen von zueinander orthogonalen Elektroden Arrays von kondensatorartigen Strukturen an den Kreuzungspunkten zwischen den Elektroden bilden. Jede Speicherzelle kann ganz einfach wie in 2 dargestellt hergestellt werden, indem bandartige Elektroden eingesetzt werden, die ein Überlappungsgebiet definieren, wo sie sich kreuzen, wobei das Überlappungsgebiet ein Sandwich aus polarisierbarem Material zwischen parallelen Elektrodenebenen darstellt. Es sind jedoch alternative Kondensatorstrukturen möglich, bei denen die elektrischen Felder, die mit dem polarisierbaren Material interagieren, Hauptkomponenten aufweisen, die parallel zu dem Substrat anstatt senkrecht dazu gerichtet sind. Solche „seitlichen" Architekturen sollen hier jedoch nicht weiter erörtert werden, da die genaue Wahl der Zellenarchitektur für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung unwesentlich ist. Gemäß dem Stand der Technik werden die Daten in individuellen Speicherzellen gelesen, indem ein elektrisches Feld an das Material in jeder fraglichen Zelle mit ausreichender Größe angelegt wird, um den Hystereseeffekt zu überwinden und die elektrische Polarisation in der Zelle in der Richtung des angelegten Felds auszurichten. Wenn das Material bereits vor dem Anlegen des Felds in dieser Richtung polarisiert wäre, dann findet keine Polarisationsumkehr statt und es fließt nur ein kleiner Übergangsstrom durch die Zelle. Wenn jedoch das Material in der entgegengesetzten Richtung polarisiert worden war, findet eine Polarisationsumkehr statt, die bewirkt, daß ein viel größerer Übergangsstrom durch die Zelle fließt. Somit wird der Logikzustand, d.h. die Richtung der elektrischen Polarisation in der individuellen Speicherzelle, durch das Anlegen einer Spannung mit einer Größe, die ausreicht, um die Koerzitivfeldstärke in dem Ferroelektrikum zu überwinden, und die Detektion des resultierenden Stroms bestimmt.

Im Vergleich zu Bausteinen auf der Basis aktiver Matrizen können die auf der Basis passiver Matrizen mit einer viel höheren Speicherzellendichte hergestellt werden, und die Speichermatrix selbst ist weniger kompliziert. Der Ausleseprozeß gemäß dem Stand der Technik ist jedoch zerstörend und beinhaltet den Verlust des Dateninhalts in der Zelle, die gelesen wird. Somit müssen Daten, die gelesen werden, in den Speicherbaustein zurückgeschrieben werden, wenn eine weitere Speicherung dieser Daten gewünscht ist. Eine schwerwiegendere Konsequenz des Polarisationsumschaltens ist die Ermüdung, d.h. ein allmählicher Verlust an umschaltbarer Polarisation, der in der Regel mit einer Notwendigkeit für eine höhere angelegte Spannung an die Zelle zum Bewirken der Polarisationsumkehr einhergeht. Ermüdung begrenzt die Anzahl der Lesezyklen, die bei einer gegebenen Speicherzelle ausgehalten werden können, und somit den Bereich der Anwendungen. Sie führt außerdem zu einer langsameren Antwort und höheren Spannungsanforderungen für den Speicherbaustein. Die damit einhergehende allmähliche Veränderung bei den Betriebsparametern für individuelle Speicherzellen in einem gegebenen Baustein kann nicht im voraus vorhergesagt werden und führt zu einer Notwendigkeit für ein „worst case"-Design und -Betrieb, was suboptimal ist.

Es sind Bemühungen angestellt worden, Techniken zu entwickeln, die ein zerstörungsfreies Auslesen aus Speichern auf Ferroelektrikumsbasis gestatten und gleichzeitig eine einfache elementare Speicherzellenarchitektur beibehalten. So beschreibt C. J. Brennan ferroelektrische Kondensatorzellen und assoziierte elementare Schaltungsmodule zur Datenspeicherung in den US-Patenten Nr. 5,343,421; 5,309,390; 5,262,983; 5,245,568; 5,151,877 und 5,140,548. Indem die Kleinsignal-Kapazitätswerte geprüft und gleichzeitig das Ferroelektrikum gemäßigten Biasfeldern unterzogen wird, d.h. Biasfeldern, die während des Auslesens nicht dazu führen, daß die Spitzenspannung an der Zelle die Koerzitivfeldstärke in dem Ferroelektrikum übersteigt, wird die Richtung der spontanen Polarisation in dem Kondensator und somit der Logikzustand der Speicherzelle bestimmt. Es gibt jedoch gewisse, ganz spezifische Voraussetzungen für das Anwenden der Verfahren und Vorrichtungen, wie von Brennan beschrieben, wobei es zu Phänomenen auf der Basis der Raumladungsakkumulierung an den Elektroden kommt, was explizit von den in den Elektroden und dem benachbarten Ferroelektrikum verwendeten Materialien abhängt. Das Auslesen der Daten beinhaltet das Prüfen der Raumladung, was in Zeiträumen ausgeführt werden muß, die mit solcher Ladungsakkumulation kompatibel sind. Weiterhin enthalten die Patente von Brennan keine Lehren darüber, wie die Kleinsignal- und Biasspannungen zeitlich gesteuert und relativ zueinander korreliert werden sollen, was für die Implementierung in praktischen Bausteinen von überragender Wichtigkeit ist. Das oben erwähnte US-Patent 5,140,548 beschreibt einen Baustein, der kein Bias von einer externen Quelle erfordert und einen internen Bias aus einer Kontaktpotentialdifferenz zwischen den Elektroden, die den ferroelektrischen Kern einschließen, ableitet. Wenngleich diese Lösung im Prinzip elegant ist, ist sie mit ernsthaften Mängeln behaftet, wenn sie in praktischen Bausteinen implementiert werden soll. Somit können die Vorhersagbarkeit und Steuerung, die durch externen Bias erzielt werden können, geopfert werden und werden ersetzt durch einen festen Bias, der explizit von der Reinheit und den Verarbeitungsbedingungen von Materialien sowie der Betriebstemperatur abhängt. Der unipolare und durchgehende Charakter des intern erzeugten Bias fördert den Eindruck in dem Ferroelektrikum, ein wohlbekanntes und höchst unerwünschtes Phänomen in ferroelektrischen Speicherbausteinen. Schließlich ist ein fester Bias von keinem oder geringem Wert, wenn Korrelationsstrategien implementiert werden, wie in dem vorliegenden Dokument gelehrt wird.

Die japanischen Patentveröffentlichungen Nr. JP-A-06275062 und JP-A-05129622 (Masayoshi Omura) offenbaren ein zerstörungsfreies Auslesen eines über eine passive Matrix adressierbaren ferroelektrischen Speicherbausteins. Der Polarisationszustand einer individuellen Speicherzelle wird bestimmt durch Aufzeichnen der Phase der Stromantwort der zweiten Oberschwingung einer von einer periodischen Kleinsignalspannung angeregten Speicherzelle. Zudem lehrt JP-A-06275062 das Anlegen einer Biasspannung zum Positionieren des Arbeitspunkts auf der Hysteresekurve nahe am Punkt der maximalen Krümmung für einen der Logikzustände, wodurch die Amplitude der zweiten Oberschwingung verstärkt wird.

Aus US-Patent Nr. 5,666,305 (Mihara & al.) ist ein zerstörungsfreies Auslesen in einem über eine passive Matrix adressierbaren ferroelektrischen Speicher durch Anlegen störender Spannungsimpulse auf einem Niveau weit unter der Koerzitivspannung bekannt.

Aus US-Patent Nr. 3,132,326 (J. W. Crownover) ist ein zerstörungsfreies Auslesen einer ferroelektrischen Speicherzelle auf ähnliche Weise bekannt, indem zum Prüfen der Stromantwort einer Speicherzelle Spannungsimpulse verwendet werden, die kleiner sind als die Koerzitivspannung.

Aus US-Patent Nr. 5,262,982 (Brassington & al.) ist die Verwendung eines positiven unipolaren Impulses mit gleichzeitiger Detektion einer Spannungsantwort bekannt, um die mittlere Steigung der Hysteresekurve rechts von der Polarisationsachse zu prüfen, gefolgt von einem negativen unipolaren Impuls, der die Hysteresekurve auf ähnliche Weise prüft, und dann Bereitstellen einer Differenz zwischen den für beide Impulse erhaltenen Ergebnissen.

Diese letzteren fünf Patentveröffentlichungen haben gemein, daß sie alle auf einem zerstörungsfreien Auslesen basieren durch allgemeines Anlegen eines Lese- oder Prüfsignals bei einem Spannungsniveau, der nennenswert kleiner ist als die Koerzitivspannung, und dann die Detektion eines Logikzustands anhand eines gewissen Parameters einer Stromantwort ausgeführt wird. In einem Fall wird für die Detektion die Antwort einer zweiten Oberschwingung verwendet. Diese Verfahren nach dem Stand der Technik sind im allgemeinen durch inhärente Schwächen hinsichtlich der Bereitstellung einer zuverlässigen Bestimmung eines Logikzustands einer Speicherzelle belastet, und zwar um so mehr, da die Verwendung eines einzelnen Lesesignals nicht die Anwendung von ausgeklügelteren Korrelationstechniken gestattet, die eine Anforderung sein sollen, wenn im Kleinsignalbereich ein zerstörungsfreies Auslesen ausgeführt werden soll.

Hinsichtlich des Erhaltens einer zuverlässigeren zerstörungsfreien Auslesung in einem über eine passive Matrix adressierbaren ferroelektrischen Speicher schlägt US-Patent Nr. 5,530,667 (Omura & al.) schließlich einen Speicherbaustein mit einem ferroelektrischen Speichermaterial vor, das eine Hysteresekurve mit nichtlinearen Abschnitten in zwei steil anwachsenden/ansteigenden Gebieten bereitstellt. Eine zerstörungsfreie Auslesung wird durchgeführt unter Einsatz eines Prüfsignals ohne Übersteigen der Koerzitivspannung und Anlegen dieses Prüfsignals in Gebieten der Hysteresekurve, die eine detektierbare Kapazitätsdifferenz zwischen zwei aufgezeichneten Logikzuständen sicherstellen.

Allgemein und insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von über eine passive Matrix adressierbaren ferroelektrischen Speicherbausteinen, die kommerziell realisierbar sind, gibt es einen dringenden Bedarf an Bausteinen und Verfahren, über die Daten zerstörungsfrei aus Speicherzellen in Form von Kondensatoren mit elektrisch polarisierbarem Material gelesen werden können, daß eine Hysterese aufweist, und wobei die Speicherzellen nicht davon abhängen, daß sie aktive Schaltungselemente wie Transistoren enthalten. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die zerstörungsfreie Auslesung in einem über eine passive Matrix adressierbaren ferroelektrischen Speicher mit Lesespannungen stattfinden muß, die erheblich niedriger sind als die Koerzitivspannung, und üblicherweise in einem Kleinsignalgebiet liegen, besteht außerdem eine Notwendigkeit für zuverlässigere zerstörungsfreie Ausleseverfahren als jene, die bisher vom Stand der Technik wie oben angegeben vorgeschlagen werden.

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer konzeptuellen Basis für die zerstörungsfreie Auslesung von Daten aus Datenspeicherbausteinen, die Zellen mit elektrisch polarisierbaren Medien enthalten, insbesondere Ferroelektrika.

Durch Erweiterung des oben gesagten besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, das Auslesen von Daten zu gestatten, ohne daß es zu der Ermüdung und zu der Abnutzung kommt, die das traditionelle Auslesen durch Polarisationsumschalten begleiten und die Nutzlebensdauer von Speicherbausteinen auf der Basis von Ferroelektrika begrenzen. Eine Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, die Notwendigkeit des Wiederherstellens des Dateninhalts von Zellen zu vermeiden, die gelesen worden sind, was bei zerstörenden Auslesetechniken erforderlich ist, und so das Ausleseprotokoll zu vereinfachen und die Hardwarekomplexität zu reduzieren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung der Zuverlässigkeit beim Ausleseprozeß durch Bereitstellen von mehr als einem Diskriminierungskriterium zum Bestimmen eines Logikzustands in einer gegebenen Speicherzelle.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht schließlich auch in der Beschreibung generischer Prozeduren und Hardware zum Implementieren einer derartigen zerstörungsfreien Auslesung von Daten.

Die obigen Aufgaben sowie zusätzliche Merkmale und Vorteile werden mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, die gekennzeichnet ist durch die Schritte zum Anlegen einer ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung an den Kondensator, wobei die Kleinsignalspannung eine Amplitude und/oder eine Dauer aufweist, die kleiner als die ist, die erforderlich ist, um eine signifikante permanente Änderung des Polarisationszustands des Kondensators zu bewirken, Anlegen einer zweiten zeitabhängigen Spannung an den Kondensator, wobei die zweite zeitabhängige Spannung zu der ersten zeitabhängigen Spannung addiert wird, wobei die Summe der ersten und der zweiten zeitabhängigen Spannung eine Amplitude und/oder eine Dauer aufweist, die kleiner als die ist, die erforderlich ist, um eine signifikante permanente Änderung des Polarisationszustands des Kondensators zu bewirken, Aufzeichnen mindestens einer Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator, wobei die mindestens eine Kenngröße entweder eine lineare oder eine nichtlineare Beziehung zu der ersten und/oder der zweiten angelegten zeitabhängigen Spannung aufweist, Durchführen einer Korrelationsanalyse auf der Basis von Korrelationsreferenzsignalen, die sowohl aus der ersten als auch der zweiten an den Kondensator angelegten zeitabhängigen Spannung abgeleitet werden, Bestimmen des Logikzustands durch Ermitteln eines numerischen Werts für das Ergebnis der Korrelationsanalyse und Zuweisen eines logischen Werts zu dem bestimmten Logikzustand gemäß einem vorbestimmten Protokoll.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird es als vorteilhaft angesehen, die Korrelationsanalyse in zwei Stufen auszuführen, wobei die erste Stufe der Korrelationsanalyse das Aufzeichnen einer zeitlichen Korrelation zwischen der Kleinsignalspannung und der mindestens einen aufgezeichneten Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator, um den Betrag bzw. die Beträge mindestens eines Parameters zu ermitteln, der die mindestens eine aufgezeichnete Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator charakterisiert, und die zweite Stufe der Korrelationsanalyse das Aufzeichnen der Korrelation zwischen dem mindestens einen Parameter einerseits und dem Betrag, dem Vorzeichen und/oder der Phase der zweiten zeitabhängigen Spannung andererseits umfaßt.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird es auch als vorteilhaft angesehen, die Korrelationsanalyse in einer einzigen Stufe durchzuführen, wobei die mindestens eine Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator mit einem sowohl von der ersten als auch der zweiten angelegten zeitabhängigen Spannung abgeleiteten Referenzsignal korreliert wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird es als vorteilhaft angesehen, daß die zweite an den Kondensator angelegte zeitabhängige Spannung eine quasistatische Spannung einer der Polaritäten ist, und dann wird bevorzugt, daß sie zwischen einer Menge positiver und negativer Werte umgeschaltet wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird es als vorteilhaft angesehen, daß die zweite zeitabhängige Spannung am Kondensator eine niederfrequente oder langsam variierende Spannung ist, und dann wird bevorzugt, daß sie eine sinusförmig variierende Spannung ist.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die erste zeitabhängige Kleinsignalspannung als periodisch mit einer dominanten Fourier-Komponente bei der Frequenz &ohgr; gewählt, die Phase der zweiten Oberschwingungskomponente der Stromantwort aufgezeichnet und der erste Teil der Korrelationsanalyse wird mit einer von der dem Kondensator auferlegten ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung abgeleiteten Referenzphase durchgeführt. In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt angesehen, die erste zeitabhängige Kleinsignalspannung als sinusförmig zu wählen.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden die zeitabhängigen Spannungen als zwei periodisch variierende Signale mit dominanten Fourierkomponenten bei den Frequenzen &ohgr;1 bzw. &ohgr;2 gewählt, die Phasen der Komponenten der Stromantwort bei der Summen- und der Differenzfrequenz &ohgr;1 + &ohgr;2 und &ohgr;1 – &ohgr;2 aufgezeichnet und die Phasen mit einer von den dem Kondensator auferlegten zeitabhängigen Spannungen abgeleiteten Referenzphase verglichen. In diesem Zusammenhang wird es als bevorzugt angesehen, die periodisch variierenden Spannungskomponenten als sinusförmig zu wählen. Es wird dann auch bevorzugt, die Phasen von zwei oder mehr der nichtlinearen Stromantwortkomponenten bei 2&ohgr;1 und/oder 2&ohgr;2 und/oder &ohgr;1 + &ohgr;2 und/oder &ohgr;1 – &ohgr;2 aufzuzeichnen und die Phasen mit einer von den dem Kondensator auferlegten zeitabhängigen Spannungen abgeleiteten Referenzphase zu vergleichen oder diese Phasen mit der von einer Referenzzelle mit bekanntem Logikzustand, die denselben auferlegten Spannungen ausgesetzt wird, abgeleiteten Referenzphase zu vergleichen.

Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung umfaßt das Aufzeichnen der mindestens einen Kenngröße einer erzeugten Kleinsignalantwort an dem Kondensator das Aufzeichnen des Verhältnisses zwischen dem Betrag der Kleinsignal-Stromantwort auf die erste zeitabhängige Kleinsignalspannung einerseits und dem Betrag der ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung andererseits, wobei das Verhältnis der Steigung der Hysteresekurve entspricht, an zwei oder mehr Werten der zweiten zeitabhängigen Spannung. In diesem Zusammenhang wird es als bevorzugt angesehen, die zweite zeitabhängige Spannung als eine niederperiodische oder langsam variierende Offsetspannung zu wählen, die zwischen einer Menge vorbestimmter positiver und/oder negativer Werte variiert wird, und dann insbesondere Wählen der zweiten zeitabhängigen Spannung als periodisch zwischen einem positiven und einem negativen Wert variierend. In diesem Zusammenhang wird alternativ auch als bevorzugt angesehen das Wählen der zweiten zeitabhängigen Spannung als eine glatt variierende Spannung, die einen Spannungsbereich zwischen zwei positiven Werten oder zwei negativen Werten oder einem positiven Wert und einem negativen Wert durchläuft, und dann periodisches Durchlaufenlassen der zweiten zeitabhängigen Spannung bei einer Frequenz, die niedriger als bei der ersten zeitabhängigen Spannung ist. Die zweite zeitabhängige Spannung kann dann vorteilhafterweise als mit der Zeit sinusförmig variierend gewählt werden.

Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, daß das vorbestimmte Protokoll dem Logikzustand abhängig von dem ermittelten numerischen Wert einen von zwei logischen Werten zuweist.

Die obigen Aufgaben sowie zusätzliche Merkmale und Vorteile werden ebenfalls erzielt durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Phasenvergleichs bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das gekennzeichnet ist dadurch, daß es folgendes umfaßt: einen Signalgenerator zum Liefern von zwei oder mehr Lesesignalen mit gegebenen Phasen an eine damit verbindbare Speicherzelle, wobei die Speicherzelle als Reaktion auf die Lesesignale ein Antwortsignal mit zwei oder mehr nichtlinearen Stromkomponenten ausgibt; einen phasenempfindlichen Detektor, der mit der Speicherzelle verbindbar und dafür ausgelegt ist, eine phasenempfindliche Detektion mindestens zweier Phasen in dem aus der Speicherzelle ausgegebenen Antwortsignal durchzuführen; eine Referenzquelle, die mit dem Signalgenerator verbunden und dafür ausgelegt ist, aus der Summe und Differenzen der Phasen der Eingangslesesignale Phasenreferenzen für den damit verbundenen phasenempfindlichen Detektor zu erzeugen, um die Antwortkomponenten zu detektieren und zu korrelieren und einen Phasenvergleich zwischen den Phasenreferenzen und der mindestens einen detektierten und korrelierten Antwortkomponente durchzuführen; und eine Diskriminator-/Logikschaltung, die mit dem phasenempfindlichen Detektor verbunden ist, um sein Ausgangssignal zu empfangen, und die dafür ausgelegt ist, einen Logikzustand der Speicherzelle zu bestimmen.

In diesem Zusammenhang wird es als vorteilhaft angesehen, daß ein (&ohgr; + &pgr;)-Phasenschieber mit der Referenzquelle verbunden ist, um ihr Ausgangssignal zu empfangen, und das (&ohgr; + &pgr;)-phasenverschobene Ausgangssignal dem phasenempfindlichen Detektor und wahlweise auch der Diskriminator-/Logikschaltung zuführt.

Schließlich werden die obigen Aufgaben sowie zusätzliche Merkmale und Vorteile auch erzielt mit einer zweiten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie folgendes umfaßt: einen Signalgenerator zum Liefern eines ersten periodischen Lesesignals, das einem zweiten periodischen Lesesignal mit niedrigerer Frequenz als das erste Lesesignal überlagert ist, an eine damit verbindbare Speicherzelle, wobei die Speicherzelle ein Antwortsignal mit zweimal der Frequenz des ersten Lesesignals ausgibt; und einen mit der Speicherzelle verbindbaren phasenempfindlichen Detektor und Diskriminator zum Empfangen des Antwortsignals davon bzw. von Phasenreferenzsignalen in Form des ersten und des zweiten Lesesignals aus dem Signalgenerator und zum Korrelieren der Phase des Antwortsignals mit der Phase eines der Phasenreferenzsignale oder beider, wobei der phasenempfindliche Detektor und Diskriminator einen Logikzustand der Speicherzelle durch den Betrag und/oder die Phase des phasenkorrelierten Antwortsignals bestimmen.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich ohne weiteres anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindungen bei Lektüre in Verbindung mit den angefügten Zeichnungsfiguren. Es zeigen:

1 ein Beispiel für eine ferroelektrische 1C-1T-Speicherzellenstruktur nach dem Stand der Technik mit einem Transistor und einem ferroelektrischen Kondensator in jeder Zelle, wie oben erwähnt,

2 eine über eine passive Matrix adressierende Struktur mit am Schnittpunkt von sich kreuzenden Elektroden in einem orthogonalen Gittermuster ausgebildeten Speicherzellen, wie oben erwähnt

3a eine generische Hysteresekurve für eine Speichersubstanz vom ferroelektrischen Typ mit hervorgehobenen bestimmten auffälligen Merkmalen,

3b eine generische hochfrequente Kleinsignalpolarisierungsantwort als Funktion der Polarisationsvorgeschichte und angelegten Biasspannung,

4a4d Beispiele einer Auslesung durch lokale Steigungsdetektion, d.h. der Polarisation – Spannung-Antwort für eine Speicherzelle, die wie gezeigt von einem Spannungssignal angeregt wird, wie bei der vorliegenden Erfindung angewendet,

5a das Prinzip der Auslesung durch die Detektion einer zweiten Oberschwingung bei Anwendung in der vorliegenden Erfindung,

5b ein Blockdiagramm einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die zum Auslesen durch die Detektion einer zweiten Oberschwingung verwendet wird,

6 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die zum Auslesen durch parametrisches Mischen verwendet wird,

7a das Prinzip der Auslesung durch Verstärkung der Antwort der zweiten Oberschwingung durch periodisch verschobene Offsetspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung,

7b ein Blockdiagramm einer Abwandlung der Vorrichtung in 5b, die für das Auslesen durch eine Verstärkung der Antwort der zweiten Oberschwingung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

8a das Prinzip der Auslesung durch eine periodische Modulation der Antwort der zweiten Oberschwingung durch eine sinusförmige niederfrequente Offsetspannung gemäß der vorliegenden Erfindung und

8b ein Blockdiagramm einer Abwandlung der Vorrichtung in 5b, die verwendet wird für das Auslesen durch periodische Modulation der Antwort der zweiten Oberschwingung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Wie oben beschrieben beinhalten Verfahren nach dem Stand der Technik zum Lesen eines als eine Polarisationsrichtung in einem ferroelektrischen Kondensator in einer Speicherzelle gespeicherten Logikzustands in der Regel einen der beiden folgenden Punkte, nämlich Verwenden einer Mikroschaltung in jeder Speicherzelle, wobei der Polarisationssinn in dem Speicherkondensator (d.h. sein Logikzustand) den Bias des Gates eines Transistors und somit den Stromfluß zu einem diese Zelle lesenden Leseverstärker bestimmt, oder dem ferroelektrischen Kondensator eine Spannung aufzuerlegen mit einem Betrag, der groß genug ist, um in dem Kondensator eine Polarisationsumkehr zu bewirken. Je nachdem, ob der Polarisationssinn im Kondensator parallel zu dem auferlegten Feld oder diesem entgegengesetzt ist, bleibt die Polarisation unverändert oder kippt in die entgegengesetzte Richtung um. Wenngleich man durch ersteres eine zerstörungsfreie Auslesung erhält, gibt es mehrere Probleme hinsichtlich Materialien und Verarbeitung, siehe die obige Erörterung des Stands der Technik. Die letztere Menge von Auslesetechniken ist zerstörend und beinhaltet das Polarisationsumschalten mit inhärenten Ermüdungsproblemen usw. und Verlust des Dateninhalts.

Wie nun unter Bezugnahme auf Antwortkennlinien einer generischen elektrischen Polarisation von einen Polarisationsrest aufweisenden Materialien, insbesondere Ferroelektrika, beschrieben wird, existieren alternative Ausleseverfahren, die zerstörungsfrei sind, einfach zu implementieren sind und mit über eine aktive Matrix als auch eine passive Matrix adressierenden Verfahren kompatibel sind. Die beteiligten physikalischen Phänomene sind jedoch zahlreich und komplex, weshalb es erforderlich ist, das Ausleseverfahren auf die Materialien, Architekturen und Zeitskalen zuzuschneiden, die in jeder gegebenen Situation von Interesse sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Logikzustand, d.h. die Richtung der elektrischen Polarisation, in einer gegebenen Zelle in dem Speicherbaustein durch Aufzeichnen der nichtlinearen elektrischen Impedanzantwort der Zelle auf eine zeitlich veränderliche Spannung mit einem Spannungsausschlag bestimmt, der viel kleiner ist als der, der erforderlich ist, um in der Zelle eine Polarisationsumkehrung zu bewirken. Wie gezeigt wird, kann diese nichtlineare Antwort eine von der Biasspannung abhängige Kleinsignalimpedanz aufweisen, wobei der Betrag dieser Impedanz mit der Biasspannung korreliert werden kann, um den Logikzustand der Zelle zu offenbaren. Alternativ erzeugt die Nichtlinearität eine Antwort mit einem anderen spektralen Frequenzgehalt als dem der anregenden Spannung, d.h., sie kann höhere Oberschwingungen und/oder Summe-und-Differenzfrequenzkomponenten relativ zu dem Frequenzgehalt der anregenden Spannung enthalten, wobei die Phase und/oder der Betrag der nichtlinearen Antwortkomponenten je nach dem Logikzustand der Zelle unterschiedlich sein sollen.

In dem vorliegenden Kontext ist es wichtig, zwischen der Polarisationsantwort durch Wechselwirkung mit den Dipolen, die für die Restpolarisation verantwortlich sind, einerseits und andererseits der Antwort von quasigebundenen mobilen Ladungen, die sich als Reaktion auf die durch diese Dipole erzeugte Polarisation und das aufgeprägte Feld von den Elektroden aufbauen, zu unterscheiden. Dies wird sich auf die Frequenzen und Ausleseimpulsprotokolle auswirken, die in jedem Fall verwendet werden können, als auch auf die möglichen Einschränkungen, die bezüglich der Wahl von Elektrodenmaterialien gelten.

Unter Bezugnahme auf den ersteren Fall veranschaulicht die in 3a gezeigte generische Hystereseschleife die Antwort eines vorpolarisierten Mediums auf eine auferlegte externe Spannung an den Elektroden bei der kondensatorartigen Struktur. In diesem Fall folgt die auferlegte Spannung einer zyklischen Veränderung zwischen zwei Extremwerten bei positiver und negativer Polarität, wie gezeigt. Die Beziehung ist komplex, wobei die lokale Polarisation gegenüber der Spannungsantwort an einem gegebenen Punkt auf der Kurve von der vorausgegangenen Polarisations-/Spannungsvorgeschichte abhängt und auf makroskopischem wie auch mikroskopischem Maßstab nicht linear ist. Je nachdem, ob das Material in einem logischen Zustand „0" bzw. „1" hergestellt worden ist, existieren vom Logikzustand abhängige Unterschiede bei der lokalen Polarisation gegenüber der Spannungsantwort, die dazu genutzt werden können, zerstörungsfreie Mittel zum Lesen des Logikzustands bereitzustellen. Diese Unterschiede zeigen sich in einer Kleinsignalpolarisationsantwort, die von der Position auf der Kurve abhängt, und wobei die Kleinsignalpolarisationsantwort relativ zu einer angelegten anregenden Kleinsignalspannung sowohl lineare als auch nichtlineare Antwortkomponenten enthalten kann. Dementsprechend kann die komplexe Kleinsignalimpedanz, die an einer Speicherzelle in Form eines Kondensators erfaßt wird, der Material mit Kennlinien wie in 3a gezeigt enthält, in Korrelation mit den angelegten Spannungen an dem Kondensator analysiert werden, um den Logikzustand der Speicherzelle zu offenbaren. Es muß darauf geachtet werden, daß die Frequenzen der angelegten Bias- und Kleinsignalprüfspannungen ausreichend niedrig gewählt werden müssen, damit die vom Dipol kommende Polarisation folgen kann. Je nach dem fraglichen Material, der Temperatur usw. kann die höchste zulässige Frequenz in einem großen Bereich liegen (Hunderte von Hz bis GHz), wobei displazive anorganische ferroelektrische Keramiken sehr schnell reagieren und polymere ferroelektrische Polymere auf Ausrichtungsbasis langsamer reagieren.

Nunmehr unter Bezugnahme auf letzteren Fall, bei der die Polarisationsantwort auf quasigebundene oder mobile Ladungen zurückzuführen ist, die sich unter dem Einfluß von internen Feldern in dem Material anhäufen, zeigt eine Untersuchung der wissenschaftlichen Literatur, daß das Grundphänomen einer polarisationsabhängigen Asymmetrie, einer Biasabhängigkeit und einer nichtlinearen Antwort ein allgemeines Attribut aller ferroelektrischen Materialien in kondensatorartigen Strukturen des hier relevanten Typs zu sein scheint. Wenngleich der Betrag der Polarisationsantwort in vielen Fällen stark reduziert ist, gilt dies sogar bei Frequenzen, die diejenigen weit übersteigen, wo die ferroelektrische Polarisation folgen kann, wobei es dann unpassend ist, diese Phänomene hinsichtlich der Hysteresekurve von 3a zu erläutern.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der Logikzustand, d.h. die Richtung und/oder der Betrag der Restpolarisation, unter Ausnutzung der Nichtlinearitäten bestimmt, die der Polarisationsantwort des Materials unter einem auferlegten elektrischen Feld zu eigen sind. Es werden nun zwei grundsätzliche Ansätze beschrieben.

Bei dem ersten wird das Material einer einer Biasspannung überlagerten Kleinsignalprüfspannung unterzogen, und die Polarisationsantwort bei der gleichen Frequenz wie der der Prüfspannung wird als Funktion der Biasspannung bestimmt. In 3b ist eine generische Kleinsignalpolarisationsantwortkurve gezeigt. Bei bei der gleichen Frequenz wie die Ansteuerspannung aufgezeichneten Antwort ist diese Antwort einfach die biasabhängige Kapazität, die zum Polarisationszustand des Materials in Beziehung steht. Es ist wichtig zu realisieren, daß zwar das gleiche qualitative Verhalten auftritt, es jedoch einen fundamentalen Unterschied gibt zwischen den durch Wechselwirkung mit akkumulierten quasigebundenen oder mobilen Ladungen zu solchen Kurven führenden physikalischen Mechanismen einerseits und andererseits Kurven, die durch eine Kleinsignalprüfung der Steigung der Hysteresekurve erhalten werden. Aufgrund der Ähnlichkeiten in bestimmten der unten zu beschreibenden Ausleseverfahren sollen die Beschreibungen von bevorzugten Ausführungsformen, die auf Prinzipien wie in 4a–d dargestellt basieren, im Hinblick auf die lokale Kleinsignalantwort an verschiedenen Teilen der Hysteresekurve formuliert werden, was ein leicht verständliches intuitives Gespür für die beteiligten zugrundeliegenden Prinzipien liefert. Es versteht sich jedoch, daß die technische Beschreibung der Auslesevorrichtungs- und Spannungsprotokolle auch für die Fälle gelten soll, wo quasigebundene und/oder mobile Ladungen geprüft werden. Letzterer Fall soll nicht nur Frequenzbereiche umfassen, bei denen eine vollständige oder teilweise Umkehr der Restpolarisation stattfinden kann, wie aus den Hysteresekurven hervorgeht, sondern auch Hochfrequenzbereiche, bei denen ein Bezirksumschalten nicht folgen kann. In diesem Zusammenhang kann angemerkt werden, daß die von C. Brennan in seinen oben angeführten Patenten gelehrten Ausleseverfahren explizit auf einer Wechselwirkung mit akkumulierten Raumladungen basieren, und zwar gemäß eines spezifischen Modells, bei dem die geprüften Raumladungen sich in der Nähe jeder Elektrode mit einem neutralen Gebiet dazwischen befinden, wobei die relative Größe der neutralen und Raumladungsgebiete die wahrgenommene Kapazität definieren. Dies siedelt Brennans Verfahren außerhalb des Bereichs desjenigen Teils der vorliegenden Erörterung an, der auf den Hysteresekurven basiert, und ignoriert auch zahlreiche andere physikalische Phänomene, die zu Kleinsignalantwortkennlinien des in 3b qualitativ gezeigten Typs führen.

Im zweiten Fall wirkt das Material wie eine polarisationszustandsabhängige parametrische Mischeinrichtung, die eine Ausgabeantwort liefert, die zusätzlich zu jenen, die in der Kleinsignalanregungsspannung vorliegen, neue Frequenzkomponenten enthält. Das Ansteuern der Polarisation mit einer gegebenen Frequenz erzeugt somit eine Polarisationsantwort und somit einen detektierbaren Strom, der zusätzlich zu der Grundfrequenz auch höhere Oberschwingungen enthält. Falls die Ansteuerspannung mehrere Frequenzkomponenten enthält, kann die Antwort auch Summe-und-Differenzfrequenzkomponenten mit spezifischen Phasenbeziehungen enthalten, die einzig mit dem Restpolarisationszustand des Mediums verknüpft werden können.

Wieder werden die Beschreibungen in den unten gegebenen Beispielen unter Bezugnahme auf die Hysteresekurven geliefert, was einen einfachen intuitiven Ansatz zum Verständnis der darunterliegenden Prinzipien liefert. Wie oben erörtert, sollen jedoch die gleichen grundlegenden Ausleseprinzipien und -vorrichtungen in Hochfrequenzbereichen anwendbar sein, bei denen die sich in Hysteresekurven manifestierende Polarisationsumschaltung nicht folgen kann, da sie mit quasigebundenen oder mobilen Raumladungen verknüpft ist.

Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen werden anhand der Beispiele 3, 4 und 5 unten beschrieben. Sie stellen generische Klassen möglicher Implementierungen dar, die sich das gemeinsame Merkmal einer Kleinsignalanregung der Speicherzelle teilen, um über durch Nichtlinearität und Polarisationsvorgeschichte erzeugte Asymmetrie eine logikzustandsabhängige Polarisationsantwort anzuregen. Zur Vereinfachung der Erörterung sei angenommen, daß die Polarisationsantwort auf eine sich mit der Zeit verändernde Spannung mit kleiner Amplitude entlang einem Abschnitt der Kurve in 3a hin und her verläuft. Diese Annahme ignoriert die Effekte der Teilumschaltung und Ermüdung, die zu einer allmählichen Reduzierung beim Polarisationsbetrag führen und auch verursachen, daß die Kleinsignalpolarisationsantwort selbst eine Hysterese aufweist.

Bevor bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, sollen nachstehend zwei Beispiele mit einem gewissen Detail erörtert werden, die einen allgemeinen Hintergrund für die zugrundeliegenden Prinzipien der vorliegenden Erfindung liefern und diese erhellen.

Beispiel 1: Differentiale bei der Kleinsignalpolarisationsantwort

Die Steigung, d.h. die lineare Kleinsignalpolarisationsantwort, die die erste Ableitung dP/dV der Hysteresekurve darstellt, ist spannungs- und vorgeschichtenabhängig. Bei der in 3a gezeigten generischen Kurve ist die Steigung für die beiden Logikzustände bei jeweils „0" und „1" identisch, und eine Steigungsmessung an diesen Punkten offenbart nicht den Logikzustand. Durch Anlegen eines bestimmten Spannungsbias V und Prüfen des Steigungsverhaltens in der Nähe der Punkte „1" und „0" kann der Logikzustand bestimmt werden. Wenn nun definiert wird:

Steigung in der Nähe „0" und bei Biasspannung V = Steigung"0" (V)

Steigung in der Nähe „1" und bei Biasspannung V = Steigung"1" (V), erhält man aus 3:

Steigung"0" (+&Dgr;V) < Steigung„1" (+&Dgr;V)

Steigung„0" (–&Dgr;V) > Steigung„1" (–&Dgr;V).

Somit kann der Logikzustand der fraglichen Zelle durch Anlegen einer Biasspannung bekannten Betrags und bekannter Polarität und Aufzeichnen der Steigung an mindestens zwei Punkten auf der Kurve ausgelesen werden. Dies kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden:

  • a) durch Aufzeichnen des Betrags der Steigung bei zwei oder mehr diskreten Biasspannungswerten, wie in 4a dargestellt, und Vergleichen des Differentials zwischen den Steigungen mit einem Schwellwert.
  • b) durch Überwachen des Betrags der Kleinsignalpolarisationsantwort unter Anlegen einer Prüfspannung, die aus einer langsamen periodischen Ablenkspannung besteht, der ein kleiner periodischer Spannungshub mit einer höheren Frequenz überlagert ist, wie in 4b gezeigt.
  • c) durch Aufzeichnen der differentiellen Polarisation zwischen ausgewählten diskreten Punkten auf der Hysteresekurve. Ein Beispiel ist in 4c veranschaulicht.

    Für einen Logikzustand „0" hat man |P(+&Dgr;V) – P(0)| < |P(0) – P(–&Dgr;V)| während man für einen Logikzustand „1" hat |P(+&Dgr;V) – P(0)| > |P(0) – P(–&Dgr;V)|
  • d) durch Aufzeichnen der Asymmetrie der Polarisationsausschläge (Spitze-Spitze, RMS oder dergleichen) als Reaktion auf angelegte Ablenkspannungen positiver und negativer Polarität. Ein Beispiel, das zwei getrennte Ablenkungen zeigt, ist in 4d gezeigt, doch kann die Asymmetrie auf unterschiedliche Weisen detektiert werden, die dem Elektronikfachmann offensichtlich sind.

Beispiel 2: Oberschwingungsdetektion der Antwort auf eine sinusförmige Eingangsspannung

Die folgende einfache Behandlung kann beim Erlangen eines intuitiven Einblicks in die grundlegende Idee hilfreich sein.

Unter Bezugnahme auf 3a soll festgestellt werden, ob sich das Speichermaterial in einer gegebenen Speicherzelle in dem Logikzustand „0" oder „1" befindet. Die beiden Logikzustände sind durch unterschiedliche Krümmungen an den Punkten gekennzeichnet, wo die Hysteresekurve die Achse V = 0 abschneidet. Durch Entwicklung zur zweiten Ordnung kann man Schreiben: P(„0") = P0 + &agr;V – &bgr;V2(1) P(„1") = –P0 + &agr;V + &bgr;V2(2)

Nun unter der Annahme, daß die Zelle von einer sinusförmig variierenden Spannung mit einer Amplitude angeregt wird, die viel kleiner ist als die, die erforderlich ist, um die Polarität der Zelle umzuschalten, wie in 5a veranschaulicht, erhält man V(t) = V0cos(&ohgr;t)(3)

Die Polarisationsantwort wird zu P(„0") = P0 + &agr;V0cos(&ohgr;t) – &bgr;V02cos2(&ohgr;t)

= (P0 – ½&bgr;V02) + &agr;V0cos(&ohgr;t) + ½&bgr;V02cos(2&ohgr;t + &pgr;)(4)
und P(„1") = –P0 + &agr;V0cos(&ohgr;t) + &bgr;V02cos2(&ohgr;t)

= –(P0 – ½&bgr;V02) + &agr;V0cos(&ohgr;t) + ½ &bgr;V02cos(2&ohgr;t)(5)

Somit hängt die Polarisationsantwort der Speicherzelle bei der zweiten Oberschwingungsfrequenz davon ab, ob sich die Zelle in einem Zustand „0" oder „1" befindet, d.h., die Antworten der zweiten Oberschwingung in den beiden Zuständen sind zueinander in Gegenphase (zueinander um 180° außer Phase). Durch geeignete Detektion, z.B. kohärente Mittelwertbildung (Lock-in-Detektion) kann sich diese Differenz auf qualitative Weise manifestieren, beispielsweise als eine positive oder negative Polarität in einem Detektionssignal.

Eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik zum Ausführen einer Detektion der Polarisationsantwort bei der zweiten Oberschwingung ist in 5b als ein schematisches Blockdiagramm gezeigt. Eine Signalquelle gibt eine sinusförmig variierende Spannung mit der Frequenz &ohgr; in eine Speicherzelle ein, die ein Antwortsignal mit Oberschwingungen an einen phasenempfindlichen Detektor ausgibt, wie gezeigt. Der phasenempfindliche Detektor kann in abweichenden Ausführungsformen als ein kombinierter phasenempfindlicher Detektor und Diskriminator angesehen werden. Gleichzeitig erzeugt die Signalquelle auch eine Eingangsphasenreferenz für eine Referenzquelle, die ein Referenzsignal mit der doppelten Frequenz &ohgr; des Lesesignals des phasenempfindlichen Detektors ausgibt. Diese Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors soll vom Logikzustand der Speicherzelle abhängen, und der tatsächliche Logikzustand kann einfach auf einem qualitativen Parameter basieren, z.B. der Polarität des Detektionssignals, wie angegeben.

Wie man ohne weiteres feststellen kann und wie dem Fachmann auf dem Gebiet der Signalanalyse offensichtlich ist, führen Nichtlinearitäten höherer Ordnung in der Polarisationsantwort der Speicherzelle allgemeiner dazu, daß in dem detektierten Signal über den zweiten Oberschwingungen liegende Oberschwingungen auftreten. Nach den gleichen zugrundeliegenden Prinzipien, wie oben umrissen, und in Abhängigkeit von den spezifischen Antwortkennlinien der fraglichen Speicherzelle können solche Signalkomponenten auch aus dem Gesamtsignal extrahiert werden und die Polarisationsrichtung und somit den Logikzustand der Zelle offenbaren. Somit soll das obige Beispiel, das auf der Detektion zweiter Oberschwingungen basiert, nicht implizieren oder so ausgelegt werden, daß es die Detektion von über den zweiten Oberschwingungen liegenden Oberschwingungen als das Arbeitsprinzip zum Bestimmen des Logikzustands der fraglichen Zelle ausschließt.

Wie oben erwähnt werden nun auf beispielhafte Weise eine Reihe bevorzugter Ausführungsformen erörtert, die für den eigentlichen Schutzbereich der Erfindung in keinerlei Weise als beschränkend angesehen werden sollen.

Beispiel 3: Summen- und Differenzfrequenzdetektion der Antwort auf zwei über lagerte sinusförmige Eingangsspannungen

Ähnlich zu der Behandlung in dem vorausgegangenen Abschnitt kann für den Fall eine einfache Analyse vorgenommen werden, bei dem die Anregung der Speicherzelle als die Summe von zwei sinusförmig variierenden Spannungen bei zwei unterschiedlichen Frequenzen &ohgr;1 und &ohgr;2 geschrieben werden kann. In diesem Fall hat man V(t) = V1cos(&ohgr;1t) + V2cos(&ohgr;2t)(6) und die Polarisationsantworten werden zu P(„0") = [P0 – ½ &bgr;(V12 + V22)] + &agr;[V1cos(&ohgr;1t) + V2cos(&ohgr;2t)]

+ ½&bgr;[V12cos(2&ohgr;1t + &pgr;) + V22cos(2&ohgr;2t + &pgr;)

+ 2V1V2(cos(&ohgr;1 + &ohgr;2)t + &pgr;) + cos(&ohgr;1 – &ohgr;2)t + &pgr;)](7)
und P(„1") = –[P0 –½&bgr;(V12 + V22)] + &agr;[V1cos(&ohgr;1t) + V2cos(&ohgr;2t)]

+ ½ &bgr;[V12cos(2&ohgr;1t) + V22cos(2&ohgr;2t)

+ 2V1V2(cos((&ohgr;1 + &ohgr;2)t + cos((&ohgr;1 – &ohgr;2)t)](8)
was, wie zu sehen ist, die Ausdrücke (4) und (5) durch Einsetzen von V1 = V2 = V0/2 und &ohgr;1 = &ohgr;2 = &ohgr; reduziert.

Zusätzlich zu den linearen zeitabhängigen Antworten bei &ohgr;1 und &ohgr;2 und den Antworten der zweiten Oberschwingungen bei 2&ohgr;1 und 2&ohgr;2 gibt es nun Antwortkomponenten bei den Summen- und Differenzfrequenzen (&ohgr;1 + &ohgr;2) und (&ohgr;1 – &ohgr;2), wie in 6 gezeigt. Letztere sind in Analogie zu dem in dem vorausgegangenen Absatz erörterten Fall in Abhängigkeit davon, ob die Zelle sich in einem Logikzustand „0" oder „1" befindet, in Gegenphase zueinander. Dadurch erhält man einen alternativen zerstörungsfreien Weg zur Datenauslesung, wobei es möglich ist, Werte von 2&ohgr;1 und 2&ohgr;2 derart zu wählen, daß die Detektionsfrequenz bei (&ohgr;1 + &ohgr;2) oder (&ohgr;1 – &ohgr;2) in einem zweckmäßigen Bereich positioniert ist, z.B. dort, wo die Rauschspektraldichte niedrig ist und/oder wo die Frequenz optimal ist für die Erfassungs- und Verarbeitungsschaltung. Es ist außerdem möglich, gegen Oberschwingungen der Anregungsspannungen zu diskriminieren, die durch Mechanismen, die zu der hier relevanten Polarisationsantwort nicht in Beziehung stehen, in die Detektionsschaltung eingekoppelt werden (z.B. Nichtlinearitäten bei der Ansteuer- oder Detektionsschaltung).

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Ausführen einer Summen- und Differenzfrequenzdetektion der Antwort auf sinusförmige Eingangsspannungen bei Frequenzen &ohgr;1 bzw. &ohgr;2 ist in Blockdiagrammform in 6 gezeigt. Hier gibt eine Signalquelle, die Lesesignale als Frequenz &ohgr;1 bzw. &ohgr;2 erzeugt, diese Signale in eine Speicherzelle ein, und die Antwort von der Speicherzelle wird in einen phasenempfindlichen Detektor eingegeben, der die Detektion bei der Summenfrequenz &ohgr;1 + &ohgr;2 oder Differenzfrequenz &ohgr;1 – &ohgr;2 ausführt. Eine Referenzquelle ist mit einer Signalquelle für das Empfangen der entsprechenden Phasenbeziehungen verbunden und gibt Referenzsummen- und -differenzfrequenzen an den phasenempfindlichen Detektor aus, dessen Ausgang mit einer Diskriminator-/Logikschaltung zum Ausführen des notwendigen Phasenvergleichs zum Bestimmen des eigentlichen Logikzustands der Speicherzelle verbunden ist. Wahlweise ist ein (&ohgr;1 + &pgr;)-Phasenschieber zwischen die Referenzquelle und den phasenempfindlichen Detektor geschaltet, um die um &pgr; verschobene Referenz an den phasenempfindlichen Detektor und wahlweise an die Diskriminator-/Logikschaltung zu liefern.

Da der Logikzustand der Zelle sich in den Phasenantworten bei mehreren verschiedenen Frequenzen gleichzeitig manifestiert (d.h. 2&ohgr;1, &ohgr;2, &ohgr;1 + &ohgr;2 und &ohgr;1 – &ohgr;2), können die Phasendetektionsergebnisse bei zwei oder mehr Frequenzen korreliert werden, um die Sicherheit und/oder Geschwindigkeit bei jeder Ausleseoperation zu vergrößern.

Beispiel 4: Nichtlineare Antwortdetektion wobei Eingangsspannungen einen langsam-periodischen oder niederfrequenten Offset aufweisen

Ein fast universales Attribut von nichtlinearen Antworten in Materie ist die starke Abhängigkeit von der Anregungsamplitude. Wie oben erwähnt wurde, muß im vorliegenden Fall eine Anregung gewählt werden, die ausreichend stark ist, um eine schnelle und zuverlässige Detektion der nichtlinearen Antwort zu gestatten, während sie gleichzeitig so schwach ist, daß die Polarisation im Speichermaterial nicht reduziert oder umgekehrt wird.

Eine weitere Strategie zum Erhöhen der Detektionssignale besteht darin, den Arbeitspunkt zu einem Gebiet auf der Hysteresekurve zu bewegen, wo letztere eine stark nichtlineare Beziehung zwischen der Polarisationsantwort und der angelegten Spannung aufweist. Durch Bezugnahme auf 3a und 7a kann dies veranschaulicht werden.

Es sei angenommen, daß sich die Zelle z.B. in einem Logikzustand „1" befindet und das zum Prüfen der Antwort der zweiten Oberschwingungen ein kleines sinusförmig variierendes Feld mit einer Frequenz &ohgr; angelegt wird. Nun liegt jedoch eine langsam-periodische oder niederfrequente Offsetspannung vor, die ausgewählt werden kann, um den Arbeitspunkt auf der Hysteresekurve zu positionieren, nämlich V(t) = VOFFSET + V0cos(&ohgr;t)(9)

Wenn der Einfachheit halber angenommen wird, daß die zweite Oberschwingung zu der Aufwärts- oder Abwärtskrümmung der Hysteresekurve am Arbeitspunkt direkt proportional ist, kann man durch Betrachtung von 3a sehen, daß bei einer Zelle im Logikzustand „1" das Signal der zweiten Oberschwingungen der Stärke nach zunimmt, wenn VOFFSET von Null aus zunimmt und sich VC nähert (in der Praxis soll die in einem über eine passive Matrix adressierten Speicher größte zulässige Spannung VC/3 betragen, um zu vermeiden, daß die anderen Speicherzellen in der Matrix gestört werden), und für eine Zelle im Logikzustand „0" ist das Signal der zweiten Oberschwingungen in Gegenphase zu dem „1"-Signal und bleibt klein, wenn VOFFSET von Null aus und nach oben zunimmt.

Wenn umgekehrt VOFFSET negativ ist, dann ist das Ergebnis das Spiegelbild des obigen: Wenn die Offsetspannung zunehmende negative Werte erhält, bleibt das Signal der zweiten Oberschwingungen klein, wenn sich die Zelle in dem Logikzustand „1" befindet, und nimmt zu, wenn sich die Zelle im Logikzustand „0" befindet.

Zusätzlich zu der möglichen Verstärkung der Stärke des Signals der zweiten Oberschwingungen führt somit das Anlegen einer Offsetspannung zusätzliche Phänomene ein, die ausgenutzt werden können, um den Logikzustand der Zelle zu offenbaren, wie in 7a gezeigt. In einem Zustand „1" nimmt die Amplitude des Signals der zweiten Oberschwingungen als Reaktion auf eine Offsetspannung mit positiver Polarität zu, während sie bei Offsetspannungen mit negativer Polarität klein bleibt. In einem Zustand „0" nimmt das Signal als Reaktion auf eine Offsetspannung mit negativer Polarität zu und bleibt bei Offsetspannungen mit positiver Polarität klein. Unter mehreren Anregungsspannungsprotokollen, die für das Datenauslesen auf der Basis dieser Asymmetrie verwendet werden können, beinhaltet eine bevorzugte Ausführungsform eine Sequenz von Messungen mit verschiedenen langsam-periodischen oder niederfrequenten Offsetspannungen, exemplifiziert durch den einfachen Fall, wo zwei Messungen der Amplitude und Phase der zweiten Oberschwingungen vorgenommen werden, eine bei +VOFFSET und eine bei –VOFFSET. Wenn sich die Zelle in einem Zustand „1" befindet, offenbart sich dies als ein großes Signal der zweiten Oberschwingungen mit einer gleichphasigen Korrelation mit einem Referenzsignal, wenn der Offset +VOFFSET ist, und einem kleineren Signal der zweiten Oberschwingungen mit der gleichen Phase bei einem Offset von –VOFFSET. Wenn sich die Zelle in einem Zustand „0" befindet, ist das Signal der zweiten Oberschwingungen klein und in Gegenphase zu dem Referenzsignal, wenn der Offset +VOFFSET ist, und groß, aber immer noch in Gegenphase, wenn der Offset –VOFFSET beträgt.

Für die Durchführung einer nichtlinearen Antwortdetektion gemäß der Erfindung mit Eingangsspannungen mit entweder einem langsam-periodischen oder niederfrequenten Offsetsignal kann eine abweichende Ausführungsform der in 5 gezeigten Vorrichtung verwendet werden. Diese abweichende Ausführungsform entspricht dem schematischen Blockdiagramm von 7b. Ein Signalgenerator gibt das periodische, z.B. ein sinusförmiges, der vorspannenden Spannung überlagertes Lesesignal in Form einer langsam-periodischen Offsetspannung oder alternativ einer niederfrequenten Offsetspannung aus. Die Speicherzelle gibt ein Antwortsignal mit einer Frequenzkomponente von 2&ohgr; aus, das in einen kombinierten phasenempfindlichen Detektor und Diskriminator eingegeben wird, um den Logikzustand der Speicherzelle zu bestimmen. Der kombinierte phasenempfindliche Detektor und Diskriminator ist ebenfalls mit dem Signalgenerator verbunden, um ein Referenzsignal in Form z.B. einer sinusförmig variierenden Spannung mit einer Frequenz &ohgr; zu empfangen, die wie gezeigt der Offsetspannung überlagert ist.

Beispiel 5: Frequenzdetektion einer Antwort bei Verwendung einer Offsetspannung und sinusförmigen Spannung mit stark unterschiedlichen Frequenzen und Spannungswerten

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform, die die Abhängigkeit der Antwort der zweiten Oberschwingungen von asymmetrischem Offset ausnutzt, beinhaltet das Anlegen einer ständig variierenden Offsetspannung, z.B. einer sinusförmigen Offsetspannung, die mit einer Frequenz &OHgr; schwingt, die viel geringer ist als die Frequenz &ohgr; der Spannung, die die zweiten Oberschwingungen anregt, wie in 8 gezeigt. Dann gilt V(t) = VOFFSET cos(&OHgr;t) + V0cos(&ohgr;t)(10)

Die ist ein Spezialfall für die oben beschriebene Anregung mit zwei Frequenzen, nun aber ist &OHgr; << &ohgr; und VOFFSET >> V0. Da der nichtlineare Antwortkoeffizient &bgr; in (1) und (2) von der Offsetspannung abhängt, erhält man eine implizite Zeitabhängikeit als &bgr; = &bgr;(VOFFSET cos(&OHgr;t)),(11) und die Antwort der zweiten Oberschwingungen wird mit der Frequenz &OHgr; zur ersten Ordnung moduliert. Die Abhängigkeit von &bgr; von der Offsetspannung hängt von dem fraglichen Material ab, und das zeitliche Verhalten der Polarisationsantwort bei 2&ohgr; kann recht komplex sein. Eine Hysteresekurve der in 1 gezeigten allgemeinen Form liefert jedoch eine Antwort der zweiten Oberschwingungen, die mit einem Maximum zu einem Zeitpunkt tP amplitudenmoduliert ist, wenn die Offsetspannung ihren Spitzenwert in Richtung der positiven Polarität für einen Logikzustand „1" erreicht. Für einen Zustand „0" tritt die maximale Antwort der zweiten Oberschwingungen bei einer negativen Spitzenpolarität in der Offsetspannung auf, d.h. zum Zeitpunkt tP + &pgr;/&OHgr;. Wiederum sind die Signalphasen der zweiten Oberschwingungen in zwei Fällen in Gegenphase. Aus diesen Manifestierungen ist ein Elektronikfachmann in der Lage, eine Elektronikschaltung zu entwerfen, die detektieren kann, ob die fragliche Zelle sich in einem Logikzustand „1" oder „0" befindet.

Zur Detektion der Antwort bei Verwendung einer Offsetspannung und einer sinusförmigen Spannung wie in dem obigen Beispiel offenbart kann eine abweichende Ausführungsform der Vorrichtung in 7b verwendet werden. Diese abweichende Ausführungsform ist in Blockdiagrammform in 8b gezeigt und umfaßt einen Signalgenerator, der die sinusförmig variierende Spannung mit einer Frequenz &ohgr;, die wie gezeigt einer langsam variierenden sinusförmigen Offsetspannung mit einer niedrigen Frequenz &OHgr; überlagert ist, an die Speicherzelle ausgibt, die eine Antwortsignalkomponente mit der Frequenz 2&ohgr; an den phasenempfindlichen Detektor und Diskriminator ausgibt, um den Logikzustand der Speicherzelle zu bestimmen. Der Signalgenerator gibt auch eine Phasenreferenz bei jeweils 2&ohgr; aus zum Aufzeichnen der Gegenphase der Signalphasen der zweiten Oberschwingungen sowie das Offsetsignal mit der Frequenz &OHgr; zum Aufzeichnen des Betrags im Antwortsignal.

Da dieses Konzept für die Datenauslesung im Speichermedium keine Polarisationsumkehrung verursacht, bringt es wesentliche Vorteile mit sich, wie unten dargelegt und hervorgehoben.

  • • Weil zerstörungsfrei, braucht kein Auffrischschreibzyklus implementiert zu werden, wodurch der Speicherbaustein Geschwindigkeit und Einfachheit erhält.
  • • Bei allen bisher bekannten relevanten Speichersubstanzen ist Ermüdung mit der Anzahl der Polarisierungsumkehrungen verknüpft, denen das Material ausgesetzt worden ist. Das Vermeiden der Notwendigkeit zur Polarisationsumschaltung während des Auslesens von Daten impliziert eine dramatische Verlängerung der Lebensdauer so gut wie für alle Arten von Speicherbausteinen, da Leseoperationen in der Regel häufiger ausgeführt werden als Schreiboperationen.
  • • Im Falle einer Summenfrequenz oder Oberwellendetektion kann die Unterscheidung zwischen einem „0"- und einem "1"-Bit in Form von qualitativen Kriterien ausgedrückt werden, wie etwa dem Bestimmen der Polarität einer Spannung anstatt einer analogen Schwellwertdetektion von Spannungen auf einer Grauskala. Dies kann die Nachdetektionsschaltung vereinfachen, die Entscheidungen hinsichtlich des Logikzustands trifft.
  • • Schließlich soll die Verwendung von zwei vorspannenden oder Offsetspannungen bei entsprechend ausgelegten Frequenzen, Amplituden und Dauern den Einsatz von Detektionsverfahren auf der Basis von Korrelationsverfahren gestatten, was die Bestimmung des Logikzustands einer Speicherzelle in einer zerstörungsfreien Auslesung, an der nur Kleinsignalantworten beteiligt sind, dramatisch fördert.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Bestimmung eines Logikzustands einer Speicherzelle in einem Datenspeicherbaustein, wobei die Zelle Daten in Form eines elektrischen Polarisationszustands in einem ein polarisierbares Material enthaltenden Kondensator speichert, wobei das polarisierbare Material bei Abwesenheit einer extern auferlegten Spannung an dem Kondensator eine nicht verschwindende elektrische Polarisation aufrechterhalten und eine Stromantwort auf eine angelegte Spannung erzeugen kann, wobei die Stromantwort lineare und nichtlineare Komponenten umfaßt und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

    Anlegen einer ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung an den Kondensator, wobei die Kleinsignalspannung eine Amplitude und/oder eine Dauer aufweist, die kleiner als die ist, die erforderlich ist, um eine signifikante permanente Änderung des Polarisationszustands des Kondensators zu bewirken,

    Anlegen einer zweiten zeitabhängigen Spannung an den Kondensator, wobei die zweite zeitabhängige Spannung zu der ersten zeitabhängigen Spannung addiert wird, wobei die Summe der ersten und der zweiten zeitabhängigen Spannung eine Amplitude und/oder eine Dauer aufweist, die kleiner als die ist, die erforderlich ist, um eine signifikante permanente Änderung des Polarisationszustands des Kondensators zu bewirken,

    Aufzeichnen mindestens einer Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator, wobei die mindestens eine Kenngröße entweder eine lineare oder eine nichtlineare Beziehung zu der ersten und/oder der zweiten angelegten zeitabhängigen Spannung aufweist,

    Durchführen einer Korrelationsanalyse auf der Basis von Korrelationsreferenzsignalen, die sowohl aus der ersten als auch der zweiten an den Kondensator angelegten zeitabhängigen Spannung abgeleitet werden,

    Bestimmen des Logikzustands durch Ermitteln eines numerischen Werts für das Ergebnis der Korrelationsanalyse und

    Zuweisen eines logischen Werts zu dem bestimmten Logikzustand gemäß einem vorbestimmten Protokoll.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsanalyse in zwei Stufen ausgeführt wird, wobei die erste Stufe der Korrelationsanalyse das Aufzeichnen einer zeitlichen Korrelation zwischen der Kleinsignalspannung und der mindestens einen aufgezeichneten Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator, um den Betrag bzw. die Beträge mindestens eines Parameters zu ermitteln, der die mindestens eine aufgezeichnete Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator charakterisiert, und die zweite Stufe der Korrelationsanalyse das Aufzeichnen der Korrelation zwischen dem mindestens einen Parameter einerseits und dem Betrag, dem Vorzeichen und/oder der Phase der zweiten zeitabhängigen Spannung andererseits umfaßt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsanalyse in einer einzigen Stufe durchgeführt wird, wobei die mindestens eine Kenngröße einer erzeugten Kleinsignal-Stromantwort an dem Kondensator mit einem sowohl von der ersten als auch der zweiten zeitabhängigen Spannung abgeleiteten Referenzsignal korreliert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite an den Kondensator angelegte zeitabhängige Spannung eine quasistatische Spannung einer der Polaritäten ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite an den Kondensator angelegte zeitabhängige Spannung zwischen einer Menge positiver und/oder negativer Werte umgeschaltet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite an den Kondensator angelegte zeitabhängige Spannung eine niederfrequente oder langsam variierende Spannung ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite an den Kondensator angelegte zeitabhängige Spannung eine sinusförmig variierende Spannung ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Wählen der ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung als periodisch mit einer dominanten Fourierkomponente bei der Frequenz &ohgr;, Aufzeichnen der Phase der 2. Oberschwingungskomponente der Stromantwort und Durchführen der ersten Stufe der Korrelationsanalyse mit einer von der dem Kondensator auferlegten ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung abgeleiteten Referenzphase.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Wählen der ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung als sinusförmig.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Wählen der zeitabhängigen Spannungen als zwei periodisch variierende Signale mit dominanten Fourierkomponenten bei den Frequenzen &ohgr;1 bzw. &ohgr;2, Aufzeichnen der Phasen der Komponenten der Stromantwort bei der Summen- und der Differenzfrequenz &ohgr;1 + &ohgr;2 und &ohgr;1 – &ohgr;2 und Vergleichen der Phasen mit einer von den dem Kondensator auferlegten zeitabhängigen Spannungen abgeleiteten Referenzphase.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Wählen der periodisch variierenden Spannungskomponenten als sinusförmig.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Aufzeichnen der Phasen von zwei oder mehr der nichtlinearen Stromantwortkomponenten bei 2&ohgr;1 und/oder 2&ohgr;2 und/oder &ohgr;1 + &ohgr;2 und/oder &ohgr;1 – &ohgr;2 und Vergleichen der Phasen mit einer von den dem Kondensator auferlegten zeitabhängigen Spannungen abgeleiteten Referenzphase.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Aufzeichnen der Phasen von zwei oder mehr der nichtlinearen Stromantwortkomponenten bei 2&ohgr;1 und/oder 2&ohgr;2 und/oder &ohgr;1 + &ohgr;2 und/oder &ohgr;1 – &ohgr;2 und Vergleichen der Phasen mit einer von einer Referenzzelle mit bekanntem Logikzustand, die denselben auferlegten Spannungen ausgesetzt wird, abgeleiteten Referenzphase.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufzeichnen der mindestens einen Kenngröße einer erzeugten Kleinsignalantwort an dem Kondensator, umfassend das Aufzeichnen des Verhältnisses zwischen dem Betrag der Kleinsignal-Stromantwort auf die erste zeitabhängige Kleinsignalspannung einerseits und dem Betrag der ersten zeitabhängigen Kleinsignalspannung andererseits, wobei das Verhältnis der Steigung der Hysteresekurve entspricht, an zwei oder mehr Werten der zweiten zeitabhängigen Spannung.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Wählen der zweiten zeitabhängigen Spannung als eine niederperiodische oder langsam variierende Offsetspannung, die zwischen einer Menge vorbestimmter positiver und/oder negativer Werte variiert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Wählen der zweiten zeitabhängigen Spannung als periodisch zwischen einem positiven und einem negativen Wert variierend.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Wählen der zweiten zeitabhängigen Spannung als eine glatt variierende Spannung, die einen Spannungsbereich zwischen zwei positiven Werten oder zwei negativen Werfen oder einem positiven Wert und einem negativen Wert durchläuft.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch periodisches Durchlaufenlassen der zweiten zeitabhängigen Spannung bei einer Frequenz, die niedriger als bei der ersten zeitabhängigen Spannung ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Wählen der zweiten zeitabhängigen Spannung als sinusförmig mit der Zeit variierend.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Protokoll dem Logikzustand abhängig von dem ermittelten numerischen Wert einen von zwei logischen Werten zuweist.
  21. Vorrichtung zur Durchführung eines Phasenvergleichs in dem Verfahren nach Anspruch 1, mit einem Signalgenerator zum Liefern von zwei oder mehr Lesesignalen mit gegebenen Phasen an eine damit verbindbare Speicherzelle, wobei die Speicherzelle als Reaktion auf die Lesesignale ein Antwortsignal mit zwei oder mehr nichtlinearen Stromkomponenten ausgibt; einem phasenempfindlichen Detektor, der mit der Speicherzelle verbindbar und dafür ausgelegt ist, eine phasenempfindliche Detektion mindestens zweier Phasen in dem aus der Speicherzelle ausgegebenen Antwortsignal durchzuführen; einer Referenzquelle, die mit dem Signalgenerator verbunden und dafür ausgelegt ist, aus der Summe und Differenzen der Phasen der Eingangslesesignale Phasenreferenzen für den damit verbundenen phasenempfindlichen Detektor zu erzeugen, um die Antwortkomponenten zu detektieren und zu korrelieren und einen Phasenvergleich zwischen den Phasenreferenzen und der mindestens einen detektierten und korrelierten Antwortkomponente durchzuführen; und einer Diskriminator-/Logikschaltung, die mit dem phasenempfindlichen Detektor verbunden ist, um sein Ausgangssignal zu empfangen, und die dafür ausgelegt ist, einen Logikzustand der Speicherzelle zu bestimmen.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein (&ohgr; + &pgr;)-Phasenschieber mit der Referenzquelle verbunden ist, um ihr Ausgangssignal zu empfangen, und das (&ohgr; + &pgr;)-phasenverschobene Ausgangssignal dem phasenempfindlichen Detektor und wahlweise auch der Diskriminator-/Logikschaltung zuführt.
  23. Vorrichtung zur Durchführung eines Phasenvergleichs in dem Verfahren nach Anspruch 1, mit einem Signalgenerator zum Liefern eines ersten periodischen Lesesignals, das einem zweiten periodischen Lesesignal mit niedrigerer Frequenz als das erste Lesesignal überlagert ist, an eine damit verbindbare Speicherzelle, wobei die Speicherzelle ein Antwortsignal mit zweimal der Frequenz des ersten Lesesignals ausgibt; und einem mit der Speicherzelle verbindbaren phasenempfindlichen Detektor, zum Empfangen des Antwortsignals davon bzw. von Phasenreferenzsignalen in Form des ersten und des zweiten Lesesignals aus dem Signalgenerator, und zum Korrelieren der Phase des Antwortsignals mit der Phase eines der Phasenreferenzsignale oder beider, wobei der phasenempfindliche Detektor und Diskriminator einen Logikzustand der Zelle durch den Betrag und/oder die Phase des phasenkorrelierten Antwortsignals bestimmen.
Es folgen 10 Blatt Zeichnungen






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