CN103262170A - 利用铁电电容器的模拟存储器 - Google Patents

利用铁电电容器的模拟存储器 Download PDF

Info

Publication number
CN103262170A
CN103262170A CN2011800613378A CN201180061337A CN103262170A CN 103262170 A CN103262170 A CN 103262170A CN 2011800613378 A CN2011800613378 A CN 2011800613378A CN 201180061337 A CN201180061337 A CN 201180061337A CN 103262170 A CN103262170 A CN 103262170A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ferroelectric
ferroelectric condenser
condenser
electric charge
charge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2011800613378A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103262170B (zh
Inventor
约瑟夫·T·埃文斯
卡尔文·B·沃德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Radiant Technologies Inc
Original Assignee
Radiant Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Radiant Technologies Inc filed Critical Radiant Technologies Inc
Publication of CN103262170A publication Critical patent/CN103262170A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103262170B publication Critical patent/CN103262170B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/22—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/22—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
    • G11C11/221—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements using ferroelectric capacitors
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/22—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
    • G11C11/225—Auxiliary circuits
    • G11C11/2259—Cell access
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/22—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
    • G11C11/225—Auxiliary circuits
    • G11C11/2273—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/22—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
    • G11C11/225—Auxiliary circuits
    • G11C11/2275—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • G11C11/5657—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using ferroelectric storage elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C27/00—Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values
    • G11C27/005—Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values with non-volatile charge storage, e.g. on floating gate or MNOS
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/22—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using ferroelectric elements
    • G11C11/225—Auxiliary circuits
    • G11C11/2293—Timing circuits or methods

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dram (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Static Random-Access Memory (AREA)

Abstract

在此披露了一种具有多个铁电存储器单元的铁电存储器，每个铁电存储器单元包括一个铁电电容器。该铁电存储器包括读出线和写入线以及多条铁电存储器单元选择总线，一条选择总线与这些铁电存储器单元中的每一个相对应。这些铁电存储器单元中的每一个包括用于分别响应于与该铁电存储器单元相对应的铁电存储器单元选择总线上的信号而将该铁电存储器单元连接到该读出线和该写入线上的第一和第二栅极。写入电路致使将电荷存储在当前连接到该写入线上的铁电存储器单元的铁电电容器内，该电荷具有一个由具有至少三种状态的数据值确定的值。读出电路测量当前连接到该读出线上的铁电存储器单元的铁电电容器内的电荷，以生成一个输出值，该输出值与这些状态之一相对应。

Description

利用铁电电容器的模拟存储器
发明背景
在要求高速和/或低功耗的应用中，非易失性固态EEPROM存储器已经与用于海量数据存储的常规旋转磁盘介质展开竞争。这种存储器具有比常规磁盘驱动器短得多的有效“寻道”时间以及与常规磁盘驱动器一样快或更快的数据传输速率。此外，这些存储器能够承受住巨大的机械冲击并且要求常规磁盘驱动器的一小部分功率。然而，这种存储器的成本仍然限制着这些驱动器的使用。此外，这种存储器在高辐射环境下是不可用的。
一种用于降低这种存储器的成本的方法利用了具有两种以上存储状态的存储器单元。例如，在EEPROM存储器中，使用隧道效应将电荷存放在浮栅上。该电荷改变相关晶体管的导电率。在二进制存储器中，有或没有该电荷都需要被感测。在多态存储器中，每种状态与不同量的电荷被传输到该栅极上相对应。为读出该单元，必须测量该单元的导电率以区分这些可能的状态。由于现在每个单元存储多比特位数据，对于任何给定的存储器尺寸，存储器的成本被大幅降低。
不幸的是，写入这种单元的时间比写入二进制单元的时间长得多。而且，可以存储在存储器单元内的状态的最大数量受到限制。通过在存储器内增加感测放大器的数量可以部分地克服这些问题，以便同时读出或写入大量单元。然而，这种方法增加了存储器的成本并且仍就强加一个用于“轨道”的初始读出时间，一旦该轨道被加载，该时间比用于读出该轨道的各段的读出时间更长。
当在记录中重新写入数据时，必须擦除整个记录并且然后输入新的数据。由于与写入时间相比，擦除时间更长，重新将数据写到已经被擦除的不用的记录上。这些在之前重新写入中被摒弃的记录然后在背景中被擦除。这种“垃圾收集”程序进一步使这些存储器复杂化并且增加了成本。最后，一个单元可以被擦除和被重写的次数是有限的，并且因此，在需要大量被多次擦除和重写的单元的应用中，存储器的使用寿命可能是一个问题。
发明概述
本发明包括一种具有多个铁电存储器单元的铁电存储器，每个铁电存储器单元包括一个铁电电容器。该铁电存储器包括读出线和写入线以及多条铁电存储器单元选择总线，一条选择总线与这些铁电存储器单元中的每一个相对应。这些铁电存储器单元中的每一个包括用于分别响应于与该铁电存储器单元相对应的铁电存储器单元选择总线上的信号而将该铁电存储器单元连接到该读出线和该写入线上的第一和第二栅极。一条写入电路致使将电荷存储在当前连接到该写入线上的铁电存储器单元的铁电电容器内，该电荷具有一个由具有至少三种状态的数据值确定的值。一条读出电路测量当前连接到该读出线上的铁电存储器单元的铁电电容器内的电荷，以生成一个输出值，该输出值与所存储的状态相对应。
附图简要说明
图1展示了一种典型的铁电电容器。
图2展示了本发明中使用的基本编程原理和一种可能的编程安排。
图3展示了另一种编程安排。
图4展示了一个基于读出存储在铁电电容器上的电荷的简化读出电路。
图5为根据本发明的另一个实施例的一个简化读出电路。
图6展示了根据本发明的模拟铁电存储器的一个实施例。
图7展示了根据本发明的铁电存储器的一个实施例，该实施例利用了一种存储方案，其中，通过测量在写入操作过程中存储在该铁电电容器内的电荷的量值来读出数据。
图8A是自主存储器电路的一个示意图。
图8B展示了在电源轨和节点上的电势，在该铁电电容器处于向上状态和向下状态的情况下，当自主存储器电路加电时，该电势作为时间的函数。
图9展示了自主存储器单元的一个实施例。
图10展示了根据本发明的多态铁电存储器的另一个实施例。
图11展示了根据本发明的另一实施例的一个铁电存储器。
图12展示了根据本发明的铁电存储器的另一个实施例。
图13A展示了可以用于设置铁电电容器的极化状态的写入电路的另一个实施例。
图13B展示了通过将输入数据转换成电压被写入铁电电容器的数据。
图14展示了根据本发明的铁电存储器的另一个实施例。
本发明优选实施方案的详细描述
现在参见图1，该图展示了一种典型的铁电电容器。出于本讨论的目的，铁电电容器被定义成一种具有夹在第一和第二电极之间的如锆钛酸铅（PZT）的铁电介电材料的电容器，其中，当跨这些电极施加电势并且然后移除该电势时，这种介电材料展现一种剩余极化强度。电容器的最简单形式为一个具有电极21和22的平行板电容器，其中，介电层23包括一种铁电材料，如锆钛酸铅。为简化以下讨论，在这些示例中将使用一种具有一对夹住该电介质的平行板的铁电电容器。然而，其他几何结构是可能的。例如，还可以利用一种具有交叉指型电极（交错的手指）、在每对电极之间带有电介质的电容器。
通过跨该电容器的电极施加适当的电压可以极化该介电层。极化状态的特征可以在于该介电层内的域沿其对齐的方向。若该极化方向与该极化电势产生一个从电极22指向电极21的电场的情况相对应，该铁电电容器将被说成沿“向上”方向被极化。类似地，若该极化方向与该极化电势产生一个从电极21指向电极22的电场的情况相对应，该铁电电容器将被说成沿“向下”方向被极化。
在常规二进制铁电存储器中，该极化方向用于存储一单比特的值。例如，沿该向上和向下方向的极化可以分别与“1”和“0”比特值相对应。通过跨该电容器的电极施加适当的电压可以写入该比特值。通过跨该电容器的电极施加沿该向上方向将对该电容器进行正常编程的电压和观察流出或流入该电容器的电极之一的电荷来确定存储在该电容器内的比特值。当施加该电压时，若该电容器处于向上状态，极少电荷将流动；然而，若该电容器处于向下状态，该电容器的状态将会被切换到向上状态并且更多电荷将流出或流入所讨论的电极。
在常规二进制铁电存储器中，这些编程电压被设置成足够高以保证该电介质沿希望的方向完全被极化。即，通过使用这些电极之间的较大编程电压差不会获得额外的剩余极化强度。
本发明基于如下观察：完全向上和完全向下之间存在连续的剩余极化强度状态，并且通过控制被传输至该电容器的电荷可以对这些中间状态进行编程。当该电容器被重置成一种已知的完全饱和状态时，还可以通过测量流动的电荷读出中间状态。
现在参见图2，该图展示了本发明中使用的基本编程原理和一种可能的编程安排。在编程周期开始时，铁电电容器26沿箭头所指示的向上方向被编程。通过使用编程源24相对于电极27将电极26的电势增加沿所指示的方向完全极化该介电层的一个量值来实现上述动作。
为设置中间极化状态，编程源24跨铁电电容器25施加相反电势，然而，被允许流动的电流受到限制，使得若使用非限制电流源，完全翻转该极化的时间延长至将正常需要的时间以外。本发明基于如下观察：在已经完全翻转该极化之前，若终止该过程，铁电电容器25将留在一种中间极化状态。因此，若编程源24为一个恒流源，则铁电电容器25的极化状态将为编程时间的一个函数。例如，确定该编程源24打开的时间长度的计时器28可以用于将输入值转换成该中间极化状态。
铁电电容器25可以被视为一个电荷存储装置。该剩余极化强度在该电介质中致使一个剩余电场。为抵消此电场，该电荷从该电容器的一个电极移动至另一个，使得该移动电荷产生一个正好抵销该极化电场的电场。用Q最大指示当该极化方向完全翻转时从电极26流至电极27的电荷的量值。根据该电介质的极化方向，此电荷可以被视为被存储在这些电极之一上。若现在电荷被该编程源赶到对面板上，极化状态将被改变取决于被传输的电荷的量值的一个量值。为将电荷赶到对面板上，所施加的电压的方向必须与用于将该铁电电容器“重置”成已知的完全极化状态的方向相反。
任何将已知的电荷传送至对面板的电路安排可以用于将该铁电电容器编程成一种中间状态，其条件是电荷小于Q最大并且在改变剩余极化强度的电压下被传送，使得当移除该编程电压时，存储在该电容器上的电荷被所讨论的已知的电荷改变。以上讨论的利用恒流源的安排为一个这种示例，因为传输的电荷等于电流乘以编程时间。然而，可以利用其他安排。
现在参见图3，该图展示了另一种编程安排。在本实施例中，当开关36被设置成将数模转换器32连接到电容器33上时，数模转换器32用于将该输入值转换成一个施加在电容器33上的电压。电容器33被充电后，开关36用于将电容器33连接到铁电电容器31上，该开关已经复位。然后电荷从电容器33流入铁电电容器31。切换前用V1表示电容器33上的电压，并且切换后用V2表示线34上的电压。然后，传输到铁电电容器31上的电荷为C（V1-V2），其中，C为电容器33的电容。若V1>V2，该被传输的电荷与该用于线性数模转换器的输入值成比例。不论在哪种情况下，可以提供一条将该输入状态映射到被传输的电荷的量值上的校准曲线。可替代地，数模转换器32可以利用一个非线性传输函数来补偿V2。
当该电势差再次被设置成一个使得电容器25沿该向上方向被完全编程的值时，可以通过测量在电容器25的电极之间流动的电荷量确定该中间极化状态。可替代地，可以通过测量必须流入该电容器以完全编程在向下状态下的电容器的电荷量来感测该状态。
现在参见图4，该图展示了一个基于读出存储在这些电极上的电荷的简化的读出电路。出于本讨论的目的，假设该铁电电容器43被重置成如在46处的实线箭头所示的向上极化。然后通过存储致使该极化沿虚线箭头的方向减少的电荷将数据存储在铁电电容器43内。该读出电路的目标是通过提供为该存储电荷的单调函数的读出电压来测量当铁电电容器43再次被重置成向上状态时的电荷。
读出操作以开关41断开和开关44闭合开始，使得电容器42被充电至电势V+。电容器42被充电后，开关44断开，并且开关41闭合。最初，铁电电容器43将具有一个跨该铁电电容器的电势V+。若V+足够高，铁电电容器43将被重置成向上状态并且存储在该铁电电容器43内的电荷Q将移动至电容器42，由此将电容器42上的电势降低一个等于Q/C的量值，其中，C为电容器42的电容。因此，线47上的电压将为存储在铁电电容器43上的电荷的函数。对于在可以被存储在铁电电容器43上的电荷的整个范围中操作的此读出方案，V+必须大于Q最大/C+Vs，其中，Vs为完全重置铁电电容器43所需的电势。还应该指出的是，铁电电容器43在读出操作结束时在向上状态下被重置。
若V+电源被如图5中所示的V-电源替换，图4中所示的电路还可以用于执行第二读出方案，该电路是一个根据本发明的另一个实施例的简化读出电路。此读出电路以与上述参考图4的读出电路类似的方式操作。首先，当开关41断开时开关44闭合以使电容器42充电。闭合开关42后断开开关44。该电势足够致使铁电电容器43沿该向下方向被完全极化。完成这一动作所需的电荷由电容器42提供。因此，线47上的电压在开关41闭合前和闭合后的差值为将铁电电容器43的极化从它的部分极化状态移至完全向下状态所需的电荷的测量值。在此方案中，在重新编程前，铁电电容器43必须被重置成该向上极化。
现在参见图6，该图展示了根据本发明的模拟铁电存储器的一个实施例。铁电存储器50被组织作为多个被组织成多行和多列的铁电存储器单元。在51处标记了一个典型铁电存储器单元。每个铁电存储器单元包括一个铁电电容器52和一个接口电路53。在读出和写入操作过程中，一行中的所有铁电存储器单元被并行处理。该有待处理的行由一个操作多条行选择总线54的行选择电路选定，这些行选择总线还包括用于在读出和写入过程中对这些行处理操作进行排序的导线。在一给定的列中的每个铁电存储器单元连接到58和59处所示的两条列总线上。列总线58用于读出存储在该被处理的铁电存储器单元中的该铁电电容器内的数据，并且列总线59用于在一个新的模拟值中对该铁电电容器进行编程。每个铁电电容器可以被编程成N种状态之一，其中N>2。通过在指示存储在该铁电电容器内的电荷量的列总线58上生成一个信号来确定被处理的行中的铁电电容器的状态。使用读出电路62设置此状态。通过将信号施加到通过写入电路61连接到该单元上的总线59上来设置被处理的行中的铁电电容器的状态。这些信号致使与有待存储在该铁电存储器单元内的值相关的预定量的电荷，该铁电存储器单元有待存储在该铁电存储器单元内的铁电电容器内。
从一行读出的数据存储在一个行缓冲区55中。在本发明的一个方面中，该数据从表示存储在相对应铁电电容器内的电荷的模拟信号被转换成一个数字值。由于该读出过程是具有破坏性的，即使在没有对该数据做出变化的情况下，此数据必须用写入操作重新存储到该行上。若要做出变化，在该行内的铁电存储器单元已经被重置后，将这些变化输入到缓冲区55中。然后将缓冲区55内的数据转换成存储在相对应的铁电电容器内的电荷。
该读出和写入操作利用一个接收地址（ADDR）、操作码（OPCODE）和有待写入该地址中指定的这个或这些铁电存储器单元的数据的控制器57。来自所指示的地址的数据被输出在这些数据线上。行选择电路56将这些适当的信号施加到该地址指定的行选择总线上。
铁电存储器50包括两条用于每列存储器单元的列总线，一条用于读出并且一条用于写入。此安排简化了这些详细实施例的以下讨论。然而，还可以构造只需要一条列总线的实施例。
现在参见图7，该图展示了根据本发明的铁电存储器的一个实施例，该实施例利用了以上讨论的存储方案，其中，通过测量在写入操作过程中存储在铁电电容器内的电荷的量值读出数据。未简化讨论，只示出了铁电存储器70内的一个铁电存储器单元。这四条行线R1至R4为与该行存储器单元相对应的行总线一部分，铁电存储器单元81位于该行存储器单元之中。为简化讨论，将假设在写入操作前该铁电电容器已经通过在该讨论的铁电电容器上的之前读出操作被完全极化至向上状态。通过将栅极84置于导电状态和将栅极86置于非导电状态，一个值被写入铁电存储器单元81中。然后电容器77被充电至一个电势，该电势将导致一个具有与当栅极76被写入电路75打开时该被写入传输至铁电电容器82的数据相对应的值。该数据至提供该所讨论的电荷所需要的电压的转化由写入电路75执行。根据有待写入的数据值，电容器77上的电压小于V2。当铁电电容器82连接到写入线73上时，顶板将处于小于底板的电势下，该底板被保持在V2下，并且因此，写入操作颠倒了重置操作产生的极化的一部分。
通过由栅极88连接到读出线72上的读出电路74在两步骤过程中从铁电存储器单元81读出数据。首先，当通过栅极86被与铁电电容器82隔离时，电容器83被充电至V1。利用栅极85将电容器83连接到V1。此处，V1比V2大一个量值，该量值允许向电容器83传输最大设计电荷并且还使容器83的顶板在一个大于V2的电压下。电容器83上的最终电压被源极跟随器87放大并且通过读出电路74读出，该读出电路将电容器上的电压存储在读出电路74内。其次，栅极86被置于导电状态，该状态跨铁电电容器82在电容器83上施加电压。这重置了铁电电容器82并且导致存储在铁电电容器82内的电荷被释放，这进而降低了源极跟随器87的栅极处的电压。然后通过读出电路74读出此电压并且此电压被减去之前存储的电压以达到一个指示铁电电容器82释放的电荷的电压差。然后所产生的模拟电压可以被读出电路74内的模数转换器数字化。如以上所指出的，在该读出过程结束时，铁电电容器82处在完全极化向上状态。若正在读出铁电存储器单元81，通过将该数据读出值输入到如上所述的写入电路75，被读出的值必须被重新存储到铁电电容器82内。
以上讨论的铁电存储器单元为本发明中可以利用的铁电存储器单元的一个示例。然而，可以使用铁电存储器单元的其他形式。可以用于构造一个模拟存储器的铁电存储器单元的另一个实施例类似于通过引用结合在此的共同未决申请美国12/480,645中所述的自主存储器电路。首先参见图8A，该图是自主存储器电路的一个示意图。自主存储器电路200包括铁电电容器201和一个具有电流致动控制输入端205的开关203。导电负载202连接到电源轨和开关203之间。
铁电电容器201具有可以通过跨铁电电容器201施加电压来切换的剩余极化强度。即，在缺少跨该电容器的电压的情况下，该电容器的电介质被电气地极化。该电介质具有与正在向上或向下极化的电介质相对应的两种状态。如果电压跨铁电电容器施加，则在该铁电电容器中产生了电场。若场方向与该剩余极化强度的方向相同，则小电流在连接该铁电电容器的两个电极的电路中流动。另一方面，若已施加电场在与剩余极化强度的方向相反的方向上，则该剩余极化强度将改变方向以便符合新的场方向，并且大电流将在该外部电路中流动。可以通过调整该铁电电容器的组成、面积和厚度来设置电流和电流在其流动的电压的量值。
当电流进入控制输入端205时，开关203从高阻抗状态改变成低阻抗状态。在电路200中，假设该输入线到开关203的电势独立于该开关的状态保持在接地或接近接地。为简化以下讨论，将假设电源轨是正极的，并且当跨铁电电容器201的电极施加正轨电势时设定“向上”剩余极化强度状态。然而，可以利用其中输入端指代电力并且该输出端指代接地的其他实施例。
首先，假设铁电电容器201在向上状态下被极化。当电力接通时，开关203初始地在断开状态下；因此，在节点26的电势将提高到V。因此，施加到铁电电容器201的场也将在向上方向上，并且铁电电容器201将不翻转状态。相应地，极小电流将流入开关203的输入端，开关203将保持断开，并且自主存储器电路200的输出端将迅速达到电势V。
其次，假设铁电电容器201在向下状态下被极化。当电力接通时，跨铁电电容器201的已施加电场将与铁电电容器201的剩余极化强度的方向相反，并且铁电电容器201将翻转状态以便匹配该已施加的电场。在这种情况下，大得多的电流将流入开关203的控制输入端，并且开关203将进入导电状态。节点206升至小于V的中间状态。具体电势将取决于该开关和该导电负载的详情。该中间状态将保持直到铁电电容器201结束切换到其向上状态。在这点上将不再有电荷流出铁电电容器201，并且开关203将再次进入非导电状态。因此，在节点206上的电势将回增到V。
因此，在电力接通之后，自主存储器电路200将在铁电电容器201切换状态所需要的时间段具有取决于铁电电容器201的极化状态的暂时输出。若当电力接通并且不切换时铁电电容器201向上，则输出端将几乎立即走高。如果当电力接通并且切换时铁电电容器201处于向下状态，则该输出端将在该暂时时间段达到由电压Vs表征的中间状态并然后将走高。在该暂时时间段之后，输出端将一直为高，并且铁电电容器201将处于向上极化状态下。
现在参见图8B，该图展示了在铁电电容器201处于该向上和向下状态的情况下当自主存储器电路200加电时在该电源轨和在图8A中所示出的节点206上的电势作为时间的函数。若当电路200加电时铁电电容器201处于向下状态，则在节点206上的电势与该电源轨电势一起初始地增加，直到在节点206处的电势达到导致铁电电容器201开始改变极化状态的值。当铁电电容器201开始翻转极化时，释放导致开关203开始导电的电荷。若开关203开始过多地导电，则在节点206上的电势开始下降并且铁电电容器201停止切换。如果开关203导电不足够，则在节点206上的电势更快升高，导致铁电电容器201更快切换，迫使更多电流流入开关203的控制输入端，提高了其电导率。因此，该电路与节点206的电势一起以慢速的升高稳定在一个具体中间值。以此方式，开关203的电导率的改变限制在节点206的电压升高，直到铁电电容器21的状态的改变完成。在这点上，没有进一步的电荷将从铁电电容器201释放，并且因此，开关203将再次变得非导电。在铁电电容器201的转换期间的电势将在以下讨论中称为“架子电压（shelf voltage）”Vs。在节点206的电势的具体形状将通常取决于具体的开关实现方式。
模拟铁电存储器单元可以由铁电存储器单元200构造。首先，考虑铁电电容器201被部分极化的情况。将假设铁电电容器201的极化已经被设置成向下状态，并且然后指示存储在铁电电容器201内的值的电荷被引入铁电电容器201内，使得极化状态被部分朝向上极化状态移动。以下将更加详细地讨论实现上述动作的方式。
当铁电存储器单元200在此部分极化状态下加电时，节点206处的电压将再次升至该架子电压Vs。然而，此电压保持在架子电压的时间长度将取决于朝向下状态的部分极化的程度。具体地，该架子时间段的长度为存储在铁电电容器201内的电荷的函数。因此，当该单元加电时，通过测量该架子时间段的长度可以确定存储在该铁电电容器内的数据值。
在本发明的一个方面中，通过将该铁电电容器重置成向下状态并且然后部分地将该铁电电容器朝向上状态切换，该自主存储器单元用于存储模拟值。该写入操作可以被视为在该自主存储器单元被完全重置到向上状态前该自主存储器单元从被中断的完全向下状态的重置。即，该写入操作沿该架子将该电势移动至一个指示有待存储的数据的点。该读出操作测量完成切换到向上状态所需的时间，并且因此，确定完成到向上状态的重置所需的电荷。
现在参见图9，该图展示了使用互补金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOS FET）224作为该切换元件被实现的图8A中所示的自主存储器单元的一个实施例。在自主存储器单元220中，电容器223充当将流入和流出铁电电容器201的电荷转换成操作FET224的电压的电荷-电压转换器。
现在参见图10，该图展示了根据本发明的多态铁电存储器的另一个实施例。铁电存储器100包括多行和多列铁电存储器单元，其中，铁电存储器单元101和102是典型的。铁电存储器100由多行和多列这种铁电存储器单元构造。为简化该附图，只示出了一列128铁电存储器单元。每列中的铁电存储器单元连接到一条读出线和一条写入线上。在107和106处分别示出了与列128相对应的读出线和写入线。铁电存储器100的读出/写入操作由控制器114控制，该控制器接收总线122上的地址、总线123上的操作码、或者有待写入铁电存储器100的数据或者输出从总线121上所讨论的地址读出的数据。
每个铁电存储器单元包括一个铁电电容器，如铁电电容器117，和三个CMOS FET，如FET118、119和120。FET118和119充当用于响应于行选择线上的信号而将该铁电存储器单元连接到读出线和写入线上的栅极。在108和109处示出了典型的行选择线。FET120提供了参见图8A的以上所讨论的开关功能。
该电容器105充当用于当前选定的铁电存储器单元的电荷-电压转换器。由于只在铁电存储器单元100内的读出操作过程中需要该电荷-电压转换功能，可以利用用于每行的单个电容器而不利用如图2中所示的每个单元内的单独电容器。相对于每个单元内具有一个电容器或其他电荷-电压转换器的实施例，本发明的此方面节省了大量空间。
类似地，列128中的所有这些铁电存储器单元分担共同负载110。因此，每个铁电存储器单元只需要这三个FET和一个铁电电容器来实现图9中所讨论的存储器单元。
通过首先将该相对应的铁电电容器重置到向下状态并且以取决于所存储的数据值的一个量值来部分地在该向上方向重置该铁电电容器，来将数据写入该当前选定的铁电存储器单元。以下讨论只使用了正电压；然而，也可以构造利用负电压的实施例。有待选定的具体铁电存储器单元由控制器114从ADDR总线122上的值确定。有待写入的值被接收在总线121上。在开关115处于非导电状态的情况下，控制器114通过将写入线106上的电势设置成V来重置该铁电存储器单元。在本发明的一个方面中，读出线107通过读出电路112接地。因此，电势V在极化向下（DOWN）状态下的铁电电容器的方向施加到该铁电电容器上。选择V以便该铁电电容器在向下状态下被完全极化。
该铁电电容器在向下状态下已经被极化后，写入线106与控制器114断开并且读出线107同样地从接地断开。有待输入到该铁电电容器上的数据以数字形式被输入到写入线111上。写入电路111将该数字值映射到表示开关115被置于导电状态的时间的时间值上。通过将开关115置于导电状态持续所讨论的时间来写入该数据。本质上，要发生的极化的翻转在该极化可以完全翻转前被中断。
通过将该铁电存储器单元连接到读出线107上并且将开关115置于导电状态下来从该当前选定的铁电存储器单元上读出数据。通过总线122上的地址确定该具体铁电存储器单元。读出电路112测量读出线107上的电压从该架子电压转换至接近V的预定电压所需要的时间。然后将所测得的时间转换成由控制器114读出的数字值并传输到数据总线121。然后控制器114通过将该数据传输至写入电路111上以所讨论的数据值开始一个写入周期。
在图10中所示的实施例中，该铁电电容器最初在向下状态下并且然后部分地被朝向上状态写入。然而，还可以构造与图10中所示的实施例类似的实施例，其中，该铁电电容器被重置成沿向上方向被极化并且然后通过计量到将该极化朝向下方向移动的电容器上的电荷被写入。
在图10中所示的实施例中，通过在一段时间段后中断重置操作计量到该铁电电容器上的电荷来执行该写入操作，该时间段取决于被写入的值。然而，可以利用其他用于计量到该铁电电容器上的电荷的方法。例如，也可以利用以上参见图7所讨论的电荷计量方案。
现在参见图11，该图展示了根据本发明的另一个实施例的铁电存储器。铁电存储器140利用了固定电荷传输来写入这些铁电电容器。为简化以下讨论，铁电存储器140的那些提供与铁电存储器100内的元件类似的功能的元件已经被赋予相同的数字标号。通过首先以如所述用于铁电存储器100的相同的方式将该铁电电容器重置在向下状态下来将数据写入该选定的铁电存储器单元内的铁电电容器内。然后通过朝向上状态部分地极化该铁电电容器来写入数据。有待写入的数据首先被转换成通过写入电路143施加到电容器105上的电荷。在这种加载相位下，开关141断开并且开关142闭合。然后通过断开开关142和闭合开关141将该电荷传输至该铁电电容器上。
本发明的上述实施例已经利用了用于这些实现用于存储该数据的基础自主存储器单元的晶体管的CMOS FET。然而，还可以利用使用双极晶体管、铁电FET、FET、放大器、铁电继电器、铁磁继电器和静电MEM开关的实施例根据本发明构造铁电存储器。通过引用以其整体结合在此的2009年9月6日提交的共同未决美国专利申请12/480,645中详细描述了基于这些装置的自主存储器单元。
本发明的上述实施例假设铁电电容器纯粹是一个电荷存储装置。实际上，铁电电容器可以被视为一个与存储与铁电材料的剩余极化强度产生的电场相关的电荷的电容器并联的电荷存储装置。在以下讨论中，此电容将被称为非剩余极化强度电容，并且该相关电容器将被称为非铁电电容器。术语“铁电电容器”将继续用于电荷响应于该装置内的铁电材料的剩余极化强度而存储在其中的装置。当切换该铁电电容器上的电势时，电荷被存储在该存储元件和该相关非铁电电容器上或从该存储元件和该相关费铁电电容器上移除。出于本申请的目的，存储在与该铁电电容器相关联的存储装置内的电荷将被称为“存储在该铁电电容器内的电荷”。
若该移至该相关非铁电电容器/从该相关非铁电电容器上移除的电荷与移至该存储装置/从该存储装置上移除的电荷相比是小的，则可以忽略该相关非铁电电容器。然而，将该铁电电容器的相关非铁电电容器考虑在内的实施例可以提供改进的分辨率，由此允许构造具有增加了的状态数量的实施例。参见图12，该图展示了根据本发明的铁电存储器的另一个实施例。为简化该附图，只示出了一个铁电存储器单元。铁电存储器单元270与图7中所示的铁电存储器单元81类似；然而，读出该铁电存储器单元的方式已经被改变成将250处所示的铁电电容器内的相关非铁电电容器252考虑在内。251处示出了该电荷存储组件。
首先，在存在电容器252的情况下考虑数据被写入存储装置251的方式。该写入电路和程序的目标是将电荷Q存储在存储装置251内，其中，Q由有待存储的数据确定。通过将电容器271充电至取决于Q的预定电压并且然后当将栅极262保持在非导电状态下时将栅极268置于导电状态下可以将Q的一个第一近似值存储在存储装置251和相关非铁电电容器252的组合中。然后通过读出电路275读出和记录写入线267上的电势；用P1表示此电势。然后将栅极262置于导电状态下，并且第二次读出写入线267上的电势。用P2表示该第二电势。进入铁电电容器250的电荷由|P1-P2|/C271给出，其中，C271为电容器271的电容。此电荷或者存储在相关非铁电电容器252上或者存储在存储装置251内。存储在相关非铁电电容器252内的电荷通过|P2-V2|/C252给出，其中，C252为相关非铁电电容器252的电容。若从该铁电存储器的设计参数得知C252，则得知此电荷并且因此由于该写入操作而存储在存储装置251上的电荷。若存储在存储装置251上的电荷不等于与有待存储的数据值相对应的电荷，则可以执行利用一个不同的P1的第二写入操作以将更多的电荷赶到存储装置251上，并且重复该程序直到所希望的电荷量已经存储在存储装置251上。
上述写入程序假设足够精确地已知相关非铁电电容器252的值。应指出的是此值在该存储器中在铁电电容器与铁电电容器间可能稍有不同。相应地，可能需要在该写入程序过程中确定该C252的程序。在本发明的一个方面中，C252按以下方式确定：假设铁电电容器251在向下状态下完全饱和，并且通过经由写入电路269将写入线267连接到V2将跨铁电电容器250的电势设置成零。然后将铁电电容器250与写入线267隔离。因此，在该程序开始时，电容器252上没有电荷，并且不可以通过由写入线267上的小于V2的电势致使的电势差在铁电电容器251上加载进一步电荷。
首先，电容器271被充电至P2,，P2小于V2，其中栅极268处于非导电状态下。被这样充电后，通过该写入电路内部的栅极将电容器271与写入电路269隔离开，并且当栅极262保持在非导电时，栅极268被置于导电状态。写入线267上的电势将为P2或与该值非常接近的一个值。读出电路275测量该电势，并且然后栅极262被置于导电状态下。由于跨存储装置251的电势不能迫使附加电荷进入或流出存储装置251，只有电容器252上的电荷可以移动。任何移动的电荷将是该最终电势P3和P2之间的跨相关非铁电电容器252的电压差的结果。移动的电荷存储在电容器271上。用P3表示栅极262被放入导电状态后的写入线267上的电势。则移动的电荷为Qm=|P2-P3|/C271。因此，C252=Qm/|P2-P3|。相应地，该写入电路可以补偿铁电电容器与铁电电容器间相关非铁电电容器C252的变化。
在写入操作结束时，通过利用写入电路269将写入线267上的电势设置成V2并且将铁电电容器250连接到写入线267上来清除任何存储在相关非铁电电容器252上的电荷。这清除了任何跨电容器252和存储装置251的电势差。此操作没有改变存储装置251内的电荷。然而，清除了任何留在电容器252内的电荷。
可以用一种类似的方式完成读出操作。以一种与上述方式类似的方式开始该读出操作。当将铁电电容器250与电容器255隔离开时，利用栅极261将电容器255充电至一个第一电势V4。经源极跟随器263和栅极264通过读出电路274读出电容器255上的电势的实际值并且该值被存储作为将该电势耦合到读出电路266上的P5。此电势存储在读出电路274内。接下来，栅极256被置于导电状态下。设置该电势V4，使得V4-V2在将铁电电容器250重置成完全极化向上状态的电势以上。因此，任何存储在存储装置251上电荷被排斥出存储装置251并且移至电容器252和255，这些电容器现在并联。然后再次读出源极跟随器263的栅极处的电压。用P6表示此电压。存储在存储装置上的电荷Q=|P5-P6|/（C252+C255）。若已知C252，除数字化该结果外，该读出是完整的。
若不知道C252，可以用与上述方式类似的方式确定它。例如，V4可以增加到电势P6，P5以上，并且电容器255在当将相关联非铁电电容器252与电容器255隔离开时被充电至P6。通过将写入线267设置成V2将跨电容器255的电势设置成零。因此，当栅极256被设置成导电状态时，电荷将从电容器255流至相关非铁电电容器252，导致电容器255处的电势降低。电容器255和252的相对尺寸可以从此电势降低的量值确定，并且因此，可以为铁电电容器250内的相关非铁电电容校正通过读出电路274从铁电存储器单元270测得电荷。
本发明的上述实施例是针对数字存储器，其中，每个铁电存储器单元存储和检索一个数字值。然而，也可以构造在其中存储和检索模拟值的实施例。在这种实施例中，该写入电路接受模拟电压而不是被转换为存储在该铁电电容器上的电荷的数字值。然后该读出电路输出表示存储在该铁电电容器上的电荷的模拟值。
上述实施例利用一种方案，在该方案中该铁电电容器被设置成一种已知的状态，写入一次，并且然后被读出。然而，还可以构造该铁电电容器被重置后在其中被多次写入的实施例。这种实施例提供了一种“累加器”功能。例如，首先将铁电电容器设置成向下状态并且然后将一个第一电荷Q1传输至将该极化朝向上状态移动的铁电电容器。一段时间后，将一个第二电荷Q2传输至将该铁电电容器进一步朝向上状态移动的铁电电容器上，以此类推。当最终读出该铁电电容器时，该输出将等于这些Q值的和。因此，该铁电电容器将充当一个模拟求和电路。
通过将该铁电电容器设置成向上状态并且然后传输将该极化朝向下状态移动的已知电荷可以获得已知的极化状态。
应指出的是通过将该铁电电容器重置成一种在向上和向下状态之间的状态可以构造一个更加通用的累加功能。通过将该铁电电容器重置成向下状态并且然后存储倾向于将该铁电电容器朝向上状态移动的已知电荷来实现上述动作。通过设置该电荷的量值和该充电电压的极性两者，现在可以将电荷传输至将该极化或者朝向上状态或者朝向下状态移动的铁电电容器上。例如，图3中32处所示的D/A可以被配置成用或者正电势或者负电势对电容器33进行充电。当最终读出该铁电电容器时，该结果将为所存储的电荷的和，其条件是在每种中间状态下存储的总电荷不超过Q最大。
在这些多个写入实施例的一个子集中，每个写入将固定电荷移至该铁电电容器上。在这种情况下，最终写入该铁电电容器的值恰好为这些脉冲的和。此模式可以用于通过使用有待存储的数字数据值对该铁电电容器进行编程以设置脉冲的数量。
在上述实施例中，该写入电路为该存储器的一部分。然而，还可以构造其中该写入电路在该存储器外的实施例。迫使电荷至该铁电电容器上所需要的电量小。考虑该存储器单元具有一个单个存储器单元的情况。再次参见图3。该写入电路包括D/A32和电容器33以及开关36。若铁电电容器31为“暴露”于此写入电路的唯一铁电电容器，则存储在电容器33内的电力足够写入该状态或向存储在铁电电容器31内的电荷添加附加电荷。在这个意义上，包括铁电电容器31的电路的剩余部分在上述写入或累加功能过程中不需要被加电。在只具有一个铁电电容器的存储器中，容易地完成暴露此电容器用于外部写入。例如，再次参见图7。若存储器单元81为该存储器中唯一的存储器单元，则可以省略栅极84和88。若写入电路75可以提供负电压电平和正电压电平两者，V2可以被设置成接地。然后可以通过将外部写入电路连接到线73上来设置铁电电容器82的状态。为读出铁电电容器82的状态，当重置铁电电容器82时，存储器单元81将连接到线72上的读出电路以及读出从铁电电容器82释放出来的电荷所需的电路上。在具有多个这种铁电电容器的存储器中，该寻址电路还必须被配置成从该外部写入电路加电。
在上述实施例中，该铁电电容器已经被设置成一种已知的起始状态后，通过设置被传输到该铁电电容器上的电荷来对该铁电电容器进行编程。再次参见图8A和8B。在铁电电容器存储器单元的此实施例中，通过中断该状态从向下到向上的“翻转”来存储该数据。在上述实施例中，当到达所希望的点时，通过限制该电荷传输或使用某种计时器阻止该过程来实现上述动作。应指出的是，该架子电压区域实际上特征在于架子电压随时间增加。此架子电压区域的斜率取决于所利用的具体的铁电电容器。若图8A中所示的电压V被设置成一个在该架子区域过程中达到的值，则将完成不了该翻转过程。而该铁电电容器将被保持在以V为特征的部分极化状态下。相应地，可以通过在向下状态下完全极化该铁电电容器并且然后施加由有待存储的数据确定的电压V来设置该铁电电容器的状态。
现在参见图13A，该图展示了可以用于设置该铁电电容器的极化的状态的写入电路的另一个实施例。铁电存储器单元300与上述参见图8A的存储器单元类似，并且因此，提供与关于图8A所讨论的元件相同功能的元件已经被赋予相同的数字标号。在铁电存储器单元300中，导电负载202连接到确定施加到铁电电容器201上的电势的写入电路301上。此外，写入电路301设置线205上的电势。将数据写入铁电电容器201之前，写入电路301跨铁电电容器201施加将铁电电容器重置成向下状态的电势差V。如图13B中所示，然后通过将该输入数据转化成最小和最大架子电压V最小和V最大之间的电压Vd将数据写入铁电电容器201。向如图13A中所示的导电负载202上施加此电势。一旦节点206到达Vd，将没有进一步的电荷被传输到铁电电容器201内，并且因此，该写入操作将终止将铁电电容器201留在希望的状态下。
类似策略可以用于构造非破坏性读出操作。当通过将该导电负载处的电势设置成一个大于该铁电电容器被编程所在的架子电压的值来向该被编程的铁电电容器施加功率时，节点206处的电压升至该写入周期结束时出现的架子电压。通过读出电路302读出此电压，并且然后该电势返回到低于该架子电压的水平。该铁电电容器的状态将不会发生明显变化，其条件是在该电势高于所讨论的电压的时间期间传输至或传出该铁电电容器的电荷是小的。可以通过在该读出过程中的导电负载设置得足够高和将该施加的电压和该读出架子电压之间的电压差设置得尽可能小来最小化该被传输的电荷。例如，该读出电压可以被设置成V最大。然后被读出的架子电压可以被转化成存储在该铁电存储器单元内的数据值。
图13A中所示的电路还可以用于执行其他读出方案。如以上指出的，一种用于读出铁电电容器201的状态的方法将确定完成从该当前状态转变成完全极化向上状态所需要的电荷。再次参见图13B，在本发明的一个方面中，当该写入电路向该导电负载上施加电势V时，该读出电路确定节点206处的电压到达该架子区域的时间Ts和该电压离开该架子区域的时间Tf之间的差值。通过使该导电负载形成脉冲和统计在该脉冲过程中将节点206处的电势带至Vf所需要的脉冲的数量可以直接测量或间接确定该时间。
再次参见图7。电容器83的尺寸必须明显大于铁电电容器82以便提供足够的电荷来翻转铁电电容器82的极化。因此，此电容器明显增加了该存储器单元的尺寸。此外，如以上所指出的，该电容的变化可能致使如以上所指出的问题。通过将该电容器83移出该存储器单元可以减少这些问题，使得该列中的所有存储器单元共用该电容器。这允许通过该控制器测量和存储该电容以及减小该单元尺寸。
现在参见图14，该图展示了根据本发明的铁电存储器的另一个实施例。铁电存储器400在操作上与图7中所示的铁电存储器70类似。为简化以下讨论，铁电存储器400的这些提供与铁电存储器70内的元件类似的功能的元件已经被赋予相同的数字标号。铁电存储器400与铁电存储器70的不同之处在于每个存储器单元中图7中所示的电容器83已经被电容器401替换，该电容器位于这些存储器单元之外并且为该列中的所有存储器单元共用。在铁电存储器单元410内，当选定铁电存储器单元410用于读出或写入时，栅极402将源极跟随器87的栅极连接到被连接到电容器301上的线404上。
本发明的上述实施例使用了PZT铁电电容器。然而，其他铁电材料可以用于这些铁电电容器内的介电介质。例如，可以使用基于PLZT、PLT、钛酸钡、铌酸锂、如钽铌酸锶铋的Y1陶瓷以及如PVDF各种有机聚合物的铁电电容器。
已经提供了本发明的上述实施例以展示本发明的各个方面。然而，要理解的是，不同具体实施例中展示的本发明的各个方面可以进行组合以提供本发明的其他实施例。此外，本发明的各种修改将从前述描述和附图中变得明显。相应地，不应当仅通过以下权利要求的范围来限制本发明。

Claims (21)

1.一种铁电存储器，包括：
多个铁电存储器单元，每个铁电存储器单元包括一个铁电电容器；
一条写入线；
一条读出线；
多条铁电存储器单元选择总线，一条所述选择总线与所述铁电存储器单元中的每一个相对应，其中，所述铁电存储器单元中的每一个包括用于分别响应于所述与该铁电存储器单元相对应的铁电存储器单元选择总线上的信号而将所述铁电存储器单元连接到所述读出线和所述写入线上的第一和第二栅极；
一条写入电路，该写入电路致使将电荷存储在所述当前连接到所述写入线上的铁电存储器单元的铁电电容器内，所述电荷具有一个由具有至少三种状态的数据值确定的值；以及
一条读出电路，该读出电路测量存储在所述当前连接到所述读出线上的铁电存储器单元的所述铁电电容器内的电荷，以生成一个输出值，所述输出值与所述状态之一相对应。
2.如权利要求1所述的铁电存储器，其中，所述铁电电容器的特征在于一个相关非铁电电容，并且其中，当所述写入电路致使将所述电荷存储在所述铁电电容器上时，所述写入电路补偿存储在所述相关非铁电电容上的电荷。
3.如权利要求1所述的铁电存储器，进一步包括一个致使从当前连接到所述读出线上的所述铁电存储器单元上读出的值被重新写入所述铁电存储器单元。
4.如权利要求1所述的铁电存储器，其中，每个所述铁电存储器单元包括：
所述铁电电容器；
一个可变阻抗元件，该可变阻抗元件在第一和第二开关端子之间具有由在一个控制端子上的一个信号确定的一种开关阻抗，所述铁电电容器在所述控制端子和所述第一开关端子之间连接，
其中，当在所述第一和第二开关端子之间施加一个电势差时，一个电流在所述第一开关端子和所述第二开关端子之间流动，该电流以一种由所述铁电电容器的所述极化状态确定的方式而改变。
5.如权利要求1所述的铁电存储器，其中，所述铁电电容器中的每一个具有一个最大剩余极化强度，其中，每个铁电电容器的特征在于：一种第一极化状态，在该第一极化状态下所述铁电电容器沿一个第一方向具有所述最大剩余极化强度；一种第二极化状态，在该第二极化状态下所述铁电电容器沿相反方向具有所述最大剩余极化强度；以及多个中间剩余极化强度状态，这些中间剩余极化强度状态的特征在于介于所述第一和第二极化状态之间的剩余极化强度，并且其中，所述写入电路致使连接到所述写入线上的所述铁电电容器进入所述第一极化状态并且然后通过将一个电荷存储在与一个数据值相对应的所述铁电电容器上而进入所述中间极化状态之一，所述电荷致使所述铁电电容器进入所述中间极化状态之一。
6.如权利要求5所述的铁电存储器，其中，当该铁电电容器被重置成所述第一极化状态时，所述读出电路测量从当前连接到所述读出线上的所述铁电存储器单元内的所述铁电电容器释放出来的一个电荷。
7.如权利要求6所述的铁电存储器，其中，所述铁电电容器的特征在于一个相关非铁电电容，并且其中，当所述读出电路测量存储在所述铁电电容器上的电荷时，所述读出电路补偿存储在所述相关非铁电电容上的电荷。
8.如权利要求5所述的铁电存储器，其中，所述读出电路包括一个读出电容器，该读出电容器被充电至一个第一电势并且然后连接到当前连接到所述读出线上的所述铁电存储器内的所述铁电电容器上。
9.如权利要求8所述的铁电存储器，其中，所述读出电路在所述读出电容器连接到所述铁电电容器上之前和之后测量所述读出电容器上的一个电荷。
10.如权利要求5所述的铁电存储器，其中，所述读出电路测量必须传输到当前连接到所述读出线上的所述铁电存储器内的所述铁电电容器上以致使所述铁电电容器呈现所述第二极化状态的一个电荷。
11.一种存储器电路，包括：
一个铁电电容器，当没被加电时，所述铁电电容器存储一个电荷；
一条写入电路，该写入电路接收有待存储在所述铁电电容器内的一个数据值并且致使由该数据值确定的一个电荷与存储在所述铁电电容器内的所述电荷组合；以及
一条读出电路，该读出电路确定存储在所述铁电电容器内的所述电荷，所述读出电路生成一个具有两种以上状态的输出信号。
12.如权利要求11所述的存储器电路，包括一个致使所述铁电电容器存储一个预定电荷的重置电路。
13.如权利要求11所述的存储器电路，其中，所述铁电电容器的特征在于一个剩余极化强度，并且其中，在使所述电荷与存储在所述铁电电容器内的所述电荷组合前，所述写入电路将所述剩余极化强度设置成一个预定值。
14.如权利要求11所述的存储器电路，其中，所述铁电电容器的特征在于一个剩余极化强度，并且其中，所述读出电路测量一个与必须与存储在所述铁电电容器内的所述电荷组合以致使所述铁电电容器具有一个预定剩余极化强度的电荷的量值相关的信号。
15.一种用于存储数据的方法，所述方法包括：
将一个铁电电容器重置成一种预定极化状态，其特征在于一个存储电荷；
致使与一个数据值相关的一个电荷被添加到所述存储电荷上；以及
生成一个具有两种以上状态的输出信号，所述输出信号由存储在所述铁电电容器内的所述电荷确定。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在生成所述输出信号前，与多个数据值相关的多个电荷被添加到所述存储电荷上。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述铁电电容器的特征在于一个剩余极化强度，并且其中，在使所述电荷与存储在所述铁电电容器内的所述电荷组合前，所述剩余极化强度被设置成一个预定值。
18.如权利要求15所述的方法，其中，致使与所述数据值相关的所述电荷被添加到所述存储电荷上包括：
使用一条预先充电电路将一个写入电容器预先充电至由所述数据值确定的一个电势；
将所述写入电容器从所述预先充电电路断开；以及
将所述写入电容器连接到所述铁电电容器上。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述铁电电容器的特征在于一个致使所述铁电电容器呈现一种具有最大剩余极化强度的饱和电压，并且其中，致使与所述数据值相关的所述电荷包括跨所述铁电电容器施加一个小于所述饱和电压的电压。
20.如权利要求15所述的方法，其中，致使与所述数据值相关的所述电荷被添加到所述存储电荷上包括将所述铁电电容器连接到一个限流充电源持续一段由所述数据值确定的时间段。
21.如权利要求15所述的方法，其中，所述输出信号的所述状态与存储在所述铁电电容器内的不同电荷水平相对应，其中，所述不同电荷水平相差一个预定电荷以上，并且其中，生成所述输出信号包括在没有改变所述电荷超过所述预定电荷的情况下确定存储在所述铁电电容器内的所述电荷。
CN201180061337.8A 2010-11-30 2011-11-17 利用铁电电容器的模拟存储器 Active CN103262170B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/956,845 2010-11-30
US12/956,845 US8760907B2 (en) 2010-11-30 2010-11-30 Analog memories utilizing ferroelectric capacitors
PCT/US2011/061266 WO2012074776A2 (en) 2010-11-30 2011-11-17 Analog memories utilizing ferroelectric capacitors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103262170A true CN103262170A (zh) 2013-08-21
CN103262170B CN103262170B (zh) 2016-10-26

Family

ID=46126569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180061337.8A Active CN103262170B (zh) 2010-11-30 2011-11-17 利用铁电电容器的模拟存储器

Country Status (6)

Country Link
US (3) US8760907B2 (zh)
EP (1) EP2647009B1 (zh)
JP (1) JP5748164B2 (zh)
KR (1) KR101979463B1 (zh)
CN (1) CN103262170B (zh)
WO (1) WO2012074776A2 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107230676A (zh) * 2017-05-22 2017-10-03 复旦大学 高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法
CN109643569A (zh) * 2016-08-30 2019-04-16 拉迪安特技术公司 具有改进温度范围的模拟铁电存储器
CN111418066A (zh) * 2017-12-04 2020-07-14 索尼半导体解决方案公司 半导体存储器装置、电子设备和读取信息的方法
CN112086114A (zh) * 2016-06-27 2020-12-15 美光科技公司 铁电存储器中的多层存储
CN112086114B (zh) * 2016-06-27 2024-06-04 美光科技公司 铁电存储器中的多层存储

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9324405B2 (en) 2010-11-30 2016-04-26 Radiant Technologies, Inc. CMOS analog memories utilizing ferroelectric capacitors
US9269416B2 (en) * 2010-11-30 2016-02-23 Radiant Technologies, Inc. Non-volatile counter utilizing a ferroelectric capacitor
CN104412325B (zh) * 2012-07-06 2017-10-31 拉迪安特技术公司 一种电路及用于在aml中持续存储逻辑电平并在该电路的电力中断后恢复逻辑电平值的方法
JP2014199708A (ja) * 2013-03-14 2014-10-23 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置の駆動方法
TWI618081B (zh) * 2013-05-30 2018-03-11 半導體能源研究所股份有限公司 半導體裝置的驅動方法
US9406348B2 (en) * 2013-12-26 2016-08-02 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Memory cell including transistor and capacitor
JP6524540B2 (ja) * 2014-01-21 2019-06-05 レイディアント テクノロジーズ，インコーポレイテッドＲａｄｉａｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ． 強誘電体キャパシタを利用する不揮発性カウンタ
CN105097010B (zh) * 2014-05-16 2018-03-16 华为技术有限公司 一种铁电存储器
CN106716539B (zh) * 2014-09-26 2020-11-17 拉迪安特技术公司 利用铁电电容器的cmos模拟存储器
WO2016190880A1 (en) 2015-05-28 2016-12-01 Intel Corporation Ferroelectric based memory cell with non-volatile retention
US9613676B1 (en) * 2016-06-29 2017-04-04 Micron Technology, Inc. Writing to cross-point non-volatile memory
US10049713B2 (en) 2016-08-24 2018-08-14 Micron Technology, Inc. Full bias sensing in a memory array
US10153022B1 (en) 2017-06-09 2018-12-11 Micron Technology, Inc Time-based access of a memory cell
US10153021B1 (en) * 2017-06-09 2018-12-11 Micron Technology, Inc. Time-based access of a memory cell
US20200075491A1 (en) * 2017-06-30 2020-03-05 Intel Corporation Microelectronic devices designed with package integrated tunable ferroelectric capacitors
US10832769B2 (en) * 2018-12-26 2020-11-10 Micron Technology, Inc. Memory device with a charge transfer device
US11476261B2 (en) 2019-02-27 2022-10-18 Kepler Computing Inc. High-density low voltage non-volatile memory with unidirectional plate-line and bit-line and pillar capacitor
US11031090B1 (en) * 2020-01-09 2021-06-08 Omni Design Technologies Inc. Analog current memory with droop compensation
CN115867968A (zh) * 2020-08-03 2023-03-28 株式会社半导体能源研究所 半导体装置的驱动方法
US11527277B1 (en) 2021-06-04 2022-12-13 Kepler Computing Inc. High-density low voltage ferroelectric memory bit-cell
US11741428B1 (en) 2022-12-23 2023-08-29 Kepler Computing Inc. Iterative monetization of process development of non-linear polar material and devices

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6639823B2 (en) * 2000-12-28 2003-10-28 Seiko Epson Corporation Ferroelectric memory device and method of driving the same
CN101061550A (zh) * 2004-09-23 2007-10-24 薄膜电子有限公司 读取方法和感测装置
CN101620879A (zh) * 2009-07-29 2010-01-06 复旦大学 铁电存储器多位数据存储的操作方法
US20100039850A1 (en) * 2008-08-18 2010-02-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor memory device with ferroelectric memory

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2724212B2 (ja) * 1989-07-06 1998-03-09 株式会社東芝 メモリ回路
JP3169599B2 (ja) * 1990-08-03 2001-05-28 株式会社日立製作所 半導体装置、その駆動方法、その読み出し方法
US5523964A (en) * 1994-04-07 1996-06-04 Symetrix Corporation Ferroelectric non-volatile memory unit
JP2921812B2 (ja) 1992-12-24 1999-07-19 シャープ株式会社 不揮発性半導体記憶装置
US5579257A (en) * 1995-08-31 1996-11-26 Motorola, Inc. Method for reading and restoring data in a data storage element
US5808929A (en) * 1995-12-06 1998-09-15 Sheikholeslami; Ali Nonvolatile content addressable memory
US6118688A (en) * 1997-06-05 2000-09-12 Matsushita Electronics Corporation Ferroelectric memory device and method for driving it
US6198652B1 (en) * 1998-04-13 2001-03-06 Kabushiki Kaisha Toshiba Non-volatile semiconductor integrated memory device
JP3717097B2 (ja) * 1998-07-29 2005-11-16 富士通株式会社 強誘電体メモリ
JP3875416B2 (ja) 1998-11-11 2007-01-31 富士通株式会社 強誘電体記憶装置
JP2000251478A (ja) * 1999-03-02 2000-09-14 Nec Corp 半導体装置及びその動作方法
US6449184B2 (en) * 2000-06-19 2002-09-10 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for driving semiconductor memory
JP2002083495A (ja) * 2000-06-30 2002-03-22 Seiko Epson Corp 半導体集積回路の情報記憶方法、半導体集積回路、その半導体集積回路を多数備えた半導体装置、及びその半導体装置を用いた電子機器
JP2002109875A (ja) * 2000-09-29 2002-04-12 Nec Corp 強誘電体容量を用いたシャドーｒａｍセル及び不揮発性メモリ装置並びにその制御方法
JP3793021B2 (ja) * 2000-12-27 2006-07-05 株式会社東芝 不揮発性多値記憶装置
KR100399074B1 (ko) * 2001-04-27 2003-09-26 주식회사 하이닉스반도체 비엘티 강유전체막을 구비하는 강유전체 메모리 소자 제조방법
US6856534B2 (en) * 2002-09-30 2005-02-15 Texas Instruments Incorporated Ferroelectric memory with wide operating voltage and multi-bit storage per cell
KR100492781B1 (ko) * 2003-05-23 2005-06-07 주식회사 하이닉스반도체 멀티비트 제어 기능을 갖는 불휘발성 강유전체 메모리 장치
JP2005050403A (ja) * 2003-07-30 2005-02-24 Seiko Epson Corp 半導体記憶装置
US7352619B2 (en) * 2004-02-05 2008-04-01 Iota Technology, Inc. Electronic memory with binary storage elements
US20050174841A1 (en) * 2004-02-05 2005-08-11 Iota Technology, Inc. Electronic memory with tri-level cell pair
JP2009059398A (ja) * 2007-08-30 2009-03-19 Toshiba Corp 強誘電体半導体記憶装置
JP2010009687A (ja) * 2008-06-27 2010-01-14 Toshiba Corp 半導体記憶装置
JP2011044218A (ja) * 2009-08-24 2011-03-03 Toshiba Corp 半導体記憶装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6639823B2 (en) * 2000-12-28 2003-10-28 Seiko Epson Corporation Ferroelectric memory device and method of driving the same
CN101061550A (zh) * 2004-09-23 2007-10-24 薄膜电子有限公司 读取方法和感测装置
US20100039850A1 (en) * 2008-08-18 2010-02-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor memory device with ferroelectric memory
CN101620879A (zh) * 2009-07-29 2010-01-06 复旦大学 铁电存储器多位数据存储的操作方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112086114A (zh) * 2016-06-27 2020-12-15 美光科技公司 铁电存储器中的多层存储
US11848042B2 (en) 2016-06-27 2023-12-19 Micron Technology, Inc. Multi-level storage in ferroelectric memory
CN112086114B (zh) * 2016-06-27 2024-06-04 美光科技公司 铁电存储器中的多层存储
CN109643569A (zh) * 2016-08-30 2019-04-16 拉迪安特技术公司 具有改进温度范围的模拟铁电存储器
CN109643569B (zh) * 2016-08-30 2023-01-17 拉迪安特技术公司 具有改进温度范围的模拟铁电存储器
CN107230676A (zh) * 2017-05-22 2017-10-03 复旦大学 高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法
CN107230676B (zh) * 2017-05-22 2020-05-26 复旦大学 高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法
CN111418066A (zh) * 2017-12-04 2020-07-14 索尼半导体解决方案公司 半导体存储器装置、电子设备和读取信息的方法
CN111418066B (zh) * 2017-12-04 2024-06-11 索尼半导体解决方案公司 半导体存储器装置、电子设备和读取信息的方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5748164B2 (ja) 2015-07-15
CN103262170B (zh) 2016-10-26
US20120134196A1 (en) 2012-05-31
EP2647009A2 (en) 2013-10-09
US20130188411A1 (en) 2013-07-25
US20140247643A1 (en) 2014-09-04
WO2012074776A2 (en) 2012-06-07
US8787063B2 (en) 2014-07-22
US8760907B2 (en) 2014-06-24
EP2647009B1 (en) 2019-01-02
EP2647009A4 (en) 2016-05-11
US8964446B2 (en) 2015-02-24
WO2012074776A3 (en) 2012-12-13
JP2014503930A (ja) 2014-02-13
KR20140007346A (ko) 2014-01-17
KR101979463B1 (ko) 2019-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103262170A (zh) 利用铁电电容器的模拟存储器
US10020042B2 (en) CMOS analog memories utilizing ferroelectric capacitors
CN109643569B (zh) 具有改进温度范围的模拟铁电存储器
CN106716539B (zh) 利用铁电电容器的cmos模拟存储器
US5038323A (en) Non-volatile memory cell with ferroelectric capacitor having logically inactive electrode
JP4619004B2 (ja) プログラマブル導電ランダムアクセスメモリ及びその検知方法
US7154768B2 (en) Non-destructive readout of ferroelectric memories
JP4192701B2 (ja) 検知回路、バイオセンサ、および検知回路の駆動方法
CN100383894C (zh) 集成电路及操作集成电路的方法
JP2007525781A (ja) メモリ回路、およびｃｂｒａｍ抵抗メモリセルのメモリデータを評価するための評価方法
WO2011156525A2 (en) Ferroelectric memories based on arrays of autonomous memory bits
KR101421153B1 (ko) 커패시터를 사용하여 멤리스터 저항값 변경없이 멤리스터 저항값을 읽는 멤리스터 기반 메모리 회로
EP2482287A1 (en) Memory support provided with elements of ferroelectric material and improved non-destructive reading method thereof
JP2000207881A (ja) 単一電子メモリ素子の駆動回路及びその駆動方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant