JP2008016120A - Ferroelectric memory device - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の主な強誘電体メモリはデータを破壊読み出しするので再書き込みを必要とするか、あるいはデータを破壊しない為に複雑な制御方式を採っていた。したがって、制御回路が複雑で、かつデータ読み出しの際のサイクルタイムが長く、一般的ICの中に取り組むのが容易でなかった。
【解決手段】強誘電体素子を用いて状態データを単独で保持、記憶、復元できる強誘電体ラッチ回路を複数個単位で用い、データを破壊せず、かつ強誘電体素子の状態を反映したMOSFETを含むラッチ回路から信号を読み出す制御方法を採用することにより、高速、高信頼性の不揮発性の強誘電体メモリ装置を構成した。
【選択図】図1
Conventional main ferroelectric memories read and write data destructively, so that rewriting is required or a complicated control method is employed in order not to destroy data. Therefore, the control circuit is complicated and the cycle time for reading data is long, so that it is not easy to work in a general IC.
A ferroelectric latch circuit capable of holding, storing, and restoring state data independently using a ferroelectric element is used in a plurality of units, the data is not destroyed, and the state of the ferroelectric element is reflected. By adopting a control method for reading a signal from a latch circuit including a MOSFET, a high-speed, high-reliability nonvolatile ferroelectric memory device is configured.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は不揮発性メモリである強誘電体メモリにおいて、メモリ素子の読み出し回数制約による寿命の課題を解消し、かつデータを高速に読み、かつ制御方法が簡便となる方式の強誘電体メモリ装置の構成に関する。 The present invention relates to a ferroelectric memory device which is a nonvolatile memory, which eliminates the problem of the lifetime due to the restriction on the number of times of reading of the memory element, reads data at high speed, and has a simple control method. Concerning configuration.
近年、メモリ分野のなかで電気的に書き込み、消去可能な不揮発性メモリの重要性が増している。また、集積回路の一部に書き込み、消去可能な不揮発性の回路を内蔵することがしばしば要請される。 In recent years, the importance of electrically writable and erasable nonvolatile memories in the memory field has increased. Further, it is often required to incorporate a nonvolatile circuit that can be written to and erased from a part of the integrated circuit.
不揮発性メモリも様々にあるが、高速性、低電圧特性、低消費電力等の観点から強誘電体メモリが注目されている。強誘電体メモリの具体的な構成は以下の例に示すように様々にある。 There are various types of nonvolatile memories, but ferroelectric memories are attracting attention from the viewpoints of high speed, low voltage characteristics, low power consumption, and the like. There are various specific configurations of the ferroelectric memory as shown in the following examples.
強誘電体メモリの一例としては強誘電体膜内部の残留分極状態により2状態を定義する強誘電体コンデンサに、書き込みの際には強誘電体薄膜の抗電界以上の電圧を極性の異なる2種のかけ方で1か0かの内部分極状態を作り出し、残留分極による保存状態を経て、読み出しの際には強誘電体薄膜の抗電界以上の電圧をかけて電荷を取り出し、1か0かの内部の記憶状態を検知する方法がある。この方法を簡単に示したのが図36、図38、図39、図40である。 An example of a ferroelectric memory is a ferroelectric capacitor that defines two states depending on the remanent polarization state inside the ferroelectric film, and two types of voltages having different polarities at the voltage exceeding the coercive electric field of the ferroelectric thin film at the time of writing. The internal polarization state of 1 or 0 is created by the application method, and after the storage state due to remanent polarization, the charge is taken out by applying a voltage higher than the coercive electric field of the ferroelectric thin film at the time of reading. There is a method for detecting the internal storage state. This method is simply shown in FIGS. 36, 38, 39, and 40. FIG.
図36は強誘電体コンデンサの構造を示す断面図である。図36において、3640は無機の強誘電体からなる強誘電体薄膜であり、3641と3642は金属からなる電極である。金属電極3641と3642によって強誘電体薄膜3640を挟む構造により破線3649で示した中の強誘電体コンデンサが構成されている。
FIG. 36 is a cross-sectional view showing the structure of a ferroelectric capacitor. In FIG. 36, 3640 is a ferroelectric thin film made of an inorganic ferroelectric material, and 3641 and 3642 are electrodes made of metal. The ferroelectric capacitor shown by a broken line 3649 is constituted by a structure in which the ferroelectric
図38は図36に示した強誘電体コンデンサの分極電荷−印加電圧特性を示すものである。図38において3801、3802、3803、3804、3805、3806の各点の特性点を通る曲線が図36の強誘電体コンデンサの第1端子3641と第2端子3642の間に加えた電圧Vと内部分極電荷Qの特性を表している。図38の特性点3801は図36の第2端子3642に第1端子3641より正の高い電圧Vを加えた状態を示し、図38の特性点3804は図36の第1端子3641に第2端子3642より正の高い電圧Vを加えた状態を示している。図38の特性点3801と特性点3804においては内部の分極は正負、逆の分極をする。特性点3801の状態にあった強誘電体コンデンサの第1端子と第2端子の電位差を0として開放すると、内部の分極は残留分極として保存され、特性点3802に示す状態となる。また、特性点3804の状態にあった強誘電体コンデンサの第1端子と第2端子の電位差を0として開放すると、内部の分極は残留分極として保存されて、特性点3805に示す状態となる。したがって、強誘電体コンデンサの内部分極電荷と印加電圧はヒステリシス特性を持っていると同時に、強誘電体コンデンサの両端の端子を開放し、電圧を0としても前の状態によって、異なった残留分極を有している。この状態が特性点3802と特性点3805に相当して、不揮発性のデータを残留分極の形で記憶できることが解る。
FIG. 38 shows the polarization charge-applied voltage characteristics of the ferroelectric capacitor shown in FIG. In FIG. 38, curves passing through the characteristic points of 3801, 3802, 3803, 3804, 3805, 3806 are the voltage V applied between the first terminal 3641 and the
また、図38において、特性点3804にあったときの分極電荷は前述したように電源を切っても特性点3805におれる分極電荷が残留分極として残るが、それのみならず、このときの極性と同じ分極は電圧を逆方向にかけていってもしばらくは残っている。完全に消えるのは特性点3806に達したときである。このときの電圧を抗電圧と呼ぶ。
In FIG. 38, the polarization charge at the
なお、図38の特性点3801〜3806に対応する強誘電体コンデンサの内部分極の各状態を模式的に示すと、それぞれ図39の(A)〜(F)に示すようになる。ただし、図38における印加電圧Vは、図39において上部のコンデンサの電極を基準として正負を定めている。なお、図39において強誘電体コンデンサにおける2枚の電極板の内部における丸に囲まれて+、−で表示したものが分極電荷を表し、電極板の外側の単に+、−で表示したものは電荷を表している。図38および図39から解るように強誘電体薄膜にかかる電圧が0になった場合でも、強誘電体薄膜内部の残留分極は前の状態、履歴によって異なった状態を保っている。つまり図39の(B)の状態と(E)の状態はともに印加電圧は0であるが、内部の残留分極の極性は全く逆となっている。 The states of internal polarization of the ferroelectric capacitors corresponding to the characteristic points 3801 to 3806 in FIG. 38 are schematically shown in FIGS. 39A to 39F, respectively. However, the applied voltage V in FIG. 38 is positive or negative with reference to the electrode of the upper capacitor in FIG. In FIG. 39, a ferroelectric capacitor surrounded by a circle inside two electrode plates and indicated by + and − represents a polarization charge, and a symbol indicated by + and − outside the electrode plate is simply It represents an electric charge. As can be seen from FIGS. 38 and 39, even when the voltage applied to the ferroelectric thin film becomes zero, the residual polarization inside the ferroelectric thin film remains different depending on the previous state and history. That is, in both the states of (B) and (E) of FIG. 39, the applied voltage is 0, but the polarity of the internal remanent polarization is completely reversed.
また、図38に示すように、強誘電体コンデンサの両端の端子が開放された状態から端子間に電圧V(ΔVB)をかけると、特性点3804に移動する。このとき、前の状態が特性点3802であれば図38に示すΔQ1の電荷が取り出され、特性点3805の状態であればΔQ0の電荷が取り出される。図38から明らかにΔQ1≫ΔQ0であるので、適切な検出回路を通せば残留分極として記憶されていた前の状態の相違を判別できて、データ1または0等として利用できる。
Further, as shown in FIG. 38, when a voltage V (ΔVB) is applied between the terminals from the state where both terminals of the ferroelectric capacitor are opened, the
なお、以上の構造と特性を持つ強誘電体コンデンサを回路図における記号として図37の(a)もしくは(b)で示したシンボルを用いるものとする。ここで、図37(a)は強誘電体コンデンサがヒステリシス特性を現すような回路上での使用する場合に基本的に用いる。また、図37(b)は強誘電体コンデンサがヒステリシス特性を現さないような回路上での使い方をする場合に基本的に用いるものとする。このような場合、強誘電体コンデンサと同じ構造でありながら、ヒステリシスを示さず、単に比誘電率の大きな静電コンデンサとしての作用と機能を果たすので、高誘電体コンデンサと見なすことも、表現することもある。 It is assumed that the ferroelectric capacitor having the above structure and characteristics uses the symbol shown in FIG. 37 (a) or (b) as a symbol in the circuit diagram. Here, FIG. 37A is basically used in the case where the ferroelectric capacitor is used on a circuit exhibiting hysteresis characteristics. FIG. 37B is basically used when the ferroelectric capacitor is used on a circuit that does not exhibit hysteresis characteristics. In such a case, although it has the same structure as a ferroelectric capacitor, it does not exhibit hysteresis and simply functions and functions as an electrostatic capacitor having a large relative dielectric constant. Sometimes.
また、以上の強誘電体コンデンサを実際に行いる回路構成の例として図40がある。図40は1個のトランジスタと1個の強誘電体コンデンサを用いて1ビットの不揮発性データを記憶する強誘電体メモリ装置の単位メモリセルの構造を示す回路図である。図40において4011は強誘電体コンデンサ、4012はN型の絶縁ゲート電界効果型トランジスタ(以下MOSFETと略す場合もある。なお、MOSFETとはMetal−Oxide−Semiconductor−Field−Effect−Transistor)である。また、4013はワード線であり、前記MOSFET4012のゲート電極に接続されている。また、4014はビット線であり、前記MOSFET4012のソース、もしくはドレインとなる電極に接続されている。また、4015はプレート線で前記強誘電体コンデンサ4011の一端に接続されている。強誘電体コンデンサ4011の他端は前記MOSFET4012のドレイン、もしくはソースとなる電極に接続されている。以上の回路によって、ビット線4014とプレート線4015に強誘電体コンデンサ4011にかける電位を供給し、ワード線4013によってMOSFET4012をオン(ON)、オフ(OFF)することにより、前述した電荷の書き込み動作と読み出し動作を行う。なお、この方法はデータを読み出す際に電荷を取り出す、つまりデータを破壊してしまうので、破壊読み出しと一般的に呼ばれる方式であり、特許例として特許文献1がある。
FIG. 40 shows an example of a circuit configuration in which the above ferroelectric capacitor is actually performed. FIG. 40 is a circuit diagram showing a structure of a unit memory cell of a ferroelectric memory device that stores 1-bit nonvolatile data using one transistor and one ferroelectric capacitor. In FIG. 40, reference numeral 4011 denotes a ferroelectric capacitor, and 4012 denotes an N-type insulated gate field effect transistor (hereinafter also abbreviated as MOSFET. Note that MOSFET is a metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor). Reference numeral 4013 denotes a word line, which is connected to the gate electrode of the MOSFET 4012.
また、データを読み出す際にデータを破壊しない方法を用い、非破壊読み出しと呼ばれる方法がある。一例として、図17の断面図、あるいは図41の回路図に示すように電界効果型トランジスタのゲート部に強誘電体薄膜1700を設け、ゲート電極1701と基板間1709、もしくはソース電極1702、ドレイン電極1703に強誘電体薄膜の抗電圧以上の電圧を加え、強誘電体薄膜1700に分極を起こし、印加電圧を取り除いた後もその残留分極の状態によってデータを記憶し、かつその残留分極によって、電界効果型トランジスタのチャネルに誘起される電荷が異なり、スレッショルド電圧の相違となって、流れる電流値が異なることから書き込まれた分極の方向を知る、つまり1か0かの差違を検出する方式がある。
Further, there is a method called non-destructive reading using a method that does not destroy data when reading data. As an example, as shown in the cross-sectional view of FIG. 17 or the circuit diagram of FIG. 41, a ferroelectric
なお、前記ゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタを以下MFSFETと略す場合もある。なお、MFSFETとはMeatal−Ferroelectrics−Semiconductor−Field−Effect−Transistorの頭文字を連ねたものである。 A field effect transistor having a ferroelectric thin film in the gate portion may be abbreviated as MFSFET hereinafter. Note that the MFSFET is a combination of the initials of Metal-Ferroelectrics-Semiconductor-Field-Effect-Transistor.
さて、前述した電界効果型トランジスタのゲート部における強誘電体薄膜に分極を起こし、その残留分極によるスレッショルド電圧変化を検出する方法について以下に更に説明する。 Now, a method of causing polarization in the ferroelectric thin film at the gate portion of the above-described field effect transistor and detecting a change in threshold voltage due to the residual polarization will be further described below.
図41において、破線4100に囲まれているのがMFSFETである。MFSFET4100においては、ワード線4115を通してゲート電極4101に0電位を与え、第1ビット線4113と第2ビット線4114を通して、ソース電極4103とドレイン電極4104に抗電圧以上の正のV電位を与え、強誘電体薄膜にゲート側に正極、基板側に負極の分極を起こしている。あるいはワード線4115を通してゲート電極4101に抗電圧以上の正のV電位を与え、第1ビット線4113と第2ビット線4114を通して、ソース電極4103とドレイン電極4104に0電位を与え、強誘電体薄膜にゲート側に負極、基板側に正極の分極を起こしている。これらの分極の相違によるスレッショルド電圧の差異による電流量の変異を検出する。
In FIG. 41, the MFSFET is surrounded by a broken line 4100. In the MFSFET 4100, a zero potential is applied to the gate electrode 4101 through the word line 4115, and a positive V potential equal to or higher than the coercive voltage is applied to the source electrode 4103 and the drain electrode 4104 through the
更にこの方式は図42に示すごとく前記MFSFETを行列上に配置し、ワード線、ビット線を制御して前記MFSFETのデータ記憶状態を検出する方法が大容量のメモリとするには一般的手法である。つまり、図42において、4201等に示すMFSFETを行列状に配置し、ワード線4205と第1ビット線4213、第2ビット線4214を共用化して用いている。このように構成したメモリセルアレイ4220のワード線群とビット線群を制御する回路をメモリセルアレイの周辺に設け制御する。
Furthermore, as shown in FIG. 42, this method is a general method for arranging the MFSFETs on a matrix and controlling the word lines and bit lines to detect the data storage state of the MFSFETs to make a large capacity memory. is there. That is, in FIG. 42, MFSFETs such as 4201 are arranged in a matrix, and the
ただし、この方式ではゲート電極の下に強誘電体薄膜を設けて残留分極を記憶し、かつその記憶データの差異を検出するためにMFSFETのゲート電極にトランジスタがオン(ON)する電位をかける方法であるので、記憶データを消さないように、かつ行列状に配置されたメモリとしての各MFSFETに誤動作や誤書き込みを防ぐような方式をワード線側とビット線側の制御回路に付与する必要がある。 However, in this method, a ferroelectric thin film is provided under the gate electrode to store the remanent polarization, and in order to detect a difference in the stored data, a potential at which the transistor is turned on (ON) is applied to the gate electrode of the MFSFET. Therefore, it is necessary to provide a control system on the word line side and the bit line side so as not to erase stored data and to prevent malfunctions and erroneous writing in each MFSFET as a memory arranged in a matrix. is there.
なお、この一例として、ゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタを記述する特許文献2がある。
As an example of this, there is
しかしながら、上記従来の強誘電体メモリでは以下に述べる問題点を有していた。図36、38、39、40、あるいは特許文献1に示した方法のデータを破壊読み出しする方式は読み出し後、消えたデータを再書き込みする必要がある。したがって、データを読み出した後に書き込み動作を行うので余計な膨大な素子数の制御回路と無視できない時間を要し、アクセスタイムやサイクルタイムに影響を与える。さらに再書き込みによる書き込み回数の増加により、強誘電体の寿命を早め、デバイスとしての信頼性を低下させる、という問題点があった。
However, the conventional ferroelectric memory has the following problems. 36, 38, 39, 40, or the method of destructive reading of the data shown in
また、図17、図41、あるいは特許文献2に示すような、電界効果型トランジスタのゲート電極上に強誘電体薄膜を配置し、ゲート電極とドレイン電極もしくはソース電極あるいは基板間に前記強誘電体薄膜の抗電圧以上の電圧を加えて、強誘電体薄膜の残留分極によってデータを保持し、かつメモリセルを行列状に配置してワード線やビット線を通して周辺回路で制御する方式はデータの誤書き込みと誤読み出しを防ぐ為に周辺回路が複雑で多大な素子数の回路を必要とする。また、データを非破壊読み出しする方式としても、データを破壊しないようにしながらゲートに電位をかけMFSFETを活性化する方式であるので、スタティックランダムアクセスメモリ(以下SRAMと略す。なお、SRAMとはStatic−Random−Access−Memory)やMOSFETを用いた一般的な論理回路に比較すれば、読み出し時間が長くなる。
In addition, a ferroelectric thin film is disposed on the gate electrode of a field effect transistor as shown in FIG. 17, FIG. 41, or
以上より、大規模メモリの場合には従来の前述した方式が総合的に適しているともいえるが、集積回路の中に比較的小容量の読み書き可能な不揮発性メモリを内蔵し、一般的な論理回路を扱うような感覚で使用したい場合には前述した従来の方式では周辺回路の大きさと制御の煩雑さと、読み書きに要する長い時間が大きな課題となっていた。 From the above, it can be said that the conventional method described above is generally suitable for large-scale memories. However, a relatively small-capacity readable / writable nonvolatile memory is built in the integrated circuit, and a general logic can be used. When it is desired to use the circuit as if it were a circuit, the above-described conventional method had a large problem in the size of peripheral circuits, complicated control, and a long time required for reading and writing.
そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、読み書き可能な不揮発性の回路であって、かつ通常の絶縁ゲート電界効果型トランジスタ回路と同じような取り扱いが簡便で、かつ高速のデータの読み出しが可能である不揮発性回路を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves such problems, and the object of the present invention is a readable / writable non-volatile circuit and easy handling similar to that of a normal insulated gate field effect transistor circuit. It is another object of the present invention to provide a non-volatile circuit that can read data at high speed.
上記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、各発明は以下のように構成した。
すなわち第1の発明は、強誘電体素子を含み、状態データを単独で保持、記憶、復元できる強誘電体ラッチ回路と、前記強誘電体ラッチ回路にデータを書き込むラッチ書き込み回路と、前記強誘電体ラッチ回路の状態データを伝達するラッチ読み出し回路と、複数個の前記ラッチ書き込み回路と複数個の前記ラッチ読み出し回路を制御するラッチ制御回路と、を設けたものである。
In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, each invention is configured as follows.
That is, the first invention includes a ferroelectric latch circuit that includes a ferroelectric element and can independently hold, store, and restore state data, a latch write circuit that writes data to the ferroelectric latch circuit, and the ferroelectric A latch read circuit for transmitting state data of the body latch circuit, a plurality of latch write circuits, and a latch control circuit for controlling the plurality of latch read circuits.
第2の発明は第1の発明の回路構成を強誘電体メモリブロック単位セル回路と定義して、前記強誘電体メモリブロック単位セル回路を行列状に配置し、行のアドレス信号を伝達するワード線群と、列のアドレス信号を伝達するビット線群と、入力データもしくは出力データを伝達するデータ線群と、読み出しと書き込みの制御信号を伝達する制御信号線群を配置し、前記各信号線群をロウデコーダ制御回路と、カラムデコーダ制御回路と、読み書き制御回路と、データ制御回路とで制御する構成としたものである。 The second invention defines the circuit configuration of the first invention as a ferroelectric memory block unit cell circuit, arranges the ferroelectric memory block unit cell circuits in a matrix, and transmits a row address signal. A line group, a bit line group for transmitting column address signals, a data line group for transmitting input data or output data, and a control signal line group for transmitting read and write control signals, The group is controlled by a row decoder control circuit, a column decoder control circuit, a read / write control circuit, and a data control circuit.
第3の発明は第1または第2の発明において、前記強誘電体ラッチ回路をゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタを用いて構成したものである。 According to a third invention, in the first or second invention, the ferroelectric latch circuit is configured by using a field effect transistor having a ferroelectric thin film at a gate portion.
第4の発明は第1または第2の発明において、前記強誘電体ラッチ回路を2個のインバータ回路と、強誘電体コンデンサを用いて構成したものである。 According to a fourth invention, in the first or second invention, the ferroelectric latch circuit is constituted by using two inverter circuits and a ferroelectric capacitor.
第5の発明は第1または第2の発明において、前記ラッチ制御回路が同時に制御する複数個の前記ラッチ書き込み回路と複数個の前記ラッチ読み出し回路の個数をそれぞれ2の累乗個の構成としたものである。 A fifth invention is the first or second invention, wherein the number of the plurality of latch write circuits and the plurality of latch read circuits controlled simultaneously by the latch control circuit is a power of two. It is.
第6の発明は第2の発明において、前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の入力データ線群と出力データ線群を共用化したものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the input data line group and the output data line group of the ferroelectric memory block unit cell circuit group are shared.
以上のように上記の構成からなる本発明によれば、前記強誘電体ラッチ回路を都度、動作させて分極信号を読み出すのではなく、既に前記強誘電体ラッチ回路の状態として存在する電位信号をラッチ読み出し回路から読み出すので、MOSFETの応答時間のみで信号出力が決まり、非常に高速となる効果がある。なお、原理的にはSRAM以上の高速のメモリを不揮発性メモリで得られるという効果がある。 As described above, according to the present invention configured as described above, the polarization signal is not read out by operating the ferroelectric latch circuit each time, but the potential signal that already exists as the state of the ferroelectric latch circuit is used. Since reading is performed from the latch read circuit, the signal output is determined only by the response time of the MOSFET, and there is an effect that the speed becomes very high. In principle, there is an effect that a high-speed memory higher than SRAM can be obtained by a nonvolatile memory.
また、前述したように前記強誘電体ラッチ回路を直接読み出すのではなく、既に状態として存在する電位信号を読み出すので、再書き込みの必要がなく、強誘電体の寿命が非常に永くなるという効果がある。 In addition, as described above, the ferroelectric latch circuit is not directly read out, but the potential signal that already exists as a state is read out, so that there is no need for rewriting, and the lifetime of the ferroelectric becomes very long. is there.
また、強誘電体を含む部分が強誘電体メモリ単位セル回路としてセルの中に個別の制御回路を持っており、メモリセル外部からはブラックボックスのように扱えるので、従来の不揮発性メモリ装置にありがちな昇圧や中間電位等を含む複雑な制御が不要であり、ロウデコーダ制御回路、カラムデコーダ制御回路、読み書き制御回路、データ制御回路等の周辺回路が簡単な回路で構成でき、かつ占有面積が少なくてすむという効果がある。 In addition, the portion including the ferroelectric has a separate control circuit in the cell as a ferroelectric memory unit cell circuit, and can be handled like a black box from the outside of the memory cell. Complicated control including common boosting and intermediate potential is unnecessary, and peripheral circuits such as row decoder control circuit, column decoder control circuit, read / write control circuit, and data control circuit can be configured with simple circuits and occupy an area. It has the effect of reducing the amount.
また、強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタや強誘電体コンデンサを用いるので強誘電体ラッチ回路が少ない素子数で構成でき、かつ低電圧で動作し、低消費電力となる効果がある。 In addition, since a field effect transistor or a ferroelectric capacitor having a ferroelectric thin film is used, the ferroelectric latch circuit can be configured with a small number of elements, operates at a low voltage, and has an effect of reducing power consumption.
また、前記ラッチ制御回路が同時に複数個の前記ラッチ書き込み回路と前記ラッチ読み出し回路を制御するので、前記ラッチ制御回路の個数が節約され、不揮発性メモリ装置としての集積度が高まるという効果がある。 In addition, since the latch control circuit controls a plurality of the latch write circuits and the latch read circuits at the same time, the number of the latch control circuits is saved, and the degree of integration as a nonvolatile memory device is increased.
また、前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の入力データ線群と出力データ線群を場合により、共用するので、更に不揮発性メモリ装置としての集積度が高まるという効果がある。 Further, since the input data line group and the output data line group of the ferroelectric memory block unit cell circuit group are shared in some cases, there is an effect that the degree of integration as a nonvolatile memory device is further increased.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(本発明の強誘電体メモリ装置の実施形態例1の回路構成(1))
図1は本発明の強誘電体メモリ装置の第1の実施形態例を示す回路図である。図1の回路は強誘電体素子を含み、状態データを単独で保持、記憶、復元できる複数個の強誘電体ラッチ回路と、前記強誘電体ラッチ回路に状態データを書き込む複数個のラッチ書き込み回路と、前記強誘電体ラッチ回路の状態データを伝達する複数個のラッチ読み出し回路と、アドレス検知回路と、複数個の前記ラッチ書き込み回路と複数個の前記ラッチ読み出し回路を制御するラッチ制御回路と、から構成されている。また、同時に図1で強誘電体メモリブロック単位セル回路を構成している。
(Circuit Configuration (1) of
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a ferroelectric memory device according to the present invention. The circuit of FIG. 1 includes a ferroelectric element, a plurality of ferroelectric latch circuits capable of independently holding, storing, and restoring state data, and a plurality of latch write circuits for writing state data to the ferroelectric latch circuit. A plurality of latch read circuits for transmitting state data of the ferroelectric latch circuit; an address detection circuit; a plurality of the latch write circuits; and a latch control circuit for controlling the plurality of latch read circuits; It is composed of At the same time, a ferroelectric memory block unit cell circuit is formed in FIG.
詳細は後述するが、概略として、図1の破線101で示した内部が前記強誘電体ラッチ回路であり、制御信号付きインバータバッファ回路102が前記ラッチ書き込み回路であり、制御信号付きインバータバッファ回路103が前記ラッチ読み出し回路である。前記強誘電体ラッチ回路101、前記ラッチ書き込み回路102、前記ラッチ読み出し回路103を組み合わせて、図1の一点鎖線120で示した強誘電体ラッチ単位回路を構成しており、該強誘電体ラッチ単位回路120と同じ構成の、強誘電体ラッチ単位回路121、122、123、124、125、126、127の計8個の強誘電体ラッチ単位回路を有している。また、NAND回路107がアドレス検知回路であり、該NAND回路107とNOR回路104とNOR回路105とインバータ回路106による構成が前述したラッチ制御回路に相当している。なお、該ラッチ制御回路は図1において、二点鎖線108の内部に相当している。ラッチ制御回路108はNOR回路104の出力信号である制御線116とNOR回路105の出力信号である制御線117を通して前記強誘電体ラッチ単位回路120から127の8個の強誘電体ラッチ単位回路を制御している。
Although the details will be described later, the outline shown by a
さて、図1において、破線101に囲まれた回路、あるいは図4に示す回路記号が前述した状態データを単独で保持、記憶、復元できる強誘電体ラッチ回路をシンボルとして表現したものである。この強誘電体ラッチ回路101の機能は本発明の根幹をささえる重要な回路であり、かつシンボルのみの表現では一般的には理解しにくい回路であるので、先に強誘電体ラッチ回路の構成と、その構成例である強誘電体トランジスタラッチ回路、あるいは強誘電体コンデンサラッチ回路、そしてその動作原理となるMFSFET等について説明し、その後、本発明の強誘電体メモリ装置について再述する。
In FIG. 1, a circuit surrounded by a
(強誘電体ラッチ回路の構成と動作原理(1))
強誘電体素子を含み、状態データを単独で保持、記憶、復元できる機能をもつ強誘電体ラッチ回路は様々に考えられるが、以下にゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタを用いた方式と、強誘電体コンデンサを用いた方式について構成例をあげる。
(Configuration and operating principle of ferroelectric latch circuit (1))
Various ferroelectric latch circuits that include ferroelectric elements and have the function of holding, storing and restoring state data independently can be considered, but field effect transistors with a ferroelectric thin film at the gate are used below. An example of the configuration of the conventional method and the method using a ferroelectric capacitor will be given.
ここで、ゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタ(MFSFET)を用いた方式を以下では強誘電体トランジスタラッチ回路方式と呼称する。 Here, a system using a field effect transistor (MFSFET) having a ferroelectric thin film in the gate portion is hereinafter referred to as a ferroelectric transistor latch circuit system.
また、インバータ回路2個によるラッチ回路と強誘電体コンデンサを用いる方式を以下では強誘電体コンデンサラッチ回路方式と呼称する。 In addition, a method using a latch circuit with two inverter circuits and a ferroelectric capacitor is hereinafter referred to as a ferroelectric capacitor latch circuit method.
まず、先に強誘電体トランジスタラッチ回路方式について、説明し、その後、強誘電体コンデンサラッチ回路方式について説明する。 First, the ferroelectric transistor latch circuit system will be described first, and then the ferroelectric capacitor latch circuit system will be described.
(強誘電体トランジスタラッチ回路方式の構成と動作原理)
以下にゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタ(MFSFET)を用いた方式である強誘電体トランジスタラッチ回路方式の構成と動作原理を以下に説明する。
(Configuration and operating principle of ferroelectric transistor latch circuit system)
The configuration and operation principle of a ferroelectric transistor latch circuit system, which is a system using a field effect transistor (MFSFET) having a ferroelectric thin film in the gate portion, will be described below.
まず、ここで用いるゲート部の強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタ(MFSFET)について先に構造と動作原理を図17、図20、図21、図22、図23で説明する。 First, the structure and operation principle of a field effect transistor (MFSFET) having a ferroelectric thin film of the gate portion used here will be described with reference to FIGS. 17, 20, 21, 22, and 23. FIG.
(MFSFETの構成と動作原理)
ゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタであるMFSFETは従来例において簡単にふれたが、以下にあらためて詳述する。
図17はN型の導電性を持つMFSFETのチャネル部のソース・ドレイン方向に切断した断面図である。図17において、1701は金属からなるゲート電極、1702はN+拡散からなるソースもしくはドレインとなる第1電極、1703はN+拡散からなるドレインもしくはソースとなる第2電極である。1709はシリコン基板である。1700はPZTNからなる強誘電体薄膜である。結晶性の優れたPZTNから形成された強誘電体薄膜1700は両端に電圧を印加すると内部に分極が起こるとともに、一度起きた分極は反転しにくい性質があり、図38に示すようなヒステリシス特性を持っている。また、PZTやSBTも同じような特性を持っている。ただし、PZTNの方が残留分極やヒステリシスの角型性のよい特性を持っている。なお、PZTとはPb(Zr,Ti)O3の総称であり、またPZTNとはPZTのTiの一部をNbで置き換えたものの総称であり、またSBTとはSrBi2Ta2O9もしくはそれに近い組成の総称である。なお、以下、図17において、強誘電体薄膜は最も望ましいPZTNの代表的な特性図を用いて説明するが、PZTやSBTを用いてもよく、本質的な差はあまり大きくない。また、強誘電体薄膜1700を用いる場合、金属電極1701は白金(Pt)が一般的によく用いられる。
(Configuration and operation principle of MFSFET)
The MFSFET, which is a field effect transistor having a ferroelectric thin film in the gate portion, has been briefly described in the conventional example, but will be described in detail below.
FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the source / drain direction of the channel portion of the MFSFET having N-type conductivity. In FIG. 17, reference numeral 1701 denotes a gate electrode made of metal, 1702 denotes a first electrode serving as a source or drain made of N + diffusion, and 1703 denotes a second electrode serving as a drain or source made of N + diffusion.
前述した図38は図17に用いている強誘電体薄膜PZTN1700の分極電荷−印加電圧特性でもある。図38において強誘電体薄膜に抗電界以上の負の電圧を加えると特性点3801の状態となり、そこで印加電圧を除き、開放すると特性点3802となり、かつ縦軸の交差点に相当する量が残留分極として保持される。更に抗電圧以上の正の電圧を加えると特性点3804の状態に移る。そこで印加電圧を除き、開放すると特性点3805となり、かつ縦軸の交差点に相当する量が残留分極として保持される。
FIG. 38 described above also shows the polarization charge-applied voltage characteristics of the ferroelectric thin film PZTN1700 used in FIG. In FIG. 38, when a negative voltage higher than the coercive electric field is applied to the ferroelectric thin film, a characteristic point 3801 is obtained. When the applied voltage is removed, the characteristic point 3802 is obtained when the voltage is released, and an amount corresponding to the intersection of the vertical axes is remanent polarization. Held as. Further, when a positive voltage higher than the coercive voltage is applied, the state of the
さて、図38に示したように、図17の構造のMFSFETにおいて強誘電体薄膜1700に抗電圧以上の電圧を印加すると、強誘電体薄膜1700は内部に分極を起こす。例えば図20に示すようにゲート電極端子2004を通してゲート電極2001が0電位でドレイン電極もしくはソース電極となる2002、2003が電極端子2005、2006を通して+V電位であると、図20に示すように強誘電体薄膜2000はゲート電極2001側が正、ドレイン電極もしくはソース電極となる2002、2003側が負の内部分極を起こす。この分極はN型の電界効果型トランジスタとしてのチャネル部2009の電子が誘起するのを抑制する方向に働く。つまりN型MFSFETはスレッショルド電圧が高くなる。
As shown in FIG. 38, when a voltage higher than the coercive voltage is applied to the ferroelectric
また、図21に示すようにゲート電極端子2104を通してゲート電極2001が+V電位でドレイン電極もしくはソース電極となる2002、2003が電極端子2105、2106を通して0電位であると、図21の強誘電体薄膜2100はゲート電極2001側が負、ドレイン電極もしくはソース電極となる2002、2003側が正の内部分極を起こす。この分極はN型の電界効果型トランジスタとしてのチャネル部2109に電子を誘起する。N型の場合は電子の流れる経路チャネルを形成しやすい方向に作用する。つまりN型MFSFETはスレッショルド電圧が低くなる。図21において、チャネル部2109の上部が複数の破線模様で表現しているのは前記強誘電体薄膜の分極の結果、チャネル部において電子が誘起されている様子を表現しているものである。
Further, as shown in FIG. 21, if the
さて図38は強誘電体薄膜にかかる電圧Vと内部分極電荷Qの関係を示しているが、静電容量をCとしてQ=CVの一般的な関係により、MOS容量の変化を図38から読みとれる。また、MOSFETのスレッショルド電圧の変化はMOS容量の変化に関連している。したがって、図38において、特性曲線が大きく変化する抗電圧付近でN型MFSFETはスレッショルド電圧が大きく変わる。これはMFSFETの強誘電体薄膜の内部分極の方向と大きさによって電界効果型トランジスタとしてのスレッショルド電圧が変わることに対応している。図38において、特性曲線が抗電圧付近で変わる際の電圧は電界効果型トランジスタの動作電圧に比較しても充分に影響を与える変化量である。そして、特性点3802や3805における残留分極も充分に大きいので、電源を切断した際に残留分極が保存されたMFSFETはスレッショルド電圧も大きな差として保存されている。 FIG. 38 shows the relationship between the voltage V applied to the ferroelectric thin film and the internal polarization charge Q. From the general relationship of Q = CV where the capacitance is C, the change in MOS capacitance is read from FIG. I can take it. Further, the change in the threshold voltage of the MOSFET is related to the change in the MOS capacitance. Therefore, in FIG. 38, the threshold voltage of the N-type MFSFET changes greatly in the vicinity of the coercive voltage at which the characteristic curve changes greatly. This corresponds to the fact that the threshold voltage of the field effect transistor changes depending on the direction and magnitude of the internal polarization of the ferroelectric thin film of the MFSFET. In FIG. 38, the voltage when the characteristic curve changes in the vicinity of the coercive voltage is an amount of change that sufficiently affects the operating voltage of the field effect transistor. Since the remanent polarization at the characteristic points 3802 and 3805 is sufficiently large, the threshold voltage of the MFSFET in which the remanent polarization is preserved when the power is turned off is also preserved as a large difference.
また、図22、図23はP型MFSFETを用いた場合のゲート電圧をかけた場合の強誘電体薄膜2200と2300の分極と、チャネル部2209と2309のキャリア誘起の様子を示している。P型MFSFETの場合には図22のようにゲート電極2201側が0電位の場合にチャネル部にホール(正孔)のキャリアが誘起され、等価的にスレッショルド電圧が絶対値で下がり、電流が流れやすくなる。また、図23のようにゲート電極2201が+V電位であると等価的にスレッショルド電圧が絶対値で高くなり、導通しにくくなる。
FIGS. 22 and 23 show the polarization of the ferroelectric
つぎに、これらのMFSFETを用いた強誘電体トランジスタラッチ回路の構成例をあげる。
(強誘電体トランジスタラッチ回路の構成例1)
図16は本発明のなかで用いる強誘電体トランジスタラッチ回路の第1の構成例を示す回路図である。
図16において、1601と1603はN型の導電型であってゲート部の強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタ(MFSFET)である。また、1602と1604はP型の導電型であってゲート部の強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタ(MFSFET)である。
Next, a configuration example of a ferroelectric transistor latch circuit using these MFSFETs will be given.
(Configuration Example 1 of Ferroelectric Transistor Latch Circuit)
FIG. 16 is a circuit diagram showing a first configuration example of a ferroelectric transistor latch circuit used in the present invention.
In FIG. 16, reference numerals 1601 and 1603 denote N-type conductivity type field effect transistors (MFSFETs) having a ferroelectric thin film in the gate portion.
N型MFSFET1601のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MFSFET1602のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MFSFET1601のゲート電極とP型MFSFET1602のゲート電極とは互いに接続され、第1の入出力端子1605となっている。また、N型MFSFET1601のドレイン電極とP型MFSFET1602のドレイン電極とは互いに接続されている。以上より、N型MFSFET1601とP型MFSFET1602により第1のインバータ回路が構成されている。 The source electrode of the N-type MFSFET 1601 is connected to the negative power supply terminal having the potential of VSS, the source electrode of the P-type MFSFET 1602 is connected to the positive power supply terminal having the potential of VDD, the gate electrode of the N-type MFSFET 1601 and the P-type MFSFET 1602. Are connected to each other to form a first input / output terminal 1605. The drain electrode of the N-type MFSFET 1601 and the drain electrode of the P-type MFSFET 1602 are connected to each other. As described above, the N-type MFSFET 1601 and the P-type MFSFET 1602 constitute a first inverter circuit.
また、N型MFSFET1603のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MFSFET1604のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MFSFET1603のゲート電極とP型MFSFET1604のゲート電極とは互いに接続され、第2の入出力端子1606となっている。また、N型MFSFET1603のドレイン電極とP型MFSFET1604のドレイン電極とは互いに接続されている。以上より、N型MFSFET1603とP型MFSFET1604により第2のインバータ回路が構成されている。
The source electrode of the N-type MFSFET 1603 is connected to the negative power supply terminal having the potential of VSS, the source electrode of the P-
また、第1のインバータ回路を構成するN型MFSFET1601とP型MOSFET1602のドレイン電極は第2入出力端子1606に接続され、第2のインバータ回路を構成するN型MFSFET1603とP型MFSFET1604のドレイン電極は第1入出力端子1605に接続され、前記第1のインバータ回路と前記第2のインバータ回路によってラッチ回路が構成されている。
The drain electrodes of the N-type MFSFET 1601 and the P-type MOSFET 1602 constituting the first inverter circuit are connected to the second input / output terminal 1606, and the drain electrodes of the N-type MFSFET 1603 and the P-
なお、以上の構成において、第1のインバータ回路と第2のインバータ回路はレイアウトパターンにおいて同一、もしくは対称形に構成され、かつ各PNそれぞれのMFSFETの特性は対応する素子において同一の特性とする。 In the above configuration, the first inverter circuit and the second inverter circuit are configured to be the same or symmetrical in the layout pattern, and the characteristics of each MFSFET of each PN are the same in the corresponding elements.
図16において、N型MFSFET1601とP型MFSFET1602によって第1のインバータ回路を構成している為、ゲート部に正の高電位が加わるとドレイン電極は負の低電位となり、N型MFSFET1601はオン(ON)すると同時に、より導通しやすい低スレッショルド電圧になる方向にゲート部の強誘電体薄膜は分極する。また、P型MFSFET1602はオフ(OFF)すると同時に、よりオフする高いスレッショルド電圧になる方向にゲート部の強誘電体薄膜は分極する。 In FIG. 16, since the N-type MFSFET 1601 and the P-type MFSFET 1602 constitute the first inverter circuit, when a positive high potential is applied to the gate portion, the drain electrode becomes a negative low potential, and the N-type MFSFET 1601 is turned on (ON At the same time, the ferroelectric thin film in the gate portion is polarized in the direction of a low threshold voltage that facilitates conduction. In addition, the P-type MFSFET 1602 is turned off (OFF), and at the same time, the ferroelectric thin film in the gate portion is polarized in the direction of a higher threshold voltage that is turned off.
また、N型MFSFET1603とP型1604によって第2のインバータ回路を構成している為、ゲート部に正の高電位が加わるとドレイン電極は負の低電位となり、N型MFSFET1603はオン(ON)すると同時に、より導通しやすい低スレッショルド電圧になる方向にゲート部の強誘電体薄膜は分極する。また、P型MFSFET1604はオフ(OFF)すると同時に、よりオフする高いスレッショルド電圧になる方向にゲート部の強誘電体薄膜は分極する。
In addition, since the N-type MFSFET 1603 and the P-
前記N型MFSFET1601とP型MFSFET1602による第1のインバータ回路と前記N型MFSFET1603とPMFSFET型1604による第2のインバータ回路はそれぞれの入力と出力を互いに襷がけしたラッチ回路を構成しているので、第1の入出力端子1605が正の高電位VDDとなると、第2の入出力端子1606は負の低電位VSSとなる。したがって、このときN型MFSFET1601とP型MFSFET1604はオン(ON)してより導通しやすいスレッショルド電圧となるようにゲート部の強誘電体薄膜は分極する。また、N型MFSFET1603とP型MFSFET1602はオフ(OFF)してよりオフするスレッショルド電圧となるようにゲート部の強誘電体薄膜は分極する。
The first inverter circuit composed of the N-type MFSFET 1601 and the P-type MFSFET 1602 and the second inverter circuit composed of the N-type MFSFET 1603 and the
また、第1の入出力端子1605が負の低電位VSSとなると、第2の入出力端子1606は正の高電位VDDとなる。したがって、このときN型MFSFET1601とP型MFSFET1604はオフ(OFF)してよりオフするスレッショルド電圧となるようにゲート部の強誘電体薄膜は分極する。また、N型MFSFET1603とP型MFSFET1602はオン(ON)してより導通しやすいスレッショルド電圧となるようにゲート部の強誘電体薄膜は分極する。
Further, when the first input / output terminal 1605 becomes a negative low potential VSS, the second input / output terminal 1606 becomes a positive high potential VDD. Therefore, at this time, the ferroelectric thin film in the gate portion is polarized so that the N-type MFSFET 1601 and the P-
以上、図16のラッチ回路の入出力端子が正負いずれの状態でも電源が切断されたとき、そのときのラッチ回路の各MFSFETの状態が反映するように各MFSFETのゲート部の強誘電体薄膜は残留分極として記憶している。したがって、ラッチ回路としては安定した状態が2形態あるものの、再び電源が投入された場合に各MFSFETが前の状態を反映する残留分極とスレッショルド電圧の偏りがあるので、前の状態の安定状態に復帰する。 As described above, when the power supply is cut off regardless of whether the input / output terminal of the latch circuit of FIG. 16 is positive or negative, the ferroelectric thin film of the gate portion of each MFSFET is reflected so that the state of each MFSFET of the latch circuit at that time is reflected. It is memorized as remanent polarization. Therefore, although there are two stable states for the latch circuit, when the power is turned on again, each MFSFET has a residual polarization and a threshold voltage bias that reflect the previous state. Return.
以上、図16の強誘電体トランジスタラッチ回路により、不揮発性のデータが保持、復帰することが解ったが、図16のラッチ回路から保持データを読む場合には入出力端子1605、もしくは入出力端子1606の電位を読みとればよい。このとき、MFSFET1601、1602、1603、1604等は格別の動作をする必要はない。また、ラッチ回路に新たなデータを書き込む場合には入出力端子1605、もしくは入出力端子1606に低インピーダンスで正の高電位VDD、もしくは負の低電位VSSを加えればよい。低インピーダンスで新たな信号データが加わると、それに対応した状態にラッチ回路は定まり、かつMFSFET1601、1602、1603、1604等のゲート部における強誘電体の内部分極もそれに応じた状態になる。
As described above, it has been found that the nonvolatile data is held and restored by the ferroelectric transistor latch circuit of FIG. 16, but when the held data is read from the latch circuit of FIG. 16, the input / output terminal 1605 or the input / output terminal The potential of 1606 may be read. At this time, the
したがって図16の構成により、強誘電体トランジスタを用いて、読み出しと、書き込み動作が可能な不揮発性ラッチ回路が実現する。 Therefore, the configuration of FIG. 16 realizes a nonvolatile latch circuit capable of reading and writing using a ferroelectric transistor.
なお、図18、図19は以上に述べたラッチ回路の各安定状態における分極と誘起されたキャリアの状態を簡易的に模式図として表現している。図18は図16の回路において、入出力端子1605が正の高電位VDDの場合であり、また、図19は図16の回路において、入出力端子1606が正の高電位VDDの場合である。 18 and 19 simply represent the polarization in each stable state of the latch circuit described above and the state of the induced carrier as a schematic diagram. FIG. 18 shows the case where the input / output terminal 1605 has a positive high potential VDD in the circuit of FIG. 16, and FIG. 19 shows the case where the input / output terminal 1606 has a positive high potential VDD in the circuit of FIG.
(強誘電体トランジスタラッチ回路の構成例2)
図24は本発明のなかで用いる強誘電体トランジスタラッチ回路の第2の構成例を示す回路図である。図24において、2402と2404はP型MOSFETであり、図16におけるP型MFSFET1602と1604の代わりに用いている。それ以外の素子は図24と図16は同一の構成となっている。
(Configuration example 2 of ferroelectric transistor latch circuit)
FIG. 24 is a circuit diagram showing a second configuration example of the ferroelectric transistor latch circuit used in the present invention. In FIG. 24, 2402 and 2404 are P-type MOSFETs, which are used instead of the P-
図24の回路においても、N型MFSFET2401と2403を用いているので、電位状態を反映した分極が書き込まれ、電源切断時も残留分極として記憶され、電源再投入後に前の状態を反映する残留分極とスレッショルド電圧の偏りがあるので、電源切断前の安定状態に復帰する。
Also in the circuit of FIG. 24, since the N-
(強誘電体トランジスタラッチ回路の構成例3)
図25は本発明のなかで用いる強誘電体トランジスタラッチ回路の第3の構成例を示す回路図である。図25において、2501と2503はN型MOSFETであり、図16におけるN型MFSFET1601と1603の代わりに用いている。それ以外の素子は図25と図16は同一の構成となっている。
(Configuration Example 3 of Ferroelectric Transistor Latch Circuit)
FIG. 25 is a circuit diagram showing a third configuration example of the ferroelectric transistor latch circuit used in the present invention. In FIG. 25, 2501 and 2503 are N-type MOSFETs, which are used in place of the N-type MFSFETs 1601 and 1603 in FIG. The other elements have the same configuration in FIG. 25 and FIG.
図25の回路においても、P型MFSFET2502と2504を用いているので、電位状態を反映した分極が書き込まれ、電源切断時も残留分極として記憶され、電源再投入後に前の状態を反映する残留分極とスレッショルド電圧の偏りがあるので、電源切断前の安定状態に復帰する。 Also in the circuit of FIG. 25, since the P-type MFSFETs 2502 and 2504 are used, the polarization reflecting the potential state is written, stored as the residual polarization even when the power is turned off, and the residual polarization reflecting the previous state after the power is turned on again. Since the threshold voltage is biased, the stable state before the power is turned off is restored.
(強誘電体コンデンサラッチ回路方式の構成と動作原理)
次に、強誘電体ラッチ回路として、インバータ2個によるラッチ回路と強誘電体コンデンサを用いた方式を次に説明する。なお、この方式を強誘電体コンデンサラッチ回路と以下では呼称する。
(Configuration and operating principle of ferroelectric capacitor latch circuit system)
Next, a method using a latch circuit with two inverters and a ferroelectric capacitor as a ferroelectric latch circuit will be described. This method is hereinafter referred to as a ferroelectric capacitor latch circuit.
強誘電体コンデンサラッチ回路も様々にあるが、以下に構成例を示す。 There are various ferroelectric capacitor latch circuits, but a configuration example is shown below.
(強誘電体コンデンサラッチ回路の構成例1)
図26は強誘電体コンデンサラッチ回路の第1例を示す回路図である。
図26において、261と262は強誘電体コンデンサである。263はN型の絶縁ゲート電界効果型トランジスタ(MOSFET)であり、265はP型MOSFETである。N型MOSFET263のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET265のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265によってインバータ回路2635が構成されている。
(Configuration example 1 of a ferroelectric capacitor latch circuit)
FIG. 26 is a circuit diagram showing a first example of a ferroelectric capacitor latch circuit.
In FIG. 26,
また、264はN型MOSFETであり、266はP型MOSFETである。N型MOSFET264のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET266のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266によってインバータ回路2646が構成されている。
264 is an N-type MOSFET, and 266 is a P-type MOSFET. The source electrode of the N-
インバータ回路2635の出力はポリシリコンで形成する抵抗手段2697を介してインバータ回路2646の入力に接続されている。また、インバータ回路2646の出力は前記ポリシリコンで形成する抵抗手段2698を介してインバータ回路2635の入力に接続されている。以上により、インバータ回路2635とインバータ回路2646によってラッチ回路が構成されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input of the
インバータ回路2635の出力は抵抗手段2695を介して入出力端子267に接続されている。強誘電体コンデンサ261は第1端子を前記入出力端子267に接続され、また第2端子はインバータ回路2635の入力に接続されている。コンデンサ2691の一端は入出力端子267に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。コンデンサ2693の一端は前記強誘電体コンデンサ261の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input /
インバータ回路2646の出力は抵抗手段2696を介して入出力端子268に接続されている。強誘電体コンデンサ262は第1端子を前記入出力端子268に接続され、また第2端子はインバータ回路2646の入力に接続されている。コンデンサ2692の一端は入出力端子268に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。コンデンサ2694の一端は前記強誘電体コンデンサ262の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the
以上において、強誘電体コンデンサ261と262、N型MOSFET263と264、P型MOSFET265と266、コンデンサ2691と2692、コンデンサ2693と2694、抵抗手段2695と2696、および抵抗手段2697と2698はそれぞれ同一形状であり、同一特性である。かつ以上の素子を配列し、接続したレイアウトパターンも同一もしくは対称形の配置であることが望ましい。
In the above, the
さて、インバータ回路2635とインバータ回路2646は前述したようにラッチ回路を構成しているので、ラッチ回路としては二つの安定状態を有している。すなわち入出力端子267が低電位に相当する−VSSであり、入出力端子268が高電位に相当する+VDDの第1状態と、入出力端子267が高電位に相当する+VDDであり、入出力端子268が低電位に相当する−VSSの第2状態である。
Since the inverter circuit 2635 and the
図27は図26を機能的により解りやすく表現した回路図であるが、図27の回路図で電源が供給されたときの安定状態を図28に示している。図28の(281A)が前記第1状態であり、(282A)が前記第2状態を示している。すなわち第1状態では入出力端子267が低電位に相当する−VSSであり、入出力端子268が高電位に相当する+VDDである。また、第2状態では入出力端子267が高電位に相当する+VDDであり、入出力端子268が低電位に相当する−VSSである。さて、この状態の電位状況によって図26および図27の強誘電体コンデンサ261と262は内部に分極を起こす。このときの分極の状態を図28における前記第1状態を示す(281A)と第2状態を示す(282A)の各図で各状態における強誘電体コンデンサの内部の分極状態を表現している。すなわち強誘電体コンデンサ261と262は入出力端子267が−VSSで入出力端子268が+VDDの状況では、入出力端子267側のコンデンサの電極側は正極性、入出力端子268側のコンデンサの電極側は負極性の分極を強誘電体薄膜の内部に起こす。また、強誘電体コンデンサ261と262は入出力端子267が+VDDで入出力端子268が−VSSの状況では、入出力端子267側のコンデンサの電極側は負極性、入出力端子268側のコンデンサの電極側は正極性の分極を強誘電体薄膜の内部に起こす。
次に、電源を切った場合について述べる。以上に説明した分極は図26において電源を切った場合において、分極電荷量は減少するものの、図38における特性点3802と3805における残留分極が残り、記憶される。この電源が切断された状況すなわち、入出力端子267と268がともにグラウンド電位の0電位になった場合の内部分極の状態を図28の(281B)と(282B)に表している。なお、図26の回路図では負極性電源である−VSSをグラウンド電位としている。さて、電源を切り、しばらくすると各回路の電位はグラウンド電位に落ち着く。ただし、前述したように強誘電体コンデンサの内部分極は残留分極として保存されている。
FIG. 27 is a circuit diagram that expresses FIG. 26 functionally and easily. FIG. 28 shows a stable state when power is supplied in the circuit diagram of FIG. (281A) in FIG. 28 shows the first state, and (282A) shows the second state. That is, in the first state, the input /
Next, a case where the power is turned off will be described. In the polarization described above, when the power is turned off in FIG. 26, the polarization charge amount decreases, but the residual polarization at characteristic points 3802 and 3805 in FIG. 38 remains and is stored. FIG. 28 (281B) and (282B) show the state of internal polarization when the power is cut off, that is, when the input /
次に再度、電源を投入した場合について説明する。図26におけるコンデンサ2691と2692は電源を切断時には電荷は0となっている。そして、コンデンサの一端は正極性の電源端子+VDDに接続されているので、電源の再投入時には入出力端子267と268は正極性の電源端子+VDD側の電位に追従しようとする。すなわち強誘電体コンデンサ261と262の入出力端子267と268側のコンデンサの電極は正極性の電源端子+VDD側の電位に追従しようとする。一方、コンデンサ2693と2694は電源を切断時には電荷は0となっているとともに、コンデンサの一端は負極性の電源端子−VSSに接続されているので、電源の再投入時には強誘電体コンデンサ261と262の入出力端子と反対側の端子は負極性の電源端子−VSS側の電位に追従しようとする。
Next, the case where the power is turned on again will be described. The
実際には強誘電体コンデンサ261と262の静電容量をCf、コンデンサ2691と2692の静電容量をC1、コンデンサ2693と2694の静電容量をC2とすれば、強誘電体コンデンサ261と262の一端である入出力端子267と268の電位V1は電源投入時において、
V1=VDD・C1(Cf+C2)/(C2Cf+C1C2+C1Cf)
となる。
また、強誘電体コンデンサ261と262の他端の電位V2は電源投入時において、
V2=VDD・(C1Cf)/(C2Cf+C1C2+C1Cf)
となる。したがって、Cf、C1、C2の値を如何に選択するかによって電源投入時のV1、V2の電位は変わるが、極端な例として、Cf≪C1、かつ、Cf≪C2、の場合はV1≒VDD、かつ、V2≒0、となる。つまり、強誘電体コンデンサ261と262は電源投入時において、一端は+VDD、他端は−VSS(0電位)の電位に近い電位が加えることもできる。したがって、強誘電体コンデンサ電極の両端に電源間の電圧+VDDに近い電圧が加わることになる。
Actually, if the capacitances of the
V1 = VDD.C1 (Cf + C2) / (C2Cf + C1C2 + C1Cf)
It becomes.
The potential V2 at the other end of the
V2 = VDD. (C1Cf) / (C2Cf + C1C2 + C1Cf)
It becomes. Therefore, the potentials of V1 and V2 at the time of power-on change depending on how the values of Cf, C1, and C2 are selected. However, as an extreme example, in the case of Cf << C1 and Cf << C2, V1≈VDD And V2≈0. That is, the
これは図38の図において、電極間の電圧が0である特性点3802もしくは3805にあった強誘電体コンデンサに電圧Vが加わり、特性点3804の状態にされることに相当する。このとき、特性点3805に相当する残留分極であれば電荷の変動量は少なく、3802であれば電荷の変動量は大きいことを意味している。ここで、電荷の変動量が少ないということは、電位を加えた電極の他端の電極における電位変動が少ないことを意味し、電荷の変動量が大きいということは電位を加えた電極の他端の電極における電位変動が大きいことを意味している。 This corresponds to applying the voltage V to the ferroelectric capacitor at the characteristic point 3802 or 3805 where the voltage between the electrodes is 0 in the diagram of FIG. At this time, if the residual polarization corresponds to the characteristic point 3805, the amount of change in charge is small, and if it is 3802, the amount of change in charge is large. Here, a small amount of fluctuation in charge means that there is little fluctuation in potential at the other electrode of the electrode to which a potential is applied, and a large amount of fluctuation in charge means that the other end of the electrode to which a potential is applied. This means that the potential fluctuation at the electrode is large.
したがって、電源再投入時に入出力端子267と268にコンデンサ2691と2692の作用により、+VDDが加わって動作したかのように作用するが、このとき強誘電体コンデンサ261もしくは262の内部分極が入出力端子267もしくは268側の電極において、負の残留分極、すなわち電極の外側に正の電荷を誘起している方は図38の特性点3805に相当し、電荷移動が少なく、他端の電位変動も少ない。また、強誘電体コンデンサ261もしくは262の内部分極が入出力端子267もしくは268側の電極において、正の残留分極、すなわち電極の外側に負の電荷を誘起している方は図38の特性点3802に相当し、電荷移動が大きく、他端の電位変動も大きい。
Accordingly, when the power is turned on again, the input /
したがって、例えば図28の(281B)のように残留分極がある状態で電源を再投入すると、コンデンサ2691の作用により、強誘電体コンデンサ261の入出力端子267側の電極には+VDDが加わって動作したかのように作用するが、このとき、強誘電体コンデンサ261の入出力端子267側の電極は(261B)の状態では正の残留分極、すなわち電極の外側に負の電荷を誘起している状態なので、相対的に電荷移動量が大きく、かつ電位変動が大きい。したがって、強誘電体コンデンサ261の他端は0電位から正の電位側へ大きく変動し、インバータ回路2635の入力端子に大きな正の電位を加える。
Therefore, for example, when the power is turned on again with residual polarization as shown in FIG. 28 (281B), + VDD is applied to the electrode on the input /
一方、コンデンサ2692の作用により、同様に強誘電体コンデンサ262の入出力端子268側の電極には+VDDが加わって動作したかのように作用するが、このとき、強誘電体コンデンサ262の入出力端子268側の電極は(261B)の状態では負の残留分極、すなわち電極の外側に正の電荷を誘起している状態なので、移動電荷量は相対的に少なく、電位変動が少ない。したがって、強誘電体コンデンサ262の他端は0電位からの変動は少なく、インバータ回路2646の入力端子に0電位に近い電位を加える。以上により、インバータ回路2635の入力端子に相対的に大きな正の電位が加わり、インバータ回路2646の入力端子には相対的に0電位に近い電位が加わる。この結果、インバータ回路2635と2646からなるラッチ回路は入出力端子267が−VSS(0電位)となり、入出力端子268が+VDDとなる安定状態に落ち着く。これは電源切断前の(281A)の状態である。すなわち、電源再投入後に電源切断前の状態に復帰したことを意味している。
On the other hand, due to the action of the
実際にはCfとC1とC2は互いに無視のできない値となるので、V1は+VDDより、低い電位となり、V2は0より高い電位となって、強誘電体コンデンサ261と262の電極間には+VDDより低い電圧しか加わらないが、残留分極の差異による電荷量の差は図38、図39からあることは明確であり、対称形に構成されたラッチ回路が元の状態を選択するには充分な偏りとなる。
Actually, Cf, C1, and C2 are values that cannot be ignored. Therefore, V1 has a potential lower than + VDD, V2 has a potential higher than 0, and the voltage between the electrodes of the
また、第2の状態である図28の(282B)のように残留分極がある状態で電源を再投入すると、コンデンサ2691の作用により、強誘電体コンデンサ261の入出力端子267側の電極には+VDDに近い電位が加わって動作したかのように作用するが、このとき、強誘電体コンデンサ261の入出力端子267側の電極は(281B)の状態では負の残留分極、すなわち電極の外側に正の電荷を誘起している状態なので、電位変動が少ない。したがって、強誘電体コンデンサ11の他端は0電位からの変動は少なく、インバータ回路2635の入力端子に0電位に近い電位を加える。
When the power is turned on again in the second state (282B) in FIG. 28 with residual polarization, the
一方、コンデンサ2692の作用により、同様に強誘電体コンデンサ262の入出力端子268側の電極には+VDDに近い電位が加わって動作したかのように作用するが、このとき、強誘電体コンデンサ262の入出力端子268側の電極は(282B)の状態では正の残留分極、すなわち電極の外側に負の電荷を誘起している状態なので、電位変動が大きい。したがって、強誘電体コンデンサ262の他端は0電位から正の電位側へ大きく変動し、インバータ回路2646の入力端子に大きな正の電位を加える。以上により、インバータ回路2635の入力端子に相対的に0電位に近い電位が加わり、インバータ回路2646の入力端子には相対的に大きな正の電位が加わる。この結果、インバータ回路2635と2646からなるラッチ回路は入出力端子267が+VDDとなり、入出力端子268が−VSS(0電位)となる安定状態に落ち着く。これは電源切断前の(282A)の状態である。すなわち、電源再投入後に電源切断前の状態に復帰したことを意味している。
On the other hand, due to the action of the
以上、二つの安定状態のいずれの場合でも、強誘電体コンデンサの残留分極により、電源再投入後に電源切断前の状態に復帰する。また、図28は以上、述べた電源切断前の安定時における回路の各電位と分極の状態と、電源切断時における回路の各電位と分極の状態を示していると同時に、電源再投入後に電源切断前の状態に復帰する関係を模式的に表現している。 As described above, in any of the two stable states, the state is restored to the state before the power is turned off after the power is turned on again by the residual polarization of the ferroelectric capacitor. FIG. 28 shows the respective potentials and polarization states of the circuit at the time of stabilization before the power-off described above, and the respective potentials and polarization states of the circuit at the time of power-off. The relationship of returning to the state before cutting is schematically expressed.
なお、以上の動作が目的通り、かつ、速やかに進行するために図26において、抵抗手段2695、2696、2697、2698を設けている。すなわち、電源再投入後、ラッチ回路が電源切断前の状態に向かう過渡的な短い時間において、強誘電体コンデンサから読み出された電荷がインバータ回路の入力端子以外に散逸するのを避け、また、他の経路から余計な電荷や電位が入り込むことを防止している。 Note that resistance means 2695, 2696, 2697, and 2698 are provided in FIG. 26 so that the above operation proceeds as intended and promptly. In other words, after the power is turned on again, in a transient short time when the latch circuit goes to the state before the power is turned off, the charge read from the ferroelectric capacitor is prevented from being dissipated to other than the input terminal of the inverter circuit, This prevents unnecessary charges and potentials from entering from other paths.
また、図26、図27における強誘電体コンデンサ261、262の構造は前述した図36の構造を持っている。図36において強誘電体薄膜3640は前述したPZTNやPZTやSBTが適している。このなかでもPZTNが残留分極の大きさと、角型性のよいヒステリシス特性を持っていることから、より望ましい。また、図36における金属電極3641、3642は白金(Pt)が一般的によく用いられる。
The structure of the
以上、図26の強誘電体コンデンサラッチ回路により、不揮発性のデータが保持、復帰することが解ったが、図26のラッチ回路から保持データを読む場合には入出力端子267、もしくは入出力端子268の電位を読みとればよい。このとき、強誘電体コンデンサ261、263は格別の動作をする必要はないし、データも破壊されない。また、ラッチ回路に新たなデータを書き込む場合には入出力端子267、もしくは入出力端子268に低インピーダンスで正の高電位VDD、もしくは負の低電位VSSを加えればよい。低インピーダンスで新たな信号データが加わると、それに対応した状態にラッチ回路は定まり、かつ強誘電体コンデンサ261、262の内部分極もそれに応じた状態になる。
As described above, it has been found that the nonvolatile data is held and restored by the ferroelectric capacitor latch circuit of FIG. 26. However, when the held data is read from the latch circuit of FIG. 26, the input /
したがって図26の構成により、強誘電体コンデンサを用いて、読み出しと、書き込み動作が可能な不揮発性ラッチ回路が実現する。 Therefore, the configuration of FIG. 26 realizes a nonvolatile latch circuit capable of reading and writing using a ferroelectric capacitor.
(強誘電体コンデンサラッチ回路の構成例2)
図29は強誘電体コンデンサラッチ回路の第2の構成例を示す回路図である。図29において、261と262は強誘電体コンデンサである。263はN型MOSFETであり、265はP型MOSFETである。N型MOSFET263のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET265のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265によってインバータ回路135が構成されている。
(Configuration example 2 of ferroelectric capacitor latch circuit)
FIG. 29 is a circuit diagram showing a second configuration example of the ferroelectric capacitor latch circuit. In FIG. 29,
また、264はN型MOSFETであり、266はP型MOSFETである。N型MOSFET264のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET266のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266によってインバータ回路2646が構成されている。
264 is an N-type MOSFET, and 266 is a P-type MOSFET. The source electrode of the N-
インバータ回路2635の出力はインバータ回路2646の入力に接続されている。また、インバータ回路2646の出力はインバータ回路2635の入力に接続されている。以上により、インバータ回路2635とインバータ回路2646によってラッチ回路が構成されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input of the
インバータ回路2635の出力は入出力端子267に接続されている。強誘電体コンデンサ261は第1端子を前記入出力端子267に接続され、また第2端子はインバータ回路2635の入力に接続されている。コンデンサ2691の一端は入出力端子267に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。コンデンサ2693の一端は強誘電体コンデンサ261の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input /
インバータ回路2646の出力は入出力端子268に接続されている。強誘電体コンデンサ262は第1端子を前記入出力端子268に接続され、また第2端子をインバータ回路2646の入力に接続されている。コンデンサ2692の一端は入出力端子268に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。コンデンサ2694の一端は強誘電体コンデンサ262の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the
以上において、強誘電体コンデンサ261と262、N型MOSFET263と264、P型MOSFET265と266、コンデンサ2691と2692、コンデンサ2693と2694、はそれぞれ同一形状であり、同一特性である。かつ以上の素子を配列し、接続したレイアウトパターンも同一もしくは対称形の配置であることが望ましい。
In the above, the
図29の構成は図26の回路における抵抗手段2695、2696、2697、2698を省略した構成であり、他の構成は図26の回路と同一である。図29においてはN型MOSFET263とP型MOSFET265のチャネル長等を変えることにより、インバータ回路2635の出力インピーダンスを大きくして、図2の抵抗手段2695の機能をインバータ回路2635に持たせて兼用している。また、同様に図26の抵抗手段2696の機能をインバータ回路2646に持たせて兼用している。また、図26における抵抗手段2697や2698を図29のMOSFET263、264、265、266のゲート電極に使用されるポリシリコンで代用させ、実質的な機能を持たせている。したがって、図29では図2の抵抗手段2695、2696、2697、2698は回路図上ではないが、抵抗手段の機能は代用することにより、図26の回路と同様の強誘電体コンデンサラッチ回路としての機能を持っている。図29の場合ではレイアウトパターンの占有面積が少なくてすむという効果がある。
The configuration of FIG. 29 is a configuration in which the resistance means 2695, 2696, 2697, and 2698 in the circuit of FIG. 26 are omitted, and the other configurations are the same as the circuit of FIG. 29, the output impedance of the inverter circuit 2635 is increased by changing the channel lengths of the N-
(強誘電体コンデンサラッチ回路の構成例3)
図30は強誘電体コンデンサラッチ回路の第3の構成例を示す回路図である。
図30において、261と262は強誘電体コンデンサである。263はN型MOSFETであり、265はP型MOSFETである。N型MOSFET263のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET265のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265によってインバータ回路2635が構成されている。
(Configuration example 3 of a ferroelectric capacitor latch circuit)
FIG. 30 is a circuit diagram showing a third configuration example of the ferroelectric capacitor latch circuit.
In FIG. 30,
また、264はN型MOSFETであり、266はP型MOSFETである。N型MOSFET264のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET266のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266によってインバータ回路2646が構成されている。
264 is an N-type MOSFET, and 266 is a P-type MOSFET. The source electrode of the N-
インバータ回路2635の出力は抵抗手段2697を介してインバータ回路2646の入力に接続されている。また、インバータ回路2646の出力は抵抗手段2698を介してインバータ回路2635の入力に接続されている。以上により、インバータ回路2635とインバータ回路2646によってラッチ回路が構成されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input of the
インバータ回路2635の出力は抵抗手段2695を介して入出力端子267に接続されている。強誘電体コンデンサ261は第1端子を前記入出力端子267に接続され、また第2端子はインバータ回路2635の入力に接続されている。高誘電体コンデンサ3091の一端は入出力端子267に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。高誘電体コンデンサ3093の一端は強誘電体コンデンサ261の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input /
インバータ回路2646の出力は抵抗手段2696を介して入出力端子268に接続されている。強誘電体コンデンサ262は第1端子を前記入出力端子268に接続され、また第2端子はインバータ回路146の入力に接続されている。高誘電体コンデンサ3092の一端は入出力端子268に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。高誘電体コンデンサ3094の一端は強誘電体コンデンサ262の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the
なお、強誘電体コンデンサ261と262は図37(a)のシンボルで表現し、高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094は図37(b)のシンボルで表現している。強誘電体コンデンサ261、262と高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094はともに図36に示す同一の構造をしているが、ヒステリシス特性を示す使い方が否かで強誘電体コンデンサになるか、単に比誘電率の高い高誘電体コンデンサとなるかの差が現れることがある。ここでは高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094は構造的には強誘電体コンデンサと同一であるが、コンデンサの一端が正極の電源端子VDDもしくは負極の電源端子VSSに接続されているので、端子間の電位の正負が逆転することはなく、したがって、ヒステリシス特性を示すことのない使い方である。したがって図37(b)の記号を用いている。
Note that the
以上の図30の回路構成は図26の回路構成と比較すると、図26におけるコンデンサ2691、2692、2693、2694を図30ではそれぞれ、高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094に置き換えたもので、それ以外の構成は図26と図30は同じ構成となっている。図26において、コンデンサ2691、2692、2693、2694は強誘電体コンデンサ261と262に比較し得る大きな静電容量の値が望ましい。このときに一般的にコンデンサとして用いる二酸化珪素(SiO2)や窒素を含むナイトライド系材料を金属電極で挟んだ構造で形成すると、前記物質の比誘電率が強誘電体の比誘電率に比較して非常に小さいので大きな占有面積を必要としてしまう。したがって、図30では占有面積を小さくする為に比誘電率の大きい高誘電体コンデンサを用いる。なお、前述したように実際には図30の高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094の構造は強誘電体コンデンサ261、262と同一の構造で形成する。図30の回路は図26の回路のコンデンサ2691、2692、2693、2694が図30において高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094となることにより、占有面積が小さくなるという効果がある。
Compared with the circuit configuration of FIG. 26, the circuit configuration of FIG. 30 is obtained by replacing the
(強誘電体コンデンサラッチ回路の構成例4)
図32は強誘電体コンデンサラッチ回路の第4の構成例を示す回路図である。
図32において、261と262は強誘電体コンデンサである。263はN型MOSFETであり、265はP型MOSFETである。N型MOSFET263のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET265のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265によってインバータ回路2635が構成されている。
(Configuration example 4 of ferroelectric capacitor latch circuit)
FIG. 32 is a circuit diagram showing a fourth configuration example of the ferroelectric capacitor latch circuit.
In FIG. 32,
また、264はN型MOSFETであり、266はP型MOSFETである。N型MOSFET264のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET266のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266によってインバータ回路2646が構成されている。
264 is an N-type MOSFET, and 266 is a P-type MOSFET. The source electrode of the N-
インバータ回路2635の出力はP型MOSFET3254とN型MOSFET3253からなるトランスミッションゲートの抵抗手段3297を介してインバータ回路2646の入力に接続されている。また、インバータ回路2646の出力はP型MOSFET3252とN型MOSFET3251からなるトランスミッションゲートの抵抗手段3298を介してインバータ回路2635の入力に接続されている。以上により、インバータ回路2635とインバータ回路2646によってラッチ回路が構成されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input of the
インバータ回路2635の出力は抵抗手段2695を介して入出力端子267に接続されている。強誘電体コンデンサ261は第1端子を前記入出力端子267に接続され、また第2端子はインバータ回路2635の入力に接続されている。コンデンサ2691の一端は入出力端子267に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。コンデンサ2693の一端は強誘電体コンデンサ261の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input /
インバータ回路2646の出力は抵抗手段2696を介して入出力端子268に接続されている。強誘電体コンデンサ262は第1端子を前記入出力端子268に接続され、また第2端子はインバータ回路2646の入力に接続されている。コンデンサ2692の一端は入出力端子268に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。コンデンサ2694の一端は強誘電体コンデンサ262の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the
以上、図26では抵抗手段2695、2696、2697、2698を用いていたが、図32では抵抗手段2697と2698にP型MOSFETとN型MOSFETを用いたトランスミッションゲート3297と3298を用いている。なお、P型MOSFET3252、3254のゲート電極はVSSに接続され、N型MOSFET3251、3253のゲート電極はVDDに接続されている。他の構成は図26と図32で同じである。
In FIG. 26, the resistance means 2695, 2696, 2697, and 2698 are used in FIG. 26. In FIG. 32,
さて、図31は一般的なトランスミッションゲートの回路構成を表している。図31において、3151はN型MOSFETであり、3152はP型MOSFETである。N型MOSFET3151とP型MOSFET3152のソース電極もしくはドレイン電極は互いに接続され、一端は端子3153、他端は端子3154となっている。N型MOSFET3151のゲート電極はVDDに接続され、P型MOSFET3152のゲート電極はVSSに接続され、共にオン(ON)している。P型MOSFET3152は高電位側の信号電位を伝達しやすく、N型MOSFET3151は低電位の信号電位を伝達しやすい。したがって、N型MOSFET3151とP型MOSFET3152は並列に接続されているので、低電位側の信号も高電位側の信号も伝達する。
FIG. 31 shows a general transmission gate circuit configuration. In FIG. 31, 3151 is an N-type MOSFET, and 3152 is a P-type MOSFET. The source or drain electrodes of the N-
図32においては前述したように抵抗手段としてMOSFETによるトランスミッションゲート3297と3298を用いている。MOSFETによる抵抗手段の場合にはMOSFET263、265および264、266によるインバータ回路のインピーダンスとの大小関係を保ちやすく、適切なインピーダンスの抵抗手段を構成しやすいとともに、容易に高抵抗も作りやすいので小さな占有面積で形成できるという効果がある。
In FIG. 32, as described above,
(強誘電体コンデンサラッチ回路の構成例5)
図33は強誘電体コンデンサラッチ回路の第5の構成例を示す回路図である。
図33において、261と262は強誘電体コンデンサである。263はN型MOSFETであり、265はP型MOSFETである。N型MOSFET263のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET265のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET263とP型MOSFET265によってインバータ回路2635が構成されている。
(Configuration Example 5 of Ferroelectric Capacitor Latch Circuit)
FIG. 33 is a circuit diagram showing a fifth configuration example of the ferroelectric capacitor latch circuit.
In FIG. 33,
また、264はN型MOSFETであり、266はP型MOSFETである。N型MOSFET264のソース電極はVSSの電位を持つ負極の電源端子に接続され、P型MOSFET266のソース電極はVDDの電位を持つ正極の電源端子に接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266のそれぞれのゲート電極とは互いに接続され、またドレイン電極も互いに接続され、N型MOSFET264とP型MOSFET266によってインバータ回路2646が構成されている。
264 is an N-type MOSFET, and 266 is a P-type MOSFET. The source electrode of the N-
インバータ回路2635の出力はP型MOSFET3254とN型MOSFET3253からなるトランスミッションゲートの抵抗手段3297を介してインバータ回路2646の入力に接続されている。また、インバータ回路2646の出力はP型MOSFET3252とN型MOSFET3251からなるトランスミッションゲートの抵抗手段3298を介してインバータ回路2635の入力に接続されている。以上により、インバータ回路2635とインバータ回路2646によってラッチ回路が構成されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input of the
インバータ回路2635の出力は入出力端子267に接続されている。強誘電体コンデンサ261は第1端子を前記入出力端子267に接続され、また第2端子はインバータ回路2635の入力に接続されている。高誘電体コンデンサ3091の一端は入出力端子267に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。高誘電体コンデンサ3093の一端は強誘電体コンデンサ261の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the inverter circuit 2635 is connected to the input /
インバータ回路2646の出力は入出力端子268に接続されている。強誘電体コンデンサ262は第1端子を前記入出力端子268に接続され、また第2端子はインバータ回路2646の入力に接続されている。高誘電体コンデンサ3092の一端は入出力端子268に接続され、他端は正極の電源端子VDDに接続されている。高誘電体コンデンサ3094の一端は強誘電体コンデンサ262の第2端子に接続され、他端は負極の電源端子VSSに接続されている。
The output of the
以上の図33の構成は図26の抵抗手段2695と2696を除く基本構成と、図30のコンデンサに高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094を用いた点と、図32の抵抗手段3297、3298にMOSFETによるトランスミッションゲートを用いた点の各特徴を組み合わせたものである。したがって、強誘電体コンデンサラッチ回路としての基本動作と機能は前述した構成例1、2、3、4と同様である。各特徴を活かすことにより、動作の安定を確保しつつ、占有面積を小さくして、実用的な構成としたものである。
The configuration of FIG. 33 is the basic configuration excluding the resistance means 2695 and 2696 of FIG. 26, the point that high
なお、図33において、図26の抵抗手段2695と2696に相当するものがないが、図32のトランスミッションゲートによる抵抗手段3297と3298があると、前記抵抗手段2695と2696は事実上、省くことが可能である。 In FIG. 33, there is no equivalent to the resistance means 2695 and 2696 in FIG. 26. However, if there are resistance means 3297 and 3298 by the transmission gate in FIG. 32, the resistance means 2695 and 2696 can be effectively omitted. Is possible.
また、図33において、高誘電体コンデンサ3091、3092、3093、3094は強誘電体コンデンサ261、262と同一の構造で形成している。
In FIG. 33, high-
(強誘電体コンデンサラッチ回路の構成例6)
図34は強誘電体コンデンサラッチ回路の第6の構成例を示す回路図である。図34は図26の構成からコンデンサ2693とコンデンサ2694を省いたものである。コンデンサ2693、2694は寄生静電容量として、必ず小量であってもつくものであり、それで特性的に充分な場合がある。このような場合には図34の回路図の構成でもよい。
(Configuration Example 6 of Ferroelectric Capacitor Latch Circuit)
FIG. 34 is a circuit diagram showing a sixth configuration example of the ferroelectric capacitor latch circuit. FIG. 34 is obtained by omitting the
(強誘電体コンデンサラッチ回路の構成例7)
図35は強誘電体コンデンサラッチ回路の第7の構成例を示す回路図である。図35は図26の構成からコンデンサ2691、2692、2693、2694と抵抗手段2695、2696、2697、2698を省いたものである。コンデンサは寄生静電容量として、抵抗手段も寄生抵抗で必ず小量であってもつくものであり、それで特性的に充分な場合がある。このような場合には図35の回路図の構成でもよい。
(Configuration Example 7 of Ferroelectric Capacitor Latch Circuit)
FIG. 35 is a circuit diagram showing a seventh configuration example of the ferroelectric capacitor latch circuit. FIG. 35 is obtained by omitting
(本発明の強誘電体メモリ装置の実施形態例1の回路構成(2))
ふたたび、図1に戻り、本発明の強誘電体メモリ装置の回路の実施形態例1を引き続いて説明する。
(Circuit Configuration (2) of
Returning to FIG. 1, Example 1 of the circuit of the ferroelectric memory device according to the present invention will be described.
以上で、図1の強誘電体ラッチ回路101の構成と機能について述べたが、次に図1における他の回路について説明する。図1において102と103は制御信号付きインバータバッファ回路である。制御信号付きインバータバッファ回路のシンボルと具体的構成をそれぞれ図2と図3に示す。
The configuration and function of the
図3が制御信号付きインバータバッファ回路の回路構成である。図3において、321と322はN型MOSFETであり、323と324はP型MOSFETである。N型MOSFET321のソース電極は負極の電源端子−VSSに接続され、P型MOSFET324のソース電極は正極の電源端子+VDDに接続されている。N型MOSFET322とP型MOSFET323のゲート電極は互いに接続されて入力信号端子331となっており、またドレイン電極は互いに接続され、出力信号端子332となっている。また、N型MOSFET322のソース電極はN型MOSFET321のドレイン電極に接続されている。また、P型MOSFET323のソース電極はP型MOSFET324のドレイン電極に接続されている。また、N型MOSFET321のゲート電極には制御信号端子333が接続され、また制御信号端子333はインバータ回路325の入力端子に接続され、インバータ回路325の出力端子はP型MOSFET324のゲート電極に接続されている。以上の構成により、制御信号端子333が高電位(High)の場合に、入力信号端子331のデータ信号の反転した信号の電位を出力信号端子332から出力する。なお、制御信号端子333が低電位(Low)の場合には出力信号端子332はフローティング状態となる。
FIG. 3 shows a circuit configuration of an inverter buffer circuit with a control signal. In FIG. 3, 321 and 322 are N-type MOSFETs, and 323 and 324 are P-type MOSFETs. The source electrode of the N-
さて、図1においては強誘電体ラッチ単位回路120から127の8個の強誘電体ラッチ単位回路がある構成を例示しているが、動作説明の簡易化の為と、他の構成へ展開する基本回路を示す為に、まず、図11に強誘電体ラッチ単位回路が120のみの1個の場合を示し、動作と機能について述べる。
FIG. 1 illustrates a configuration in which there are eight ferroelectric
さて、図11において、データ入力信号端子111は制御信号付きインバータバッファ回路102の入力信号端子に接続され、制御信号付きインバータバッファ回路102の出力信号端子は強誘電体ラッチ回路101の第1の入出力端子に接続され、かつ制御信号付きインバータバッファ回路103の入力信号端子にも接続されている。また、前記制御信号付きインバータバッファ回路102の制御信号端子にはNOR回路(非論理和回路)104の出力が接続されている。また、前記制御信号付きインバータバッファ回路103の制御信号端子にはNOR回路105の出力が接続されている。NAND回路(非論理積回路)107の第1入力ゲートと第2入力ゲートはそれぞれ入力信号端子114と115になっている。データ制御信号端子113と前記NAND回路107の出力端子が前記NOR回路105の第2入力ゲートと第1入力ゲートにそれぞれ接続されている。また、前記データ制御信号端子113はインバータ回路106の入力端子に接続され、インバータ回路106の出力端子と前記NAND回路107の出力端子が前記NOR回路104の第2入力ゲートと第1入力ゲートにそれぞれ接続されている。
In FIG. 11, the data input signal terminal 111 is connected to the input signal terminal of the
以上の構成で、入力信号端子114と115のどちらかが低電位(Low)の信号であるとNOR回路104とNOR回路105の出力はともに低電位(Low)となって、制御信号付きインバータバッファ回路102と103はともに出力信号がフローティング状態となる。つまり、強誘電体ラッチ回路101は切り離された状態となるので、データを記憶し、かつ電源を切断しても強誘電体薄膜に残留分極として記憶が残り、電源再投入後においては前述したように、電源を切断する前のデータ状態に復帰する。つまり不揮発性のラッチ回路となっている。
With the above configuration, if either of the
また、入力信号端子114と115がともに高電位(High)で、かつデータ制御信号端子113が高電位(High)であると、NOR回路104の出力は高電位(High)となるので、制御信号付きインバータバッファ回路102は活性化され、データ入力信号端子111のデータが強誘電体ラッチ回路101に書き込まれる。なお、データ入力信号端子111のデータを強誘電体ラッチ回路101に書き込む為に、制御信号付きインバータバッファ回路102の出力インピーダンスは強誘電体ラッチ回路101の入出力端子のインピーダンスに比較して充分に低い値に設定しておく。
Further, when both the
また、入力信号端子114と115がともに高電位(High)で、かつデータ制御信号端子113が低電位(Low)であると、NOR回路105の出力は高電位(High)となるので、制御信号付きインバータバッファ回路103は活性化され、強誘電体ラッチ回路101のデータがデータ出力信号端子112に読み出される。なお、この読み出しの際において、強誘電体ラッチ回路101は信号変化をしていないので、強誘電体の状態変位にかかわる信号の遅延はいっさいなく、この動作は制御信号付きインバータバッファ回路103の応答性のみに依存するので、高速で行われる。
Further, when both the
さて、以上の図11の構成においては前述した動作と機能から、制御信号付きインバータバッファ回路102がラッチ書き込み回路、制御信号付きインバータバッファ回路103がラッチ読み出し回路にそれぞれ相当している。また、NAND回路107、インバータ回路106、NOR回路104、105を組み合わせた回路がラッチ制御回路に相当していることが判る。
In the configuration of FIG. 11, the inverter buffer circuit with
なお、以上の図11の構成においてはラッチ書き込み回路であるインバータバッファ回路102と、ラッチ読み出し回路であるインバータバッファ回路103と、強誘電体ラッチ回路101が、それぞれ1個しかない構成となっている。ここでラッチ書き込み回路102、ラッチ読み出し回路103、強誘電体ラッチ回路101をまとめて、強誘電体ラッチ単位回路と定義する。また、図11において該強誘電体ラッチ単位回路は一点鎖線120に囲まれた内部である。また、前記NAND回路107、インバータ回路106、NOR回路104、105を含む108の二点鎖線で囲まれた内部の回路を前述したようにラッチ制御回路として定義する。また、図11のように強誘電体ラッチ単位回路120が1個の場合ではデータ入力端子DIとデータ出力端子DOもそれぞれ1個であるので、図11の回路全体のシンボルは図12のようになる。
In the configuration of FIG. 11, there is only one
さて、図1では前記強誘電体ラッチ単位回路を8個に拡張している。したがって、図1では前記ラッチ制御回路108が1個に対して、前記強誘電体ラッチ単位回路を120、121、122、123、124、125、126、127の計8個を用いている。前記120から127までの8個の強誘電体ラッチ単位回路に対して、それぞれDI1からDI7までのデータ入力信号端子を持ち、DO1からDO8までのデータ出力信号端子を持ち、101示す強誘電体ラッチ回路にそれぞれ8個のデータを記憶し、かつ、ラッチ制御回路108の制御信号116、117により、必要に応じて入出力する。図1では図11に比較して、1個のラッチ制御回路108で120から127の8個の強誘電体ラッチ単位回路をまとめて制御するので制御効率がよく、集積回路化したときのチップ面積の効率がよく、集積度が高くなる。
In FIG. 1, the ferroelectric latch unit circuit is expanded to eight. Accordingly, in FIG. 1, a total of eight ferroelectric
また、以上の図1の回路を強誘電体メモリブロック単位セル回路として図5に示すシンボルとして表現する。この強誘電体メモリブロック単位セル回路を複数個使用した実施例を次ぎに示す。図5におけるシンボルでは8本のデータ入力信号端子をDI0からDI7、また、8本のデータ出力信号端子をDO0からDO7と表現している。 1 is expressed as a symbol shown in FIG. 5 as a ferroelectric memory block unit cell circuit. An embodiment using a plurality of ferroelectric memory block unit cell circuits will be described below. In the symbols in FIG. 5, eight data input signal terminals are expressed as DI0 to DI7, and eight data output signal terminals are expressed as DO0 to DO7.
(本発明の強誘電体メモリ装置の実施形態例2)
図6は本発明の強誘電体メモリ装置の第2の実施形態例を示す回路ブロック図である。図5のシンボルで表現される強誘電体メモリブロック単位セル回路を複数個、行列状に配置し、効率よく用いる構成としている。図6において、620が強誘電体メモリブロック単位セル回路であり、同一の強誘電体メモリブロック単位セル回路が行列状に配置されている。強誘電体メモリブロック単位セル回路620の具体的構成例は前述した図1の回路構成である。図6において、651がワード線であり、行毎に複数本ある。652がビット線であり、列毎に複数本ある。これら各複数本のワード線651とビット線652によって前記行列状に配置された強誘電体メモリブロック単位セル回路のなかの特定の強誘電体ラッチ単位回路を選択する。具体的には図6のワード線651は図1のNADN回路107の第1ゲート114に接続され、図6のビット線652は図1のNAND回路107の第2ゲート115に接続されている。したがって、図6における複数のワード線651とビット線652がともに高電位(High)の信号が組み合わさった番地の強誘電体メモリブロック単位セル回路のみが活性化する。また、図6の653が強誘電体メモリブロック単位セル回路のデータの読み書きを制御する制御信号線である。制御信号線653は図1の回路において、制御信号端子113に接続され、読み出しか、書き込みかを低電位(Low)か、高電位(High)かにより選択する。図6の654は8本単位からなるデータ入力線であり、それらの束が、また列毎に複数本並んでいる。8本からなるデータ入力線654は図1において、データ入力信号端子111のDI0とDI1、DI2、DI3、DI4、DI5、DI6、DI7にそれぞれ接続されていて、書き込みたい入力データ信号を供給する。図6の655は8本単位からなるデータ出力線であり、それらの束が、また列毎に複数本並んでいる。8本からなるデータ出力線655は図1において、データ出力信号端子112のDO0とDO1、DO2、DO3、DO4、DO5、DO6、DO7にそれぞれに接続されていて、読み出した出力データ信号を伝達する。図6において、641はロウデコーダ制御回路であって、複数本のワード線651をアドレスによって選択制御する。642はカラムデコーダ制御回路であって、複数本のビット線652をアドレスによって選択制御する。643は読み書き制御回路であって、データを読み出す場合と、データを書き込む場合等によって信号を制御する。644はデータ入出力制御回路であって、入力データや出力データをデータ入力線やデータ出力線を介して送受する。
(
FIG. 6 is a circuit block diagram showing a second embodiment of the ferroelectric memory device of the present invention. A plurality of ferroelectric memory block unit cell circuits represented by the symbols in FIG. 5 are arranged in a matrix and used efficiently. In FIG. 6,
以上の構成によって、強誘電体メモリブロック単位セル回路の不揮発性の信号データを、ロウデコーダ制御回路641とカラムデコーダ制御回路642によって指定される番地において、1番地あたり8個のデータを読み書き制御回路643の信号のもとに、データ入出力制御回路644にデータの送受信を行い、強誘電体メモリ装置を制御する。
With the above configuration, nonvolatile signal data of the ferroelectric memory block unit cell circuit is read / written at the address designated by the row decoder control circuit 641 and the column
(実施形態例2の効果)
以上の構成の強誘電体メモリ装置は強誘電体ラッチ回路を用いているので、不揮発性である。また、読み出しの際には強誘電体に都度、信号を与え、読み出すのではなく、既に安定状態にある強誘電体ラッチ回路の信号状態をMOSFETを介して見るだけなので、MOSFETだけの応答性で決まり、非常に高速な読み出しとなり、かつ寿命が長い。また、書き込みの場合も強誘電体ラッチ回路に内在するMFSFETもしくはMOSFETによるラッチ回路の状態を定めるだけでよく、強誘電体薄膜の分極はラッチ回路の状態が定まれば継続して行われるので、強誘電体薄膜の分極が完全にすむのを待つ必要はなく、MFSFETもしくはMOSFETのラッチ回路の応答性時間で決まり、非常に高速な書き込みとなる。また、強誘電体メモリ単位セル回路621の制御は低電位(Low)か、高電位(High)などの単純なテジタル信号でよく、不揮発性メモリにありがちな高電圧の昇圧した信号や中間電位の信号を必要としない。その為、ロウデコーダ制御回路641、カラムデコーダ制御回路642は単純な回路でよく、素子数は少なく、占有面積は小さく、かつ高速動作が可能である。また、強誘電体メモリ単位セル回路620の出力信号は単純な低電位(Low)か、高電位(High)などのロジック回路の電位であるので、不揮発性メモリにありがちな微小な信号を検出する高感度のセンスアンプなどの信号検出回路を必要としない。したがって、データ入出力制御回路644は単純な回路構成でよく、素子数は少なく、占有面積は小さく、かつ高速動作が可能であり、消費電力も少ない。
(Effect of Embodiment 2)
Since the ferroelectric memory device having the above configuration uses a ferroelectric latch circuit, it is nonvolatile. In addition, when reading, a signal is not given to the ferroelectric each time and it is not read, but the signal state of the ferroelectric latch circuit that is already in a stable state is only seen through the MOSFET. The reading is very fast and has a long lifetime. In the case of writing, it is only necessary to determine the state of the latch circuit by the MFSFET or MOSFET inherent in the ferroelectric latch circuit, and the polarization of the ferroelectric thin film is continuously performed once the state of the latch circuit is determined. There is no need to wait until the polarization of the ferroelectric thin film is completely completed, and it is determined by the response time of the latch circuit of the MFSFET or MOSFET, and the writing becomes very fast. The ferroelectric memory unit cell circuit 621 may be controlled by a simple digital signal such as a low potential (Low) or a high potential (High), and a high-voltage boosted signal or an intermediate potential that is often found in a nonvolatile memory. Does not require a signal. Therefore, the row decoder control circuit 641 and the column
以上の理由により、高速動作に関してはSRAM以上の高速性を有しており、小容量のメモリを集積回路(LSI)に埋め込む場合には不揮発性、かつSRAMの高速性を持ったメモリを内蔵したことに匹敵する効果がある。 For the above reasons, high-speed operation is faster than SRAM. When a small-capacity memory is embedded in an integrated circuit (LSI), a non-volatile memory with high SRAM speed is incorporated. There is a comparable effect.
また、前述したように1個のラッチ制御回路108で120から127の8個の強誘電体ラッチ単位回路をまとめて制御するので制御効率がよく、集積回路化したときのチップ面積の効率が更によく、集積度が高くなる。
Further, as described above, eight ferroelectric latch unit circuits from 120 to 127 are collectively controlled by one
(本発明の強誘電体メモリ装置の実施形態例3)
図7は本発明の強誘電体メモリ装置の第3の実施形態例を示す回路ブロック図である。図7はデータ入力信号線とデータ出力信号線の共有化をして、更にチップの占有面積効率の向上を図ったものである。
(
FIG. 7 is a circuit block diagram showing a third embodiment of the ferroelectric memory device of the present invention. In FIG. 7, the data input signal line and the data output signal line are shared, and the efficiency of the occupied area of the chip is further improved.
図6において、データ入力線654とデータ出力線655を別々に設けたが、図7ではデータ入出力制御回路744に切り替え機能を持つ回路を設けて、データ入出力線754として、図6のデータ入力線654とデータ出力線655を兼用したものである。
In FIG. 6, the data input line 654 and the
(本発明の強誘電体メモリ装置の実施形態例4)
図8は本発明の強誘電体メモリ装置の第4の実施形態例を示す回路図である。図1の回路において強誘電体ラッチ単位回路120が8個で構成されていたのに対し、図8では強誘電体ラッチ単位回路120が4個で構成されている。その他の構成は同一である。データが4ビット単位で構成している場合には図8の回路構成の方が無駄もなく、動作時の雑音や消費電力が低減される効果がある。
(
FIG. 8 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the ferroelectric memory device of the present invention. In the circuit of FIG. 1, eight ferroelectric
なお、図9は以上の図8の回路を強誘電体メモリブロック単位セル回路のシンボルとして表現したものである。図8におけるシンボルでは4本のデータ入力信号端子をDI0からDI3、また、4本のデータ出力信号端子をDO0からDO3と表現している。 FIG. 9 represents the circuit of FIG. 8 as a symbol of a ferroelectric memory block unit cell circuit. In the symbols in FIG. 8, four data input signal terminals are expressed as DI0 to DI3, and four data output signal terminals are expressed as DO0 to DO3.
(本発明の強誘電体メモリ装置の実施形態例5)
図10は本発明の強誘電体メモリ装置の第5の実施形態例を示す回路ブロック図である。図10では図8の回路構成である図9のシンボルで表現される強誘電体メモリブロック単位セル回路を複数個、行列状に配置した構成としている。
(
FIG. 10 is a circuit block diagram showing a fifth embodiment of the ferroelectric memory device of the present invention. In FIG. 10, a plurality of ferroelectric memory block unit cell circuits represented by the symbols of FIG. 9 which is the circuit configuration of FIG. 8 are arranged in a matrix.
図10において、1020が強誘電体メモリブロック単位セル回路であり、同一の強誘電体メモリブロック単位セル回路が行列状に配置されている。データ入力信号線1054は4本の束であり、データ出力信号線1055も4本の束である。その他のロウデコーダ641、カラムデコータ642、読み書き制御回路643は図6の構成と基本的に同一である。また、図10のデータ入出力制御回路1044は制御するデータ入力線やデータ出力線の制御本数単位が変更させる点を除いては図6のデータ入出力制御回路644と基本的な構成は同一である。
In FIG. 10,
図10は4ビット単位のデータに適した実施例を示している。 FIG. 10 shows an embodiment suitable for 4-bit data.
(その他の実施形態)
本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。以下に例をあげる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment. Here are some examples:
(その他の実施形態A)
本発明のなかにおいて用いられる強誘電体ラッチ単位回路120は図1、図8、図11では強誘電体ラッチ回路101の一端の入出力端子を制御信号付きインバータバッファ回路102の出力端子と、制御信号付きインバータバッファ回路103の入力端子に接続している。このとき、強誘電体ラッチ回路101からみると2ヶ所ある入出力端子の一方のみに信号線が接続され、寄生静電容量がつく。これは本来、回路上の対称性を確保すべき、強誘電体ラッチ回路101にとっては望ましいことではない。この点を配慮した対策例を図14示す。
(Other embodiment A)
The ferroelectric
さて、図14における信号線1418を除けば図14は図11と全く同じ回路構成である。図14ではラッチ回路101の一端の入出力端子は制御信号付きインバータバッファ回路1402の出力端子と、制御信号付きインバータバッファ回路1403の入力端子に接続している。そして、ラッチ回路101の他端の入出力端子にはダミーである信号線1418に接続している。信号線1418はフローティング状態であって、信号上は意味がない。信号線1418に接続するのはラッチ回路101に信号線1418の寄生静電容量をつけることにより、寄生静電容量としての対称性を確保し、ラッチ回路101の電源投入時に電源遮断時の信号状態に復帰させる際の誤動作を防ぐ為のものである。
14 has the same circuit configuration as that of FIG. 11 except for the
(その他の実施形態B)
図15はその他の実施形態Aで述べた強誘電体ラッチ回路の対称性確保を別の手段で行うものである。
図15において、強誘電体ラッチ回路1501は図1では前述したように第1の入出力端子に制御信号付きインバータバッファ回路102の出力端子と制御信号付きインバータバッファ回路103の入力端子をともに接続していたが、図15では第1の入出力端子に制御信号付きインバータバッファ回路1502の出力端子を接続することは同じであるが、強誘電体ラッチ回路1501の第2の入出力端子を制御信号付きインバータバッファ回路1503の入力端子に接続している。この接続方法では強誘電体ラッチ回路1501の第1の入出力端子と第2の入出力端子をともに用いるので、寄生静電容量のバランスがとりやすくなり、誤動作を防ぎやすくなる。なお、図15では前述したように強誘電体ラッチ回路1501の第1の入出力端子と第2の入出力端子を使いわけた結果、データ出力信号端子1512はデータ入力信号端子1511の反転信号となる。このデータの正反を配慮して周辺回路で調整すれば図15で対称性のよい強誘電体ラッチ回路1501を実現できて、良好な特性を確保できる。
(Other embodiment B)
FIG. 15 shows another method for securing the symmetry of the ferroelectric latch circuit described in the other embodiment A.
In FIG. 15, the ferroelectric latch circuit 1501 connects the output terminal of the
(その他の実施形態C)
図1、図6、図7ではデータの取り扱い単位が8ビット構成、図8、図10では4ビット構成の例を示したが、これらのビット構成に限らず、16ビットや32ビット、あるいはそれ以上の一般的に2の累乗のビット構成が可能であり、便利である。
(Other embodiment C)
1, 6, and 7 show examples of data handling units of 8 bits, and FIGS. 8 and 10 show examples of 4 bits, but not limited to these bits, 16 bits, 32 bits, or In general, a bit configuration of a power of 2 is possible and convenient.
(その他の実施形態D)
図1、図8、図11、図14、図15において、強誘電体ラッチ回路は行列状に並べてX、Yのアドレス信号によって制御しているが、図6や図7のロウデコーダ制御回路641とカラムデコーダ制御回路642から供給されるワード線651とビット線652をすべて低電位(Low)にすれば、すべての強誘電体メモリブロック単位セル回路620は不活性となるので、ロウデコーダ制御回路641とカラムデコーダ制御回路642に事実上のチップセレクト機能も持たせることも可能である。
(Other embodiment D)
In FIG. 1, FIG. 8, FIG. 11, FIG. 14 and FIG. 15, the ferroelectric latch circuits are arranged in rows and columns and controlled by X and Y address signals, but the row decoder control circuit 641 of FIG. When all the word lines 651 and bit lines 652 supplied from the column
(その他の実施形態E)
また、図1、図8、図11、図14、図15において、強誘電体ラッチ回路は行列状に並べてX、Yのアドレス信号によって制御しているが、必ずしもアドレス信号である必要はなく、単に前記強誘電体ラッチ回路を活性化させる信号である回路構成も可能である。
(Other embodiment E)
In FIG. 1, FIG. 8, FIG. 11, FIG. 14, and FIG. 15, the ferroelectric latch circuits are arranged in a matrix and controlled by X and Y address signals, but they are not necessarily address signals. A circuit configuration which is simply a signal for activating the ferroelectric latch circuit is also possible.
(その他の実施形態F)
また、以上において、回路を主として構成するデバイスとしてMOSFETの場合で述べたが、回路が構成できれば必ずしもMOSFETである必要はない。バイポーラ素子でもよく、TFTでも、有機トランジスタでもよい。また、MOSFETの場合においてもシリコン(Si)基板に限らず、GaAsやSiGeを基板に用いてもよい。
(Other embodiment F)
In the above description, the MOSFET is described as the device mainly constituting the circuit. However, if the circuit can be constituted, the MOSFET is not necessarily required. It may be a bipolar element, a TFT, or an organic transistor. Also in the case of MOSFET, not only a silicon (Si) substrate but also GaAs or SiGe may be used for the substrate.
101,1401,1501…強誘電体ラッチ回路、102,103,1402,1403,1502,1503…制御信号付きインバータバッファ回路、104,105,1404,1405,1504,1505…NOR回路、106,325,1406,1506,2635,2646…インバータ回路、107,1407,1507…NAND回路、108…ラッチ制御回路、111,1411,1511…データ入力信号端子、112,1412,1512…データ出力信号端子、113,1413,1513…データ制御信号端子、114,115,331,1414,1415,1514,1515…入力信号端子、120,121,122,123,124,125,126,127…強誘電体ラッチ単位回路、261,262,3649,4011…強誘電体コンデンサ、3091,3092,3093,3094…高誘電体コンデンサ、263,264,321,322,2501,2503,3151,3251,3253,4012…N型MOSFET、265,266,323,324,2402,2404,3152,3252,3254…P型MOSFET、267,268,1605,1606,2405,2406,2505,2506,3153,3154…入出力端子、332…出力信号端子、333…制御信号端子、620,1020,1320…強誘電体メモリ単位セル回路、641…ロウデコーダ制御回路、642…カラムデコーダ制御回路、643…読み書き制御回路、644,744,1044,1344…データ入出力制御回路、651,4013,4115,4205…ワード線、652,4014,4113,4114,4213,4214…ビット線、116,117,653…制御信号線、654,1054,1354…データ入力線、655,1055,1355…データ出力線、754…データ入出力線、1601,1603,2401,2403,4100,4201…N型MFSFET、1602,1604,2502,2504…P型MFSFET、1700,2000,2100,2200,2300,3640…強誘電体薄膜、1701,2001,2201…ゲート電極、1702,1703,2002,2003…N+拡散のソースもしくはドレインとなる電極、1709,2009,2109,2209,2309…基板もしくはチャネル部、2004,2104,2204,2304,4101…ゲート電極端子、2005,2006,2105,2106,2205,2206,2305,2306,4103,4104…ドレイン電極端子もしくはソース電極端子、2202,2203…P+拡散のソースもしくはドレインとなる電極、2691,2692,2693,2694…コンデンサ、2695,2696,2697,2698…抵抗素子、3297,3298…トランスミッションゲート、3641,3642…強誘電体コンデンサ電極、3801,3802,3803,3804,3805,3806…特性点、4015…プレート線、4220…メモリセルアレイ。
101, 1401, 1501 ... Ferroelectric latch circuit, 102, 103, 1402, 1403, 1502, 1503 ... Inverter buffer circuit with control signal, 104, 105, 1404, 1405, 1504, 1505 ... NOR circuit, 106, 325 1406, 1506, 2635, 2646 ... inverter circuit, 107, 1407, 1507 ... NAND circuit, 108 ... latch control circuit, 111, 1411, 1511 ... data input signal terminal, 112, 1412, 1512 ... data output signal terminal, 113, 1413, 1513 ... Data control signal terminal, 114, 115, 331, 1414, 1415, 1514, 1515 ... Input signal terminal, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127 ... Ferroelectric latch unit circuit, 261,2 2, 3649, 4011 ... Ferroelectric capacitor, 3091, 3092, 3093, 3094 ... High dielectric capacitor, 263, 264, 321, 322, 2501, 2503, 3151, 3251, 3253, 4012 ... N-type MOSFET, 265 266, 323, 324, 2402, 2404, 3152, 3252, 3254 ... P-type MOSFETs, 267, 268, 1605, 1606, 2405, 2406, 2505, 2506, 3153, 3154 ... input / output terminals, 332 ... output signal terminals, 333: Control signal terminal, 620, 1020, 1320 ... Ferroelectric memory unit cell circuit, 641 ... Row decoder control circuit, 642 ... Column decoder control circuit, 643 ... Read / write control circuit, 644, 744, 1044, 1344 ... Data input Output control times , 651, 4013, 4115, 4205 ... word line, 652, 4014, 4113, 4114, 4213, 4214 ... bit line, 116, 117, 653 ... control signal line, 654, 1054, 1354 ... data input line, 655, 1055 , 1355 ... Data output line, 754 ... Data input / output line, 1601, 1603, 2401, 2403, 4100, 4201 ... N-type MFSFET, 1602, 1604, 2502, 2504 ... P-type MFSFET, 1700, 2000, 2100, 2200, 2300, 3640... Ferroelectric thin film, 1701, 2001, 2201... Gate electrode, 1702, 1703, 2002, 2003... N + diffusion source or drain electrode, 1709, 2009, 2109, 2209, 2309. 2004, 2104, 2204, 2304, 4101 ... gate electrode terminal, 2005, 2006, 2105, 2106, 2205, 2206, 2305, 2306, 4103, 4104 ... drain electrode source or source electrode terminal, 2202, 2203 ... P + Electrodes to be diffusion source or drain, 2691, 2692, 2693, 2694... Capacitors, 2695, 2696, 2697, 2698... Resistance elements, 3297, 3298... Transmission gates, 3641, 3642 ... ferroelectric capacitor electrodes, 3801, 3802 , 3803, 3804, 3805, 3806, characteristic points, 4015, plate line, 4220, memory cell array.
Claims (6)
前記強誘電体ラッチ回路にデータを書き込むラッチ書き込み回路と、
前記強誘電体ラッチ回路の状態データを伝達するラッチ読み出し回路と、
複数個の前記ラッチ書き込み回路と複数個の前記ラッチ読み出し回路を制御するラッチ制御回路と、
を少なくとも有することを特徴とする強誘電体メモリ装置。 A ferroelectric latch circuit including a ferroelectric element and capable of holding, storing, and restoring state data independently;
A latch write circuit for writing data to the ferroelectric latch circuit;
A latch read circuit for transmitting state data of the ferroelectric latch circuit;
A plurality of latch write circuits and a latch control circuit for controlling the plurality of latch read circuits;
A ferroelectric memory device characterized by comprising:
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路が複数個、行列状に配置された強誘電体メモリブロック単位セル回路群と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の行のアドレス信号を伝達するワード線群と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の列のアドレス信号を伝達するビット線群と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群のデータの読み出しと書き込みを制御する制御信号線群と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の入力データもしくは出力データを伝達する複数本単位からなるデータ線群と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の行のアドレスを前記ワード線群を介して選択指定するロウデコーダ制御回路と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の列のアドレスを前記ビット線群を介して選択指定するカラムデコーダ制御回路と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群への書き込みと読み出しを制御する読み書き制御回路と、
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群との入出力データを制御するデータ入出力制御回路と、
を有することを特徴とする強誘電体メモリ装置。 A ferroelectric latch circuit that includes a ferroelectric element and can hold, store, and restore state data independently, a latch write circuit that writes data to the ferroelectric latch circuit, and state data of the ferroelectric latch circuit A ferroelectric memory block unit cell circuit comprising: a latch read circuit for transmitting; an address detection circuit; and a latch control circuit for controlling the plurality of latch write circuits and the plurality of latch read circuits;
A plurality of ferroelectric memory block unit cell circuits, a ferroelectric memory block unit cell circuit group arranged in a matrix;
A word line group for transmitting a row address signal of the ferroelectric memory block unit cell circuit group;
A bit line group for transmitting an address signal of a column of the ferroelectric memory block unit cell circuit group;
A control signal line group for controlling reading and writing of data in the ferroelectric memory block unit cell circuit group;
A data line group composed of a plurality of units for transmitting input data or output data of the ferroelectric memory block unit cell circuit group; and
A row decoder control circuit for selectively specifying the row address of the ferroelectric memory block unit cell circuit group via the word line group;
A column decoder control circuit for selecting and specifying a column address of the ferroelectric memory block unit cell circuit group via the bit line group;
A read / write control circuit for controlling writing and reading to and from the ferroelectric memory block unit cell circuit group;
A data input / output control circuit for controlling input / output data to / from the ferroelectric memory block unit cell circuit group;
A ferroelectric memory device comprising:
前記強誘電体ラッチ回路がゲート部に強誘電体薄膜を有する電界効果型トランジスタを用いたことを特徴とする強誘電体メモリ装置。 In claim 1 or claim 2,
A ferroelectric memory device, wherein the ferroelectric latch circuit uses a field effect transistor having a ferroelectric thin film at a gate portion.
前記強誘電体ラッチ回路が2個のインバータ回路と、強誘電体コンデンサを用いたことを特徴とする強誘電体メモリ装置。 In claim 1 or claim 2,
2. A ferroelectric memory device according to claim 1, wherein the ferroelectric latch circuit uses two inverter circuits and a ferroelectric capacitor.
前記ラッチ制御回路が制御する複数個の前記ラッチ書き込み回路と複数個の前記ラッチ読み出し回路とが、それぞれ2の累乗個であることを特徴とする強誘電体メモリ装置。 In claim 1 or claim 2,
2. The ferroelectric memory device according to claim 1, wherein each of the plurality of latch write circuits and the plurality of latch read circuits controlled by the latch control circuit is a power of two.
前記強誘電体メモリブロック単位セル回路群の入力データ線と出力データ線を共用していることを特徴とする強誘電体メモリ装置。 In claim 2,
A ferroelectric memory device characterized in that an input data line and an output data line of the ferroelectric memory block unit cell circuit group are shared.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090702 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20110125 |