JP2004273099A - Driving method of nonvolatile latch - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a trouble that a logical value "H" is always outputted to an output terminal OG independently of on/off of a (n) type MOS transistor in a conventional nonvolatile latch circuit using a ferroelectric gate capacitor. <P>SOLUTION: A nonvolatile latch circuit is provided with a ferroelectric capacitor 1, a n type MOS transistor 3, and a p type MOS transistor 4, and after the n type MOS transistor 3 is turned on, third voltage Vred1 being smaller than second voltage Vdd which completely turns on the p type MOS transistor 4 is applied to a second input terminal RG connected to a gate of the p type MOS transistor 4. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、不揮発性ラッチの駆動方法に関し、特に強誘電体ゲートデバイスを用いた不揮発性ラッチの駆動方法に関する。   The present invention relates to a method for driving a nonvolatile latch, and more particularly, to a method for driving a nonvolatile latch using a ferroelectric gate device.

半導体技術は非常に急激な速度で発達し、トランジスタの微細化および回路の大規模化が進んでいる。しかし、大規模集積回路における微細トランジスタのリーク電流の増加によって、消費電力が増加してしまうことが問題となっている。   Semiconductor technology is evolving at a very rapid rate, with miniaturization of transistors and large-scale circuits. However, there is a problem that power consumption increases due to an increase in leakage current of a fine transistor in a large-scale integrated circuit.

このため、電源を切っても情報が保持される不揮発メモリーが注目されている。不揮発性メモリーを用いることで、SRAMやDRAMなどの揮発性メモリーに比べ、消費電力を低減することが可能となる。特に、MFMIS(Metal Ferroelectrics Metal Insulator Semiconductor)構造をもつ強誘電体ゲートデバイスは、1トランジスタで構成されるため、究極のメモリーとして期待されている。   For this reason, non-volatile memories that retain information even when the power is turned off are receiving attention. By using a nonvolatile memory, power consumption can be reduced as compared with a volatile memory such as an SRAM or a DRAM. In particular, a ferroelectric gate device having a MFMIS (Metal Ferroelectrics Metal Insulator Semiconductor) structure is expected to be the ultimate memory because it is composed of one transistor.

強誘電体ゲートデバイスは、フローティングゲート型トランジスタにおいて、そのトランジスタのフローティングゲート電極とその上部電極であるコントロール電極との間に、絶縁膜として強誘電体薄膜を形成した構造である。強誘電体薄膜に生じる自発分極によって、トランジスタのしきい値が実効的に変化する。この現象を利用することで、情報の読み出しを行なう。   The ferroelectric gate device has a structure in which, in a floating gate transistor, a ferroelectric thin film is formed as an insulating film between a floating gate electrode of the transistor and a control electrode which is an upper electrode thereof. The spontaneous polarization generated in the ferroelectric thin film effectively changes the threshold value of the transistor. By utilizing this phenomenon, information is read.

強誘電体ゲートデバイスを利用した不揮発性ラッチ回路が、特許文献1において提案されている。この回路の模式図を図8に示す。強誘電体キャパシタ101とn型MOSトランジスタ104、強誘電体キャパシタ102とp型MOSトランジスタ103によってそれぞれ構成された強誘電体ゲートデバイスがインバータを構成している。   A nonvolatile latch circuit using a ferroelectric gate device has been proposed in Patent Document 1. FIG. 8 shows a schematic diagram of this circuit. A ferroelectric gate device constituted by the ferroelectric capacitor 101 and the n-type MOS transistor 104 and a ferroelectric gate device constituted by the ferroelectric capacitor 102 and the p-type MOS transistor 103 constitute an inverter.

入力INと出力OUTの関係を図9に示す。強誘電体ゲートデバイスがインバータを構成しているので、入力値が“L”であれば、出力値は“H”である。また、入力値が“H”であれば、出力値は“L”である。さらに、強誘電体の自発分極により、電源を切っても情報は保持されている。   FIG. 9 shows the relationship between the input IN and the output OUT. Since the ferroelectric gate device forms an inverter, if the input value is “L”, the output value is “H”. If the input value is “H”, the output value is “L”. Further, the information is retained even when the power is turned off due to the spontaneous polarization of the ferroelectric.

このように、強誘電体ゲートデバイスを用いた不揮発性ラッチ回路は、入力値によってある出力値が出力される。電源を切っても、情報が保持され、不揮発性を有する。その他、本願に関連する先行技術として、特許文献2〜8を挙げることができる。特許文献2〜4は不揮発性ラッチの基本的な構成を開示しており、特許文献5〜8はフローティングゲートと制御電極との間に強誘電体を挟むことによる不揮発化を開示している。
特開2000−77986号公報 特開平2−199698号公報(特に第1図) 特公平4−62159号公報(特に第3図及び第5図) 特表平10−510124号公報(特にフロントページ) 特開平11−54636号公報(特にフロントページ) 特開平11−8362号公報(特にフロントページ) 特開平10−27856号公報(特にフロントページ) 特開2002−358776号公報(特にフロントページ)
As described above, the nonvolatile latch circuit using the ferroelectric gate device outputs a certain output value depending on the input value. Even when the power is turned off, the information is retained and has non-volatility. In addition, Patent Documents 2 to 8 can be cited as prior arts related to the present application. Patent Documents 2 to 4 disclose the basic configuration of a nonvolatile latch, and Patent Documents 5 to 8 disclose non-volatization by interposing a ferroelectric substance between a floating gate and a control electrode.
JP-A-2000-77986 JP-A-2-199698 (especially FIG. 1) Japanese Patent Publication No. 4-62159 (especially, FIGS. 3 and 5) Japanese Patent Publication No. 10-510124 (particularly front page) JP-A-11-54636 (especially front page) JP-A-11-8362 (especially front page) JP-A-10-27856 (particularly front page) JP-A-2002-358776 (particularly front page)

しかしながら、上記のような従来の不揮発性ラッチ回路には、次のような問題点があった。   However, the conventional nonvolatile latch circuit as described above has the following problems.

第一に、強誘電体に印加される電圧が入力に正の電圧を印加した場合と負の電圧を印加した場合とで電圧の大きさが異なってしまうことである。強誘電体キャパシタに印加される電圧をフローティング端子の電圧の基準とする。入力の論理値が“H”の場合、強誘電体キャパシタとMOSトランジスタのゲート酸化膜の容量Coxのカップリング比で決まる正の電圧VFHが強誘電体キャパシタに印加される。また、入力の論理値が“L”の場合、強誘電体キャパシタとMOSトランジスタのゲート・ソース間の容量Cgsとのカップリング比で決まる負の電圧VFLが強誘電体キャパシタに印加される。CgsはCoxに比べ、非常に小さいので、VFLの大きさはVFHの大きさに比べ大きくなる。したがって、強誘電体キャパシタの分極は、入力の論理値“L”は保持しやすくなるが、入力の論理値“H”は保持しにくくなる。   First, the magnitude of the voltage applied to the ferroelectric differs between when a positive voltage is applied to the input and when a negative voltage is applied. The voltage applied to the ferroelectric capacitor is used as a reference for the voltage of the floating terminal. When the input logic value is "H", a positive voltage VFH determined by the coupling ratio of the ferroelectric capacitor and the capacitance Cox of the gate oxide film of the MOS transistor is applied to the ferroelectric capacitor. When the input logic value is "L", a negative voltage VFL determined by the coupling ratio between the ferroelectric capacitor and the capacitance Cgs between the gate and the source of the MOS transistor is applied to the ferroelectric capacitor. Since Cgs is much smaller than Cox, the size of VFL is larger than the size of VFH. Therefore, for the polarization of the ferroelectric capacitor, the logical value “L” of the input is easily held, but the logical value “H” of the input is hardly held.

第二に、信号の遅延が大きいことである。通常のMOSトランジスタのゲート容量に強誘電体キャパシタを付加している。MOSトランジスタのゲート容量が実効的に増加してしまうため、ある入力値が入力されてから、出力値が出力されるまでの信号の遅延が大きくなってしまう。   Second, the signal delay is large. A ferroelectric capacitor is added to the gate capacitance of a normal MOS transistor. Since the gate capacitance of the MOS transistor is effectively increased, a signal delay from when a certain input value is input to when an output value is output increases.

そこで、本発明者らは、まず以下のような不揮発性ラッチ回路を考案した。   Therefore, the present inventors first devised the following nonvolatile latch circuit.

図1は、この不揮発性ラッチ回路を示す回路図である。図1において、1は強誘電体キャパシタ、2は抵抗素子、3は第一のMOSトランジスタであるn型MOSトランジスタである。   FIG. 1 is a circuit diagram showing the nonvolatile latch circuit. In FIG. 1, 1 is a ferroelectric capacitor, 2 is a resistance element, and 3 is an n-type MOS transistor as a first MOS transistor.

図1に示すように、第一の端子である第1の入力端子CGを備えた強誘電体キャパシタ1をn型MOSトランジスタ3のゲートであるフローティングゲートFGに接続する。抵抗素子2をn型MOSトランジスタ3のドレインに接続し、その接続端子を出力端子OGとする。n型MOSトランジスタ3のソースを接地し、抵抗素子2の出力端子OGでない端子を電源に接続する。   As shown in FIG. 1, a ferroelectric capacitor 1 having a first input terminal CG as a first terminal is connected to a floating gate FG as a gate of an n-type MOS transistor 3. The resistance element 2 is connected to the drain of the n-type MOS transistor 3, and the connection terminal is used as an output terminal OG. The source of the n-type MOS transistor 3 is grounded, and a terminal other than the output terminal OG of the resistance element 2 is connected to a power supply.

第1の入力端子CGに、第一の電圧である正の電圧Vpp、または第二の電圧である負の電圧−Vppを印加することで、強誘電体キャパシタ1の分極を反転させ、強誘電体キャパシタ1に情報を書き込む。図2を用いて、この動作原理を説明する。   By applying a positive voltage Vpp as a first voltage or a negative voltage −Vpp as a second voltage to the first input terminal CG, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is inverted, and the ferroelectric capacitor 1 is turned on. Information is written to the body capacitor 1. The operation principle will be described with reference to FIG.

図2(a)は、強誘電体キャパシタ1とn型MOSトランジスタ3とを等価回路で表している。強誘電体キャパシタ1とn型MOSトランジスタ3のゲート容量3cとが直列で接続されている。図2(a)に示すように、強誘電体キャパシタ1に印加される電圧Vfは、フローティングゲートFGを基準とし、ゲート容量(Cox)3cに印加される電圧Voxは、接地端子を基準とする。また、強誘電体キャパシタ1に誘起される電荷をQf、ゲート容量3cに誘起される電荷をQoxとする。   FIG. 2A shows an equivalent circuit of the ferroelectric capacitor 1 and the n-type MOS transistor 3. The ferroelectric capacitor 1 and the gate capacitance 3c of the n-type MOS transistor 3 are connected in series. As shown in FIG. 2A, the voltage Vf applied to the ferroelectric capacitor 1 is based on the floating gate FG, and the voltage Vox applied to the gate capacitance (Cox) 3c is based on the ground terminal. . The charge induced in the ferroelectric capacitor 1 is Qf, and the charge induced in the gate capacitance 3c is Qox.

いま、第1の入力端子CGに電圧Vppを印加したとすると、
Vpp=Vf+Vox (式1)
となる。強誘電体キャパシタ1の下部電極1bとゲート容量3cの上部電極3aに誘起される電荷は、電荷保存則から、
Qox−Qf=0 (式2)
となる。ゲート容量3cに誘起される電荷Qoxは、
Qox=CoxVox (式3)
となる。ここで、(式1)と(式2)を(式3)に代入すると、
Qf=Cox(Vpp−Vf) (式4)
となり、図2(b)中の直線OX1に相当する。
Now, assuming that the voltage Vpp is applied to the first input terminal CG,
Vpp = Vf + Vox (Equation 1)
It becomes. The electric charge induced in the lower electrode 1b of the ferroelectric capacitor 1 and the upper electrode 3a of the gate capacitor 3c is calculated according to the charge conservation law.
Qox−Qf = 0 (Equation 2)
It becomes. The charge Qox induced in the gate capacitance 3c is
Qox = CoxVox (Equation 3)
It becomes. Here, by substituting (Equation 1) and (Equation 2) into (Equation 3),
Qf = Cox (Vpp-Vf) (Equation 4)
And corresponds to the straight line OX1 in FIG.

一方、強誘電体キャパシタ1の電荷Qfと電圧Vfとの関係は、図2(b)中の曲線Ferroのようなヒステリシス特性を示す。直線OX1と曲線Ferroとの交点Aが、第1の入力端子CGに電圧Vppを印加した時における、強誘電体の電荷Qfと電圧Vfである。この状態から、第1の入力端子CGの電圧を接地に戻すと、ゲート容量を表す直線は、図2(b)中の直線OX2になる。直線OX2と曲線Ferroとの交点Bが、第1の入力端子CGに電圧Vppを加えてから接地に戻した時における、強誘電体の電荷Qfと電圧Vfである。図2(b)から、この時の電圧Vfは−Vhであることが分かる。しかし、電圧VfはフローティングゲートFGを基準としているので、接地を基準にすると、フローティングゲートFGの電圧はVhとなる。   On the other hand, the relationship between the charge Qf of the ferroelectric capacitor 1 and the voltage Vf shows a hysteresis characteristic as shown by a curve Ferro in FIG. The intersection A between the straight line OX1 and the curve Ferro is the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric when the voltage Vpp is applied to the first input terminal CG. When the voltage of the first input terminal CG is returned to ground from this state, the straight line representing the gate capacitance becomes the straight line OX2 in FIG. 2B. The intersection B between the straight line OX2 and the curve Ferro is the charge Qf and the voltage Vf of the ferroelectric when the voltage Vpp is applied to the first input terminal CG and then the ground is returned to the ground. FIG. 2B shows that the voltage Vf at this time is −Vh. However, since the voltage Vf is based on the floating gate FG, the voltage of the floating gate FG becomes Vh with respect to the ground.

このように、第1の入力端子CGに正の電圧Vppを印加した後、接地に戻すと、強誘電体の分極と電圧のヒステリシス特性により、フローティングゲートFGに正の電圧Vhが保持される。図2(b)から分かるように、この保持電圧Vhの大きさは曲線Ferroの形状すなわち角型比、直線Oxの傾きすなわちゲート容量、および第1の入力端子CGに印加する電圧の大きさによって変化する。また、同様に、第1の入力端子CGに負の電圧−Vppを印加した後、接地に戻すと、フローティングゲートFGに負の電圧−Vhが保持される。   As described above, when the positive voltage Vpp is applied to the first input terminal CG and then returned to the ground, the positive voltage Vh is held at the floating gate FG due to the polarization of the ferroelectric and the hysteresis characteristics of the voltage. As can be seen from FIG. 2B, the magnitude of the holding voltage Vh depends on the shape of the curve Ferro, ie, the squareness ratio, the slope of the straight line Ox, ie, the gate capacitance, and the magnitude of the voltage applied to the first input terminal CG. Change. Similarly, when a negative voltage -Vpp is applied to the first input terminal CG and then returned to the ground, the negative voltage -Vh is held at the floating gate FG.

第1の入力端子CGに正の電圧Vppを印加し、次いで接地に戻した後、フローティングゲートFGに保持される電圧Vhがn型MOSトランジスタ3のしきい値Vtnより大きくなるように設定しなければならない。強誘電体キャパシタ1の材料、面積、膜厚、およびn型MOSトランジスタのゲート容量すなわちゲート面積、ゲート酸化膜、および電圧Vppの大きさを適切に決定することで、上記設定を達成することが可能である。本実施形態では、一例として、強誘電体キャパシタの材料としてタンタル酸ストロンチウムビスマス(SrBi2Ta29)を用い、その面積を30[μm2]とし、その膜厚を300[nm]とした。n型MOSトランジスタのゲート面積を500[μm2]、ゲート酸化膜を9[nm]とし、そのしきい値Vtnは0.2[V]とした。また、印加電圧Vppを5[V]とした。このときの保持電圧Vhは約0.7[V]となる。 After applying a positive voltage Vpp to the first input terminal CG and then returning it to ground, the voltage Vh held by the floating gate FG must be set to be higher than the threshold value Vtn of the n-type MOS transistor 3. Must. The above setting can be achieved by appropriately determining the material, area, and film thickness of the ferroelectric capacitor 1 and the gate capacitance of the n-type MOS transistor, that is, the gate area, the gate oxide film, and the magnitude of the voltage Vpp. It is possible. In the present embodiment, as an example, strontium bismuth tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) is used as the material of the ferroelectric capacitor, the area is 30 [μm 2], and the film thickness is 300 [nm]. The gate area of the n-type MOS transistor was 500 [μm2], the gate oxide film was 9 [nm], and the threshold value Vtn was 0.2 [V]. The applied voltage Vpp was set to 5 [V]. The holding voltage Vh at this time is about 0.7 [V].

なお、ここでは、Vppを5[V]としたが、強誘電体の分極を飽和させる理由から、制御端子に印加する電圧Vppの絶対値は、正電圧である電源電圧Vdd以上であることが望ましい。一例として、電源電圧Vddは3.3[V]とした。   Although Vpp is set to 5 [V] here, the absolute value of the voltage Vpp applied to the control terminal may be equal to or higher than the positive power supply voltage Vdd because the polarization of the ferroelectric is saturated. desirable. As an example, the power supply voltage Vdd is set to 3.3 [V].

図3は、このような不揮発性ラッチ回路の回路動作のタイミングチャートである。第一のステップである時間t1において、第1の入力端子CGに正の電圧Vppを印加する。時間t1の後の第二ステップである時間t2において、第1の入力端子CGの電圧を接地に戻す。本実施形態では、一例として、0[V]とした。このとき、フローティングゲートFGの電圧は、Vhが保持されている。したがって、n型MOSトランジスタ3は、オン状態になり、約25[μA]の電流が流れる。抵抗素子2の抵抗値を適切に設定することで、出力端子OGの論理値は“L”になる。本実施形態では、一例として、1[MΩ]とした。時間t2のおける出力端子OGの論理値“L”は、強誘電体キャパシタ1の分極によって保持されているので、電源を遮断しても元の状態に復帰することが可能である。   FIG. 3 is a timing chart of the circuit operation of such a nonvolatile latch circuit. At time t1, which is the first step, a positive voltage Vpp is applied to the first input terminal CG. At a time t2 which is a second step after the time t1, the voltage of the first input terminal CG is returned to the ground. In the present embodiment, it is set to 0 [V] as an example. At this time, the voltage of the floating gate FG is maintained at Vh. Therefore, n-type MOS transistor 3 is turned on, and a current of about 25 [μA] flows. By appropriately setting the resistance value of the resistance element 2, the logical value of the output terminal OG becomes “L”. In the present embodiment, it is set to 1 [MΩ] as an example. Since the logic value "L" of the output terminal OG at the time t2 is held by the polarization of the ferroelectric capacitor 1, it is possible to return to the original state even if the power is cut off.

時間t2の後の第三ステップである時間t3において、第1の入力端子CGに負の電圧‐Vppを印加する。時間t4の後の第四ステップである時間t4において、第1の入力端子CGの電圧を再び、接地、すなわち0[V]に戻す。このとき、フローティングゲートFGの電圧は、‐Vhが保持されている。したがって、n型MOSトランジスタ3は、オフ状態になる。出力端子OGの論理値は“H”になる。時間t4における出力端子OGの論理値“H”も、同様に電源を遮断しても元の状態に復帰することが可能である。   At a time t3, which is a third step after the time t2, a negative voltage -Vpp is applied to the first input terminal CG. At a time t4, which is a fourth step after the time t4, the voltage of the first input terminal CG is returned to the ground, that is, 0 [V]. At this time, the voltage of the floating gate FG is maintained at -Vh. Therefore, n-type MOS transistor 3 is turned off. The logical value of the output terminal OG becomes “H”. The logic value "H" of the output terminal OG at the time t4 can also be returned to the original state even if the power is cut off.

なお、ここでは、抵抗素子の抵抗値を1[MΩ]としたが、抵抗値は、n型MOSトランジスタのオン状態におけるチャネル抵抗値とオフ状態におけるチャネル抵抗値の間であることが好ましい。ここでいうオン状態は、フローティングゲートFGにVhの電圧が保持されている状態であり、また、オフ状態はフローティングゲートFGに‐Vhの電圧が保持されている状態である。   Here, the resistance value of the resistance element is set to 1 [MΩ], but it is preferable that the resistance value be between the channel resistance value in the ON state and the channel resistance value in the OFF state of the n-type MOS transistor. Here, the ON state is a state in which the voltage of Vh is held in the floating gate FG, and the OFF state is a state in which the voltage of -Vh is held in the floating gate FG.

以上のように、この不揮発性ラッチ回路は、第1の入力端子CGに正または負の電圧を加えた後、接地に戻すことで、フローティングゲートFGの電圧が発生し、MOSトランジスタを制御し、そのトランジスタのオン、オフ状態に応じて論理値“L”、“H”が出力されるはずである。この出力値は、強誘電体の分極を利用しているため、電源を遮断してもその情報は保持される。   As described above, this nonvolatile latch circuit applies a positive or negative voltage to the first input terminal CG and then returns to the ground, thereby generating the voltage of the floating gate FG and controlling the MOS transistor. Logic values "L" and "H" should be output according to the ON / OFF state of the transistor. Since this output value uses the polarization of the ferroelectric, the information is retained even when the power is turned off.

また、特許文献1では、強誘電体キャパシタに印加される正と負の電圧の大きさが異なっていたが、この回路動作では、第1の入力端子CGに正と負の電圧を加えるので、強誘電体キャパシタに印加される正と負の電圧の大きさは等しい。さらに、第1の入力端子CGに正または負の電圧を加えた後、接地に戻した時の情報の読み出しにおいて、第1の入力端子CGに電圧を加えないため、従来例より消費電力を低減させることができる。   Further, in Patent Document 1, the magnitudes of the positive and negative voltages applied to the ferroelectric capacitor are different. However, in this circuit operation, since the positive and negative voltages are applied to the first input terminal CG, The magnitudes of the positive and negative voltages applied to the ferroelectric capacitor are equal. Further, in reading information when a positive or negative voltage is applied to the first input terminal CG and then returned to the ground, no voltage is applied to the first input terminal CG. Can be done.

しかし、図1に記載の不揮発性ラッチ回路では、以下のような新たな課題が生じた。   However, the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 1 has the following new problem.

n型MOSトランジスタ3をオンにすべく第1の入力端子CGに電圧Vppを印加しても、強誘電体ゲートデバイスにおいては、オン/オフ比を大きく取ることができず、結果として出力端子OGには電圧Vddが常に出力される、すなわち論理値”H”が常に出力されてしまう。   Even if the voltage Vpp is applied to the first input terminal CG to turn on the n-type MOS transistor 3, the on / off ratio cannot be made large in the ferroelectric gate device, and as a result, the output terminal OG , The voltage Vdd is always output, that is, the logical value “H” is always output.

一例を挙げて具体的にこの課題を説明する。n型MOSトランジスタ3をオフにした際のn型MOSトランジスタ3の抵抗の大きさは、抵抗素子2の抵抗の大きさの約100倍であると仮定する。この場合、抵抗素子2:n型MOSトランジスタ3=1:100という抵抗比が生じるため、電源電圧Vddは出力端子OGに向かうので、出力端子OGには論理値”H”として高電圧Vddが出力される。   This problem will be specifically described with an example. It is assumed that the resistance of the n-type MOS transistor 3 when the n-type MOS transistor 3 is turned off is about 100 times the resistance of the resistance element 2. In this case, since the resistance ratio of the resistance element 2: the n-type MOS transistor 3 = 1: 100 occurs, the power supply voltage Vdd goes to the output terminal OG, and the high voltage Vdd is output to the output terminal OG as a logical value “H”. Is done.

一方、n型MOSトランジスタ3をオンにした際のn型MOSトランジスタ3の抵抗の大きさは、抵抗素子2の抵抗の大きさの約10倍くらいにし低下しない。すなわち、上記の仮定の下では、オフ時のn型MOSトランジスタ3の抵抗は10ということになる。一般的なMOSトランジスタで有れば、オン時の抵抗は、オフ時の抵抗よりもずっと小さいのでこのような問題は生じないが、強誘電体ゲートデバイスでは、このようなオン/オフ比を大きく取ることができない。   On the other hand, when the n-type MOS transistor 3 is turned on, the resistance of the n-type MOS transistor 3 does not decrease to about 10 times the resistance of the resistance element 2. That is, under the above assumption, the resistance of the n-type MOS transistor 3 when it is off is 10. In the case of a general MOS transistor, such a problem does not occur because the resistance at the time of on is much smaller than the resistance at the time of off, but in a ferroelectric gate device, such an on / off ratio is increased. I can't take it.

n型MOSトランジスタ3をオンにする、ということは、本来、電源電圧を抵抗素子2およびn型MOSトランジスタ3を介して接地に逃がすことにより、出力端子に論理値”L”として低電圧を出力するということであるが、上記の通り、抵抗素子2:n型MOSトランジスタ3=1:10という抵抗比が生じるため、電源電圧Vddは出力端子OGに向かうことになる。この結果、n型MOSトランジスタのオン・オフに拘わらず、出力端子OGには常に高電圧である電源電圧Vddが出力され、結果として常に論理値”H”が出力されることになる。   Turning on the n-type MOS transistor 3 means that a low voltage is output as a logical value “L” to the output terminal by releasing the power supply voltage to the ground via the resistance element 2 and the n-type MOS transistor 3. However, as described above, since the resistance ratio of the resistance element 2: the n-type MOS transistor 3 = 1: 10 is generated, the power supply voltage Vdd goes to the output terminal OG. As a result, regardless of whether the n-type MOS transistor is on or off, the power supply voltage Vdd, which is a high voltage, is always output to the output terminal OG, and as a result, the logical value "H" is always output.

本発明者らは、このような強誘電体ゲートデバイスに固有の課題を見出し、この課題を解決すべく、本発明を完成させた。   The present inventors have found a problem unique to such a ferroelectric gate device, and have completed the present invention in order to solve this problem.

上記課題を解決する本発明は、不揮発性ラッチの駆動方法であって、
この不揮発性ラッチは、
強誘電体キャパシタ1と、
n型MOSトランジスタ3と、
p型MOSトランジスタ4とを備えており、
強誘電体キャパシタ1の一端は第1の入力端子CGに接続されており、
強誘電体キャパシタ1の他端は、n型MOSトランジスタ3のゲートに接続されており、
n型MOSトランジスタ3のソースは接地されており、
n型MOSトランジスタ3のドレインとp型MOSトランジスタ4のドレインとに出力端子OGが接続されており、
p型MOSトランジスタ4のゲートに第2の入力端子RGが接続されており、
p型MOSトランジスタ4のソースに正電圧Vddが入力され、
本発明に係る不揮発性ラッチの駆動方法は、以下の第1のステップt5、第2のステップt6、第3のステップt7、および第4のステップt8を順に有しており、
第1のステップt5において、第1の入力端子CGに第1の電圧Vppを印加してn型MOSトランジスタ3をオンにすると共に、p型MOSトランジスタ4がオフとなるように第2の入力端子RGに第2の電圧Vddを印加し、
第2のステップt6において、第1の入力端子CGに接地電圧を印加してn型MOSトランジスタ3のオン状態を維持すると共に、第2の入力端子RGに第2の電圧Vddよりも小さい第3の電圧Vred1を印加し、
第3のステップt7において、第1の入力端子CGに第1の電圧Vppとは極性が逆の第4の電圧−Vppを印加してn型MOSトランジスタ3をオフすると共に、p型MOSトランジスタ4がオフとなるように第2の入力端子RGに第5の電圧Vddを印加し、
第4のステップt8において、第1の入力端子CGに接地電圧を印加してn型MOSトランジスタ3のオフ状態を維持すると共に、第2の入力端子RGに第2の電圧Vddよりも小さい第6の電圧Vred2を印加する。
The present invention for solving the above problems is a method for driving a nonvolatile latch,
This non-volatile latch is
A ferroelectric capacitor 1;
an n-type MOS transistor 3,
and a p-type MOS transistor 4.
One end of the ferroelectric capacitor 1 is connected to a first input terminal CG,
The other end of the ferroelectric capacitor 1 is connected to the gate of the n-type MOS transistor 3,
The source of the n-type MOS transistor 3 is grounded,
An output terminal OG is connected to the drain of the n-type MOS transistor 3 and the drain of the p-type MOS transistor 4,
The second input terminal RG is connected to the gate of the p-type MOS transistor 4, and
The positive voltage Vdd is input to the source of the p-type MOS transistor 4,
A method for driving a nonvolatile latch according to the present invention includes the following first step t5, second step t6, third step t7, and fourth step t8 in order,
In a first step t5, a first voltage Vpp is applied to the first input terminal CG to turn on the n-type MOS transistor 3 and turn off the p-type MOS transistor 4 so that the second input terminal is turned off. Applying a second voltage Vdd to RG,
In the second step t6, the ground voltage is applied to the first input terminal CG to maintain the ON state of the n-type MOS transistor 3, and the third input terminal RG is connected to the third input terminal RG at a voltage lower than the second voltage Vdd. Voltage Vred1 is applied,
In a third step t7, a fourth voltage -Vpp having a polarity opposite to the first voltage Vpp is applied to the first input terminal CG to turn off the n-type MOS transistor 3 and turn off the p-type MOS transistor 4 Is turned off, a fifth voltage Vdd is applied to the second input terminal RG,
In the fourth step t8, the ground voltage is applied to the first input terminal CG to maintain the off state of the n-type MOS transistor 3, and the second input terminal RG is connected to the sixth input terminal RG which is lower than the second voltage Vdd. Is applied.

n型電解効果型トランジスタ3がオフの際にn型電解効果型トランジスタ3が有する抵抗値約100と仮定よりも、第3の電圧Vred1が印加された際にp型電解効果型トランジスタ4が有する抵抗値のいずれもが小さく、n型電解効果型トランジスタ3がオンの際にn型電解効果型トランジスタ3が有する抵抗値約10と仮定よりも、第3の電圧Vred1が印加された際にp型電解効果型トランジスタ4が有する抵抗値が大きくなるように、第3の電圧Vred1が設定されていることが好ましい。   When the third voltage Vred1 is applied, the p-type field-effect transistor 4 has a lower resistance than the assumption that the resistance of the n-type field-effect transistor 3 is about 100 when the n-type field-effect transistor 3 is off. When the third voltage Vred1 is applied, when the third voltage Vred1 is applied, when the third voltage Vred1 is applied, the resistance value is smaller than the resistance value of the n-type field-effect transistor 3 when the n-type field-effect transistor 3 is on. Voltage Vred1 is preferably set such that the resistance value of type field effect transistor 4 increases.

第3の電圧Vred1が印加された際にp型電解効果型トランジスタ4が有する抵抗値が、n型電解効果型トランジスタ3がオフの際にn型電解効果型トランジスタ3が有する抵抗値とn型電解効果型トランジスタ3がオンの際にn型電解効果型トランジスタ3が有する抵抗値との間の中間値に設定されていることが好ましい。   The resistance value of the p-type field effect transistor 4 when the third voltage Vred1 is applied is equal to the resistance value of the n-type field effect transistor 3 when the n-type field effect transistor 3 is off and the n-type field-effect transistor 3. It is preferable that the resistance value is set to an intermediate value between the resistance value of the n-type field effect transistor 3 when the field effect transistor 3 is turned on.

第3の電圧Vred1および第6の電圧Vred2が同電位の電圧であることが好ましい。   It is preferable that the third voltage Vred1 and the sixth voltage Vred2 have the same potential.

第1の電圧Vppの絶対値と第4の電圧−Vppの絶対値とが同じであることが好ましい。   It is preferable that the absolute value of the first voltage Vpp and the absolute value of the fourth voltage −Vpp are the same.

本発明に係る不揮発性ラッチ回路の駆動方法においては、n型MOSトランジスタ3がオンになっている第2のステップt6において、第2の入力端子RGに第2の電圧Vddよりも小さい電圧を印加することにより、p型MOSトランジスタ4の抵抗値を適切な値に設定することができる。これにより、p型MOSトランジスタ4とn型MOSトランジスタ3との抵抗比を適切な比にすることができるため、n型MOSトランジスタ3がオンになっている際に、電源電圧をp型MOSトランジスタ4およびn型MOSトランジスタ3を介して接地に逃がすことにより、出力端子OGに論理値”L”として低電圧を出力することができる。   In the driving method of the nonvolatile latch circuit according to the present invention, a voltage smaller than the second voltage Vdd is applied to the second input terminal RG in the second step t6 when the n-type MOS transistor 3 is turned on. By doing so, the resistance value of p-type MOS transistor 4 can be set to an appropriate value. This makes it possible to set the resistance ratio between the p-type MOS transistor 4 and the n-type MOS transistor 3 to an appropriate ratio. Therefore, when the n-type MOS transistor 3 is turned on, the power supply voltage is reduced to the p-type MOS transistor. 4 and the n-type MOS transistor 3 allow the output terminal OG to output a low voltage as a logical value “L” by escaping to ground.

本発明の不揮発性ラッチ回路の駆動方法では、第1のステップt5および第3のステップt7において第1の入力端子CGに正または負の電圧を加えた後、第2のステップt6および第4のステップt8において接地に戻すことで、フローティングゲートFGの電圧が発生し、n型MOSトランジスタ3を制御し、このn型MOSトランジスタ3のオン、オフ状態に応じて論理値“L”、“H”が出力される。この出力値は、強誘電体キャパシタ1の分極を利用しているため、電源を遮断してもその情報は保持される。   In the method for driving the nonvolatile latch circuit according to the present invention, after the positive or negative voltage is applied to the first input terminal CG in the first step t5 and the third step t7, the second step t6 and the fourth step By returning the voltage to the ground at step t8, the voltage of the floating gate FG is generated to control the n-type MOS transistor 3, and the logical values "L" and "H" according to the on / off state of the n-type MOS transistor 3. Is output. Since this output value uses the polarization of the ferroelectric capacitor 1, the information is retained even when the power is turned off.

特許文献1では、強誘電体キャパシタに印加される正と負の電圧の大きさが異なっていたが、本発明の回路動作では、第1の入力端子CGに正と負の電圧を加えるので、強誘電体キャパシタ1に印加される正と負の電圧の大きさは等しい。   In Patent Document 1, the magnitudes of the positive and negative voltages applied to the ferroelectric capacitor are different. However, in the circuit operation of the present invention, since the positive and negative voltages are applied to the first input terminal CG, The magnitudes of the positive and negative voltages applied to the ferroelectric capacitor 1 are equal.

第1の入力端子CGに正または負の電圧を加える時、p型MOSトランジスタ4をオフ状態にするので、消費電流を低減できる。さらに、第1のステップt5および第3のステップt7において第1の入力端子CGに正または負の電圧を加えた後、第2のステップt6および第4のステップt8において接地に戻した時の情報の読み出しにおいて、第1の入力端子CGに電圧を加えないため、従来例より消費電力を低減させることができる。   When a positive or negative voltage is applied to the first input terminal CG, the p-type MOS transistor 4 is turned off, so that current consumption can be reduced. Furthermore, after a positive or negative voltage is applied to the first input terminal CG in the first step t5 and the third step t7, the information is returned to the ground in the second step t6 and the fourth step t8. In the read operation, no voltage is applied to the first input terminal CG, so that power consumption can be reduced as compared with the conventional example.

(不揮発性ラッチ回路の構成)
図4は、本発明の実施形態の不揮発性ラッチ回路を示す回路図である。図4において、1は強誘電体キャパシタ、3はn型MOSトランジスタ、4はp型MOSトランジスタである。強誘電体キャパシタ1の一端(図4の左側)は第1の入力端子CGに接続されている。強誘電体キャパシタ1の他端(図4の右側)は、フローティングゲートFGを介してn型MOSトランジスタ3のゲートに接続されている。n型MOSトランジスタ3のソースは接地されている。n型MOSトランジスタ3のドレインとp型MOSトランジスタ4のドレインとに出力端子OGが接続されている。p型MOSトランジスタ4のゲートに第2の入力端子RGが接続されている。p型MOSトランジスタ4のソースに正電圧Vddが入力されている。
(Configuration of nonvolatile latch circuit)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a nonvolatile latch circuit according to the embodiment of the present invention. In FIG. 4, 1 is a ferroelectric capacitor, 3 is an n-type MOS transistor, and 4 is a p-type MOS transistor. One end (the left side in FIG. 4) of the ferroelectric capacitor 1 is connected to the first input terminal CG. The other end (the right side in FIG. 4) of the ferroelectric capacitor 1 is connected to the gate of the n-type MOS transistor 3 via the floating gate FG. The source of the n-type MOS transistor 3 is grounded. The output terminal OG is connected to the drain of the n-type MOS transistor 3 and the drain of the p-type MOS transistor 4. The second input terminal RG is connected to the gate of the p-type MOS transistor 4. The positive voltage Vdd is input to the source of the p-type MOS transistor 4.

以上のように、本実施形態の回路は、図1の回路とほぼ同じである。異なる点は、図1では抵抗素子2の代わりに、本実施形態ではp型MOSトランジスタ4を用いたことである。p型MOSトランジスタ4を用いることで、消費電流を低減できる。第1の入力端子CGに正の電圧を印加し、強誘電体キャパシタ1に情報を書き込む際、図1では、フローティングゲートFGが正の電圧になるため、抵抗素子2に電流が流れてしまう。しかし、本実施形態の回路では、第1の入力端子CGに正の電圧を印加する際、p型MOSトランジスタ4をオフ状態にすることで、書き込み時の消費電流を低減できることが本実施形態の1つの特徴である。
(不揮発性ラッチ回路の駆動方法)
図5は、本発明の実施形態による不揮発性ラッチ回路の回路動作のタイミングチャートである。本実施形態1に係る不揮発性ラッチ回路の駆動方法は、第1のステップt5、第2のステップt6、第3のステップt7、および第4のステップt8を順に有している。
(第1および第2のステップについて)
第1のステップt5(時間t5)においては、第1の入力端子CGに第1の電圧Vppを印加してn型MOSトランジスタ3をオンにすると共に、p型MOSトランジスタ4がオフとなるように第2の入力端子RGに第2の電圧Vddを印加する。その後、第2のステップt6(時間t6)において、第1の入力端子CGに接地電圧を印加してn型MOSトランジスタ3のオン状態を維持すると共に、第2の入力端子RGに第2の電圧Vddよりも小さい第3の電圧Vred1を印加する。
As described above, the circuit of this embodiment is almost the same as the circuit of FIG. The difference is that a p-type MOS transistor 4 is used in this embodiment instead of the resistance element 2 in FIG. By using the p-type MOS transistor 4, current consumption can be reduced. When a positive voltage is applied to the first input terminal CG to write information in the ferroelectric capacitor 1, the floating gate FG has a positive voltage in FIG. However, in the circuit according to the present embodiment, when a positive voltage is applied to the first input terminal CG, the current consumption at the time of writing can be reduced by turning off the p-type MOS transistor 4. This is one feature.
(Driving method of nonvolatile latch circuit)
FIG. 5 is a timing chart of the circuit operation of the nonvolatile latch circuit according to the embodiment of the present invention. The method for driving the nonvolatile latch circuit according to the first embodiment includes a first step t5, a second step t6, a third step t7, and a fourth step t8 in this order.
(About the first and second steps)
In the first step t5 (time t5), the n-type MOS transistor 3 is turned on by applying the first voltage Vpp to the first input terminal CG, and the p-type MOS transistor 4 is turned off. The second voltage Vdd is applied to the second input terminal RG. Thereafter, in a second step t6 (time t6), the ground voltage is applied to the first input terminal CG to keep the n-type MOS transistor 3 on, and the second voltage is applied to the second input terminal RG. A third voltage Vred1 smaller than Vdd is applied.

より具体的に説明すると、第1のステップである時間t5において、第2の入力端子RGの電圧を第2の電圧である電源電圧Vddにすることによりp型MOSトランジスタ4をオフ状態にしておくと共に、第1の入力端子CGに正の電圧Vppを印加することによりn型MOSトランジスタ3をオンにする。時間t5の後の第2ステップである時間t6において、第1の入力端子CGの電圧を接地に戻す。本実施形態では、一例として、Vppを5[V]、Vddを3.3[V]、接地電圧を0[V]とした。   More specifically, at time t5, which is the first step, the voltage of the second input terminal RG is set to the power supply voltage Vdd, which is the second voltage, so that the p-type MOS transistor 4 is turned off. At the same time, the n-type MOS transistor 3 is turned on by applying a positive voltage Vpp to the first input terminal CG. At a time t6 which is a second step after the time t5, the voltage of the first input terminal CG is returned to the ground. In the present embodiment, as an example, Vpp is 5 [V], Vdd is 3.3 [V], and the ground voltage is 0 [V].

時間t6においては、強誘電体キャパシタ1が存在するため、第1の入力端子CGの電圧が接地に戻った後であっても、フローティングゲートFGの電圧はVh(一例として2〜3[V]程度)に保持されている。したがって、n型MOSトランジスタ3は、オン状態を維持することになり、上記の一例では約25[μA]の電流が流れることになる。このとき、p型MOSトランジスタ4の第2の入力端子RGの電圧を第3の電圧であるVred1にする。このVred1を適切に設定する、すなわちp型MOSトランジスタ4のチャネル抵抗値を適切に設定することで、出力端子OGの論理値は“L”になる。   At time t6, since the ferroelectric capacitor 1 exists, even after the voltage of the first input terminal CG returns to the ground, the voltage of the floating gate FG becomes Vh (for example, 2 to 3 [V]). Degree) is held. Therefore, the n-type MOS transistor 3 is kept on, and in the above example, a current of about 25 [μA] flows. At this time, the voltage of the second input terminal RG of the p-type MOS transistor 4 is set to the third voltage Vred1. By appropriately setting Vred1, that is, by appropriately setting the channel resistance value of the p-type MOS transistor 4, the logical value of the output terminal OG becomes “L”.

これについて詳細に説明すると、この時間t6においては、p型MOSトランジスタ4を完全にオンにするのではなく、そのチャネル抵抗値が、n型MOSトランジスタ3をオンにしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値と、n型MOSトランジスタ3をオフ時にしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値との間の値(好ましくはその中間値付近、より好ましくは中間値(すなわち、平均値))になるようにVred1を設定する。時間t6においては、n型MOSトランジスタ3はオン状態であるから、電源電圧Vddからの電流はp型MOSトランジスタ4(厳密にはp型MOSトランジスタ4のチャネル)およびn型MOSトランジスタ3(厳密にはn型MOSトランジスタ3のチャネル)を流れていく。そのため、出力端子OGには論理値“L”が出力されることになる。   This will be described in detail. At this time t6, the p-type MOS transistor 4 is not completely turned on, but the channel resistance value of the n-type MOS transistor 3 when the n-type MOS transistor 3 is turned on is changed. Between the channel resistance value of the n-type MOS transistor 3 and the channel resistance value of the n-type MOS transistor 3 when the n-type MOS transistor 3 is turned off (preferably near the intermediate value, more preferably the intermediate value (that is, the average value)). ) Is set. At time t6, since n-type MOS transistor 3 is on, current from power supply voltage Vdd is applied to p-type MOS transistor 4 (strictly, the channel of p-type MOS transistor 4) and n-type MOS transistor 3 (strictly). Flows through the channel of the n-type MOS transistor 3). Therefore, the logical value “L” is output to the output terminal OG.

もう少し具体的に例を挙げて説明する。時間t6においては、n型MOSトランジスタ3をオンにしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値を10と仮定し、n型MOSトランジスタ3をオフ時にしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値100と仮定する。この場合、この時間t6におけるp型MOSトランジスタ4のチャネル抵抗値が10を超えて100未満となるように(好ましくはその中間値付近である約50に、より好ましくは中間値(すなわち、平均値である50)に)第3の電圧Vred1を設定する。   A more specific example will be described. At time t6, the channel resistance of n-type MOS transistor 3 when n-type MOS transistor 3 is turned on is assumed to be 10, and the channel resistance of n-type MOS transistor 3 when n-type MOS transistor 3 is turned off is assumed. Assume a value of 100. In this case, the channel resistance value of the p-type MOS transistor 4 at the time t6 is set to be more than 10 and less than 100 (preferably at about 50 which is near the intermediate value, more preferably at the intermediate value (that is, the average value). 50)), the third voltage Vred1 is set.

このようにすれば、p型MOSトランジスタ4とn型MOSトランジスタ3との抵抗比を適切な比(上記のより好ましい例では、p型MOSトランジスタ4の抵抗値:n型MOSトランジスタ3の抵抗値=50:10)にすることができるため、n型MOSトランジスタ3がオンになっている際に、電源電圧をp型MOSトランジスタ4およびn型MOSトランジスタ3を介して接地に逃がすことにより、出力端子に論理値”L”として低電圧を出力することができる。   In this case, the resistance ratio between the p-type MOS transistor 4 and the n-type MOS transistor 3 is set to an appropriate ratio (in the more preferable example, the resistance value of the p-type MOS transistor 4: the resistance value of the n-type MOS transistor 3). = 50: 10), the power supply voltage is released to the ground via the p-type MOS transistor 4 and the n-type MOS transistor 3 when the n-type MOS transistor 3 is on, so that the output A low voltage can be output to the terminal as a logical value “L”.

本実施形態では、一例として、Vred1の値として2.5[V]とした。時間t6のおける出力端子OGの論理値“L”は、強誘電体キャパシタ1の分極によって保持されているので、電源を遮断しても元の状態に復帰することが可能である。
(第3および第4のステップについて)
第3のステップt7においては、第1の入力端子CGに第1の電圧Vppとは極性が逆の第4の電圧−Vppを印加してn型MOSトランジスタ3をオフにすると共に、p型MOSトランジスタ4がオフとなるように第2の入力端子RGに第5の電圧Vddを印加する。
In the present embodiment, as an example, the value of Vred1 is set to 2.5 [V]. Since the logical value "L" of the output terminal OG at the time t6 is held by the polarization of the ferroelectric capacitor 1, it is possible to return to the original state even when the power is cut off.
(About the third and fourth steps)
In the third step t7, the n-type MOS transistor 3 is turned off by applying a fourth voltage -Vpp having a polarity opposite to the first voltage Vpp to the first input terminal CG, and the p-type MOS transistor is turned off. A fifth voltage Vdd is applied to the second input terminal RG so that the transistor 4 is turned off.

第4のステップt8においては、第1の入力端子CGに接地電圧を印加してn型MOSトランジスタ3のオフ状態を維持すると共に、第2の入力端子RGに第2の電圧Vddよりも小さい第6の電圧Vred2を印加する。   In the fourth step t8, a ground voltage is applied to the first input terminal CG to keep the n-type MOS transistor 3 in the off state, and the second input terminal RG has the second input terminal RG smaller than the second voltage Vdd. 6 is applied.

時間t6の後の第3ステップである時間t7において、第2の入力端子RGの電圧を再び、電源電圧Vddにし、p型トランジスタ4をオフ状態にしてから、第1の入力端子CGに第4の電圧として負の電圧‐Vppを印加する。なお、ここでは、第4の電圧の絶対値(Vpp)と第1の電圧の絶対値(Vpp)とは同じ値としているが、第1の電圧は、時間t5においてn型MOSトランジスタ3をオンにすると共に、それに続き第1の入力端子CGに接地電圧が印加される時間t6においてもn型MOSトランジスタ3がオンとなっている状態を強誘電体キャパシタ1が維持できる値であればよい。同様に、第4の電圧は、時間t7においてn型MOSトランジスタ3をオフにすると共に、それに続き第1の入力端子CGに接地電圧が印加される時間t8においてもそのオフとなっている状態を維持できる値であればよい。従って、必ずしも第1の電圧の絶対値と第4の電圧の絶対値を同じにする必要はない。ただし強誘電体キャパシタ1に同じ極性の電圧を印加した場合には次第に分極が確実に生じなくなり、結果としてその寿命が短くなってしまう。そのため、常に分極を確実に生じさせ、寿命を延ばすという観点からは、第4の電圧の絶対値(Vpp)と第1の電圧の絶対値(Vpp)とは同じ値とすることが好ましい。   At a time t7, which is a third step after the time t6, the voltage of the second input terminal RG is set to the power supply voltage Vdd again, the p-type transistor 4 is turned off, and then the fourth input terminal CG is connected to the first input terminal CG. A negative voltage -Vpp is applied as the voltage of. Here, the absolute value (Vpp) of the fourth voltage is the same as the absolute value (Vpp) of the first voltage, but the first voltage turns on the n-type MOS transistor 3 at time t5. In addition, any value may be used as long as the ferroelectric capacitor 1 can maintain the state in which the n-type MOS transistor 3 is turned on at the time t6 when the ground voltage is applied to the first input terminal CG. Similarly, the fourth voltage turns off the n-type MOS transistor 3 at time t7, and then turns off the same at time t8 when the ground voltage is applied to the first input terminal CG. Any value that can be maintained may be used. Therefore, it is not always necessary to make the absolute value of the first voltage equal to the absolute value of the fourth voltage. However, when a voltage of the same polarity is applied to the ferroelectric capacitor 1, the polarization gradually does not surely occur, and as a result, its life is shortened. Therefore, from the viewpoint of ensuring that polarization always occurs and extending the life, it is preferable that the absolute value (Vpp) of the fourth voltage and the absolute value (Vpp) of the first voltage be the same.

時間t7の後の第4ステップである時間t8において、第1の入力端子CGの電圧を再び、接地、すなわち0[V]に戻す。このとき、強誘電体キャパシタ1が存在するため、フローティングゲートFGの電圧は、‐Vhとなる。したがって、n型MOSトランジスタ3は、オフ状態を維持することになる。従って、出力端子OGの論理値は“H”になる。   At a time t8, which is a fourth step after the time t7, the voltage of the first input terminal CG is returned to the ground, that is, 0 [V]. At this time, since the ferroelectric capacitor 1 exists, the voltage of the floating gate FG becomes -Vh. Therefore, n-type MOS transistor 3 maintains the off state. Therefore, the logical value of the output terminal OG becomes “H”.

これについて詳細に説明すると、この時間t8においても、時間t6と同様、p型MOSトランジスタ4を完全にオンにせず、そのチャネル抵抗値が、n型MOSトランジスタ3をオン時にしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値と、n型MOSトランジスタ3をオフ時にしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値との間の値(好ましくは中間値付近(より好ましくは中間値))になるように、Vred2がp型MOSトランジスタ4のゲートに入力されている。時間t8においては、n型MOSトランジスタ3はオフ状態であるから、p型MOSトランジスタ4と比較して高抵抗となる。従って、Vddからの電源電圧はp型MOSトランジスタ4(厳密にはp型MOSトランジスタ4のチャネル)から出力端子OGに向けて流れようとする。そのため、出力端子OGには“H”が出力されることになる。   More specifically, at time t8, similarly to time t6, the p-type MOS transistor 4 is not completely turned on, and the channel resistance value is the n-type MOS transistor when the n-type MOS transistor 3 is turned on. A value (preferably near an intermediate value (more preferably, an intermediate value)) between the channel resistance value of the transistor 3 and the channel resistance value of the n-type MOS transistor 3 when the n-type MOS transistor 3 is turned off. Vred2 is input to the gate of the p-type MOS transistor 4. At time t8, since the n-type MOS transistor 3 is in the off state, the resistance becomes higher than that of the p-type MOS transistor 4. Therefore, the power supply voltage from Vdd tends to flow from the p-type MOS transistor 4 (strictly, the channel of the p-type MOS transistor 4) to the output terminal OG. Therefore, "H" is output to the output terminal OG.

なお、n型MOSトランジスタ3がオフである場合には、必ずしも上記のように、n型MOSトランジスタ3の抵抗値を設定する必要はない。なぜなら、p型MOSトランジスタ4を完全にオンにせず、ある程度の電流がn型MOSトランジスタ3を流れずに電源端子から出力端子OGに流れるようにすることにより、論理値”H”が出力端子OGに出力される。このようになっている限り、時間t8においてオフとなっているp型MOSトランジスタ4の抵抗値(厳密にはチャネル抵抗値)はオンとなっているp型MOSトランジスタ4の抵抗値よりも大きければよいからである。   When the n-type MOS transistor 3 is off, it is not necessary to set the resistance value of the n-type MOS transistor 3 as described above. This is because the p-type MOS transistor 4 is not completely turned on, and a certain amount of current flows from the power supply terminal to the output terminal OG without flowing through the n-type MOS transistor 3, so that the logical value “H” is output from the output terminal OG. Is output to As long as this is the case, if the resistance value (strictly, the channel resistance value) of the p-type MOS transistor 4 turned off at the time t8 is larger than the resistance value of the p-type MOS transistor 4 turned on. Because it is good.

ただし、時間t8において論理値”H”を確実に出力端子OGに出力することや、回路構成を容易にすると言う観点からは、上記のように、時間t8においても時間t6と同様、p型MOSトランジスタ4のチャネル抵抗値が、n型MOSトランジスタ3をオン時にしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値と、n型MOSトランジスタ3をオフ時にしたときにおけるn型MOSトランジスタ3のチャネル抵抗値との間の値(好ましくは中間値付近(より好ましくは中間値))になるように、Vred2がp型MOSトランジスタ4のゲートに入力することが好ましい。この場合、第3の電圧Vred1と第6の電圧Vred2とは図5にVredとして示すように、同じ電圧になる。   However, from the viewpoint of reliably outputting the logical value "H" to the output terminal OG at the time t8 and facilitating the circuit configuration, the p-type MOS transistor is also used at the time t8 as in the case of the time t6. The channel resistance value of the transistor 4 is the channel resistance value of the n-type MOS transistor 3 when the n-type MOS transistor 3 is turned on, and the channel resistance value of the n-type MOS transistor 3 when the n-type MOS transistor 3 is turned off. It is preferable that Vred2 be input to the gate of the p-type MOS transistor 4 so as to be a value (preferably near the intermediate value (more preferably, the intermediate value)). In this case, the third voltage Vred1 and the sixth voltage Vred2 have the same voltage as shown as Vred in FIG.

時間t8のおける出力端子OGの論理値“H”も、同様に電源を遮断しても元の状態に復帰することが可能である。なお、本明細書において用いられる用語「オン状態」は、フローティングゲートFGにVhの電圧が保持されていることによりn型MOSトランジスタ3(のチャネル)が低抵抗になっている状態を指す。同様に、「オフ状態」はフローティングゲートFGに‐Vhの電圧が保持されていることによりn型MOSトランジスタ3(のチャネル)が高抵抗になっている状態を指す。   Similarly, the logic value "H" of the output terminal OG at the time t8 can be returned to the original state even if the power is cut off. Note that the term “on state” used in this specification indicates a state in which the n-type MOS transistor 3 (channel) has a low resistance because the voltage of Vh is held in the floating gate FG. Similarly, the “off state” indicates a state in which the (-channel) of the n-type MOS transistor 3 has a high resistance because the voltage of −Vh is held in the floating gate FG.

以上のように、本発明の実施形態の不揮発性ラッチ回路は、p型MOSトランジスタ4を用い、時間t6(好ましくは時間t6および時間t8)にこのp型MOSトランジスタ4が完全にオンとならないように制御することにより、n型MOSトランジスタ3のオンの時に確実に論理値”L”を出力端子OGに出力することができる。論理値”H”が出力端子に出力されていることを含め、これらの出力端子OGに出力される論理値”H”および”L”は、強誘電体キャパシタ1の分極を利用しているため、電源を遮断してもその情報は保持される。また、従来例では、強誘電体キャパシタに印加される正と負の電圧の大きさが異なっていたが、本実施形態の回路動作では、第1の入力端子CGに正と負の電圧を加えるので、強誘電体キャパシタ1に印加される正と負の電圧の大きさは等しい。   As described above, the nonvolatile latch circuit according to the embodiment of the present invention uses the p-type MOS transistor 4 so that the p-type MOS transistor 4 is not completely turned on at time t6 (preferably at time t6 and time t8). , The logical value “L” can be reliably output to the output terminal OG when the n-type MOS transistor 3 is turned on. Since the logical values “H” and “L” output to these output terminals OG include the fact that the logical value “H” is output to the output terminal, the polarization of the ferroelectric capacitor 1 is used. Even if the power is turned off, the information is retained. Further, in the conventional example, the magnitudes of the positive and negative voltages applied to the ferroelectric capacitor are different, but in the circuit operation of the present embodiment, the positive and negative voltages are applied to the first input terminal CG. Therefore, the magnitudes of the positive and negative voltages applied to the ferroelectric capacitor 1 are equal.

また、第1の入力端子CGに正または負の電圧を加える時、p型MOSトランジスタ4をオフ状態にするので、消費電流を低減できる。さらに、第1の入力端子CGに正または負の電圧を加えた後、接地に戻した時の情報の読み出しにおいて、第1の入力端子CGに電圧を加えないため、従来例より消費電力を低減させることができる。   Further, when a positive or negative voltage is applied to the first input terminal CG, the p-type MOS transistor 4 is turned off, so that current consumption can be reduced. Further, in reading information when a positive or negative voltage is applied to the first input terminal CG and then returned to the ground, no voltage is applied to the first input terminal CG. Can be done.

なお、本実施形態では、MOSトランジスタとしてMOSトランジスタを用いたが、電圧によって制御するトランジスタであれば、本実施形態の回路動作が得られることは言うまでもない。例えば、接合型MOSトランジスタ(JFET)などでも動作可能である。本実施形態では、抵抗素子を用いたが、相変化材料などを用いた抵抗変化素子を用いてもよい。   In the present embodiment, a MOS transistor is used as the MOS transistor. However, it goes without saying that the circuit operation of the present embodiment can be obtained as long as the transistor is controlled by a voltage. For example, it can operate with a junction type MOS transistor (JFET) or the like. In this embodiment, a resistance element is used, but a resistance change element using a phase change material or the like may be used.

(本発明の応用例)
図6は、本発明の応用例の半導体回路を示す回路図である。5はパストランジスタ、6は第一の論理回路、7は第二の論理回路である。
(Application example of the present invention)
FIG. 6 is a circuit diagram showing a semiconductor circuit of an application example of the present invention. 5 is a pass transistor, 6 is a first logic circuit, and 7 is a second logic circuit.

図6に示すように、パストランジスタ5の入力端子INに第一の論理回路6の出力を、パストランジスタ5の出力端子OUTに第二の論理回路7の入力を接続させる。また、パストランジスタ5のゲートに本発明の図1の不揮発性ラッチ回路の出力端子OGを接続させ、不揮発性ラッチ回路によって、論理回路の信号を制御する。   As shown in FIG. 6, the output of the first logic circuit 6 is connected to the input terminal IN of the pass transistor 5, and the input of the second logic circuit 7 is connected to the output terminal OUT of the pass transistor 5. Further, the output terminal OG of the nonvolatile latch circuit of FIG. 1 of the present invention is connected to the gate of the pass transistor 5, and the signal of the logic circuit is controlled by the nonvolatile latch circuit.

不揮発性ラッチ回路の出力が“L”の場合、論理回路間は切断されており、論理信号は伝達されない。不揮発性ラッチ回路の出力が“H”の場合、論理回路間は接続されており、論理信号は伝達される。不揮発性ラッチ回路に書き込まれた情報は、不揮発性を有するため、電源が遮断されても保持される。   When the output of the nonvolatile latch circuit is "L", the logic circuits are disconnected, and no logic signal is transmitted. When the output of the nonvolatile latch circuit is “H”, the logic circuits are connected to each other, and the logic signal is transmitted. The information written in the nonvolatile latch circuit has non-volatility and is retained even when the power is shut off.

図7に示すように、図1の不揮発性ラッチ回路ではなく、図4に示す不揮発性ラッチ回路を用いることもできる。これにより、書き込み時の消費電流がさらに低減できる。   As shown in FIG. 7, the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 4 can be used instead of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. As a result, current consumption during writing can be further reduced.

以上のように、本実施形態では、パストランジスタによって論理信号を制御し、その制御情報は、不揮発性ラッチ回路に保持されるので、電源が遮断されても、復帰可能である。また、論理信号と不揮発性ラッチ回路を制御する信号を分離したので、従来例のように、論理信号に遅延を生じることはなく、高速にすることが可能である。   As described above, in the present embodiment, the logic signal is controlled by the pass transistor, and the control information is held in the nonvolatile latch circuit, so that the control signal can be restored even when the power is cut off. Further, since the logic signal and the signal for controlling the nonvolatile latch circuit are separated from each other, there is no delay in the logic signal as in the conventional example, and it is possible to increase the speed.

なお、本実施形態では、論理信号を制御する素子として、パストランジスタを用いたが、これに限定するものではない。不揮発性ラッチ回路の出力に接続する素子は、論理信号を制御する半導体素子であれば、どのようなもので構わない。例えば、不揮発性ラッチ回路の出力にインバータであるバッファを接続してもよい。   In this embodiment, a pass transistor is used as an element for controlling a logic signal. However, the present invention is not limited to this. The element connected to the output of the nonvolatile latch circuit may be any element as long as it is a semiconductor element for controlling a logic signal. For example, a buffer which is an inverter may be connected to the output of the nonvolatile latch circuit.

上記の通り、本発明によれば、論理値”H”だけでなく、確実に論理値”L”も出力することができる強誘電体ゲートデバイスを備えた不揮発性ラッチ回路の駆動方法が提供される。   As described above, according to the present invention, there is provided a method of driving a nonvolatile latch circuit including a ferroelectric gate device capable of reliably outputting not only the logical value “H” but also the logical value “L”. You.

本発明者らによってまず考案された不揮発性ラッチ回路を示す図FIG. 2 is a diagram showing a nonvolatile latch circuit first devised by the present inventors; 本発明の動作原理を説明するための図(a)強誘電体キャパシタとN型MOSトランジスタとの等価回路を示す図(b)強誘電体キャパシタFerroおよびゲート容Oxの電荷量−電圧特性を示す図FIG. 3A is a diagram illustrating an operation principle of the present invention, FIG. 3B is a diagram illustrating an equivalent circuit of a ferroelectric capacitor and an N-type MOS transistor, and FIG. 3B is a diagram illustrating the charge-voltage characteristics of the ferroelectric capacitor Ferro and the gate capacitor Ox. Figure 図1に示す不揮発性ラッチ回路の各端子の電圧のタイミングチャートTiming chart of the voltage of each terminal of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 本発明の実施形態の回路を示す図FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の回路の各端子の電圧のタイミングチャートTiming chart of voltage of each terminal of the circuit according to the embodiment of the present invention 本発明の応用例の回路を示す図Diagram showing a circuit of an application example of the present invention 本発明の応用例の回路を示す図Diagram showing a circuit of an application example of the present invention 従来技術の回路を示す図Diagram showing prior art circuit 従来技術の回路の各端子の電圧のタイミングチャートTiming chart of voltage of each terminal of conventional circuit

符号の説明Explanation of reference numerals

1:強誘電体キャパシタ
3:n型MOSトランジスタ
4:p型MOSトランジスタ
CG:第1の入力端子
RG:第2の入力端子
OG:出力端子
t5:第1のステップ(時間t5)
t6:第2のステップ(時間t6)
t7:第2のステップ(時間t7)
t8:第2のステップ(時間t8)
Vpp:第1の電圧
Vdd:第2の電圧、第5の電圧、正電圧(電源電圧)
Vred1:第3の電圧
−Vpp:第4の電圧
Vred2:第6の電圧



1: Ferroelectric capacitor 3: n-type MOS transistor 4: p-type MOS transistor CG: first input terminal RG: second input terminal OG: output terminal t5: first step (time t5)
t6: Second step (time t6)
t7: Second step (time t7)
t8: Second step (time t8)
Vpp: first voltage Vdd: second voltage, fifth voltage, positive voltage (power supply voltage)
Vred1: third voltage -Vpp: fourth voltage Vred2: sixth voltage



Claims (5)

不揮発性ラッチの駆動方法であって、
前記不揮発性ラッチは、
強誘電体キャパシタと、
n型MOSトランジスタと、
p型MOSトランジスタとを備えており、
前記強誘電体キャパシタの一端は第1の入力端子に接続されており、
前記強誘電体キャパシタの他端は、前記n型MOSトランジスタのゲートに接続されており、
前記n型MOSトランジスタのソースは接地されており、
前記n型MOSトランジスタのドレインと前記p型MOSトランジスタのドレインとに出力端子が接続されており、
前記p型MOSトランジスタのゲートに第2の入力端子が接続されており、
前記p型MOSトランジスタのソースに正電圧が入力され、
前記不揮発性ラッチの駆動方法は、第1のステップ、第2のステップ、第3のステップ、および第4のステップを順に有しており、
前記第1のステップにおいて、前記第1の入力端子に第1の電圧を印加して前記n型MOSトランジスタをオンにすると共に、前記p型MOSトランジスタがオフとなるように前記第2の入力端子に第2の電圧を印加し、
前記第2のステップにおいて、前記第1の入力端子に接地電圧を印加して前記n型MOSトランジスタのオン状態を維持すると共に、前記第2の入力端子に前記第2の電圧よりも小さい第3の電圧を印加し、
前記第3のステップにおいて、前記第1の入力端子に前記第1の電圧とは極性が逆の第4の電圧を印加して前記n型MOSトランジスタをオフすると共に、前記p型MOSトランジスタがオフとなるように前記第2の入力端子に第5の電圧を印加し、
前記第4のステップにおいて、前記第1の入力端子に接地電圧を印加して前記n型MOSトランジスタのオフ状態を維持すると共に、前記第2の入力端子に前記第2の電圧よりも小さい第6の電圧を印加する。
A method for driving a nonvolatile latch, comprising:
The nonvolatile latch includes:
A ferroelectric capacitor,
an n-type MOS transistor;
and a p-type MOS transistor,
One end of the ferroelectric capacitor is connected to a first input terminal,
The other end of the ferroelectric capacitor is connected to a gate of the n-type MOS transistor,
The source of the n-type MOS transistor is grounded,
An output terminal is connected to a drain of the n-type MOS transistor and a drain of the p-type MOS transistor,
A second input terminal is connected to a gate of the p-type MOS transistor;
A positive voltage is input to the source of the p-type MOS transistor,
The method of driving the nonvolatile latch includes a first step, a second step, a third step, and a fourth step in order,
In the first step, a second voltage is applied to the first input terminal so that the n-type MOS transistor is turned on and the p-type MOS transistor is turned off. A second voltage is applied to
In the second step, a ground voltage is applied to the first input terminal to maintain the ON state of the n-type MOS transistor, and a third voltage smaller than the second voltage is applied to the second input terminal. Apply the voltage of
In the third step, a fourth voltage having a polarity opposite to that of the first voltage is applied to the first input terminal to turn off the n-type MOS transistor and turn off the p-type MOS transistor. Applying a fifth voltage to the second input terminal so that
In the fourth step, a ground voltage is applied to the first input terminal to maintain the off-state of the n-type MOS transistor, and a sixth input terminal, which is lower than the second voltage, is applied to the second input terminal. Is applied.
前記n型電解効果型トランジスタがオフの際に前記n型電解効果型トランジスタが有する抵抗値よりも、前記第3の電圧が印加された際に前記p型電解効果型トランジスタが有する抵抗値のいずれもが小さく、
前記n型電解効果型トランジスタがオンの際に前記n型電解効果型トランジスタが有する抵抗値よりも、前記第3の電圧が印加された際に前記p型電解効果型トランジスタが有する抵抗値が大きくなるように、前記第3の電圧が設定されている、請求項1に記載の不揮発性ラッチの駆動方法。
Any of the resistance values of the p-type field-effect transistor when the third voltage is applied is higher than the resistance value of the n-type field-effect transistor when the n-type field-effect transistor is off. Is small,
The resistance of the p-type field effect transistor when the third voltage is applied is larger than the resistance of the n-type field effect transistor when the n-type field effect transistor is on. The method according to claim 1, wherein the third voltage is set so that the third voltage is set.
前記第3の電圧が印加された際に前記p型電解効果型トランジスタが有する抵抗値が、前記n型電解効果型トランジスタがオフの際に前記n型電解効果型トランジスタが有する抵抗値と前記n型電解効果型トランジスタがオンの際に前記n型電解効果型トランジスタが有する抵抗値との間の中間値に設定されている、請求項2に記載の不揮発性ラッチの駆動方法。   When the third voltage is applied, the resistance of the p-type field effect transistor is equal to the resistance of the n-type field effect transistor when the n-type field effect transistor is off. 3. The method of driving a nonvolatile latch according to claim 2, wherein when the type field effect transistor is turned on, the value is set to an intermediate value between the resistance value of the n type field effect transistor. 前記第3の電圧および前記第6の電圧が同電位の電圧である、請求項1から3までのいずれかに記載の不揮発性ラッチの駆動方法。   4. The method according to claim 1, wherein the third voltage and the sixth voltage have the same potential. 5. 前記第1の電圧の絶対値と前記第4の電圧の絶対値とが同じである、請求項1から4までのいずれかに記載の不揮発性ラッチの駆動方法。   5. The method according to claim 1, wherein an absolute value of the first voltage is the same as an absolute value of the fourth voltage.
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