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Diese
Patentanmeldung beansprucht die Priorität der (am 7. September
2007 eingereichten)
koreanischen
Patentanmeldung Nr. 10-2007-0090758 , die hiermit durch
Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
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HINTERGRUND
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Ein
als nichtflüchtiger Speicher verwendeter Flash-Speicher
speichert Daten, indem er Elektronen speichert oder aus einem floatenden
Polysilizium oder Siliziumnitrid entfernt, um eine Schwellenspannung
Vth zu ändern. In der letzten Zeit
haben ein Phasenwechselspeicher (PRAM), ein Magnetspeicher (MRAM)
und dergleichen Daten durch Ändern eines Widerstands unter
Verwendung von extern angelegter Hitze oder Magnetfeldern gespeichert.
Obgleich Forschung hinsichtlich eines resistiven Speichers mit wahlfreiem
Zugriff (ReRAM), der Spannung zum Ändern des Widerstands
einer Oxidschicht verwendet, betrieben wurde, war die Entwicklung
der Struktur des ReRAM unzureichend.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungsformen
beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement und insbesondere auf
ein nichtflüchtiges Speicherhalbleiterbauelement und ein Verfahren
zu seiner Herstellung. Ausführungsformen beziehen sich
auf einen resistiven Speicher mit wahlfreiem Zugriff (ReRAM), bei
dem der Widerstand einer Oxidschicht entsprechend dem Anlegen einer Spannung
geändert werden kann, das heißt ein zum selektiven
Schalten einer Zelle fähiges nichtflüchtiges Speicherhalbleiterbauelement
und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Ausführungsformen
beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement, das eine PN-Übergang-Diode umfasst,
die über einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Isolierschichten
können über der PN-Übergang-Diode ausgebildet
und so strukturiert sein, dass sie Durchkontaktierungslöcher
aufweisen. Ein resistiver Speicher mit wahlfreiem Zugriff, der eine
erste Metallstruktur umfasst, kann sich in Kontakt mit einem ersten
Gebiet der PN-Übergang-Diode befinden. Eine Oxidschichtstruktur
kann über der ersten Metallstruktur und einer über
der Oxidschichtstruktur ausgebildeten zweiten Metallstruktur ausgebildet sein.
Die erste Metallstruktur, die Oxidschichtstruktur und die zweite
Metallstruktur können in den Durchkontaktierungslöchern
ausgebildet sein.
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Ausführungsformen
beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements,
das umfasst:
Ausbilden eines ersten Fremdstoffgebiets durch
Implantieren von ersten Fremdstoffen in ein Halbleitersubstrat;
Ausbilden
eines zweiten Fremdstoffgebiets durch Implantieren von zweiten Fremdstoffen
in das erste Fremdstoffgebiet;
Ausbilden einer ersten Isolierschicht über
dem Halbleitersubstrat und Ausbilden eines ersten Durchkontaktierungslochs
in der ersten Isolierschicht, um einen Bereich des zweiten Fremdstoffgebiets
freizulegen;
Ausbilden einer ersten Metallstruktur im ersten Durchkontaktierungsloch
durch Abscheiden einer Metallschicht über der ersten Isolierschicht
und durch Polieren der Metallschicht;
Ausbilden einer zweiten
Isolierschicht über der ersten Isolierschicht und Ausbilden
eines zweiten Durchkontaktierungslochs in der zweiten Isolierschicht,
um die erste Metallstruktur freizulegen;
Ausbilden einer Oxidschichtstruktur
im zweiten Durchkontaktierungsloch durch Abscheiden einer Oxidschicht über
der zweiten Isolierschicht und durch Polieren der Oxidschicht;
Ausbilden
einer dritten Isolierschicht über der zweiten Isolierschicht
und Ausbilden eines dritten Durchkontaktierungslochs in der dritten
Isolierschicht, um die Oxidschichtstruktur freizulegen; und
Ausbilden
einer zweiten Metallstruktur im dritten Durchkontaktierungsloch
durch Abscheiden einer Metallschicht über der dritten Isolierschicht
und durch Polieren der Metallschicht.
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Bei
dem Halbleiterbauelement, das den resistiven Speicher mit wahlfreiem
Zugriff gemäß Ausführungsformen aufweist,
ist es einfach, die Zellen zu schalten, ohne eine benachbarte Zelle
zu beeinflussen. Des Weiteren ist es möglich, einen hochleistungsfähigen
nichtflüchtigen Speicherbaustein konstant und stabil herzustellen.
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ZEICHNUNGEN
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1 stellt
eine Draufsicht dar, die einen Bereich eines Halbleiterbauelements
gemäß Ausführungsformen zeigt.
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2 stellt
eine Querschnittsansicht entlang einer Linie I-I' von 1 dar.
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Die 3 bis 14 stellen
Querschnittsansichten dar, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
gemäß Ausführungsformen zeigen.
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15A ist ein Diagramm, das die Spannung-Strom-Kennlinien
eines resistiven Speichers mit wahlfreiem Zugriff zeigt.
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15B ist ein Diagramm, das die Spannung-Strom-Kennlinien
eines resistiven Speichers mit wahlfreiem Zugriff gemäß Ausführungsformen zeigt.
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BESCHREIBUNG
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1 stellt
eine Draufsicht dar, die einen Bereich eines Halbleiterbauelements
gemäß Ausführungsformen zeigt. 2 stellt
eine Querschnittsansicht entlang einer Linie I-I' von 1 dar.
Die 1 und 2 stellen Zellen dar, die auf
einem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet sind. Ein erstes
Fremdstoffgebiet 101 kann durch Implantieren von ersten Fremdstoffen
in das Halbleitersubstrat 100 ausgebildet sein. Ein zweites
Fremdstoffgebiet 103 kann durch Implantieren von zweiten
Fremdstoffen in das erste Fremdstoffgebiet 101 ausgebildet
sein. Das erste Fremdstoffgebiet 101 und das zweite Fremdstoffgebiet 103 können
eine PN-Übergang-Diode bilden. Ein resistiver Speicher
mit wahlfreiem Zugriff kann eine erste Metallstruktur 107,
eine Oxidschichtstruktur 115 und eine zweite Metallstruktur 119 umfassen,
die über dem zweiten Fremdstoffgebiet 103 ausgebildet
sind.
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Die
erste Metallstruktur 107 kann in einem ersten Durchkontaktierungsloch 105a einer über
dem Halbleitersubstrat 100 ausgebildeten ersten Isolierschicht 105 ausgebildet
sein. Die Oxidschichtstruktur 115 kann in einem zweiten
Durchkontaktierungsloch 113a einer über der ersten
Isolierschicht 105 ausgebildeten zweiten Isolierschicht 113 ausgebildet
sein. Die zweite Metallstruktur 119 kann in einem dritten Durchkontaktierungsloch 117a einer über
der zweiten Isolierschicht 113 ausgebildeten dritten Isolierschicht 117 ausgebildet
sein.
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Eine
dritte Metallstruktur 109 kann über dem ersten
Fremdstoffgebiet 101 ausgebildet sein. Die dritte Metallstruktur 109 kann
in einem vierten Durchkontaktierungsloch 105b ausgebildet
sein, das in der ersten Isolierschicht 105 ausgebildet
ist. Eine in Kontakt mit der dritten Metallstruktur 109 befindliche
erste Metallleitung 111 kann zwischen der ersten Isolierschicht 105 und
der zweiten Isolierschicht 113 ausgebildet sein. Eine in
Kontakt mit der zweiten Metallstruktur 119 befindliche
zweite Metallleitung 120 kann über der dritten
Isolierschicht 117 ausgebildet sein.
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Das
Halbleitersubstrat 100 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat,
ein Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Substrat, ein Gallium-Arsen-Substrat,
ein Silizium-Germanium-Substrat, ein Keramiksubstrat, ein Quarzsubstrat
und ein Glassubstrat zur Darstellung umfassen. Die ersten Fremdstoffe
können beispielsweise p-Typ-Fremdstoffe sein und die zweiten Fremdstoffe
können n-Typ-Fremdstoffe sein. Alternativ können
die ersten Fremdstoffe n-Typ-Fremdstoffe sein und die zweiten Fremdstoffe
können p-Typ-Fremdstoffe sein. Jede der ersten bis dritten Isolierschicht 105, 113 und 117 kann
mindestens eine von einer Oxidschicht und einer Nitridschicht umfassen.
Die erste Metallstruktur 107, die Oxidschichtstruktur 115 und
die zweite Metallstruktur 119 können die selbe
Querschnittsgröße oder verschiedene Querschnittsgrößen
haben.
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Die
Zellen des Halbleiterbauelements können durch Verbinden
der PN-Übergang-Diode mit dem resistiven Speicher mit wahlfreiem
Zugriff selektiv geschaltet werden. Die Spannung-Strom-Kennlinien
des resistiven Speichers mit wahlfreiem Zugriff weisen einen AN-Zustand
("0") und einen AUS-Zustand ("1") auf, auch wenn die Spannung positiv
(+) ist. Der ReRAM hat auch einen AN-Zustand und einen AUS-Zustand,
wenn die Spannung negativ (–) ist, wodurch er einen großen
Bereich der Lesespannung Vread bereitstellt.
Demgemäß ist es nicht einfach, die Zellen voneinander
zu isolieren, und daher schwierig, nur eine gewünschte
Zelle zu schalten. Doch ist es in Ausführungsformen, wenn
die PN-Übergang-Diode mit dem resistiven Speicher mit wahlfreiem
Zugriff verbunden ist, einfach, die Zellen zu steuern, weil der
resistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff nur dann einen AN-Zustand
und einen AUS-Zustand hat, wenn die Spannung positiv ist.
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Der
resistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff kann als nichtflüchtiger
Speicher verwendet werden, weil eine bestimmte Spannung, die an
eine dünne Schicht angelegt wird, den Widerstand der dünnen Schicht
schnell ändert. Der resistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff
erfährt keine Verschlechterung aufgrund von unbegrenztem
Aufzeichnen und Wiedergeben. Der resistive Speicher mit wahlfreiem
Zugriff kann bei einer relativ hohen Temperatur betrieben werden
und ist nichtflüchtig, um eine hervorragende Datensicherheit
zu bieten.
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Des
Weiteren kann der resistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff mit
einer relativ hohen Geschwindigkeit von ungefähr 10~20
ns geschaltet werden. Da er eine Einzelschichtstruktur hat, können
hohe Integration und hohe Geschwindigkeit erreicht werden. Da er
grundsätzlich als einschichtige Struktur hergestellt wird,
kann der Energieverbrauch durch Verwendung eines verwandten CMOS-Prozesses
und einer Integrationsprozesstechnik minimiert werden.
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Die 3 bis 14 stellen
Querschnittsansichten dar, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
gemäß Ausführungsformen zeigen. Wie in 3 dargestellt,
kann eine erste Fotolackstruktur 151 über dem
Halbleitersubstrat 100 ausgebildet werden. Dann können
unter Verwendung der ersten Fotolackstruktur 151 als Maske
Ionen in das Halbleitersubstrat 100 implantiert werden,
um das erste Fremdstoffgebiet 101 auszubilden. Das erste
Fremdstoffgebiet 101 kann durch Implantieren von n-Typ-
oder p-Typ-Fremdstoffen ausgebildet werden.
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Wie
in 4 dargestellt, kann dann, nachdem die erste Fotolackstruktur 151 entfernt
wurde, eine zweite Fotolackstruktur 152 über dem
Halbleitersubstrat 100, welches das erste Fremdstoffgebiet 101 aufweist,
ausgebildet werden. Dann können unter Verwendung der zweiten
Fotolackstruktur 152 als Maske Ionen in das Halbleitersubstrat 100 implantiert werden,
um das zweite Fremdstoffgebiet 103 auszubilden. Das zweite
Fremdstoffgebiet 103 kann im ersten Fremdstoffgebiet 101 ausgebildet
werden. Das zweite Fremdstoffgebiet 103 kann durch Implantieren von
Fremdstoffen ausgebildet werden, die den in das erste Fremdstoffgebiet 101 implantierten
Fremdstoffen entgegengesetzt sind. Das zweite Fremdstoffgebiet 103 kann
durch Implantieren von p-Typ-Fremdstoffen oder n-Typ-Fremdstoffen
ausgebildet werden.
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Wie
in 5 dargestellt, kann, nachdem die zweite Fotolackstruktur 152 entfernt
wurde, die erste Isolierschicht 105, die das erste Durchkontaktierungsloch 105a und
das vierte Durchkontaktierungsloch 105b aufweist, auf dem
Halbleitersubstrat 100 ausgebildet werden, welches das
erste Fremdstoffgebiet 101 und das zweite Fremdstoffgebiet 103 aufweist.
Die erste Isolierschicht 105 kann mindestens eine von einer
Oxidschicht und einer Nitridschicht umfassen. Das erste Durchkontaktierungsloch 105a kann
einen Bereich des zweiten Fremdstoffgebiets 103 freilegen.
Das vierte Durchkontaktierungs loch 105b kann einen Bereich
des ersten Fremdstoffgebiets 101 freilegen.
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Wie
in 6 dargestellt, kann eine Metallschicht über
der ersten Isolierschicht 105, die das erste Durchkontaktierungsloch 105a und
das vierte Durchkontaktierungsloch 105b aufweist, ausgebildet werden.
Die Metallschicht kann poliert werden, um die obere Oberfläche
der ersten Isolierschicht 105 freizulegen, wodurch die
erste Metallstruktur 107 und die dritte Metallstruktur 109 ausgebildet
werden, die das erste Durchkontaktierungsloch 105a beziehungsweise
das vierte Durchkontaktierungsloch 105b füllen.
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Die
erste Metallstruktur 107 kann aus einem aus einer Gruppe,
die aus Ni, Zr, Pt, Au, Al, Cu und Ti oder einer Legierung hiervon
besteht, ausgewählten Metall ausgebildet werden. Die Metallschicht
kann mit einem Verfahren zur Laserimpuls-Abscheidung (PLD), einem
Verfahren zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), einem Verfahren
zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) oder einem Verfahren,
das sowohl PVD als auch CVD verwendet, ausgebildet werden. Die Metallschicht
kann mit einem Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren (CMP)
poliert werden.
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Wie
in 7 dargestellt, kann eine Metallschicht 111a zum
Ausbilden einer Leitung über der ersten Isolierschicht 105 ausgebildet
werden. Dann kann, wie in 8 dargestellt,
die Metallschicht 111a strukturiert werden, um die mit
der dritten Metallstruktur 109 in Kontakt befindliche und
in einer Richtung ausgebildete erste Metallleitung 111 auszubilden.
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Danach
kann, wie in 9 dargestellt, die zweite Isolierschicht 113 über
der ersten Isolierschicht 105 und der ersten Metallleitung 111 ausgebildet
werden. Die zweite Isolierschicht 113 kann mindestens eine
von einer Oxidschicht und einer Nitridschicht umfassen. Die obere
Oberfläche der zweiten Isolierschicht 113 kann
wegen der Dicke der ersten Metallleitung 111 uneben sein.
Dementsprechend kann, wie in 10 dargestellt,
die obere Oberfläche der zweiten Isolierschicht 113 zum
Planarisieren poliert werden.
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Wie
in 11 dargestellt, kann die planarisierte zweite
Isolierschicht 113 selektiv geätzt werden, wodurch
das zweite Durchkontaktierungsloch 113a in der zweiten
Isolierschicht 113 ausgebildet wird, um die erste Metallstruktur 107 freizulegen.
Wie in 12 dargestellt, kann eine Oxidschicht über
der zweiten Isolierschicht 113, die das dritte Durchkontaktierungsloch 113a aufweist,
ausgebildet werden. Dann kann die Oxidschicht poliert werden, um
die obere Oberfläche der zweiten Isolierschicht 113 freizulegen,
wodurch die Oxidschichtstruktur 115 im zweiten Durchkontaktierungsloch 113a ausgebildet wird.
Die Oxidschicht kann durch Oxidieren einer Metallschicht nach dem
Ausbilden der Metallschicht ausgebildet werden.
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Dann
kann, wie in 13 dargestellt, die dritte Isolierschicht 117 über
der zweiten Isolierschicht 113, welche die Oxidschichtstruktur 115 aufweist,
ausgebildet werden. Die dritte Isolierschicht 117 kann
ein drittes Durchkontaktierungsloch 117a zum Freilegen
der Oxidschichtstruktur 115 aufweisen. Eine Metallschicht
kann über der dritten Isolierschicht 117, die
das dritte Durchkontaktierungsloch 117a aufweist, ausgebildet
werden. Die Metallschicht kann poliert werden, um die dritte Isolierschicht 117 freizulegen,
wodurch die in das dritte Durchkontaktierungsloch 117a gefüllte
zweite Metallstruktur 119 ausgebildet wird.
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Die
zweite Metallstruktur 119 kann aus einem aus einer Gruppe,
die aus Ni, Zr, Pt, Au, Al, Cu und Ti oder einer Legierung hiervon
besteht, ausgewählten Metall ausgebildet werden. Die Metallschicht kann
mit einem Verfahren zur Laserimpuls-Abscheidung (PLD), einem Verfahren
zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), einem Verfahren zur chemischen
Gasphasenabscheidung (CVD) oder einem Verfahren, das sowohl PVD
als auch CVD verwendet, ausgebildet werden. Die Metallschicht kann mit
einem Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren (CMP) poliert
werden.
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Wie
in 14 dargestellt, kann eine Metallschicht zum Ausbilden
einer Leitung über der dritten Isolierschicht 117,
welche die zweite Metallstruktur 119 aufweist, ausgebildet
werden. Die Metallschicht kann strukturiert werden, wodurch eine
in Kontakt mit der zweiten Metallstruktur 119 befindliche
zweite Metallleitung 120 ausgebildet wird. Die zweite Metallleitung 120 kann
in einer die erste Metallleitung 111 kreuzenden Richtung
ausgebildet werden.
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15A ist ein Diagramm, das die Spannung-Strom-Kennlinien
eines resistiven Speichers mit wahlfreiem Zugriff zeigt. 15B ist ein Diagramm, das die Spannung-Strom-Kennlinien
des resistiven Speichers mit wahlfreiem Zugriff gemäß Ausführungsformen
zeigt. 15A ist ein Vergleichsdiagramm,
das erhalten wurde, indem die Strommenge in einem resistiven Speicher
mit wahlfreiem Zugriff, der eine erste Metallstruktur, eine Oxidschichtstruktur und
eine zweite Metallstruktur umfasst, während des Änderns
des Widerstands der Oxidschichtstruktur durch Anlagen von Spannung
an die erste Metallstruktur und die zweite Metallstruktur gemessen
wurde.
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15B ist ein Vergleichsdiagramm, das erhalten wurde,
indem die Strommenge während des Änderns des Widerstands
der Oxidschichtstruktur 115 durch Verbinden der PN-Übergang-Diode 101 und 103 mit
dem resistiven Speicher mit wahlfreiem Zugriff, der die erste Metallstruktur 107,
die Oxidschichtstruktur 115 und die zweite Metallstruktur 119 umfasst,
und durch Anlegen von Spannung zwischen dem resistiven Speicher
mit wahlfreiem Zugriff, 107, 115 und 119 und
der PN-Übergang-Diode 101 und 103 gemessen
wurde.
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Wie
im Vergleichsdiagramm in 15A dargestellt,
kann der resistive Speicher mit wahlfreiem Zugriff entsprechend
der Widerstandsänderung einen AN-Zustand und einen AUS-Zustand
haben. Der Widerstand kann entsprechend der Änderung der
externen Spannung umkehrbar geändert werden, auch wenn
die Spannung positiv oder negativ ist.
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Die
Spannung-Strom-Kennlinien des resistiven Speichers mit wahlfreiem
Zugriff weisen einen AN-Zustand ("0") und einen AUS-Zustand ("1")
auf, auch wenn die Spannung positiv (+) ist. Der ReRAM hat auch
einen AN-Zustand und einen AUS-Zustand, wenn die Spannung negativ
(–) ist, wodurch er einen großen Bereich der Lesespannung
Vread bereitstellt. Demgemäß ist es nicht einfach,
die Zellen voneinander zu isolieren, und daher schwierig, nur eine
gewünschte Zelle zu schalten.
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Wie
im Diagramm in 15B dargestellt, ist es jedoch
gemäß Ausführungsformen, wenn die PN-Übergang-Diode 101 und 103 mit
dem resistiven Speicher mit wahlfreiem Zugriff 107, 115 und 119 verbunden
ist, einfach, die Zellen zu steuern, weil der resistive Speicher
mit wahlfreiem Zugriff nur dann einen AN-Zustand und einen AUS-Zustand
hat, wenn die Spannung positiv ist.
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Für
den Fachmann wird es naheliegend und offenkundig sein, dass mannigfaltige
Abwandlungen und Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen
vorgenommen werden können. Daher versteht es sich, dass
die offenbarten Ausführungsformen die naheliegenden und
offenkundigen Abwandlungen und Änderungen abdecken, sofern
sie unter den Umfang der angefügten Ansprüche
und ihrer Äquivalente fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - KR 10-2007-0090758 [0001]