JP2005044412A - Nonvolatile memory device and electronic apparatus using same - Google Patents

Nonvolatile memory device and electronic apparatus using same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile memory device capable of realizing an improvement of yield, the extension of service life, and an increase of the degree of freedom of a data processing or the like. <P>SOLUTION: A ferrodielectric memory 2 comprises one ferrodielectric capacitor, input data DIN is stored in the capacitor. A comparator 3 performs binarization of the input data DIN or read-out data from the ferrodielectric memory 2. A clocked inverter 4 reverses an input from the comparator 3 at the time of its operation and outputs it. A latch circuit 5 latches output data of the clocked inverter 4. In MOS transistors M1, M2 included in the ferroelectric memory 2 and MOS transistors M3-M6 constituting the clocked inverter 4, the prescribed ON-OFF operation is controlled by a control circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体キャパシタやラッチ回路を含む不揮発性記憶装置、およびこれを用いた電子機器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の不揮発性記憶装置としては、例えば図22に示すものが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
この不揮発性記憶装置は、図22に示すように、インバータINV12,INV13からなる通常のラッチ回路と、2つの強誘電体キャパシタC11,C12との他に、インバータINV11と、MOSトランジスタM11,M12からなる電子スイッチと、MOSトランジスタM13,M14からなる電子スイッチと、を備えている。
【0003】
インバータINV12,INV13には、MOSトランジスタM15,M16が接続され、このMOSトランジスタM15,M16を電源オンオフ信号PWRL,PWRHでオンオフ制御し、これによりインバータINV12,INV13への電源電圧VDDの供給制御を行うようにしている。
強誘電体キャパシタC11,C12には、ポンプ信号PUMP信号が供給されるようになっている。インバータINV11には、入力データDINが供給されるようになっている。MOSトランジスタM11,M14はクロック信号CLKによりオンオフ制御が行われ、MOSトランジスタM12,M13はクロック信号CLKXによりオンオフ制御が行われるようになっている。
【0004】
次に、このような構成からなる従来の不揮発性記憶装置の動作例について、図22〜図25を参照して説明する。
まず、この従来装置の通常動作について、図22および図23を参照して説明する。この通常動作に先立って、電源オンオフ信号PWRLはLレベル、電源オンオフ信号PWRHはHレベルであるので、MOSトランジスタM15,M16はオンの状態にある。このため、インバータINV12,INV13に電源電圧VDDが供給されている。この状態は、以後維持される。
【0005】
この通常動作の初期状態では、出力データDOUTと、強誘電体キャパシタC11,C12の分極方向は不定である。
図23の期間T1は、入力データDINの入力状態を示す。
この期間T1では、入力データDINはHレベルとなっている。また、この期間T1では、クロック信号CLKはHレベル、クロック信号CLKXはLレベルであるので、MOSトランジスタM11,M12がオン、MOSトランジスタM13,M14がオフとなる。さらに、ポンプ信号PUMPはLレベルである。
【0006】
このとき、入力データDINのHレベルは、インバータINV11でLレベルに反転されてLレベルとなり、インバータINV13の入力データQ2はLレベルとなる。従って、そのLレベルの入力データQ2がインバータINV13で反転されて、出力データDOUTはHレベルとなる。
また、このときには、Lレベルの出力データDOUTは、インバータINV12で反転され、インバータINV12の出力データQ1はLレベルとなる。このとき、強誘電体キャパシタC11の両端には、その出力データQ1のLレベルとポンプ信号PUMPのLレベルが印加されており、その両端の電位差がないので、分極方向は不定のままである。一方、強誘電体キャパシタC12の両端には、出力データDOUTのHレベルとポンプ信号PUMPのLレベルが印加されている。このときの強誘電体キャパシタC12の分極方向を、図23に示すように、下向き(図23では「↓」と表すものとする)とする。
【0007】
以上の説明から明らかのように、図23の期間T1では、入力データDINがHレベルであり、そのHレベルの状態が出力データDOUTとしてそのまま現れることになる。
図23の期間T2は、入力データDINのラッチ回路へのラッチと、強誘電体キャパシタC11,C12の分極方向の書き込み状態を示す。
【0008】
この期間T2では、入力データDINはHレベルとなっている。また、この期間T2では、クロック信号CLKはLレベル、クロック信号CLKXはHレベルであるので、MOSトランジスタM11,M12がオフ、MOSトランジスタM13,M14がオンとなる。さらに、ポンプ信号PUMPはHレベルである。
このように期間T2では、MOSトランジスタM11,M12がオフ、MOSトランジスタM13,M14がオンとなるので、入力データDINのHレベルがラッチされることになる。このため、期間T2では、出力データDOUTはHレベルの状態が維持され、Q1、Q2のレベルはLレベルのままとなる。
【0009】
この結果、強誘電体キャパシタC11の両端には、Q1のLレベルとポンプ信号PUMPのHレベルが印加されるので、分極方向は上向き(図23では「↑」と表すものとする)となる。一方、強誘電体キャパシタC12の両端には、出力データDOUTのHレベルとポンプ信号PUMPのHレベルが印加され、強誘電体キャパシタC12の両端には電位差がないので、その分極方向は前の状態を維持する。すなわち、分極方向は下向きとなる。
【0010】
以上の説明から明らかのように、図23の期間T2では、入力データDINがHレベルであり、その入力データDINのラッチ回路へのラッチと、強誘電体キャパシタC11,C12の分極方向の書き込み状態となる。
図23の期間T3は、入力データDINのラッチ回路および強誘電体キャパシタC11,C12でのラッチ状態を示し、その期間T3と期間T2の各部の波形では、ポンプ信号PUMPのレベルが異なっている。
【0011】
以上述べた各動作は、入力データDINがHレベルの場合であるが、入力データDINがLレベルの場合の各部の動作波形は、図23の期間T4〜T6のようになる。
ここで、期間T4〜期間T6の各動作は、期間T1〜期間T3の各動作に対応するので、ここではその説明は省略する。なお、この場合には、入力データDINがLレベルであるので、図23の期間T5からわかるように、強誘電体キャパシタC11,C12の書き込まれた分極方向が、期間T2に比べて逆になっていることがわかる。
【0012】
次に、上記のようにして、強誘電体キャパシタC11,C12に保持されたデータの読み出し方法について、図22、図24、および図25を参照して説明する。
ここで、図24は、データ「1」の読み出し時の各部の動作波形を示す。また、図25は、データ「0」の読み出し時の各部の動作波形例を示す。
【0013】
このデータの読み出し時には、以下のように設定する必要がある。すなわち、入力データDINはLレベル、クロック信号CLKはLレベル、クロック信号CLKXはHレベルとする。このため、MOSトランジスタM11,M12がオフ、MOSトランジスタM13,M14がオンの状態になる。
図24の期間T1では、上記の状態で、かつ、ポンプ信号PUMPがHレベル、電源オンオフ信号PWRLがHレベル、電源オンオフ信号PWRHがLレベルとする。このため、インバータINV12,INV13は、電源電圧VDDが供給されない状態となり、これもデータを読み出すのに必要な設定である。
【0014】
このときには、強誘電体キャパシタC11,C12にはデータ「1」が保持されているものとしているので、その分極方向は、図24の期間T1に示すようになる。
図24の期間T2では、ポンプ信号PUMPをHレベルにする。この結果、強誘電体キャパシタC11,C12は、その分極方向に応じた電荷を出力し、出力データDOUTとQ1(Q2)のレベルは期間T2に示すように変化する。出力データDOUTは、強誘電体キャパシタC12の分極方向に変化があるので高い電圧になり、Q1(Q2)のレベルは強誘電体キャパシタC11の分極方向に変化がないので、出力データDOUTよりも低い電位になる。
【0015】
以上からわかるように、期間T2では、データの読み出しを行っていることがわかる。
図24の期間T3では、電源オンオフ信号PWRLがLレベル、電源オンオフ信号PWRHがHレベルとする。このため、インバータINV12,INV13は、電源電圧VDDが供給される状態となる。これにより、出力データDOUTとQ1の電圧の差が広げられるので、出力データDOUTはHレベルに、Q1(Q2)はLレベルになる。
【0016】
以上からわかるように、期間T3では、データの復元を行っていることがわかる。
図24の期間T4では、読み出したデータの書き込みを行う。図24の期間T3において、強誘電体キャパシタC11の分極は、図中の丸印で示すように実際には分極方向に変化はないが、分極量(電荷の保存量)に変化があり、このままでは、次回の読み出し時にデータを正常に読み出せないおそれがある。そこで、図24の期間T4で、データの書き込みを行うようにしている。
【0017】
図24の期間T5は、データのラッチ状態であり、この際の各部の波形は図示のようになる。
図25は、データ「0」の読み出し時の各部の動作波形例を示す。
この場合には、強誘電体キャパシタC11,C12にはデータ「0」が保持されている点が、上記の場合と異なり、その読み出しの制御は上記の場合と基本的に同様であるので、その動作説明については省略する。なお、図25の期間T1〜T5は、図24の期間T1〜T5に対応する。
【0018】
【非特許文献1】
日経マイクロデバイス 2002年12月号 P140
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図22に示す従来の不揮発性記憶装置では、以下のような不具合が考えられる。
(1)強誘電体キャパシタを2つ使用しているので、製造の際の歩留りが低下する。
(2)データのラッチ時に、2つの強誘電体キャパシタに電圧が常に印加された状態になるので、強誘電体キャパシタの寿命が短くなり、この結果、装置の寿命が短くなる。
(3)装置の構成上、ラッチしているデータ以外のデータを、強誘電体キャパシタに保持することができないので、電源の投入後の出力に自由度がない。
【0020】
このため、上記のような不具合を解消できる不揮発性記憶装置の出現、およびこれを利用した電子機器の出現が望まれる。
そこで、本発明の目的は、歩留りの向上、寿命の長期化、データ処理の自由度の増加などを実現できるようにした不揮発性記憶装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記のような不揮発性記憶装置を用いた電子機器を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のように構成した。
すなわち、第1の発明は、1つの強誘電体キャパシタを含み、1ビットの入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在させて開閉自在なスイッチとを備え、前記スイッチは、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータを前記ラッチ回路に記憶する際に閉じ、その記憶の終了後は開くようになっている。
【0022】
第2の発明は、1ビットの入力データの取り込みを行うオンオフ自在な第1スイッチと、1つの強誘電体キャパシタと、この強誘電体キャパシタの一端をグランドと接続させるオンオフ自在な第2スイッチとを含み、前記入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在されオンオフ自在な第3スイッチと、前記強誘電体メモリのデータの読み書き動作と前記ラッチ回路のデータのラッチ動作の際に、その動作内容に応じて、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、および前記第3スイッチの所定のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備えている。
【0023】
第3の発明は、1ビットの入力データの取り込みを行うオンオフ自在な第1スイッチと、1つの強誘電体キャパシタと、この強誘電体キャパシタの一端をグランドと接続させるオンオフ自在な第2スイッチとを含み、前記強誘電体キャパシタの他端に制御信号を印加するようにし、その強誘電体キャパシタに前記入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在され、オンオフ制御が自在であるとともに、オン時にデータを反転できるクロックドインバータと、前記強誘電体メモリのデータの読み書き動作と前記ラッチ回路のデータのラッチ動作の際に、その動作の内容に応じて、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、および前記クロックドインバータの所定のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備えている。
【0024】
第4の発明は、第1乃至第3のうちのいずれかの発明において、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの2値化を行うコンパレータを、さらに備えるようにした。
第5の発明は、第3または第4の発明において、前記制御回路は、前記第2スイッチをオンオフするオンオフ信号と、前記強誘電体キャパシタの他端に印加する制御信号との論理和否定演算を行うノア回路と、前記オンオフ信号を反転するインバータ回路とを含み、前記ノア回路の出力信号で前記第1スイッチのオンオフ制御を行うとともに、前記オンオフ信号および前記インバータ回路の出力信号で前記クロックドインバータをオンオフ制御するようにした。
【0025】
第6の発明は、第1乃至第5のうちのいずれかの発明において、前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに帰還する帰還回路をさらに備え、前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに再書き込みするようになっている。
第7の発明は、第3乃至第6のうちのいずれかの発明において、前記クロックドインバータを、CMOSインバータと電子スイッチに置き換えるようにした。
【0026】
第8の発明は、第3または第4の発明である不揮発性記憶装置を複数個備えるとともに、前記不揮発性記憶装置が有する前記第2スイッチをそれぞれオンオフするオンオフ信号と、前記不揮発性記憶装置が有する前記強誘電体キャパシタの他端にそれぞれ印加する制御信号との論理和否定演算を行うノア回路と、前記オンオフ信号を反転するインバータ回路と、をさらに備え、前記ノア回路の出力信号で前記不揮発性記憶装置が有する前記第1スイッチのオンオフ制御をそれぞれ行うとともに、前記オンオフ信号および前記インバータ回路の出力信号で前記不揮発性記憶装置が有する前記クロックドインバータのオンオフ制御をそれぞれ行うようにした。
【0027】
第9の発明は、1ビットの入力データの取り込みを行うオンオフ自在な第1スイッチと、1つの強誘電体キャパシタと、この強誘電体キャパシタの一端をグランドと接続させるオンオフ自在な第2スイッチとを含み、前記入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、2つのインバータを相互に接続させたフリップフロップと、そのフリップフロップのループ内に挿入された電子スイッチとを含み、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在され、オンオフ制御が自在であるとともに、オン時にデータを反転できるクロックドインバータと、前記強誘電体メモリのデータの読み書き動作と前記ラッチ回路のデータのラッチ動作の際に、その動作の内容に応じて、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記クロックドインバータ、および前記電子スイッチの所定のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備えるようにした。
【0028】
第10の発明は、第9の発明において、前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに帰還する帰還回路をさらに備え、前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに再書き込みするようになっている。
第11の発明は、第9または第10の発明において、前記クロックドインバータを、CMOSインバータと電子スイッチに置き換えるようにした。
【0029】
第12の発明は、データを読み書き自在な不揮発性メモリを含み、前記不揮発性メモリに各種のデータを読み書きすることができるようになっている電子機器において、前記不揮発性メモリは、第1乃至第11のうちのいずれか発明の不揮発性記憶装置からなるようにした。
上記のような構成からなる本発明の不揮発性記憶装置によれば、歩留りの向上、寿命の長期化、データ処理の自由度の増加などを実現できる。
【0030】
また、上記のような構成からなる本発明の電子機器によれば、その不揮発性記憶装置が、上記の各効果を発揮することができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の不揮発性記憶装置の第1実施形態の構成を示す回路図である。
この第1実施形態に係る不揮発性記憶装置1は、図1に示すように、1つの強誘電体キャパシタCを含み、1ビットの入力データDINの記憶を行う強誘電体メモリ2と、入力データDINまたは強誘電体メモリ2からの読み出しデータの記憶(ラッチ)が可能なラッチ回路5と、データの2値化を行うコンパレータ3と、強誘電体メモリ2とラッチ回路5との間にコンパレータ3を介して介在されるクロックドインバータ4と、強誘電体メモリ2の制御やクロックドインバータ4のオンオフ制御を行う各種の制御信号を生成する制御回路(図示せず)と、を備えている。
【0032】
また、この第1実施形態は、図1に示すように、入力データDINが供給される入力端子6と、出力データDOUTを取り出す出力端子7と、クロックドインバータ4のMOSトランジスタM4,M5をオンオフするオンオフ信号LTH,LTHXが供給される制御端子8、9と、N型のMOSトランジスタM1,M2をオンオフするオンオフ信号DS,SPが供給される制御端子10、11と、強誘電体キャパシタCに供給するポンプ信号PUMPが供給される制御端子12と、コンパレータ3に供給する基準電圧(リファレンス電圧)が供給される基準電圧供給端子13と、を備えている。
【0033】
強誘電体メモリ2は、1ビットからなる入力データDINの取り込みを行うスイッチとしてのMOSトランジスタM1と、1つの強誘電体キャパシタCと、この強誘電体キャパシタCの一端をグランドGNDと接続させるスイッチとしてのMOSトランジスタM2とを含んでいる。
さらに詳述すると、入力端子6とグランドとの間にMOSトランジスタM1,M2が直列接続されている。MOSトランジスタM1のゲートには、制御端子10に供給されるオンオフ信号DSが印加され、これによりMOSトランジスタM1がオンオフ制御されるようになっている。MOSトランジスタM2のゲートには、制御端子11に供給されるオンオフ信号SPが印加され、これによりMOSトランジスタM2がオンオフ制御されるようになっている。MOSトランジスタM1とMOSトランジスタM2のノードは、強誘電体キャパシタCの一方の端子とコンパレータ3の正の入力端子とにそれぞれ接続されている。強誘電体キャパシタCの他方の端子は、制御端子12に供給されるポンプ信号PUMPが印加されるようになっている。
【0034】
コンパレータ3は、入力データDINまたは強誘電体メモリ2からの読み出しデータを、基準電圧供給端子13に供給される基準電圧VREFと比較して、そのデータが基準電圧VREF以上の場合にはHレベルを出力し、そのデータが基準電圧VREF以下の場合にはLレベルを出力するようになっている。コンパレータ3の出力は、クロックドインバータ4に入力するようになっている。
【0035】
クロックドインバータ4は、N型のMOSトランジスタM3およびP型のMOSトランジスタM6からなるCMOSインバータと、このインバータの両側にインバータへの電源の供給制御を行うP型のMOSトランジスタM5とN型のMOSトランジスタM4とを設けるようにしたものである。
すなわち、MOSトランジスタM4のゲートには、制御端子8に供給されるオンオフ信号LTHが印加され、これによりMOSトランジスタM4がオンオフ制御されるようになっている。MOSトランジスタM5のゲートには、制御端子9に供給されるオンオフ信号LTHXが印加され、これによりMOSトランジスタM5がオンオフ制御されるようになっている。
【0036】
従って、クロックドインバータ4は、データの反転機能と、データの通過を制御するスイッチ機能とを備えているものである。
ラッチ回路5は、入力端子6に供給される入力データDIN、または強誘電体メモリ2の読み出しデータを、コンパレータ3およびクロックドインバータ4を介して一時的に記憶するものである。このために、このラッチ回路5は、図1に示すように、2つのインバータINV1とインバータINV2を相互に接続させたフリップフロップからなる。このラッチ回路5の出力が、出力データDOUTとして出力端子7から取り出されるようになっている。
【0037】
図示しない制御回路は、上記のように、オンオフ信号LTH,LTHX、オンオフ信号DS,SP、およびポンプ信号PUMPなどを生成し、この生成した各信号を上記のように各部に供給し、その各部のオンオフ制御などを行うようになっている。
次に、このような構成からなる第1実施形態の動作について、図1〜図4を参照して説明する。
【0038】
ここで、図2は、通常の動作時における各部の波形図である。図3は、強誘電体キャパシタCに保持されたデータの読み出し動作時における各部の波形図である。
まず、図2を参照して、この第1実施形態の通常動作について説明する。
図2において、期間T1では強誘電体キャパシタCに分極を書き込む動作を行い、期間T2,T3では入力データDINの書き込みと出力動作を行い、期間T4ではその書き込んだデータの保持を行うので、以下にこれらの各動作について順に説明する。
【0039】
図2の期間T1では、オンオフ信号DSはLレベルにあるので、MOSトランジスタM1はオフの状態にあり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力されない。このとき、ポンプ信号PUMPは、Hレベルとなる。また、このとき、オンオフ信号SPはHレベルにあるので、MOSトランジスタM2はオン状態にあり、MOSトランジスタM1とMOSトランジスタM2のノードQはグランドGNDに接続されてLレベルにある。
【0040】
このときには、オンオフ信号LTHはLレベル、オンオフ信号LTHXはHレベルであるので、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオフとなり、クロックドインバータ4には電源電圧VDDが供給されない状態となる。また、このときには、出力データDOUTは、前状態が定義されていないので、図示のように不定である。
【0041】
このような条件の下では、強誘電体キャパシタCは、制御端子12に接続される側の端子がポンプ信号PUMPによりHレベルの電圧が印加され、ノードQに接続される側の端子がグランドに接続されてLレベルの電圧が印加されることになる。このときの強誘電体キャパシタCの分極方向を、図2に示すように上向きの矢印「↑」とする。
【0042】
以上の説明により、図2の期間T1では、強誘電体キャパシタCに「↑」の向きの分極を書き込む動作をしていることになる。このとき、MOSトランジスタM1はオフであるので、入力データDINは、図2に示すようにHレベルまたはLレベルのいずれであっても良い。
次に、図2の期間T2,T3では、オンオフ信号DSはHレベルとなるので、MOSトランジスタM1はオンの状態にあり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力される。このとき、ポンプ信号PUMPは、Lレベルとなる。また、このとき、オンオフ信号SPはLレベルになるので、MOSトランジスタM2はオフ状態になる。この結果、ノードQのレベルは、入力データDINに対応するレベルになる。
【0043】
このときには、オンオフ信号LTHはHレベル、オンオフ信号LTHXはLレベルであるので、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオンとなる。このため、クロックドインバータ4には電源電圧VDDが供給され、動作できる状態にある。
ここで、期間T2では、入力データDINがHレベルであるので、ノードQはHレベルとなる。また、期間T3では、入力データDINがLレベルであるのでノードQはLレベルとなる。
【0044】
いま、入力データDINがHレベルのとき、これに対応する出力データDOUTを検討すると以下のようになる。
このときには、コンパレータ3には、そのHレベルの入力データDINが入力され、これが基準電圧VREF以上であるので、コンパレータ3の出力Q1はHレベルとなる。このコンパレータ3の出力Q1は、クロックドインバータ4で反転され、その出力Q2はLレベルとなる。
【0045】
ここで、クロックドインバータ4の出力Q2の駆動能力は、ラッチ回路5を構成するインバータINV2の駆動能力よりも高く設定されている。すなわち、クロックドインバータ4の出力インピーダンス値は、インバータINV1の出力インピーダンス値より、小さな値となっている。このため、ラッチ回路5の入力は、クロックドインバータ4の出力Q2に従い、出力Q2がLラベルであるので、ラッチ回路5の出力である出力データDOUTはHレベルとなる。
【0046】
なお、入力データDINがLレベルのとき(期間T3の場合)、これに対応する出力データDOUTを検討すると、図示のようにLレベルとなる。
次に、このときの強誘電体キャパシタCの分極方向について検討する。
期間T2のように、入力データDINがHレベルの場合には、ノードQのレベルがHレベル、ポンプ信号PUMPがLレベルであるので、強誘電体キャパシタCの分極方向は図示のように下向きとなる。
【0047】
一方、期間T3のように、入力データDINがLレベルの場合には、ノードQのレベルがLレベル、ポンプ信号PUMPがLレベルであるので、強誘電体キャパシタCの両端には電位差が生ぜず、その分極方向は期間T1の状態から変化せずに上向きのままとなる。
以上の説明から明らかなように、図2の期間T2では、入力データDINとしてHレベルが入力され、その出力データDOUTがHレベルであり、かつ、強誘電体キャパシタCにはHレベルのデータとして分極方向が下向きの電荷が保持される。
【0048】
一方、図2の期間T3では、入力データDINとしてLレベルが入力され、その出力データDOUTがLレベルであり、かつ、強誘電体キャパシタCにはLレベルのデータとして分極方向が上向きの電荷が保持される。
次に、この第1実施形態のデータのラッチ機能について説明する。
ラッチ回路5の出力データDOUTの保持は、クロックドインバータ4からの出力データQ2の出力後に、オンオフ信号LTH,LTHXでMOSトランジスタM4,M5をオフし、クロックドインバータ4への電源電圧VDDの供給を停止することにより実現できる。
【0049】
すなわち、図2の期間T2または期間T3の後、オンオフ信号LTH,LTHXでMOSトランジスタM4,M5をオフし、ラッチ回路5の出力データDOUTのラッチが可能となる。
ここで、図2の期間T1の状態であっても出力データDOUTのラッチは可能であるが、強誘電体キャパシタCの寿命を延ばす意味でも、その強誘電体キャパシタCの両端に電位差がない状態が好ましいので、この第1実施形態では、図2の期間T4の状態を出力データDOUTのラッチ状態にするようにした。
【0050】
そこで、図2の期間T4について説明すると、この期間T4では、オンオフ信号DSはLレベルとなるので、MOSトランジスタM1はオフの状態にあり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力されない。このとき、ポンプ信号PUMPは、Lレベルとなる。また、このとき、オンオフ信号SPはHレベルになるので、MOSトランジスタM2はオン状態になり、MOSトランジスタM1とMOSトランジスタM2のノードQはグランドGNDに接続されてLレベルにある。
【0051】
このときには、オンオフ信号LTHはLレベル、オンオフ信号LTHXはHレベルであるので、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオフとなり、クロックドインバータ4には電源電圧VDDが供給されない状態となる。
このような条件の下では、強誘電体キャパシタCは、強誘電体キャパシタCの両端の電圧は、ともにLレベルとなってその両端は電位差のない状態になる。このときには、ノードQはLレベル、コンパレータ3の出力Q1はLレベル、クロックドインバータ4は動作停止状態にあるので、その出力Q1はクロックドインバータ4の出力Q2には反映されない。従って、ラッチ回路5で保持されたデータが変化することはない。
【0052】
また、このラッチ回路5の出力データDOUTの保持は、強誘電体キャパシタCの両端に電位差のない状態で行われる。勿論、このときには、強誘電体キャパシタCの両端に電位差がないので、その分極方向に変化は起こらない。
なお、図2の例では、図2の期間T2の後でのみ期間T4のラッチ動作を行っているが、図2の期間T3の後に期間T4のラッチ動作を行うようにしても良い。この場合には、出力データDOUTのLレベルと、強誘電体キャパシタCの分極方向が上向きのまま変化せずにラッチが行われることになる。
【0053】
次に、図3を参照して、強誘電体キャパシタCに保持されたデータの読み出し動作時について説明する。
図3(A)は、強誘電体キャパシタCの保持データが「1」の場合の読み出し動作時の各部の波形を示し、図3(B)はその保持データが「0」の場合の読み出し動作時の各部の波形を示す。
【0054】
図3において、期間T1は電源がオフの状態である。
期間T2は、強誘電体キャパシタCの保持データの読み出し前の準備(図2の期間T4の状態に相当)である。ただし、オンオフ信号LTHがHレベル、オンオフ信号LTHXがLレベルであれば、その保持データの読み出しは可能である。しかし、この例では、信号の設定の組み合わせを減らすために、(図2の期間T4におけるラッチ動作と同じ設定を行っている。
【0055】
期間T3は、保持データの読み出し状態を示している。
次に、図3の期間T1,T2,T3の各動作を以下に詳述する。
まず、図3の期間T1では、電源がオフであるので、図3に示すように各部の信号が全てLレベルとなっている。この状態において、強誘電体キャパシタCの分極方向は、データ「1」を保持しているときには、図2の説明により下向きであり、データ「0」を保持しているときには、上向きとなる。
【0056】
次に、図3の期間T2では、オンオフ信号SPがHレベル、オンオフ信号LTHXがLレベルの他はLレベルであり、これは図2の期間T4の状態に同じである。
従って、期間T2では、強誘電体キャパシタCの両端は、いずれもLレベルとなっている。また、出力データDOUTは不定の状態である。また、強誘電体キャパシタCの両端はLレベルになっているので、分極の方向に変化は生じない。その分極の方向は、データ「1」を保持しているきは下向きのままであり、データ「0」を保持しているときは上向きのままである。
【0057】
ここで、期間T2において、強誘電体キャパシタCの両端をLレベルとするのは、保持データの読み出し条件を同じにするための固定電圧(この場合にはLレベルの電圧)にするためであり、また、強誘電体キャパシタCの分極を破壊しないためである。
次に、図3の期間T3では、オンオフ信号SPがLレベルとしてMOSトランジスタM2をオフにするとともに、強誘電体キャパシタCに印加するポンプ信号PUMPをHレベルとしている。これにより、ノードQの電圧が変化するので、その変化に基づいてデータを読み出している。
【0058】
次に、強誘電体キャパシタCからのデータ出力動作について、図4を参照して説明する。
図4(a)に示すように、図1のノードQには、配線パターンやMOSトランジスタM1,M2とグランドとの間に、浮遊容量C1が存在する。また、この浮遊容量C1は、管理され、回路動作に最適化された値になるように設計されている。
【0059】
図3の期間T3の動作のときには、強誘電体キャパシタCは図4(a)に示す状態になり、強誘電体キャパシタCに印加されるポンプ信号PUMPがHレベルであり、ノードQからデータを出力している。ここで、ノードQのレベル(電圧値)は、ポンプ信号PUMPの電圧を強誘電体キャパシタCとキャパシタC1の各容量値で分割した値になる。
【0060】
このときのノードQのレベルの変化ΔVは、強誘電体キャパシタCの分極方向の変化に依存する。これは、分極方向の変化がある場合とない場合では、強誘電体キャパシタCから出力される電荷の量に違いがあるからである。すなわち、強誘電体キャパシタCからの出力される電荷量は、分極方向に大きな変化があるときには多く、その変化がないときに少ない。このため、ノードQの電圧レベルは以下のようになる。
【0061】
図4(b)は強誘電体キャパシタCに分極方向の変化がない場合を示し、これは図3の期間T2の分極方向とその期間T3の分極方向とに変化がない場合(図3の右側の場合)に相当する。このときの時間とノードQの電圧との関係は、図4(c)に示すようになる。
図4(d)は強誘電体キャパシタCに分極方向の変化がある場合を示し、これは図3の期間T2の分極方向とその期間T3の分極方向とに変化がある場合(図3の左側の場合)に相当する。このときの時間とノードQの電圧との関係は、図4(e)に示すようになる。
【0062】
図4(c)(e)からわかるように、強誘電体キャパシタCの分極方向に変化がある場合とない場合では、そのノードQの電圧差がΔVある。すなわち、強誘電体キャパシタCの保持データが「1」の場合と「0」の場合とでは、ノードQの電位差がΔVある。
そこで、図4(c)(e)に示すように、例えばその電位差ΔVの中間に基準電圧VREFを設定すれば、コンパレータ3を使用してノードQの電圧を2値化できる。
【0063】
ここで、電位差ΔVの大きさなどの条件を満たせば、コンパレータ3に代えて、MOSトランジスタのインバータなどを使用するようにしても良い。
次に、以上の説明を踏まえて、図3を参照してノードQの出力について説明する。
まず、保持データが「1」の場合の読み出しについて、図3(A)を参照して説明する。
【0064】
この場合は図3の期間T2から期間T3への遷移であって、分極方向に変化があるので、図4(e)の状態になり、ノードQの電圧は高電位となる。このノードQの電圧は、コンパレータ3で基準電圧VREFと比較され、その出力Q1はHレベルとなる。このとき、クロックドインバータ4は動作状態にあるので、その出力Q2はLレベルとなり、ラッチ回路5から出力される出力データDOUTはHレベルとなる。
【0065】
次に、保持データが「0」の場合の読み出しについて、図3(B)を参照して説明する。
この場合は図3の期間T2から期間T3への遷移であって、分極方向に変化がないので、図4(c)の状態になり、ノードQの電圧は低電位となる。このノードQの電圧は、コンパレータ3で基準電圧VREFと比較され、その出力Q1はLレベルとなる。このとき、クロックドインバータ4は動作状態にあるので、その出力Q2はHレベルとなり、ラッチ回路5から出力される出力データDOUTはLレベルとなる。
【0066】
このようにして強誘電体キャパシタCから読み出されたデータは、ラッチ回路5に記憶され、その後、ラッチ状態にすれば、そのデータはラッチ回路5で保持される。
次に、この第1実施形態の他の動作例について、図10を参照しながら説明する。
【0067】
この他の動作例は、制御回路(図示せず)による制御を変更することにより、2つのデータを保持するものである。
この場合には、図10の期間T1〜T4の各部の波形は図2の期間T1〜T4の各部の波形と同じになり、その期間T1〜T4における各部の動作は、図2の期間T1〜T4における各部の動作と同じになる。
【0068】
図10の期間T5は、図2の期間T2のオンオフ信号LTH,LTHXを変更するようにしたものである。すなわち、この期間T5では、図示のようにオンオフ信号LTHはLレベル、オンオフ信号LTHXはHレベルになっている。
このため、MOSトランジスタM4,M5がオフでクロックドインバータ4は不動作状態にあり、コンパレータ3の出力Q1がクロックドインバータ4の出力Q2に反映されないようになっている。これにより、ラッチ回路5の出力データDOUTが変化しないことになるので、図2では出力データDOUTがHレベルであるが、図10ではそれがHレベルとならずLレベルのままとなっている。
【0069】
以上から明らかなように、図10の期間T5では、強誘電体メモリ2(強誘電体キャパシタC)がHレベルのデータを保持し、ラッチ回路5が出力データDOUTとしてLレベルを保持し、これにより2つのデータを同時に保持することができる。
このような動作は、電源オフ時と電源オン時の設定が異なるとき(例えば、回路の電源オンシーケンスや、電源投入後の初期状態の指定があるときなど)に、電源オフの前に、強誘電体キャパシタCにデータを書き込むことによって、電源オン時にデータを反映できる利点を持つ。
【0070】
また、次のデータがわかっている時などは、強誘電体キャパシタCのデータを保持しておき、他の回路の制御を行うことができ、内部動作のシーケンスを組み替えることができるので、制御の自由度(例えば、時間の短縮、CPUなどの負荷の均等化、回路の使用効率の向上)が増す効果が期待できる。
以上説明したように、第1実施形態によれば、強誘電体キャパシタを1つにできるので、その製造の際の歩留りが向上する。
【0071】
また、第1実施形態によれば、強誘電体キャパシタにデータ書き込み後は、それに電圧を印加しなくても良いので、強誘電体キャパシタの寿命の長期化を図ることができる。
さらに、第1実施形態によれば、強誘電体メモリ2とラッチ回路5とを物理的に分離できるので、データ処理の自由度を大きくすることが可能となる。
【0072】
次に、本発明の第2実施形態について、図5を参照して説明する。
この第2実施形態に係る不揮発性記憶装置1Aは、図1に示す第1実施形態を基本とし、これに図5に示すようなノア回路21とインバータ22を追加し、図1に示すオンオフ信号DSとオンオフ信号LTH,LTHXを省略するようにし、制御回路(図示せず)の制御の軽減化を図るようにしたものである。
【0073】
ここで、第1実施形態の各部の波形を示す図2および図3によれば、MOSトランジスタM1をオンオフ制御するオンオフ信号DSは、オンオフ信号SPとポンプ信号PUMPとの論理和否定により得ることができる。また、MOSトランジスタM4をオンオフ制御するオンオフ信号LTHは、オンオフ信号SPを反転することにより得ることができる。さらに、MOSトランジスタM5をオンオフ制御するオンオフ信号LTHXは、オンオフ信号SPと同じであり、これを利用できる
そこで、第2実施形態では、図5に示すように、オンオフ信号SPとポンプ信号PUMPとをノア回路21の入力側に供給するとともに、そのノア回路21の出力dsをMOSトランジスタM1のゲートに印加するようにした。また、オンオフ信号SPをMOSトランジスタM2のゲートに印加するとともに、MOSトランジスタM5に印加するようにした。さらに、オンオフ信号SPをインバータ22で反転し、この反転した反転信号lthをMOSトランジスタM4のゲートに印加するようにした。
【0074】
なお、この第2実施形態の他の部分の構成は図1の回路の構成と同一であるので、その同一の構成要素については、同一符号を付してその説明は省略する。
次に、このような構成からなる第2実施形態の動作について、図6および図7を参照して説明する。
図6は、この第2実施形態の通常の動作時における各部の波形図である。
【0075】
図6において、期間T1では強誘電体キャパシタCに分極を書き込む動作を行い、期間T2,T3では入力データDINの書き込みと出力動作を行い、期間T4ではその書き込んだデータの保持を行っている。これらの各動作は、第1実施形態における図2の各期間T1〜T4の各動作と同様であるので、その動作の説明は省略する。
【0076】
図7は、この第2実施形態において、強誘電体キャパシタCに保持されたデータの読み出し動作時における各部の波形図である。
図7(A)は、強誘電体キャパシタCの保持データが「1」の場合の読み出し動作時の各部の波形を示し、図7(B)はその保持データが「0」の場合の読み出し動作時の各部の波形を示す。
【0077】
図7において、期間T1では電源がオフの状態であり、期間T2では強誘電体キャパシタCの保持データの読み出し前の準備を行い、期間T3では保持データの読み出しを行う。これらの各動作は、第1実施形態における図3の各期間T1〜T3の各動作と同様であるので、その動作の説明は省略する。
以上説明したように、この第2実施形態によれば、第1実施形態に比べて制御信号を省略できるので、制御回路(図示せず)の制御が軽減化される。
【0078】
ところで、上記の第1および第2実施形態では、強誘電体キャパシタCへのデータの保持を行うものとしたが、これに代えて、単なるラッチ回路として動作させるようにしても良い。この場合には、「データのラッチ」、「データの入力」、「データのラッチ」、「データの入力」というように、強誘電体キャパシタCの分極の書き込み動作を除くようにすれば良い。
【0079】
また、上記の第1および第2実施形態では、強誘電体キャパシタCへのデータの保持を必要とする場合にのみ、分極の書き込み動作を行うようにしても良い。この場合には、「データのラッチ」、「データの入力」、「データのラッチ」、「分極の書き込み」、「データの入力」、「データのラッチ」というように、動作させれば良い。
【0080】
次に、本発明の第3実施形態について、図8を参照して説明する。
図1に示す第1実施形態に係る不揮発性記憶装置1は、1ビットの入力データDINを記憶できるが、複数ビットの入力データを記憶処理できない。他方、図5に示す第2実施形態に係る不揮発性記憶装置1Aは、制御の容易化を図るためにノア回路21およびインバータ22を追加するようにした。
【0081】
そこで、この第3実施形態に係る不揮発性記憶装置は、複数ビット(この例では8ビット)の入力データを記憶処理できるようにするとともに、その際に第2実施形態と同様に制御の容易化を実現するようにした。
このため、第3実施形態は、図8に示すように、8ビットの入力データDIN0、DIN1・・・・DIN7を記憶するために、図1に示す不揮発性記憶装置1を8つ備えるとともに、その8つの不揮発性記憶装置1に共通に使用するノア回路31とインバータ32とを備えるようにした。
【0082】
そして、この第3実施形態では、その8つの不揮発性記憶装置1に供給する各種の制御信号を、オンオフ信号SPとポンプ信号PUMPをそのまま使用したり、ノア回路31やインバータ32を使用して得るようにした。
さらに詳述すると、オンオフ信号SPとポンプ信号PUMPとを、その8つの不揮発性記憶装置1の各オンオフ信号SPと各ポンプ信号PUMPとしてそのまま使用するようにした。また、オンオフ信号SPとポンプ信号PUMPとの論理和否定の演算をノア回路31で行い、そのノア回路31の出力を、その8つの不揮発性記憶装置1の各オンオフ信号DSとして使用するようにした。さらに、オンオフ信号SPを、その8つの不揮発性記憶装置1の各オンオフ信号LTHXとしてそのまま使用するようにした。また、オンオフ信号SPをインバータ32で反転し、この反転信号を、その8つの不揮発性記憶装置1の各オンオフ信号LTHとして使用するようにした。
【0083】
このような構成からなる第3実施形態では、オンオフ信号SPとポンプ信号PUMPの組み合わせにより、図9に示すような4つの動作を実現するので、これについて説明する。
図9によれば、「データの入力動作」の場合には、オンオフ信号SPは「0」でポンプ信号PUMPは「0」であり、「データのラッチ動作」の場合には「1」と「0」であり、「データの読み出し動作」の場合には「0」と「1」であり、「分極書き込み動作」の場合には「1」と「1」である。
【0084】
この第3実施形態において、第2実施形態における図6に示す各動作に対応する各動作を実現する場合には、図9に示す動作のうちからその対応する動作を選択すれば良い。
また第3実施形態において、第2実施形態における図7に示す各動作に対応する各動作を実現する場合には、図9に示す動作のうちからその対応する動作を選択すれば良い。
【0085】
次に、本発明の第4実施形態の構成について、図11を参照して説明する。
この第4実施形態に係る不揮発性記憶装置1Bは、図1に示す第1実施形態を基本とし、これに図11に示すようなオンオフ自在なスイッチ素子であるMOSトランジスタM7を追加し、ラッチ回路5の出力データDOUTを強誘電体メモリ2に帰還できる帰還回路を設け、これによりその出力データDOUTを強誘電体メモリ2に再書き込みできるようにした。
【0086】
すなわち、MOSトランジスタM7を、ラッチ回路5の出力端子と強誘電体メモリ2のノードQとの間に接続するようにした。また、MOSトランジスタM7のゲートには、制御端子14に供給されるオンオフ信号DSRを印加し、これによりMOSトランジスタM7のオンオフ制御を行うようにした。さらに、コンパレータ3は、差動対からなるN型のMOSトランジスタM21,M22と、カレントミラーを構成するP型のMOSトランジスタM23,M24とから構成されている。
【0087】
なお、この第4実施形態の他の部分の構成は図1の回路の構成と同一であるので、その同一の構成要素については、同一符号を付してその説明は省略する。
また、このような再書き込みを行うための帰還回路は、図5に示す第2実施形態に追加するようにしても良い。
次に、このような構成からなる第4実施形態の動作について、図11〜図13を参照して説明する。
【0088】
図12は、この第4実施形態の通常の動作時の各部の波形図であり、この通常動作時には、オンオフ信号DSRはLレベルであり、MOSトランジスタM7はオフ状態にある。
従って、この図12の各部の波形図は、図2の第1実施形態における通常の動作時の各部の波形図と同じであるので、第4実施形態の通常動作は、上述した第1実施形態の通常動作と同じになる。
【0089】
図13は、この第4実施形態において、強誘電体キャパシタCに保持されたデータの読み出しの際の各部の波形図である。この図13(A)(B)は、第1実施形態が、強誘電体キャパシタCに保持されたデータの読み出しの際の各部の波形を示す図3(A)(B)に対応する。
図3の期間T3において、強誘電体キャパシタCからデータを読み出したときに、分極方向が変化し、その後も変化したままとなっている。これは破壊読み出しを意味し、強誘電体キャパシタCに保持されていた「1」のデータが消えたことになる。そこで、この第4実施形態では、後述のように、MOSトランジスタM7を利用して、その消えたデータをもう一度強誘電体キャパシタCに書き込むようにした。
【0090】
図13の期間T1は電源がオフの状態、図13の期間T2は強誘電体キャパシタCのデータの読み出し前の準備状態(図2の期間T4のラッチ状態に同じ)、図13の期間T3はそのデータの読み出しの状態である。また、図13に示すように、上記の期間T1〜T3では、オンオフ信号DSRはLレベルであり、MOSトランジスタM7はオフ状態にある。
【0091】
従って、図13の期間T1〜T3の各部の波形は、図3の期間T1〜T3の各部の波形と同じであるので、第4実施形態の期間T1〜T3の各部の動作は、上述した第1実施形態の期間T1〜T3の各部の動作と同じになる。
図13の期間T4では、強誘電体キャパシタCの分極方向の書き込みを行い、図13の期間T5では、強誘電体キャパシタCへデータの書き込みを行い、図13の期間T6ではその書き込んだデータのラッチ動作を行う。
【0092】
ここで、図13の期間T5では、図示のように、オンオフ信号DSはLレベルでMOSトランジスタM1はオフ、オンオフ信号DSRはHレベルでMOSトランジスタM2がオンとなっている。このため、ラッチ回路5でラッチされる出力データDOUTが、強誘電体キャパシタCの保持データとして入力されることになる。
【0093】
このとき、オンオフ信号LTHはLレベル、オンオフ信号LTHXはHレベルであるので、クロックドインバータ4には電源電圧VDDが供給されずにクロックドインバータ4は動作停止の状態にある。
出力データDOUTは、図13の期間T3で読み出したデータ(強誘電体キャパシタCで保持していた「1」のデータ)であるので、この消えたデータが再書き込みされたことがわかる。
【0094】
以上説明したように、この第4実施形態によれば、強誘電体キャパシタCのデータを読み出しする際に、その読み出したデータの再書き込み(リライト)ができ、そのデータを何度読み出してもそのデータの保持ができる。
次に、本発明の第5実施形態の構成について、図14を参照して説明する。
この第5実施形態に係る不揮発性記憶装置1Cは、図11に示す第4実施形態を基本とし、図14に示すように、図11のコンパレータ3を省略し、ラッチ回路5にMOSトランジスタM8,M9からなる電子スイッチ15を含ませるようにしたものである。
【0095】
ラッチ回路5は、図14に示すように、インバータINV1,INV2を相互に接続させたフリップフロップと、そのフリップフロップのループ内に挿入された電子スイッチ15とからなる。
電子スイッチ15は、N型のMOSトランジスタM8とP型のMOSトランジスタM9とを図示のように組み合わせたものである。そして、MOSトランジスタM8のゲートにはオンオフ信号LTHXが印加され、これによりMOSトランジスタM8のオンオフ制御を行うようにした。また、MOSトランジスタM9のゲートにはオンオフ信号LTHが印加され、これによりMOSトランジスタM9のオンオフ制御を行うようにした。
【0096】
この第5実施形態では、図11に示すコンパレータ3を省略するようにしたので、ノードQの電圧レベルの2値化(Hレベル/Lレベルの判定)する機能は、クロックドインバータ4が直接行うようになっている。従って、この場合には、その2値化の際の基準電圧VREFは、クロックドイバータ4の有するしきい値電圧となる。
【0097】
次に、このような構成からなる第5実施形態の動作について、図面を参照して説明する。
この第5実施形態では、図11に示す第4実施形態とは回路構成に上記のような差異があるが、その各部に供給される制御信号は第4実施形態の場合と同じとなる。このため、第5実施形態の通常動作時の各部の信号波形は、図12に示すようになり、その保持データの読み出し時の各部の信号波形は、図13に示すようになる。そこで、以下の動作説明では、図12、図13などを参照しながら行う。
【0098】
まず、図12を参照して、この第5実施形態の通常動作について説明する。
図12において、期間T1では強誘電体キャパシタCに分極を書き込む動作を行い、その等価回路は図15のようになる。また、期間T2,T3では入力データDINの書き込みと出力動作を行い、その等価回路は図16のようになる。さらに、期間T4ではその書き込んだデータの保持を行い、その等価回路は図17のようになる。以下にこれらの各動作について順に説明する。
【0099】
まず、図12の期間T1では、オンオフ信号DSはLレベルであるので、MOSトランジスタM1はオフの状態にあり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力されない。このとき、オンオフ信号SPはHレベルにあるので、MOSトランジスタM2はオン状態にあり、ノードQはグランドGNDに接続されてLレベルとなる。このときには、ポンプ信号PUMPは、Hレベルである。
【0100】
また、期間T1では、オンオフ信号LTHはLレベル、オンオフ信号LTHXはHレベルである。このため、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオフとなって、クロックドインバータ4には電源電圧VDDが供給されない状態となり、かつ、MOSトランジスタM8,M9はいずれもオンとなって、電子スイッチ15はオンとなる。このとき、オンオフ信号DSRはLレベルであるので、MOSトランジスタM7はオフである。
【0101】
さらに、期間T1では、出力データDOUTは、前状態が定義されていないので、図示のように不定である。
以上により、強誘電体キャパシタCは、制御端子12に接続される側の端子がポンプ信号PUMPによりHレベルの電圧が印加され、ノードQに接続される側の端子がグランドに接続されてLレベルの電圧が印加されることになる。このときの強誘電体キャパシタCの分極方向を、図12に示すように上向きの矢印「↑」とする。
【0102】
以上の説明により、図12の期間T1では、強誘電体キャパシタCに「↑」の向きの分極を書き込む動作をしていることになる。このとき、MOSトランジスタM1はオフであるので、入力データDINは、図12に示すようにHレベルまたはLレベルのいずれであっても良い。
次に、図12の期間T2,T3では、オンオフ信号DSはHレベルになるので、MOSトランジスタM1はオンの状態になり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力される。このとき、オンオフ信号SPはLレベルになるので、MOSトランジスタM2はオフ状態になる。この結果、ノードQのレベルは、入力データDINに対応するレベルになる。また、このときには、ポンプ信号PUMPは、Lレベルとなる。
【0103】
また、期間T2,T3では、オンオフ信号LTHはHレベル、オンオフ信号LTHXはLレベルになる。このため、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオンとなり、クロックドインバータ4には電源電圧VDDが供給されて動作状態になり、かつ、MOSトランジスタM8,M9はいずれもオフとなって、電子スイッチ15はオフとなる。このとき、オンオフ信号DSRはLレベルであるので、MOSトランジスタM7はオフである。
【0104】
この期間T2,T3における等価回路は、図16に示すようになる。
ここで、期間T2では、入力データDINがHレベルであるので、ノードQはHレベルとなる。また、期間T3では、入力データDINがLレベルであるのでノードQはLレベルとなる。
いま、入力データDINがHレベルのとき、これに対応する出力データDOUTを検討すると以下のようになる。
【0105】
このときには、クロックドインバータ4は動作状態であるので、インバータとして動作することになる。従って、ノードQの電位がHレベルであり、この電位が基準電圧VREF(クロックドインバータ4の有するしきい値電圧)を上回るので、そのHレベルの電位はクロックドインバータ4で反転されて、クロックドインバータ4の出力Q1はLレベルとなる。
【0106】
ここで、クロックドインバータ4の出力Q1は、図16に示すように、ラッチ回路5のインバータINV1にのみ供給され、その出力Q1はLレベルであるので、ラッチ回路5の出力である出力データDOUTはHレベルとなる。
なお、入力データDINがLレベルのとき(期間T3の場合)、これに対応する出力データDOUTを検討すると、図示のようにLレベルとなる。
【0107】
次に、このときの強誘電体キャパシタCの分極方向について検討する。
期間T2のように、入力データDINがHレベルの場合には、ノードQがHレベル、ポンプ信号PUMPがLレベルであるので、強誘電体キャパシタCの分極方向は図示のように下向きとなる。
一方、期間T3のように、入力データDINがLレベルの場合には、ノードQがLレベル、ポンプ信号PUMPがLレベルであるので、強誘電体キャパシタCの両端には電位差が生ぜず、その分極方向は期間T1の状態から変化せずに上向きのままとなる。
【0108】
以上の説明から明らかなように、図12の期間T2では、入力データDINとしてHレベルが入力され、その出力データDOUTがHレベルであり、かつ、強誘電体キャパシタCにはHレベルのデータとして分極方向が下向きの電荷が保持される。
一方、図12の期間T3では、入力データDINとしてLレベルが入力され、その出力データDOUTがLレベルであり、かつ、強誘電体キャパシタCにはLレベルのデータとして分極方向が上向きの電荷が保持される。
【0109】
このように、強誘電体キャパシタCに保持されたデータは、電源をオフにしても消えずに保存される。
次に、図12の期間T4では、オンオフ信号DSはLレベルであるので、MOSトランジスタM1はオフであり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力されない。このとき、オンオフ信号SPはHレベルにあるので、MOSトランジスタM2はオン状態にあり、ノードQはグランドGNDに接続されてLレベルとなる。また、このときには、ポンプ信号PUMPは、Lレベルである。
【0110】
また、期間T4では、オンオフ信号LTHはLレベル、オンオフ信号LTHXはHレベルである。このため、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオフとなって、クロックドインバータ4は不動作状態であり、かつ、MOSトランジスタM8,M9はいずれもオンとなって、電子スイッチ15はオンとなる。このとき、オンオフ信号DSRはLレベルであるので、MOSトランジスタM7はオフとなる。
【0111】
この期間T4における等価回路は、図17に示すようになる。
以上により、ポンプ信号PUMPがLレベルでノードQの電位がLレベルであるので、強誘電体キャパシタCの両端は、その電圧がともにLレベルで電位差のない状態となる。このときには、ノードQはLレベルとなるが、クロックドインバータ4は動作停止状態であるので、ノードQの電位はクロックドインバータ4の出力Q1には反映されない。従って、ラッチ回路5で保持されたデータが変化することはない。
【0112】
また、このラッチ回路5の出力データDOUTの保持は、強誘電体キャパシタCの両端に電位差のない状態で行われる。勿論、このときには、強誘電体キャパシタCの両端に電位差がないので、その分極方向に変化は起こらない。
なお、図12の例では、図12の期間T2の後でのみ期間T4のラッチ動作を行っているが、図12の期間T3の後に期間T4のラッチ動作を行うようにしても良い。この場合には、出力データDOUTのLレベルと、強誘電体キャパシタCの分極方向が上向きのまま変化せずにラッチが行われることになる。
【0113】
次に、図13を参照して、強誘電体キャパシタCに保持されたデータの読み出し動作時について説明する。
ここで、図13(A)は保持データが「1」の場合の読み出し動作時の各部の波形図であり、図13(B)は保持データが「0」の場合の読み出し動作時の各部の波形図である。
【0114】
図13において、期間T1は電源がオフの状態である。
期間T2は、強誘電体キャパシタCの保持データの読み出し前の準備(図12の期間T4のラッチ状態に相当)である。ただし、オンオフ信号LTHがHレベル、オンオフ信号LTHXがLレベルであれば、その保持データの読み出しは可能である。しかし、この例では、信号の設定の組み合わせを減らすために、図12の期間T4におけるラッチ動作と同じ設定を行っている。
【0115】
期間T3は、保持データの読み出し状態を示している。
次に、図13の期間T1,T2,T3の各動作を以下に詳述する。
まず、図13の期間T1では、電源がオフであるので、図13に示すように各部の信号が全てLレベルとなっている。この状態において、強誘電体キャパシタCの分極方向は、データ「1」を保持しているときには、図12の説明により下向きであり、データ「0」を保持しているときには、上向きとなる。
【0116】
次に、図13の期間T2の動作について説明するが、このときの等価回路は図17に示すようになる。
この期間T2では、オンオフ信号SPがHレベル、オンオフ信号LTHXがLレベルあり、他の信号はLレベルであるので、これは図12の期間T4の状態に同じである。
【0117】
従って、期間T2では、強誘電体キャパシタCの両端は、いずれもLレベルとなっている。また、出力データDOUTは不定の状態である。さらに、強誘電体キャパシタCの両端はLレベルになっているので、分極の方向に変化は生じない。その分極の方向は、データ「1」を保持しているときは下向きのままであり、データ「0」を保持しているときは上向きのままである。
【0118】
ここで、期間T2において、強誘電体キャパシタCの両端をLレベルとするのは、保持データの読み出し条件を同じにするための固定電圧(この場合にはLレベルの電圧)にするためであり、また、強誘電体キャパシタCの分極を破壊しないためである。
次に、図13の期間T3の動作について説明するが、このときの等価回路は図18のようになる。
【0119】
この期間T3では、オンオフ信号DSはLレベルであるので、MOSトランジスタM1はオフであり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力されない。このとき、オンオフ信号SPはLレベルにあるので、MOSトランジスタM2はオフ状態になる。また、このときには、ポンプ信号PUMPは、Hレベルとなる。
【0120】
また、期間T3では、オンオフ信号LTHはHレベル、オンオフ信号LTHXはLレベルである。このため、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオンになって、クロックドインバータ4は動作状態となり、かつ、MOSトランジスタM8,M9はいずれもオフとなって、電子スイッチ15はオフとなる。このとき、オンオフ信号DSRはLレベルであるので、MOSトランジスタM7はオフとなる。
【0121】
従って、この期間T3における等価回路は、図18に示すようになる。
以上により、図13の期間T3は、ポンプ信号PUMPをHレベルにし、これを強誘電体キャパシタCに印加し、ノードQの電位の変化からデータを読み出している。
次に、強誘電体キャパシタCからのデータ出力動作について、図4および図13を参照して説明する。
【0122】
まず、保持データが「1」の場合の読み出し動作について、図13(A)を参照して説明する。
図13(A)の期間T2から期間3への遷移では、分極方向に変化があるので、図4(e)に示す状態になり、ノードQのレベルは高電圧となる。このとき、クロックドインバータ4は動作状態であるので、その高電圧はクロックドインバータ4で反転されてその出力Q1はLレベルとなり、ラッチ回路5の出力データDOUTはHレベルとなる。
【0123】
次に、保持データが「0」の場合の読み出し動作について、図13(B)を参照して説明する。
図13(B)の期間T2から期間3への遷移では、分極方向に変化がないので、図4(c)に示す状態になり、ノードQのレベルは低電圧となる。このとき、その低電圧はクロックドインバータ4で反転されてその出力Q1はHレベルとなり、ラッチ回路5の出力データDOUTはLレベルとなる。
【0124】
次に、図13の期間T4では、強誘電体キャパシタCの分極方向の書き込みを行う。これは、図13の期間T3において、強誘電体キャパシタCに書き込まれていた分極方向のデータが破壊されたので、再書き込みを行うために、まず強誘電体キャパシタに分極を書き込む必要があるためである。
次に、図13の期間T5では、強誘電体キャパシタCへのデータの書き込みを行い、このときに等価回路は図19に示すようになる。
【0125】
期間T5では、オンオフ信号DSはLレベルであるので、MOSトランジスタM1はオフであり、入力データDINは強誘電体メモリ2には入力されない。このとき、オンオフ信号SPはLレベルにあるので、MOSトランジスタM2はオフとなる。また、このときには、ポンプ信号PUMPは、Lレベルである。
また、期間T5では、オンオフ信号LTHはLレベル、オンオフ信号LTHXはHレベルである。このため、MOSトランジスタM4,M5はいずれもオフとなって、クロックドインバータ4は不動作状態であり、かつ、MOSトランジスタM8,M9はいずれもオンとなって、電子スイッチ15はオンとなる。このとき、オンオフ信号DSRはHレベルであるので、MOSトランジスタM7はオンとなる。
【0126】
したがって、この期間T5における等価回路は、図19に示すようになる。
このため、期間T5では、ラッチ回路5でラッチされる出力データDOUTが、強誘電体キャパシタCに書き込まれることになる。すなわち、図13(A)の場合には、強誘電体キャパシタCに出力データDOUTのHレベルの電圧が印加され、下向きの分極方向のデータが入力される。また、図13(B)の場合には、強誘電体キャパシタCに出力データDOUTのLレベルの電圧が印加され、上向きの分極方向のデータのままとなる。これにより、強誘電体キャパシタCは、データを読み出す前の状態になる。
【0127】
以上説明したように、この第5実施形態によれば、強誘電体キャパシタCのデータを読み出しする際に、その読み出したデータの再書き込み(リライチ)ができ、そのデータを何度読み出してもそのデータの保持ができる。従って、この第5実施形態は、図11に示す第4実施形態と全く同じ機能と備えていることになる。
【0128】
次に、図14に示す第5実施形態の利点について、図11に示す第4実施形態と比較して説明する。
(1)第5実施形態は、第4実施形態よりも消費電力が少ない。
図11に示す第4実施形態では、クロックドインバータ4とラッチ回路5のインバータINV2とのドライブ能力の差によって駆動させている。しかし、第4実施形態は、図16および図18から明らかのように、クロックドイバータ4の動作時に、クロックドインバータ4とインバータINV2とが電気的に接続されない。このため、第4実施形態では、インバータINV2を駆動するための電流が不要となり、消費電力の低減に寄与できる。
(2)第5実施形態では、第4実施形態で使用されるコンパレータ(図11参照)が不要である。
【0129】
図11に示す第4実施回路では、クロックドインバータ4とラッチ回路5のインバータINV2とのドライブ能力の差によって駆動させているので、安定動作させるためにクロックドインバータ4を構成するMOSトランジスタM3〜M6のトランジスタサイズを大きくする必要がある。そのトランジスタサイズを大きくすると、MOSトランジスタM3〜M6の寄生容量が大きくなるので、データ読み出し時の浮遊容量C1が大きくなる(図4参照)。
【0130】
浮遊容量C1が大きくなることは、データの読み出し時にノードQの出力電圧が低くなり、HレベルまたはLレベル時の出力電圧の電位差ΔVが小さくなる。このため、ノードQの出力電圧を、コンパレータを使用せずにインバータで2値化するのは難しくなる。
これからわかるように、第4実施形態でもインバータによりその出力電圧の検出(2値化)は可能であるが、第5実施形態の方が、インバータでの検出がより安定となる。このため、第5実施形態では、コンパレータを省略することができる。
【0131】
次に、本発明の第6実施形態の構成について、図20を参照して説明する。
この第6実施形態に係る不揮発性記憶装置1Dは、図14に示す第5実施形態を基本とし、図14のクロックドインバータ4を、図20に示すように、インバータ4Aおよび電子スイッチ4Bに置き換え、これらを強誘電体メモリ2とラッチ回路5との間に設けるようにしたものである。
【0132】
図14に示すクロックドインバータ4は、図示のように、MOSトランジスタM3,M6からなるCMOSインバータを有し、このCMOSインバータの両端に設けたMOSトランジスタM4,M5をオンオフ制御して電源電圧VDDの供給制御を行うことにより、CMOSインバータの動作が制御できるようになっている。
【0133】
そこで、この第6実施形態に係る不揮発性記憶装置1Dは、図14に示すクロックドインバータ4を、図20に示すように、MOSトランジスタM3,M6からなるインバータ4Aと、MOSトランジスタM4,M5からなる電子スイッチ4Bとに置き換え、クロックドインバータ4と実質的に同一の機能を実現するようにした。
【0134】
すなわち、インバータ4Aは、N型のMOSトランジスタM3とP型のMOSトランジスタM6を組み合わせたCMOSインバータからなり、その一端側に電源電圧VDDが印加され、その他端側がグランドGNDに接続されている。また、インバータ4Aの入力側は図14に示す強誘電体メモリ2の出力側と接続され、インバータ4Aの出力側は電子スイッチ4Bの一端側に接続されている。
【0135】
電子スイッチ4Bは、N型のMOSトランジスタM4とP型のMOSトランジスタM5とを並列して構成され、その一端側がインバータ4Aの出力側に接続され、その他端側がラッチ回路5の入力側に接続されている。そして、MOSトランジスタM4のゲートにはオンオフ信号LTHが印加され、MOSトランジスタM4のオンオフ制御を行うようになっている。また、MOSトランジスタM5のゲートにはオンオフ信号LTHXが印加され、MOSトランジスタM5のオンオフ制御を行うようになっている。
【0136】
なお、この第6実施形態の上記以外の構成は、図20には描かれていないが、図14に示す第5実施形態の構成と同じであるので、その説明は省略する。
次に、本発明の第7実施形態の構成について、図21を参照して説明する。
この第7実施形態に係る不揮発性記憶装置1Eは、図1に示す第1実施形態を基本とし、図1のクロックドインバータ4を、図21に示すように、インバータ4Aおよび電子スイッチ4Bに置き換え、これらをコンパレータ3とラッチ回路5との間に直列に設けるようにしたものである。
【0137】
この第7実施形態の構成の基本的な考え方は、図20に示す第6実施形態と同じ考え方に基づくものであるので、その説明は省略する。
図21に示すように、インバータ4Aは、図20に示すインバータ4Aと同様に構成されている。また、インバータ4Aの入力側は図1に示すコンパレータ3の出力側と接続され、インバータ4Aの出力側は電子スイッチ4Bの一端側に接続されている。さらに、図21に示す電子スイッチ4Bは、図20に示す電子スイッチ4Bと同様に構成されている。
【0138】
なお、この第7実施形態の上記以外の構成は、図21には描かれていないが、図1に示す第1実施形態の構成と同じであるので、その説明は省略する。
なお、クロックドインバータ4を、インバータ4Aおよび電子スイッチ4Bに置き換える構成は、上記のように第1実施形態に適用するのみならず、図5や図11に示す各実施形態に適用するようにしても良い。
【0139】
以上説明した本発明の不揮発性記憶装置の第1実施形態〜第7実施形態は、データを読み書き自在な不揮発性メモリとして使用できる。このため、上記の第1実施形態〜第7実施形態は、本発明の電子機器に適用できる。
そこで、本発明の電子機器に、上記の第1実施形態〜第7実施形態を適用した場合について説明する。
【0140】
この場合には、電子装置は、データを読み書き自在な不揮発性メモリを含み、その不揮発性メモリに各種のデータが書き換え自在に構成されている。そして、その不揮発性メモリとして、本発明の不揮発性記憶装置の第1実施形態〜第7実施形態を適用するようにした。このような構成によれば、その各実施形態の効果が発揮できる電子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の不揮発性記憶装置の第1実施形態の構成を示す回路図である。
【図2】その第1実施形態の通常動作時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図3】その第1実施形態の保持データの読み出し時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図4】図1の強誘電体キャパシタからのデータの読み出しを説明するための説明図である。
【図5】本発明の不揮発性記憶装置の第2実施形態の構成を示す回路図である。
【図6】その第2実施形態の通常動作時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図7】その第2実施形態の保持データの読み出し時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図8】本発明の不揮発性記憶装置の第3実施形態の構成を示す回路図である。
【図9】その第3実施形態の動作を説明するための説明図である。
【図10】図1の第1実施形態において、2つのデータを保持するため動作を説明する際の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図11】本発明の不揮発性記憶装置の第4実施形態の構成を示す回路図である。
【図12】その第4実施形態の通常動作時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図13】その第4実施形態の保持データの読み出し時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図14】本発明の不揮発性記憶装置の第5実施形態の構成を示す回路図である。
【図15】その第5実施形態の通常動作時の等価回路である。
【図16】その第5実施形態の通常動作時の他の等価回路である。
【図17】その第5実施形態の通常動作時のさらに他の等価回路である。
【図18】その第5実施形態のデータの読み出し時の等価回路である。
【図19】その第5実施形態のデータの再書き換え時の等価回路である。
【図20】本発明の不揮発性記憶装置の第6実施形態の構成を示す回路図である。
【図21】本発明の不揮発性記憶装置の第7実施形態の構成を示す回路図である。
【図22】従来装置の構成を示す回路図である。
【図23】その従来装置の通常動作時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図24】その従来装置の保持データの読み出し時の各部の信号波形例を示す波形図である。
【図25】その従来装置の保持データの読み出し時の各部の他の信号波形例を示す波形図である。
【符号の説明】
C・・・・強誘電体キャパシタ、M1〜M9・・・・MOSトランジスタ、INV1,INV2・・・・インバータ、DIN・・・・入力データ、DOUT・・・・出力データ、PUP・・・・ポンプ信号、1、1A〜1E・・・・不揮発性記憶装置、2・・・・強誘電体メモリ、3・・・・コンパレータ、4・・・・クロックドインバータ、4A・・・・インバータ、4B・・・・電子スイッチ、5・・・・ラッチ回路、6・・・・入力端子、7・・・・出力端子、15・・・・電子スイッチ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile memory device including a ferroelectric capacitor and a latch circuit, and an electronic apparatus using the nonvolatile memory device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of nonvolatile memory device, for example, the one shown in FIG. 22 is known (see, for example, Non-Patent Document 1).
As shown in FIG. 22, this nonvolatile memory device includes an inverter INV11 and MOS transistors M11 and M12 in addition to a normal latch circuit including inverters INV12 and INV13 and two ferroelectric capacitors C11 and C12. And an electronic switch composed of MOS transistors M13 and M14.
[0003]
MOS transistors M15 and M16 are connected to the inverters INV12 and INV13, and the MOS transistors M15 and M16 are controlled to be turned on / off by power supply on / off signals PWRL and PWRH, thereby controlling the supply of the power supply voltage VDD to the inverters INV12 and INV13. I am doing so.
A pump signal PUMP signal is supplied to the ferroelectric capacitors C11 and C12. Input data DIN is supplied to the inverter INV11. The MOS transistors M11 and M14 are on / off controlled by the clock signal CLK, and the MOS transistors M12 and M13 are on / off controlled by the clock signal CLKX.
[0004]
Next, an operation example of the conventional nonvolatile memory device having such a configuration will be described with reference to FIGS.
First, the normal operation of this conventional apparatus will be described with reference to FIGS. Prior to this normal operation, since the power on / off signal PWRL is at the L level and the power on / off signal PWRH is at the H level, the MOS transistors M15 and M16 are in the on state. For this reason, the power supply voltage VDD is supplied to the inverters INV12 and INV13. This state is maintained thereafter.
[0005]
In the initial state of the normal operation, the output data DOUT and the polarization directions of the ferroelectric capacitors C11 and C12 are indefinite.
A period T1 in FIG. 23 indicates an input state of the input data DIN.
In this period T1, the input data DIN is at the H level. In this period T1, since the clock signal CLK is at the H level and the clock signal CLKX is at the L level, the MOS transistors M11 and M12 are turned on and the MOS transistors M13 and M14 are turned off. Further, the pump signal PUMP is at L level.
[0006]
At this time, the H level of the input data DIN is inverted to the L level by the inverter INV11 and becomes the L level, and the input data Q2 of the inverter INV13 becomes the L level. Accordingly, the L level input data Q2 is inverted by the inverter INV13, and the output data DOUT becomes H level.
At this time, the L level output data DOUT is inverted by the inverter INV12, and the output data Q1 of the inverter INV12 becomes L level. At this time, the L level of the output data Q1 and the L level of the pump signal PUMP are applied to both ends of the ferroelectric capacitor C11, and there is no potential difference between both ends, so the polarization direction remains indefinite. On the other hand, the H level of the output data DOUT and the L level of the pump signal PUMP are applied to both ends of the ferroelectric capacitor C12. The polarization direction of the ferroelectric capacitor C12 at this time is downward (shown as “↓” in FIG. 23) as shown in FIG.
[0007]
As is clear from the above description, in the period T1 in FIG. 23, the input data DIN is at the H level, and the H level state appears as it is as the output data DOUT.
A period T2 in FIG. 23 shows a state in which the input data DIN is latched into the latch circuit and the polarization directions of the ferroelectric capacitors C11 and C12 are written.
[0008]
During this period T2, the input data DIN is at the H level. In this period T2, since the clock signal CLK is at the L level and the clock signal CLKX is at the H level, the MOS transistors M11 and M12 are turned off and the MOS transistors M13 and M14 are turned on. Further, the pump signal PUMP is at the H level.
Thus, in the period T2, the MOS transistors M11 and M12 are turned off and the MOS transistors M13 and M14 are turned on, so that the H level of the input data DIN is latched. Therefore, in the period T2, the output data DOUT is maintained at the H level, and the levels of Q1 and Q2 remain at the L level.
[0009]
As a result, since the L level of Q1 and the H level of the pump signal PUMP are applied to both ends of the ferroelectric capacitor C11, the polarization direction is upward (referred to as “↑” in FIG. 23). On the other hand, the H level of the output data DOUT and the H level of the pump signal PUMP are applied to both ends of the ferroelectric capacitor C12, and there is no potential difference between both ends of the ferroelectric capacitor C12. To maintain. That is, the polarization direction is downward.
[0010]
As is clear from the above description, in the period T2 in FIG. 23, the input data DIN is at the H level, the input data DIN is latched into the latch circuit, and the polarization state of the ferroelectric capacitors C11 and C12 is written. It becomes.
A period T3 in FIG. 23 shows the latch state of the input data DIN in the latch circuit and the ferroelectric capacitors C11 and C12, and the level of the pump signal PUMP is different in the waveforms of the respective parts in the period T3 and the period T2.
[0011]
Each operation described above is for the case where the input data DIN is at the H level, but the operation waveform of each part when the input data DIN is at the L level is as shown in the periods T4 to T6 in FIG.
Here, each operation in the period T4 to the period T6 corresponds to each operation in the period T1 to the period T3, and thus description thereof is omitted here. In this case, since the input data DIN is at the L level, as can be seen from the period T5 in FIG. 23, the polarization directions written in the ferroelectric capacitors C11 and C12 are reversed compared to the period T2. You can see that
[0012]
Next, a method for reading data held in the ferroelectric capacitors C11 and C12 as described above will be described with reference to FIGS. 22, 24, and 25. FIG.
Here, FIG. 24 shows an operation waveform of each part at the time of reading data “1”. FIG. 25 shows an example of the operation waveform of each part at the time of reading data “0”.
[0013]
When reading this data, it is necessary to set as follows. That is, the input data DIN is L level, the clock signal CLK is L level, and the clock signal CLKX is H level. For this reason, the MOS transistors M11 and M12 are turned off and the MOS transistors M13 and M14 are turned on.
In the period T1 in FIG. 24, the pump signal PUMP is at the H level, the power on / off signal PWRL is at the H level, and the power on / off signal PWRH is at the L level in the above state. For this reason, the inverters INV12 and INV13 are not supplied with the power supply voltage VDD, which is also a setting necessary for reading data.
[0014]
At this time, since it is assumed that the data “1” is held in the ferroelectric capacitors C11 and C12, the polarization direction is as shown in the period T1 in FIG.
In the period T2 in FIG. 24, the pump signal PUMP is set to the H level. As a result, the ferroelectric capacitors C11 and C12 output charges according to their polarization directions, and the levels of the output data DOUT and Q1 (Q2) change as shown in the period T2. The output data DOUT becomes a high voltage because there is a change in the polarization direction of the ferroelectric capacitor C12, and the level of Q1 (Q2) is lower than the output data DOUT because there is no change in the polarization direction of the ferroelectric capacitor C11. Become potential.
[0015]
As can be seen from the above, data is read during the period T2.
In the period T3 in FIG. 24, the power on / off signal PWRL is at the L level and the power on / off signal PWRH is at the H level. Therefore, the inverters INV12 and INV13 are in a state where the power supply voltage VDD is supplied. As a result, the voltage difference between the output data DOUT and Q1 is widened, so that the output data DOUT becomes H level and Q1 (Q2) becomes L level.
[0016]
As can be seen from the above, it is understood that data is being restored in the period T3.
In the period T4 in FIG. 24, the read data is written. In the period T3 in FIG. 24, the polarization of the ferroelectric capacitor C11 does not actually change in the polarization direction as shown by a circle in the figure, but the polarization amount (conservation amount of electric charge) changes and remains as it is. Then, there is a possibility that data cannot be normally read at the next reading. Therefore, data is written in a period T4 in FIG.
[0017]
A period T5 in FIG. 24 is a data latch state, and the waveform of each part at this time is as shown in the figure.
FIG. 25 shows an example of the operation waveform of each part at the time of reading data “0”.
In this case, the data “0” is held in the ferroelectric capacitors C11 and C12. Unlike the above case, the readout control is basically the same as the above case. The explanation of the operation is omitted. Note that the periods T1 to T5 in FIG. 25 correspond to the periods T1 to T5 in FIG.
[0018]
[Non-Patent Document 1]
Nikkei Microdevice December 2002 issue P140
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional nonvolatile memory device shown in FIG. 22 has the following problems.
(1) Since two ferroelectric capacitors are used, the manufacturing yield is reduced.
(2) Since the voltage is always applied to the two ferroelectric capacitors at the time of data latching, the life of the ferroelectric capacitor is shortened, and as a result, the life of the device is shortened.
(3) Due to the configuration of the device, data other than the latched data cannot be held in the ferroelectric capacitor, so there is no degree of freedom in the output after the power is turned on.
[0020]
For this reason, the advent of a non-volatile storage device that can solve the above-mentioned problems and the advent of electronic devices using the same are desired.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device that can improve yield, extend the life, increase the degree of freedom of data processing, and the like.
Another object of the present invention is to provide an electronic apparatus using the nonvolatile memory device as described above.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, each invention is configured as follows.
That is, the first invention includes a ferroelectric capacitor that includes one ferroelectric capacitor and that can store 1-bit input data and can store the input data or read data from the ferroelectric memory. A latch circuit; and a switch that is openable and closable interposed between the ferroelectric memory and the latch circuit. The switch receives the input data or read data from the ferroelectric memory in the latch circuit. It closes when memorizing and opens after memorizing.
[0022]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a first switch that can be turned on / off to take in one-bit input data, one ferroelectric capacitor, and a second switch that can be turned on / off to connect one end of the ferroelectric capacitor to the ground. A ferroelectric memory for storing the input data, a latch circuit capable of storing the input data or read data from the ferroelectric memory, and between the ferroelectric memory and the latch circuit A third switch that can be turned on and off interposed between the first switch and the second switch according to the contents of the data read / write operation of the ferroelectric memory and the data latch operation of the latch circuit. And a control circuit for controlling a predetermined on / off operation of the third switch.
[0023]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a first switch that can be turned on / off to take in 1-bit input data, one ferroelectric capacitor, and a second switch that can be turned on / off to connect one end of the ferroelectric capacitor to the ground. A ferroelectric memory that applies a control signal to the other end of the ferroelectric capacitor and stores the input data in the ferroelectric capacitor; and from the input data or the ferroelectric memory A latch circuit capable of storing read data; a clocked inverter which is interposed between the ferroelectric memory and the latch circuit and which can be controlled on and off and can invert data when turned on; and the ferroelectric In the data read / write operation of the memory and the data latch operation of the latch circuit, the first switch is selected according to the contents of the operation. And a, and a control circuit for controlling the predetermined on-off operation of the second switch and the clocked inverter.
[0024]
According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, a comparator is further provided that binarizes the input data or the read data from the ferroelectric memory.
In a fifth aspect based on the third or fourth aspect, the control circuit performs an OR operation of an on / off signal for turning on / off the second switch and a control signal applied to the other end of the ferroelectric capacitor. And a inverter circuit that inverts the on / off signal. The on / off control of the first switch is performed by the output signal of the NOR circuit, and the clock signal is output by the on / off signal and the output signal of the inverter circuit. The inverter was controlled on and off.
[0025]
According to a sixth invention, in any one of the first to fifth inventions, the circuit further comprises a feedback circuit that feeds back output data of the latch circuit to the ferroelectric memory, and outputs the output data of the latch circuit to the strong data. Rewriting is performed on the dielectric memory.
According to a seventh invention, in any one of the third to sixth inventions, the clocked inverter is replaced with a CMOS inverter and an electronic switch.
[0026]
An eighth invention includes a plurality of nonvolatile memory devices according to the third or fourth invention, an on / off signal for turning on and off the second switch of the nonvolatile memory device, and the nonvolatile memory device A NOR circuit that performs a logical OR operation with a control signal applied to each of the other ends of the ferroelectric capacitor, and an inverter circuit that inverts the on / off signal. On / off control of the first switch included in the volatile memory device is performed, and on / off control of the clocked inverter included in the nonvolatile memory device is performed based on the on / off signal and the output signal of the inverter circuit.
[0027]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a first switch that can be turned on / off to take in 1-bit input data, one ferroelectric capacitor, and a second switch that can be turned on / off to connect one end of the ferroelectric capacitor to the ground. A ferroelectric memory for storing the input data, a flip-flop in which two inverters are connected to each other, and an electronic switch inserted in a loop of the flip-flop, and the input data or the A latch circuit capable of storing read data from a ferroelectric memory, and a clocked inverter that is interposed between the ferroelectric memory and the latch circuit, can be turned on / off freely, and can invert data when turned on In the data read / write operation of the ferroelectric memory and the data latch operation of the latch circuit, Depending on the contents of work, the first switch, the second switch, and the like and a control circuit for controlling the clocked inverter, and a predetermined on-off operation of the electronic switch.
[0028]
According to a tenth aspect, in the ninth aspect, the circuit further comprises a feedback circuit that feeds back output data of the latch circuit to the ferroelectric memory, and rewrites the output data of the latch circuit to the ferroelectric memory. It has become.
According to an eleventh aspect, in the ninth or tenth aspect, the clocked inverter is replaced with a CMOS inverter and an electronic switch.
[0029]
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided an electronic device that includes a nonvolatile memory that can freely read and write data, and that can read and write various types of data to and from the nonvolatile memory. The nonvolatile memory device according to any one of the eleventh aspects is configured.
According to the nonvolatile memory device of the present invention having the above-described configuration, it is possible to improve yield, prolong life, increase flexibility in data processing, and the like.
[0030]
Moreover, according to the electronic apparatus of the present invention having the above-described configuration, the nonvolatile memory device can exhibit the above-described effects.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a first embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention.
As shown in FIG. 1, the nonvolatile memory device 1 according to the first embodiment includes one ferroelectric capacitor C, a ferroelectric memory 2 that stores 1-bit input data DIN, and input data. A latch circuit 5 capable of storing (latching) read data from the DIN or ferroelectric memory 2, a comparator 3 for binarizing data, and a comparator 3 between the ferroelectric memory 2 and the latch circuit 5. And a control circuit (not shown) for generating various control signals for controlling the ferroelectric memory 2 and controlling on / off of the clocked inverter 4.
[0032]
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the input terminal 6 to which the input data DIN is supplied, the output terminal 7 for taking out the output data DOUT, and the MOS transistors M4 and M5 of the clocked inverter 4 are turned on / off. Control terminals 8 and 9 to which ON / OFF signals LTH and LTX are supplied, control terminals 10 and 11 to which ON / OFF signals DS and SP for turning ON / OFF the N-type MOS transistors M1 and M2 are supplied, and a ferroelectric capacitor C A control terminal 12 to which a pump signal PUMP to be supplied is supplied and a reference voltage supply terminal 13 to which a reference voltage (reference voltage) supplied to the comparator 3 is supplied are provided.
[0033]
The ferroelectric memory 2 includes a MOS transistor M1 as a switch for taking in 1-bit input data DIN, one ferroelectric capacitor C, and a switch for connecting one end of the ferroelectric capacitor C to the ground GND. And a MOS transistor M2.
More specifically, MOS transistors M1 and M2 are connected in series between the input terminal 6 and the ground. An ON / OFF signal DS supplied to the control terminal 10 is applied to the gate of the MOS transistor M1, whereby the MOS transistor M1 is controlled to be turned on / off. An ON / OFF signal SP supplied to the control terminal 11 is applied to the gate of the MOS transistor M2, so that the MOS transistor M2 is ON / OFF controlled. The nodes of the MOS transistor M1 and the MOS transistor M2 are connected to one terminal of the ferroelectric capacitor C and the positive input terminal of the comparator 3, respectively. A pump signal PUMP supplied to the control terminal 12 is applied to the other terminal of the ferroelectric capacitor C.
[0034]
The comparator 3 compares the input data DIN or the read data from the ferroelectric memory 2 with the reference voltage VREF supplied to the reference voltage supply terminal 13, and if the data is equal to or higher than the reference voltage VREF, the comparator 3 sets the H level. When the data is lower than the reference voltage VREF, the L level is output. The output of the comparator 3 is input to the clocked inverter 4.
[0035]
The clocked inverter 4 includes a CMOS inverter composed of an N-type MOS transistor M3 and a P-type MOS transistor M6, a P-type MOS transistor M5 for controlling power supply to the inverter on both sides of the inverter, and an N-type MOS transistor. A transistor M4 is provided.
That is, the ON / OFF signal LTH supplied to the control terminal 8 is applied to the gate of the MOS transistor M4, whereby the MOS transistor M4 is controlled to be turned on / off. The gate of the MOS transistor M5 is applied with an on / off signal LT XX supplied to the control terminal 9, whereby the MOS transistor M5 is on / off controlled.
[0036]
Therefore, the clocked inverter 4 has a data inversion function and a switch function for controlling the passage of data.
The latch circuit 5 temporarily stores the input data DIN supplied to the input terminal 6 or the read data of the ferroelectric memory 2 via the comparator 3 and the clocked inverter 4. For this purpose, the latch circuit 5 comprises a flip-flop in which two inverters INV1 and INV2 are connected to each other as shown in FIG. The output of the latch circuit 5 is taken out from the output terminal 7 as output data DOUT.
[0037]
The control circuit (not shown) generates the on / off signals LTH and LTX, the on / off signals DS and SP, the pump signal PUMP, and the like as described above, and supplies the generated signals to the respective units as described above. On-off control is performed.
Next, the operation of the first embodiment having such a configuration will be described with reference to FIGS.
[0038]
Here, FIG. 2 is a waveform diagram of each part during normal operation. FIG. 3 is a waveform diagram of each part during a read operation of data held in the ferroelectric capacitor C.
First, the normal operation of the first embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 2, an operation of writing polarization into the ferroelectric capacitor C is performed in the period T1, writing and outputting of the input data DIN are performed in the periods T2 and T3, and the written data is held in the period T4. Each of these operations will be described in turn.
[0039]
In the period T1 in FIG. 2, since the on / off signal DS is at the L level, the MOS transistor M1 is in the off state, and the input data DIN is not input to the ferroelectric memory 2. At this time, the pump signal PUMP becomes H level. At this time, since the on / off signal SP is at the H level, the MOS transistor M2 is in the on state, and the node Q of the MOS transistor M1 and the MOS transistor M2 is connected to the ground GND and is at the L level.
[0040]
At this time, since the on / off signal LTH is at the L level and the on / off signal LTHS is at the H level, the MOS transistors M4 and M5 are both turned off, and the power supply voltage VDD is not supplied to the clocked inverter 4. At this time, the output data DOUT is indefinite as shown because the previous state is not defined.
[0041]
Under such conditions, the ferroelectric capacitor C has a terminal connected to the control terminal 12 to which an H level voltage is applied by the pump signal PUMP, and a terminal connected to the node Q is connected to the ground. An L level voltage is applied by connection. The polarization direction of the ferroelectric capacitor C at this time is represented by an upward arrow “↑” as shown in FIG.
[0042]
As described above, in the period T1 in FIG. 2, the operation of writing the polarization in the direction of “↑” to the ferroelectric capacitor C is performed. At this time, since the MOS transistor M1 is off, the input data DIN may be either H level or L level as shown in FIG.
Next, in the periods T2 and T3 in FIG. 2, since the on / off signal DS is at the H level, the MOS transistor M1 is in the on state, and the input data DIN is input to the ferroelectric memory 2. At this time, the pump signal PUMP becomes L level. At this time, since the on / off signal SP is at the L level, the MOS transistor M2 is turned off. As a result, the level of the node Q becomes a level corresponding to the input data DIN.
[0043]
At this time, since the on / off signal LTH is at the H level and the on / off signal LTX is at the L level, the MOS transistors M4 and M5 are both turned on. For this reason, the clocked inverter 4 is supplied with the power supply voltage VDD and is in an operable state.
Here, in the period T2, since the input data DIN is at the H level, the node Q is at the H level. In the period T3, since the input data DIN is at L level, the node Q is at L level.
[0044]
Now, when the input data DIN is at H level, the output data DOUT corresponding to this is as follows.
At this time, the input data DIN of the H level is input to the comparator 3, which is equal to or higher than the reference voltage VREF, so that the output Q1 of the comparator 3 becomes the H level. The output Q1 of the comparator 3 is inverted by the clocked inverter 4, and the output Q2 becomes L level.
[0045]
Here, the drive capability of the output Q2 of the clocked inverter 4 is set higher than the drive capability of the inverter INV2 constituting the latch circuit 5. That is, the output impedance value of the clocked inverter 4 is smaller than the output impedance value of the inverter INV1. For this reason, the input of the latch circuit 5 follows the output Q2 of the clocked inverter 4 and the output Q2 is an L label. Therefore, the output data DOUT that is the output of the latch circuit 5 is at the H level.
[0046]
Note that when the input data DIN is at the L level (in the case of the period T3), the output data DOUT corresponding to the input data DIN becomes the L level as illustrated.
Next, the polarization direction of the ferroelectric capacitor C at this time will be examined.
When the input data DIN is at the H level as in the period T2, the level of the node Q is at the H level and the pump signal PUMP is at the L level, so that the polarization direction of the ferroelectric capacitor C is downward as shown in the figure. Become.
[0047]
On the other hand, when the input data DIN is at the L level as in the period T3, since the level of the node Q is at the L level and the pump signal PUMP is at the L level, no potential difference occurs between both ends of the ferroelectric capacitor C. The polarization direction remains upward without changing from the state of the period T1.
As is clear from the above description, in the period T2 in FIG. 2, the H level is input as the input data DIN, the output data DOUT is at the H level, and the ferroelectric capacitor C has the H level data. Charges with a downward polarization direction are retained.
[0048]
On the other hand, during the period T3 in FIG. 2, the L level is input as the input data DIN, the output data DOUT is at the L level, and the ferroelectric capacitor C has an electric charge whose polarization direction is upward as the L level data. Retained.
Next, the data latch function of the first embodiment will be described.
The latch circuit 5 holds the output data DOUT after the output data Q2 from the clocked inverter 4 is output, the MOS transistors M4 and M5 are turned off by the on / off signals LTH and LTX, and the power supply voltage VDD is supplied to the clocked inverter 4 It can be realized by stopping.
[0049]
That is, after the period T2 or the period T3 in FIG. 2, the MOS transistors M4 and M5 are turned off by the on / off signals LTH and LTHS, and the output data DOUT of the latch circuit 5 can be latched.
Here, the output data DOUT can be latched even in the state of the period T1 in FIG. 2, but there is no potential difference between both ends of the ferroelectric capacitor C in order to extend the life of the ferroelectric capacitor C. Therefore, in the first embodiment, the state of the period T4 in FIG. 2 is set to the latch state of the output data DOUT.
[0050]
2 will be described. In this period T4, since the on / off signal DS is at the L level, the MOS transistor M1 is in an off state, and the input data DIN is not input to the ferroelectric memory 2. At this time, the pump signal PUMP becomes L level. At this time, since the on / off signal SP is at the H level, the MOS transistor M2 is turned on, and the node Q of the MOS transistors M1 and M2 is connected to the ground GND and at the L level.
[0051]
At this time, since the on / off signal LTH is at the L level and the on / off signal LTHS is at the H level, the MOS transistors M4 and M5 are both turned off, and the power supply voltage VDD is not supplied to the clocked inverter 4.
Under such conditions, in the ferroelectric capacitor C, the voltages at both ends of the ferroelectric capacitor C are both at the L level and there is no potential difference between the both ends. At this time, the node Q is at the L level, the output Q1 of the comparator 3 is at the L level, and the clocked inverter 4 is in an operation stop state, so that the output Q1 is not reflected on the output Q2 of the clocked inverter 4. Therefore, the data held in the latch circuit 5 does not change.
[0052]
Further, the output data DOUT of the latch circuit 5 is held in a state where there is no potential difference between both ends of the ferroelectric capacitor C. Of course, at this time, since there is no potential difference between both ends of the ferroelectric capacitor C, the polarization direction does not change.
In the example of FIG. 2, the latch operation in the period T4 is performed only after the period T2 in FIG. 2, but the latch operation in the period T4 may be performed after the period T3 in FIG. In this case, the latch is performed without changing the L level of the output data DOUT and the polarization direction of the ferroelectric capacitor C with the upward direction.
[0053]
Next, with reference to FIG. 3, a description will be given of the operation of reading the data held in the ferroelectric capacitor C.
FIG. 3A shows the waveform of each part during the read operation when the retained data of the ferroelectric capacitor C is “1”, and FIG. 3B shows the read operation when the retained data is “0”. The waveform of each part at the time is shown.
[0054]
In FIG. 3, a power supply is off in a period T1.
The period T2 is preparation (corresponding to the state of the period T4 in FIG. 2) before reading the data held in the ferroelectric capacitor C. However, if the on / off signal LTH is at the H level and the on / off signal LTX is at the L level, the stored data can be read. However, in this example, in order to reduce the combination of signal settings (the same setting as the latch operation in the period T4 in FIG. 2 is performed).
[0055]
A period T3 indicates a read state of the retained data.
Next, each operation in the periods T1, T2, and T3 in FIG. 3 will be described in detail below.
First, in the period T1 in FIG. 3, since the power is off, the signals of the respective parts are all at the L level as shown in FIG. In this state, the polarization direction of the ferroelectric capacitor C is downward according to the description of FIG. 2 when the data “1” is held, and upward when the data “0” is held.
[0056]
Next, in the period T2 in FIG. 3, the on / off signal SP is at the H level and the on / off signal LTX is at the L level except for the L level, which is the same as the state in the period T4 in FIG.
Therefore, in the period T2, both ends of the ferroelectric capacitor C are at the L level. The output data DOUT is in an indefinite state. Further, since both ends of the ferroelectric capacitor C are at the L level, no change occurs in the direction of polarization. The polarization direction remains downward when data “1” is retained, and remains upward when data “0” is retained.
[0057]
Here, the reason why both ends of the ferroelectric capacitor C are set to the L level in the period T2 is to set the fixed data (in this case, the L level voltage) for the same read condition of the retained data. This is because the polarization of the ferroelectric capacitor C is not destroyed.
Next, in the period T3 in FIG. 3, the ON / OFF signal SP is set to L level to turn off the MOS transistor M2, and the pump signal PUMP applied to the ferroelectric capacitor C is set to H level. As a result, the voltage at the node Q changes, and data is read based on the change.
[0058]
Next, the data output operation from the ferroelectric capacitor C will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4A, the stray capacitance C1 exists between the wiring pattern and the MOS transistors M1, M2 and the ground at the node Q in FIG. The stray capacitance C1 is controlled and designed to have a value optimized for circuit operation.
[0059]
3, the ferroelectric capacitor C is in the state shown in FIG. 4A, the pump signal PUMP applied to the ferroelectric capacitor C is at the H level, and data is transmitted from the node Q. Output. Here, the level (voltage value) of the node Q is a value obtained by dividing the voltage of the pump signal PUMP by the capacitance values of the ferroelectric capacitor C and the capacitor C1.
[0060]
The change ΔV in the level of the node Q at this time depends on the change in the polarization direction of the ferroelectric capacitor C. This is because there is a difference in the amount of charge output from the ferroelectric capacitor C when there is a change in the polarization direction and when there is no change in the polarization direction. That is, the amount of charge output from the ferroelectric capacitor C is large when there is a large change in the polarization direction, and small when there is no change. For this reason, the voltage level of the node Q is as follows.
[0061]
FIG. 4B shows a case where the ferroelectric capacitor C has no change in the polarization direction. This is the case where there is no change in the polarization direction in the period T2 and the polarization direction in the period T3 in FIG. Equivalent to The relationship between the time at this time and the voltage at the node Q is as shown in FIG.
FIG. 4D shows the case where the ferroelectric capacitor C has a change in the polarization direction. This is the case where there is a change in the polarization direction in the period T2 and the polarization direction in the period T3 in FIG. Equivalent to The relationship between the time at this time and the voltage at the node Q is as shown in FIG.
[0062]
As can be seen from FIGS. 4C and 4E, the voltage difference at the node Q is ΔV when the polarization direction of the ferroelectric capacitor C is not changed. That is, the potential difference of the node Q is ΔV between the case where the retained data of the ferroelectric capacitor C is “1” and the case where it is “0”.
Therefore, as shown in FIGS. 4C and 4E, for example, if the reference voltage VREF is set in the middle of the potential difference ΔV, the voltage of the node Q can be binarized using the comparator 3.
[0063]
Here, if conditions such as the magnitude of the potential difference ΔV are satisfied, an inverter of a MOS transistor may be used instead of the comparator 3.
Next, based on the above description, the output of the node Q will be described with reference to FIG.
First, reading when the retained data is “1” will be described with reference to FIG.
[0064]
In this case, the transition is from the period T2 to the period T3 in FIG. 3, and the polarization direction is changed, so that the state shown in FIG. 4E is obtained, and the voltage of the node Q becomes a high potential. The voltage at the node Q is compared with the reference voltage VREF by the comparator 3, and the output Q1 becomes H level. At this time, since the clocked inverter 4 is in an operating state, its output Q2 becomes L level, and the output data DOUT output from the latch circuit 5 becomes H level.
[0065]
Next, reading when the retained data is “0” will be described with reference to FIG.
In this case, it is a transition from the period T2 to the period T3 in FIG. 3 and there is no change in the polarization direction, so that the state shown in FIG. 4C is obtained, and the voltage at the node Q becomes a low potential. The voltage at the node Q is compared with the reference voltage VREF by the comparator 3, and the output Q1 becomes L level. At this time, since the clocked inverter 4 is in an operating state, its output Q2 becomes H level, and the output data DOUT output from the latch circuit 5 becomes L level.
[0066]
The data read out from the ferroelectric capacitor C in this way is stored in the latch circuit 5, and then the data is held in the latch circuit 5 if the latch state is set.
Next, another operation example of the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0067]
In this other operation example, two data are held by changing control by a control circuit (not shown).
In this case, the waveform of each part in the periods T1 to T4 in FIG. 10 is the same as the waveform of each part in the periods T1 to T4 in FIG. 2, and the operation of each part in the periods T1 to T4 is the period T1 to T4 in FIG. This is the same as the operation of each unit at T4.
[0068]
In the period T5 in FIG. 10, the on / off signals LTH and LTX in the period T2 in FIG. 2 are changed. That is, in this period T5, the on / off signal LTH is at the L level and the on / off signal LTHX is at the H level as shown in the figure.
Therefore, the MOS transistors M4 and M5 are off and the clocked inverter 4 is in an inoperative state, so that the output Q1 of the comparator 3 is not reflected on the output Q2 of the clocked inverter 4. As a result, the output data DOUT of the latch circuit 5 does not change. Therefore, in FIG. 2, the output data DOUT is at the H level, but in FIG. 10, it is not at the H level but remains at the L level.
[0069]
As apparent from the above, in the period T5 in FIG. 10, the ferroelectric memory 2 (ferroelectric capacitor C) holds the H level data, and the latch circuit 5 holds the L level as the output data DOUT. Thus, two data can be held simultaneously.
Such an operation is strong before the power is turned off when the power-off and power-on settings are different (for example, when the circuit power-on sequence or the initial state after power-on is specified). Writing data to the dielectric capacitor C has an advantage that the data can be reflected when the power is turned on.
[0070]
In addition, when the next data is known, the data of the ferroelectric capacitor C can be held to control other circuits, and the internal operation sequence can be rearranged. The effect of increasing the degree of freedom (for example, shortening the time, equalizing the load on the CPU, improving the use efficiency of the circuit) can be expected.
As described above, according to the first embodiment, the number of ferroelectric capacitors can be reduced, so that the yield in the manufacturing is improved.
[0071]
Further, according to the first embodiment, it is not necessary to apply a voltage to the ferroelectric capacitor after data is written, so that the lifetime of the ferroelectric capacitor can be extended.
Furthermore, according to the first embodiment, since the ferroelectric memory 2 and the latch circuit 5 can be physically separated, the degree of freedom in data processing can be increased.
[0072]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The nonvolatile memory device 1A according to the second embodiment is based on the first embodiment shown in FIG. 1, and a NOR circuit 21 and an inverter 22 as shown in FIG. 5 are added to this, and an on / off signal shown in FIG. DS and ON / OFF signals LTH and LTX are omitted, and control of a control circuit (not shown) is reduced.
[0073]
Here, according to FIGS. 2 and 3 showing the waveforms of the respective parts of the first embodiment, the on / off signal DS for controlling the on / off of the MOS transistor M1 can be obtained by negating the logical sum of the on / off signal SP and the pump signal PUMP. it can. An on / off signal LTH for controlling on / off of the MOS transistor M4 can be obtained by inverting the on / off signal SP. Further, an on / off signal LTX for controlling on / off of the MOS transistor M5 is the same as the on / off signal SP and can be used.
Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 5, the on / off signal SP and the pump signal PUMP are supplied to the input side of the NOR circuit 21, and the output ds of the NOR circuit 21 is applied to the gate of the MOS transistor M1. I tried to do it. Further, the on / off signal SP is applied to the gate of the MOS transistor M2 and to the MOS transistor M5. Further, the on / off signal SP is inverted by the inverter 22 and the inverted signal lth is applied to the gate of the MOS transistor M4.
[0074]
Since the configuration of other parts of the second embodiment is the same as the configuration of the circuit of FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
Next, the operation of the second embodiment having such a configuration will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a waveform diagram of each part during the normal operation of the second embodiment.
[0075]
In FIG. 6, an operation for writing polarization into the ferroelectric capacitor C is performed in a period T1, writing and outputting operations of input data DIN are performed in periods T2 and T3, and the written data is held in a period T4. Since these operations are the same as the operations in the periods T1 to T4 in FIG. 2 in the first embodiment, description of the operations is omitted.
[0076]
FIG. 7 is a waveform diagram of each part during the read operation of data held in the ferroelectric capacitor C in the second embodiment.
FIG. 7A shows the waveform of each part during the read operation when the retained data of the ferroelectric capacitor C is “1”, and FIG. 7B shows the read operation when the retained data is “0”. The waveform of each part at the time is shown.
[0077]
In FIG. 7, the power supply is turned off in a period T1, preparation is performed before reading the held data of the ferroelectric capacitor C in the period T2, and reading of the held data is performed in the period T3. Since these operations are the same as the operations in the periods T1 to T3 in FIG. 3 in the first embodiment, the description of the operations is omitted.
As described above, according to the second embodiment, since the control signal can be omitted as compared with the first embodiment, control of a control circuit (not shown) is reduced.
[0078]
By the way, in the first and second embodiments described above, data is held in the ferroelectric capacitor C, but instead, it may be operated as a simple latch circuit. In this case, the polarization write operation of the ferroelectric capacitor C may be excluded, such as “data latch”, “data input”, “data latch”, “data input”.
[0079]
In the first and second embodiments described above, the polarization write operation may be performed only when it is necessary to retain data in the ferroelectric capacitor C. In this case, the operation may be performed as “data latch”, “data input”, “data latch”, “polarization write”, “data input”, “data latch”.
[0080]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The nonvolatile memory device 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 can store 1-bit input data DIN, but cannot store multi-bit input data. On the other hand, in the nonvolatile memory device 1A according to the second embodiment shown in FIG. 5, a NOR circuit 21 and an inverter 22 are added in order to facilitate control.
[0081]
Therefore, the nonvolatile memory device according to the third embodiment enables storage processing of input data of a plurality of bits (in this example, 8 bits) and facilitates control in the same manner as in the second embodiment. It was made to realize.
Therefore, as shown in FIG. 8, the third embodiment includes eight nonvolatile storage devices 1 shown in FIG. 1 to store 8-bit input data DIN0, DIN1,. The NOR circuit 31 and the inverter 32 that are commonly used for the eight nonvolatile memory devices 1 are provided.
[0082]
In the third embodiment, various control signals supplied to the eight nonvolatile storage devices 1 are obtained using the on / off signal SP and the pump signal PUMP as they are, or using the NOR circuit 31 and the inverter 32. I did it.
More specifically, the on / off signal SP and the pump signal PUMP are used as they are as the on / off signal SP and the pump signal PUMP of the eight nonvolatile storage devices 1. Further, the NOR circuit 31 performs an operation of negating the logical sum of the ON / OFF signal SP and the pump signal PUMP, and the output of the NOR circuit 31 is used as each ON / OFF signal DS of the eight nonvolatile storage devices 1. . Further, the on / off signal SP is used as it is as the on / off signals LTX of the eight nonvolatile storage devices 1. Further, the on / off signal SP is inverted by the inverter 32, and this inverted signal is used as the on / off signal LTH of the eight nonvolatile memory devices 1.
[0083]
In the third embodiment having such a configuration, four operations as shown in FIG. 9 are realized by a combination of the on / off signal SP and the pump signal PUMP, which will be described.
According to FIG. 9, in the case of “data input operation”, the on / off signal SP is “0” and the pump signal PUMP is “0”, and in the case of “data latch operation”, “1” and “ “0”, “0” and “1” in the case of “data read operation”, and “1” and “1” in the case of “polarization write operation”.
[0084]
In the third embodiment, when each operation corresponding to each operation shown in FIG. 6 in the second embodiment is realized, the corresponding operation may be selected from the operations shown in FIG.
In the third embodiment, when realizing each operation corresponding to each operation shown in FIG. 7 in the second embodiment, the corresponding operation may be selected from the operations shown in FIG.
[0085]
Next, the structure of 4th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
The nonvolatile memory device 1B according to the fourth embodiment is based on the first embodiment shown in FIG. 1, and a MOS transistor M7 as a switch element that can be turned on and off as shown in FIG. A feedback circuit capable of feeding back the output data DOUT of 5 to the ferroelectric memory 2 is provided so that the output data DOUT can be rewritten to the ferroelectric memory 2.
[0086]
That is, the MOS transistor M7 is connected between the output terminal of the latch circuit 5 and the node Q of the ferroelectric memory 2. Further, an on / off signal DSR supplied to the control terminal 14 is applied to the gate of the MOS transistor M7, whereby the on / off control of the MOS transistor M7 is performed. Further, the comparator 3 includes N-type MOS transistors M21 and M22 formed of a differential pair, and P-type MOS transistors M23 and M24 forming a current mirror.
[0087]
In addition, since the structure of the other part of this 4th Embodiment is the same as that of the circuit of FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected about the same component, and the description is abbreviate | omitted.
Further, a feedback circuit for performing such rewriting may be added to the second embodiment shown in FIG.
Next, the operation of the fourth embodiment having such a configuration will be described with reference to FIGS.
[0088]
FIG. 12 is a waveform diagram of each part during normal operation of the fourth embodiment. During this normal operation, the on / off signal DSR is at L level, and the MOS transistor M7 is in the off state.
Accordingly, since the waveform diagram of each part in FIG. 12 is the same as the waveform diagram of each part during the normal operation in the first embodiment of FIG. 2, the normal operation of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment described above. It becomes the same as normal operation.
[0089]
FIG. 13 is a waveform diagram of each part at the time of reading data held in the ferroelectric capacitor C in the fourth embodiment. FIGS. 13A and 13B correspond to FIGS. 3A and 3B in which the first embodiment shows waveforms of respective parts at the time of reading data held in the ferroelectric capacitor C. FIG.
In the period T3 of FIG. 3, when data is read from the ferroelectric capacitor C, the polarization direction changes and remains changed thereafter. This means destructive readout, and the data “1” held in the ferroelectric capacitor C has disappeared. Therefore, in the fourth embodiment, as will be described later, the erased data is written once again in the ferroelectric capacitor C by using the MOS transistor M7.
[0090]
A period T1 in FIG. 13 is in a power-off state, a period T2 in FIG. 13 is a preparation state before reading data from the ferroelectric capacitor C (same as the latch state in the period T4 in FIG. 2), The data is being read. Further, as shown in FIG. 13, in the period T1 to T3, the on / off signal DSR is at the L level, and the MOS transistor M7 is in the off state.
[0091]
Therefore, since the waveforms of the respective parts in the periods T1 to T3 in FIG. 13 are the same as the waveforms of the respective parts in the periods T1 to T3 in FIG. 3, the operations of the respective parts in the periods T1 to T3 in the fourth embodiment This is the same as the operation of each part in the period T1 to T3 in the embodiment.
In the period T4 in FIG. 13, the polarization direction of the ferroelectric capacitor C is written. In the period T5 in FIG. 13, data is written into the ferroelectric capacitor C. In the period T6 in FIG. 13, the written data is written. Performs a latch operation.
[0092]
Here, in the period T5 in FIG. 13, as shown in the figure, the on / off signal DS is L level, the MOS transistor M1 is off, the on / off signal DSR is H level, and the MOS transistor M2 is on. For this reason, the output data DOUT latched by the latch circuit 5 is input as data held in the ferroelectric capacitor C.
[0093]
At this time, since the on / off signal LTH is at the L level and the on / off signal LTHS is at the H level, the power supply voltage VDD is not supplied to the clocked inverter 4 and the clocked inverter 4 is in a stopped state.
Since the output data DOUT is data read in the period T3 in FIG. 13 (data “1” held in the ferroelectric capacitor C), it can be seen that the erased data is rewritten.
[0094]
As described above, according to the fourth embodiment, when the data of the ferroelectric capacitor C is read, the read data can be rewritten (rewritten). Data can be retained.
Next, the structure of 5th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
The nonvolatile memory device 1C according to the fifth embodiment is based on the fourth embodiment shown in FIG. 11, and as shown in FIG. 14, the comparator 3 in FIG. 11 is omitted, and the latch circuit 5 includes MOS transistors M8, An electronic switch 15 made of M9 is included.
[0095]
As shown in FIG. 14, the latch circuit 5 includes a flip-flop in which inverters INV1 and INV2 are connected to each other, and an electronic switch 15 inserted in the loop of the flip-flop.
The electronic switch 15 is a combination of an N-type MOS transistor M8 and a P-type MOS transistor M9 as illustrated. The on / off signal LTX is applied to the gate of the MOS transistor M8, whereby the on / off control of the MOS transistor M8 is performed. Further, an on / off signal LTH is applied to the gate of the MOS transistor M9, whereby the on / off control of the MOS transistor M9 is performed.
[0096]
In the fifth embodiment, since the comparator 3 shown in FIG. 11 is omitted, the clocked inverter 4 directly performs the function of binarizing the voltage level of the node Q (determination of H level / L level). It is like that. Therefore, in this case, the reference voltage VREF at the time of the binarization is the threshold voltage of the clock driver 4.
[0097]
Next, the operation of the fifth embodiment having such a configuration will be described with reference to the drawings.
In the fifth embodiment, the circuit configuration differs from the fourth embodiment shown in FIG. 11 as described above, but the control signals supplied to the respective parts are the same as those in the fourth embodiment. For this reason, the signal waveform of each part at the time of normal operation of the fifth embodiment is as shown in FIG. 12, and the signal waveform of each part at the time of reading the retained data is as shown in FIG. Therefore, the following description of the operation is performed with reference to FIGS.
[0098]
First, the normal operation of the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 12, in period T1, an operation of writing polarization into the ferroelectric capacitor C is performed, and an equivalent circuit thereof is as shown in FIG. In periods T2 and T3, input data DIN is written and output, and the equivalent circuit is as shown in FIG. Further, during the period T4, the written data is held, and an equivalent circuit thereof is as shown in FIG. Each of these operations will be described in turn below.
[0099]
First, in the period T1 in FIG. 12, since the on / off signal DS is at the L level, the MOS transistor M1 is in the off state, and the input data DIN is not input to the ferroelectric memory 2. At this time, since the on / off signal SP is at the H level, the MOS transistor M2 is in the on state, and the node Q is connected to the ground GND and becomes the L level. At this time, the pump signal PUMP is at the H level.
[0100]
In the period T1, the on / off signal LTH is at the L level and the on / off signal LTHS is at the H level. Therefore, the MOS transistors M4 and M5 are both turned off, the power supply voltage VDD is not supplied to the clocked inverter 4, and the MOS transistors M8 and M9 are both turned on, and the electronic switch 15 is turned on. Turn on. At this time, since the on / off signal DSR is at the L level, the MOS transistor M7 is off.
[0101]
Further, in the period T1, the output data DOUT is indefinite as illustrated because the previous state is not defined.
As described above, in the ferroelectric capacitor C, the terminal connected to the control terminal 12 is applied with the H level voltage by the pump signal PUMP, the terminal connected to the node Q is connected to the ground, and is set to the L level. Is applied. The polarization direction of the ferroelectric capacitor C at this time is indicated by an upward arrow “↑” as shown in FIG.
[0102]
As described above, in the period T1 in FIG. 12, the operation of writing the polarization in the direction of “↑” to the ferroelectric capacitor C is performed. At this time, since the MOS transistor M1 is off, the input data DIN may be either H level or L level as shown in FIG.
Next, in the periods T2 and T3 in FIG. 12, since the on / off signal DS is at the H level, the MOS transistor M1 is turned on, and the input data DIN is input to the ferroelectric memory 2. At this time, since the on / off signal SP becomes L level, the MOS transistor M2 is turned off. As a result, the level of the node Q becomes a level corresponding to the input data DIN. At this time, the pump signal PUMP is at the L level.
[0103]
In the periods T2 and T3, the on / off signal LTH is at the H level and the on / off signal LTHS is at the L level. Therefore, both the MOS transistors M4 and M5 are turned on, the power supply voltage VDD is supplied to the clocked inverter 4, and the MOS transistors M8 and M9 are both turned off. Is turned off. At this time, since the on / off signal DSR is at the L level, the MOS transistor M7 is off.
[0104]
An equivalent circuit in the periods T2 and T3 is as shown in FIG.
Here, in the period T2, since the input data DIN is at the H level, the node Q is at the H level. In the period T3, since the input data DIN is at L level, the node Q is at L level.
Now, when the input data DIN is at H level, the output data DOUT corresponding to this is as follows.
[0105]
At this time, since the clocked inverter 4 is in an operating state, it operates as an inverter. Therefore, the potential of the node Q is at the H level, and this potential exceeds the reference voltage VREF (the threshold voltage of the clocked inverter 4), so that the H level potential is inverted by the clocked inverter 4, and the clock The output Q1 of the inverter 4 becomes L level.
[0106]
Here, as shown in FIG. 16, the output Q1 of the clocked inverter 4 is supplied only to the inverter INV1 of the latch circuit 5, and since the output Q1 is at the L level, the output data DOUT which is the output of the latch circuit 5 Becomes H level.
Note that when the input data DIN is at the L level (in the case of the period T3), the output data DOUT corresponding to the input data DIN becomes the L level as illustrated.
[0107]
Next, the polarization direction of the ferroelectric capacitor C at this time will be examined.
When the input data DIN is at the H level as in the period T2, since the node Q is at the H level and the pump signal PUMP is at the L level, the polarization direction of the ferroelectric capacitor C is downward as illustrated.
On the other hand, when the input data DIN is at the L level as in the period T3, since the node Q is at the L level and the pump signal PUMP is at the L level, no potential difference occurs between both ends of the ferroelectric capacitor C. The polarization direction does not change from the state of the period T1 and remains upward.
[0108]
As is clear from the above description, in the period T2 in FIG. 12, the H level is input as the input data DIN, the output data DOUT is at the H level, and the ferroelectric capacitor C has the H level data. Charges with a downward polarization direction are retained.
On the other hand, in the period T3 in FIG. 12, the L level is input as the input data DIN, the output data DOUT is at the L level, and the ferroelectric capacitor C has an electric charge whose polarization direction is upward as the L level data. Retained.
[0109]
Thus, the data held in the ferroelectric capacitor C is stored without being erased even when the power is turned off.
Next, in the period T4 of FIG. 12, since the on / off signal DS is at the L level, the MOS transistor M1 is off and the input data DIN is not input to the ferroelectric memory 2. At this time, since the on / off signal SP is at the H level, the MOS transistor M2 is in the on state, and the node Q is connected to the ground GND and becomes the L level. At this time, the pump signal PUMP is at the L level.
[0110]
In the period T4, the on / off signal LTH is at the L level and the on / off signal LTHS is at the H level. Therefore, both the MOS transistors M4 and M5 are turned off, the clocked inverter 4 is inactive, the MOS transistors M8 and M9 are both turned on, and the electronic switch 15 is turned on. At this time, since the on / off signal DSR is at the L level, the MOS transistor M7 is turned off.
[0111]
An equivalent circuit in the period T4 is as shown in FIG.
As described above, since the pump signal PUMP is at the L level and the potential of the node Q is at the L level, both ends of the ferroelectric capacitor C are in a state where the voltage is at the L level and there is no potential difference. At this time, the node Q is at the L level, but the clocked inverter 4 is in an operation stop state, so that the potential of the node Q is not reflected in the output Q1 of the clocked inverter 4. Therefore, the data held in the latch circuit 5 does not change.
[0112]
Further, the output data DOUT of the latch circuit 5 is held in a state where there is no potential difference between both ends of the ferroelectric capacitor C. Of course, at this time, since there is no potential difference between both ends of the ferroelectric capacitor C, the polarization direction does not change.
In the example of FIG. 12, the latch operation of the period T4 is performed only after the period T2 of FIG. 12, but the latch operation of the period T4 may be performed after the period T3 of FIG. In this case, the latch is performed without changing the L level of the output data DOUT and the polarization direction of the ferroelectric capacitor C with the upward direction.
[0113]
Next, with reference to FIG. 13, a description will be given of the operation of reading the data held in the ferroelectric capacitor C.
Here, FIG. 13A is a waveform diagram of each part during the read operation when the retained data is “1”, and FIG. 13B is a waveform diagram of each part during the read operation when the retained data is “0”. It is a waveform diagram.
[0114]
In FIG. 13, a power supply is off in a period T1.
The period T2 is preparation before reading of the data held in the ferroelectric capacitor C (corresponding to the latch state in the period T4 in FIG. 12). However, if the on / off signal LTH is at the H level and the on / off signal LTX is at the L level, the stored data can be read. However, in this example, in order to reduce the number of combinations of signal settings, the same setting as the latch operation in the period T4 in FIG. 12 is performed.
[0115]
A period T3 indicates a read state of the retained data.
Next, each operation in the periods T1, T2, and T3 in FIG. 13 will be described in detail below.
First, in the period T1 in FIG. 13, since the power is off, the signals of the respective parts are all at the L level as shown in FIG. In this state, the polarization direction of the ferroelectric capacitor C is downward according to the description of FIG. 12 when data “1” is held, and upward when data “0” is held.
[0116]
Next, an operation in the period T2 in FIG. 13 will be described. An equivalent circuit at this time is as shown in FIG.
In this period T2, the on / off signal SP is at the H level, the on / off signal LTX is at the L level, and the other signals are at the L level. This is the same as the state of the period T4 in FIG.
[0117]
Therefore, in the period T2, both ends of the ferroelectric capacitor C are at the L level. The output data DOUT is in an indefinite state. Further, since both ends of the ferroelectric capacitor C are at the L level, the polarization direction does not change. The polarization direction remains downward when data “1” is held, and remains upward when data “0” is held.
[0118]
Here, the reason why both ends of the ferroelectric capacitor C are set to the L level in the period T2 is to set the fixed data (in this case, the L level voltage) for the same read condition of the retained data. This is because the polarization of the ferroelectric capacitor C is not destroyed.
Next, the operation in the period T3 in FIG. 13 will be described. An equivalent circuit at this time is as shown in FIG.
[0119]
In this period T3, since the on / off signal DS is at the L level, the MOS transistor M1 is off, and the input data DIN is not input to the ferroelectric memory 2. At this time, since the on / off signal SP is at the L level, the MOS transistor M2 is turned off. At this time, the pump signal PUMP is at the H level.
[0120]
In the period T3, the on / off signal LTH is at the H level and the on / off signal LTHS is at the L level. Therefore, both the MOS transistors M4 and M5 are turned on, the clocked inverter 4 is in an operating state, the MOS transistors M8 and M9 are both turned off, and the electronic switch 15 is turned off. At this time, since the on / off signal DSR is at the L level, the MOS transistor M7 is turned off.
[0121]
Accordingly, an equivalent circuit in the period T3 is as shown in FIG.
As described above, in the period T3 in FIG. 13, the pump signal PUMP is set to the H level, this is applied to the ferroelectric capacitor C, and data is read from the change in the potential of the node Q.
Next, the data output operation from the ferroelectric capacitor C will be described with reference to FIGS.
[0122]
First, a read operation in the case where retained data is “1” will be described with reference to FIG.
In the transition from the period T2 to the period 3 in FIG. 13A, since the polarization direction is changed, the state shown in FIG. 4E is obtained, and the level of the node Q becomes a high voltage. At this time, since the clocked inverter 4 is in an operating state, the high voltage is inverted by the clocked inverter 4 and its output Q1 becomes L level, and the output data DOUT of the latch circuit 5 becomes H level.
[0123]
Next, a read operation in the case where the retained data is “0” will be described with reference to FIG.
In the transition from the period T2 to the period 3 in FIG. 13B, since the polarization direction does not change, the state shown in FIG. 4C is obtained, and the level of the node Q becomes a low voltage. At this time, the low voltage is inverted by the clocked inverter 4, the output Q1 thereof becomes H level, and the output data DOUT of the latch circuit 5 becomes L level.
[0124]
Next, in the period T4 in FIG. 13, writing in the polarization direction of the ferroelectric capacitor C is performed. This is because the polarization direction data written in the ferroelectric capacitor C is destroyed during the period T3 in FIG. It is.
Next, in a period T5 in FIG. 13, data is written to the ferroelectric capacitor C. At this time, an equivalent circuit is as shown in FIG.
[0125]
In the period T5, since the on / off signal DS is at the L level, the MOS transistor M1 is off, and the input data DIN is not input to the ferroelectric memory 2. At this time, since the on / off signal SP is at the L level, the MOS transistor M2 is turned off. At this time, the pump signal PUMP is at the L level.
In the period T5, the on / off signal LTH is at the L level and the on / off signal LTHS is at the H level. Therefore, both the MOS transistors M4 and M5 are turned off, the clocked inverter 4 is inactive, the MOS transistors M8 and M9 are both turned on, and the electronic switch 15 is turned on. At this time, since the on / off signal DSR is at the H level, the MOS transistor M7 is turned on.
[0126]
Accordingly, an equivalent circuit in the period T5 is as shown in FIG.
Therefore, in the period T5, the output data DOUT latched by the latch circuit 5 is written into the ferroelectric capacitor C. That is, in the case of FIG. 13A, the H level voltage of the output data DOUT is applied to the ferroelectric capacitor C, and the downward polarization direction data is input. In the case of FIG. 13B, the L level voltage of the output data DOUT is applied to the ferroelectric capacitor C, and the upward polarization direction data remains as it is. As a result, the ferroelectric capacitor C is in a state before data is read.
[0127]
As described above, according to the fifth embodiment, when reading the data of the ferroelectric capacitor C, the read data can be rewritten (re-lit), and the data can be read any number of times. Data can be retained. Therefore, this fifth embodiment has the same functions as those of the fourth embodiment shown in FIG.
[0128]
Next, advantages of the fifth embodiment shown in FIG. 14 will be described in comparison with the fourth embodiment shown in FIG.
(1) The fifth embodiment consumes less power than the fourth embodiment.
In the fourth embodiment shown in FIG. 11, the driving is performed by the difference in driving ability between the clocked inverter 4 and the inverter INV <b> 2 of the latch circuit 5. However, in the fourth embodiment, as apparent from FIGS. 16 and 18, the clocked inverter 4 and the inverter INV <b> 2 are not electrically connected when the clocked inverter 4 is operated. For this reason, in the fourth embodiment, a current for driving the inverter INV2 becomes unnecessary, which can contribute to a reduction in power consumption.
(2) In the fifth embodiment, the comparator (see FIG. 11) used in the fourth embodiment is not necessary.
[0129]
In the fourth embodiment circuit shown in FIG. 11, the driving is performed by the difference in drive capability between the clocked inverter 4 and the inverter INV2 of the latch circuit 5, so that the MOS transistors M3- It is necessary to increase the transistor size of M6. When the transistor size is increased, the parasitic capacitance of the MOS transistors M3 to M6 increases, so that the stray capacitance C1 at the time of data reading increases (see FIG. 4).
[0130]
When the stray capacitance C1 increases, the output voltage of the node Q decreases when data is read, and the potential difference ΔV of the output voltage at the H level or L level decreases. For this reason, it becomes difficult to binarize the output voltage of the node Q with an inverter without using a comparator.
As can be seen, the output voltage can also be detected (binarized) by the inverter in the fourth embodiment, but the detection by the inverter is more stable in the fifth embodiment. For this reason, the comparator can be omitted in the fifth embodiment.
[0131]
Next, the structure of 6th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
The nonvolatile memory device 1D according to the sixth embodiment is based on the fifth embodiment shown in FIG. 14, and the clocked inverter 4 in FIG. 14 is replaced with an inverter 4A and an electronic switch 4B as shown in FIG. These are provided between the ferroelectric memory 2 and the latch circuit 5.
[0132]
As shown in the figure, the clocked inverter 4 shown in FIG. 14 has a CMOS inverter composed of MOS transistors M3 and M6. The MOS transistors M4 and M5 provided at both ends of the CMOS inverter are controlled to be turned on and off, and the power supply voltage VDD is set. By performing the supply control, the operation of the CMOS inverter can be controlled.
[0133]
Therefore, in the nonvolatile memory device 1D according to the sixth embodiment, the clocked inverter 4 shown in FIG. 14 is replaced with an inverter 4A composed of MOS transistors M3 and M6 and MOS transistors M4 and M5 as shown in FIG. The electronic switch 4B is replaced with a function substantially the same as that of the clocked inverter 4.
[0134]
That is, the inverter 4A is composed of a CMOS inverter in which an N-type MOS transistor M3 and a P-type MOS transistor M6 are combined, the power supply voltage VDD is applied to one end side thereof, and the other end side is connected to the ground GND. The input side of the inverter 4A is connected to the output side of the ferroelectric memory 2 shown in FIG. 14, and the output side of the inverter 4A is connected to one end side of the electronic switch 4B.
[0135]
The electronic switch 4B is configured by paralleling an N-type MOS transistor M4 and a P-type MOS transistor M5, one end of which is connected to the output side of the inverter 4A, and the other end is connected to the input side of the latch circuit 5. ing. An ON / OFF signal LTH is applied to the gate of the MOS transistor M4, so that the MOS transistor M4 is controlled to be turned on / off. Further, an on / off signal LTX is applied to the gate of the MOS transistor M5 to control the on / off of the MOS transistor M5.
[0136]
The remaining configuration of the sixth embodiment is not depicted in FIG. 20, but is the same as the configuration of the fifth embodiment shown in FIG.
Next, the structure of 7th Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG.
The nonvolatile memory device 1E according to the seventh embodiment is based on the first embodiment shown in FIG. 1, and the clocked inverter 4 in FIG. 1 is replaced with an inverter 4A and an electronic switch 4B as shown in FIG. These are provided in series between the comparator 3 and the latch circuit 5.
[0137]
The basic concept of the configuration of the seventh embodiment is based on the same concept as that of the sixth embodiment shown in FIG.
As shown in FIG. 21, the inverter 4A is configured similarly to the inverter 4A shown in FIG. The input side of the inverter 4A is connected to the output side of the comparator 3 shown in FIG. 1, and the output side of the inverter 4A is connected to one end side of the electronic switch 4B. Furthermore, the electronic switch 4B shown in FIG. 21 is configured in the same manner as the electronic switch 4B shown in FIG.
[0138]
The remaining configuration of the seventh embodiment is not depicted in FIG. 21, but is the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG.
The configuration in which the clocked inverter 4 is replaced with the inverter 4A and the electronic switch 4B is not only applied to the first embodiment as described above, but also applied to each embodiment shown in FIG. 5 and FIG. Also good.
[0139]
The first to seventh embodiments of the nonvolatile memory device of the present invention described above can be used as a nonvolatile memory in which data can be freely read and written. For this reason, said 1st Embodiment-7th Embodiment are applicable to the electronic device of this invention.
Then, the case where said 1st Embodiment-7th Embodiment is applied to the electronic device of this invention is demonstrated.
[0140]
In this case, the electronic device includes a nonvolatile memory in which data can be read and written, and various types of data can be rewritten in the nonvolatile memory. As the nonvolatile memory, the first to seventh embodiments of the nonvolatile memory device of the present invention are applied. According to such a configuration, it is possible to provide an electronic device that can exhibit the effects of the respective embodiments.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a first embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention;
FIG. 2 is a waveform diagram showing a signal waveform example of each part during normal operation of the first embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram showing a signal waveform example of each part at the time of reading held data according to the first embodiment;
4 is an explanatory diagram for explaining reading of data from the ferroelectric capacitor of FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a second embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention;
FIG. 6 is a waveform diagram showing a signal waveform example of each part during normal operation of the second embodiment.
FIG. 7 is a waveform diagram showing a signal waveform example of each part at the time of reading held data according to the second embodiment.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a third embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention;
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the operation of the third embodiment;
10 is a waveform diagram showing an example of a signal waveform of each part when explaining an operation for holding two data in the first embodiment of FIG. 1; FIG.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a fourth embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention;
FIG. 12 is a waveform diagram showing a signal waveform example of each part during normal operation of the fourth embodiment.
FIG. 13 is a waveform diagram showing an example of a signal waveform of each part at the time of reading held data according to the fourth embodiment.
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a fifth embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention;
FIG. 15 is an equivalent circuit during normal operation of the fifth embodiment.
FIG. 16 is another equivalent circuit during normal operation of the fifth embodiment.
FIG. 17 is still another equivalent circuit during normal operation of the fifth embodiment.
FIG. 18 is an equivalent circuit when reading data according to the fifth embodiment;
FIG. 19 is an equivalent circuit when data is rewritten according to the fifth embodiment.
FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration of a sixth embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention;
FIG. 21 is a circuit diagram showing a configuration of a seventh embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention;
FIG. 22 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional apparatus.
FIG. 23 is a waveform diagram showing a signal waveform example of each part during normal operation of the conventional apparatus.
FIG. 24 is a waveform diagram showing a signal waveform example of each part at the time of reading held data of the conventional apparatus.
FIG. 25 is a waveform diagram showing another signal waveform example of each part at the time of reading held data of the conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
C ... Ferroelectric capacitors, M1-M9 ... MOS transistors, INV1, INV2, ... Inverters, DIN ... Input data, DOUT ... Output data, PUP ... Non-volatile memory device, 2 ... Ferroelectric memory, 3 ... Comparator, 4 ... Clocked inverter, 4A ... inverter, 4B ··· electronic switch, 5 ··· latch circuit, 6 ··· input terminal, 7 ··· output terminal, 15 ··· electronic switch.

Claims (12)

1つの強誘電体キャパシタを含み、1ビットの入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、
前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、
前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在させて開閉自在なスイッチとを備え、
前記スイッチは、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータを前記ラッチ回路に記憶する際に閉じ、その記憶の終了後は開くようになっていることを特徴とする不揮発性記憶装置。
A ferroelectric memory including one ferroelectric capacitor and storing 1-bit input data;
A latch circuit capable of storing read data from the input data or the ferroelectric memory;
A switch that is openable and closable interposed between the ferroelectric memory and the latch circuit;
The switch is closed when storing the input data or read data from the ferroelectric memory in the latch circuit, and is opened after the storage is completed.
1ビットの入力データの取り込みを行うオンオフ自在な第1スイッチと、1つの強誘電体キャパシタと、この強誘電体キャパシタの一端をグランドと接続させるオンオフ自在な第2スイッチとを含み、前記入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、
前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、
前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在されオンオフ自在な第3スイッチと、
前記強誘電体メモリのデータの読み書き動作と前記ラッチ回路のデータのラッチ動作の際に、その動作内容に応じて、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、および前記第3スイッチの所定のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする不揮発性記憶装置。
A first switch that can be turned on and off to capture 1-bit input data; one ferroelectric capacitor; and a second switch that can be turned on and off to connect one end of the ferroelectric capacitor to the ground. A ferroelectric memory for storing
A latch circuit capable of storing read data from the input data or the ferroelectric memory;
A third switch which is interposed between the ferroelectric memory and the latch circuit and which can be turned on and off;
Predetermined on / off operations of the first switch, the second switch, and the third switch in accordance with the operation contents during the data read / write operation of the ferroelectric memory and the data latch operation of the latch circuit And a control circuit for controlling the non-volatile memory device.
1ビットの入力データの取り込みを行うオンオフ自在な第1スイッチと、1つの強誘電体キャパシタと、この強誘電体キャパシタの一端をグランドと接続させるオンオフ自在な第2スイッチとを含み、前記強誘電体キャパシタの他端に制御信号を印加するようにし、その強誘電体キャパシタに前記入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、
前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、
前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在され、オンオフ制御が自在であるとともに、オン時にデータを反転できるクロックドインバータと、
前記強誘電体メモリのデータの読み書き動作と前記ラッチ回路のデータのラッチ動作の際に、その動作の内容に応じて、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、および前記クロックドインバータの所定のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする不揮発性記憶装置。
A ferroelectric switch including a first switch that can be turned on and off that captures 1-bit input data, one ferroelectric capacitor, and a second switch that can be turned on and off to connect one end of the ferroelectric capacitor to a ground; A ferroelectric memory that applies a control signal to the other end of the body capacitor and stores the input data in the ferroelectric capacitor;
A latch circuit capable of storing read data from the input data or the ferroelectric memory;
A clocked inverter that is interposed between the ferroelectric memory and the latch circuit and is capable of on / off control and capable of inverting data when turned on;
In the data read / write operation of the ferroelectric memory and the data latch operation of the latch circuit, the first switch, the second switch, and the clocked inverter are turned on and off according to the contents of the operation. And a control circuit for controlling the operation.
前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの2値化を行うコンパレータを、さらに備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちのいずれかに記載の不揮発性記憶装置。4. The nonvolatile memory device according to claim 1, further comprising a comparator that binarizes the input data or read data from the ferroelectric memory. 5. 前記制御回路は、
前記第2スイッチをオンオフするオンオフ信号と、前記強誘電体キャパシタの他端に印加する制御信号との論理和否定演算を行うノア回路と、
前記オンオフ信号を反転するインバータ回路とを含み、
前記ノア回路の出力信号で前記第1スイッチのオンオフ制御を行うとともに、前記オンオフ信号および前記インバータ回路の出力信号で前記クロックドインバータをオンオフ制御するようにしたことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の不揮発性記憶装置。
The control circuit includes:
A NOR circuit that performs an OR operation between an on / off signal for turning on and off the second switch and a control signal applied to the other end of the ferroelectric capacitor;
An inverter circuit for inverting the on / off signal,
4. The on / off control of the first switch is performed by an output signal of the NOR circuit, and the on / off control of the clocked inverter is performed by the on / off signal and an output signal of the inverter circuit. Item 5. The nonvolatile memory device according to Item 4.
前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに帰還する帰還回路をさらに備え、前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに再書き込みするようになっていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のうちのいずれかに記載の不揮発性記憶装置。2. The feedback circuit according to claim 1, further comprising a feedback circuit that feeds back output data of the latch circuit to the ferroelectric memory, wherein the output data of the latch circuit is rewritten to the ferroelectric memory. The non-volatile memory device according to claim 5. 前記クロックドインバータを、CMOSインバータと電子スイッチに置き換えたことを特徴とする請求項3乃至請求項6のうちのいずれかに記載の不揮発性記憶装置。The nonvolatile memory device according to claim 3, wherein the clocked inverter is replaced with a CMOS inverter and an electronic switch. 請求項3または請求項4に記載の不揮発性記憶装置を複数個備えるとともに、
前記不揮発性記憶装置が有する前記第2スイッチをそれぞれオンオフするオンオフ信号と、前記不揮発性記憶装置が有する前記強誘電体キャパシタの他端にそれぞれ印加する制御信号との論理和否定演算を行うノア回路と、
前記オンオフ信号を反転するインバータ回路と、をさらに備え、
前記ノア回路の出力信号で前記不揮発性記憶装置が有する前記第1スイッチのオンオフ制御をそれぞれ行うとともに、前記オンオフ信号および前記インバータ回路の出力信号で前記不揮発性記憶装置が有する前記クロックドインバータのオンオフ制御をそれぞれ行うようにしたことを特徴とする不揮発性記憶装置。
A plurality of the nonvolatile memory devices according to claim 3 or claim 4 are provided,
A NOR circuit that performs an OR operation between an on / off signal for turning on and off the second switch of the nonvolatile memory device and a control signal applied to the other end of the ferroelectric capacitor of the nonvolatile memory device. When,
An inverter circuit for inverting the on / off signal,
The on / off control of the first switch of the nonvolatile memory device is performed by the output signal of the NOR circuit, and the on / off of the clocked inverter of the nonvolatile memory device is controlled by the on / off signal and the output signal of the inverter circuit. A non-volatile memory device characterized in that each control is performed.
1ビットの入力データの取り込みを行うオンオフ自在な第1スイッチと、1つの強誘電体キャパシタと、この強誘電体キャパシタの一端をグランドと接続させるオンオフ自在な第2スイッチとを含み、前記入力データの記憶を行う強誘電体メモリと、
2つのインバータを相互に接続させたフリップフロップと、そのフリップフロップのループ内に挿入された電子スイッチとを含み、前記入力データまたは前記強誘電体メモリからの読み出しデータの記憶が可能なラッチ回路と、
前記強誘電体メモリと前記ラッチ回路との間に介在され、オンオフ制御が自在であるとともに、オン時にデータを反転できるクロックドインバータと、
前記強誘電体メモリのデータの読み書き動作と前記ラッチ回路のデータのラッチ動作の際に、その動作の内容に応じて、前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記クロックドインバータ、および前記電子スイッチの所定のオンオフ動作を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする不揮発性記憶装置。
A first switch that can be turned on and off to capture 1-bit input data; one ferroelectric capacitor; and a second switch that can be turned on and off to connect one end of the ferroelectric capacitor to the ground. A ferroelectric memory for storing
A latch circuit including a flip-flop in which two inverters are connected to each other and an electronic switch inserted in a loop of the flip-flop and capable of storing the input data or the read data from the ferroelectric memory; ,
A clocked inverter that is interposed between the ferroelectric memory and the latch circuit and is capable of on / off control and capable of inverting data when turned on;
In the data read / write operation of the ferroelectric memory and the data latch operation of the latch circuit, the first switch, the second switch, the clocked inverter, and the electronic switch according to the contents of the operation And a control circuit that controls a predetermined on / off operation of the non-volatile memory device.
前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに帰還する帰還回路をさらに備え、前記ラッチ回路の出力データを前記強誘電体メモリに再書き込みするようになっていることを特徴とする請求項9に記載の不揮発性記憶装置。10. A feedback circuit for feeding back output data of the latch circuit to the ferroelectric memory is further provided, and the output data of the latch circuit is rewritten to the ferroelectric memory. The non-volatile memory device described in 1. 前記クロックドインバータを、CMOSインバータと電子スイッチに置き換えたことを特徴とする請求項9または請求項10に記載の不揮発性記憶装置。11. The nonvolatile memory device according to claim 9, wherein the clocked inverter is replaced with a CMOS inverter and an electronic switch. データを読み書き自在な不揮発性メモリを含み、前記不揮発性メモリに各種のデータを読み書きすることができるようになっている電子機器において、
前記不揮発性メモリは、請求項1乃至請求項11のうちのいずれかに記載の不揮発性記憶装置からなることを特徴とする電子機器。
In an electronic device that includes a nonvolatile memory that can freely read and write data, and that can read and write various data to and from the nonvolatile memory,
The electronic device comprising the nonvolatile memory device according to any one of claims 1 to 11.
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