JP3644664B2 - Sequential circuit using ferroelectric and semiconductor device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は順序回路等に関し、特に強誘電体を用いた順序回路等に関する。
【0002】
【従来の技術】
ラッチ回路やフリップフロップ回路などの順序回路が知られている。図8に、従来の順序回路の一例として、フリップフロップ回路2を示す。図9は、図8に示すフリップフロップ回路2の動作を示すタイミングチャートである。フリップフロップ回路2は、ラッチ回路4(マスターラッチ回路)とラッチ回路6(スレーブラッチ回路)とを直列に接続して構成されている。なお、図9のPAは、ラッチ回路4の出力信号、すなわち、図8のPA点の信号を表す。
【0003】
クロックパルスCpが”H”から”L”になると(図9、(a)参照)、ラッチ回路4がラッチ状態となるとともにラッチ回路6がアンラッチ状態となる。したがって、クロックパルスCpの立ち下がり時のデータDn(現在のデータ)に対応するデータ(PA点の信号は、データDnを反転した値になっている)がラッチ回路4にラッチされるとともに、出力Qには、当該データDnが出力される。
【0004】
つぎに、クロックパルスCpが”L”から”H”になると(図9、(b)参照)、ラッチ回路4がアンラッチ状態となるとともにラッチ回路6がラッチ状態となる。したがって、データDnがラッチ回路6にラッチされるとともに、出力Qには、やはり当該データDnが出力される。
【0005】
つぎに、クロックパルスCpが”H”から”L”になると(図9、(c)参照)、再び、ラッチ回路4がラッチ状態となるとともにラッチ回路6がアンラッチ状態となる。したがって、クロックパルスCpの立ち下がり時のデータDn+1(つぎのデータ)に対応するデータ(PA点の信号は、データDnを反転した値になっている)がラッチ回路4にラッチされるとともに、出力Qには、当該データDn+1が出力される。
【0006】
このように、フリップフロップ回路2を用いると、クロックパルスCpの立ち下がりのタイミングでデータをラッチし、クロックパルスCpの1サイクルに相当する時間の間、ラッチした当該データを出力することができる。このため、データからノイズを除去して、安定した出力を得ることができる。
【0007】
したがって、このようなフリップフロップ回路2などの順序回路と、論理ゲートなどの組合せ回路とを多数組合せて用いることで、信頼性の高いシーケンス処理などを行なうことができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のフリップフロップ回路2などの順序回路には、次のような問題点があった。従来の順序回路においては、処理中のデータを保持するために、回路に常に電圧を印加しておかなければならない。
【0009】
したがって、シーケンス処理の途中において事故などにより電源が遮断された場合、電源が回復しても、事故直前のデータは残っておらず、当該シーケンス処理を事故直前の状態に戻すには、改めてシーケンス処理の最初からやり直さなければならなかった。これでは、無駄が多く、また、処理の信頼性に欠ける。
【0010】
この発明は、このような従来のフリップフロップ回路など順序回路の問題点を解消し、電源が遮断されてもデータを保持することができる不揮発性の順序回路等を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段、発明の作用および効果】
この発明の順序回路および半導体装置においては、ゲート部の出力端に結合され、当該出力端に現れる信号に対応した分極状態を保持する強誘電体記憶部を備えたことを特徴とする。
【0012】
したがって、ラッチ回路などの順序回路を構成するゲート部の出力端に現れる信号を、当該信号に対応した分極状態の形で強誘電体記憶部が保持している。このため、電源が遮断されても、強誘電体記憶部によってデータが保持されていることになる。
【0013】
この結果、電源が回復したときに、保持されている当該データを用いて、当該順序回路の状態を、電源が遮断される前の状態に、確実かつ速やかに復帰させることが可能となる。すなわち、不揮発性のラッチ回路などの順序回路を実現することができる。
【0014】
この発明の順序回路においては、信号を所定の規格値に規格化する規格化回路を備え、当該規格化回路を介して出力データを出力するよう構成したことを特徴とする。
【0015】
したがって、通常の動作や復帰時の動作において得られる信号が規格値からずれている場合であっても、規格化回路を設けることにより、規格化して出力することができる。このため、後続の処理をより正確に行なうことができる。
【0016】
この発明の順序回路においては、強誘電体記憶部を強誘電体コンデンサとしたことを特徴とする。
【0017】
したがって、強誘電体コンデンサを用いることにより、順序回路を構成するゲート部の出力端に現れる信号を、当該強誘電体コンデンサの分極状態として保持することができる。このため、不揮発性の順序回路を、容易に実現することができる。また、順序回路を構成するトランジスタ等の個数を、容易に低減することができる。
【0018】
この発明の順序回路においては、強誘電体コンデンサの一端をゲート部の出力端に結合するとともに、強誘電体コンデンサの他端に、ゲート制御信号に同期した電圧を印加するよう構成したことを特徴とする。
【0019】
したがって、ゲート制御信号に同期させて、順序回路を構成するゲート部の出力端に現れる信号を該強誘電体コンデンサに保持させたり、該強誘電体コンデンサに保持された情報を再生したりすることができる。このため、順序回路の出力端に現れる信号を、容易に不揮発的に記憶したり再生したりすることができる。
【0020】
この発明の順序回路においては、ゲート制御信号にしたがって入力データを継断するゲート部、当該ゲート部を介したデータを所定の規格値に規格化する規格化回路、を備え、ゲート部が継状態のときに、入力データに対応した信号を規格化回路を介して出力データとして出力し、ゲート部が断状態のときに、実質的に当該断状態となる直前の入力データに対応した信号を規格化回路から出力データとして出力するよう構成した順序回路、
を直列に2つ結合し、入力側の順序回路の出力データを出力側の順序回路の入力データとして出力側の順序回路のゲート部に与える順序回路であって、
結合した2つの順序回路のうち少なくとも一方の順序回路が、
ゲート部の出力端に結合され、当該出力端に現れる信号に対応した分極状態を保持する強誘電体コンデンサを備え、
前記強誘電体コンデンサの一端を前記ゲート部の出力端に結合するとともに、強誘電体コンデンサの他端に、前記ゲート制御信号に同期した電圧を印加するよう構成し、
入力側の順序回路のゲート部を制御するゲート制御信号と出力側の順序回路のゲート部を制御するゲート制御信号とが相互に反転した位相となるようにした、
ことを特徴とする。
【0021】
したがって、フリップフロップ回路などの順序回路を構成する2つのラッチ回路などの順序回路のうち、少なくともいずれか一方の順序回路を構成するゲート部の出力端に現れる信号を、当該信号に対応した分極状態の形で強誘電体記憶部が保持している。このため、電源が遮断されても、強誘電体記憶部によってデータが保持されていることになる。
【0022】
この結果、電源が回復したときに、保持されている当該データを用いて、当該ラッチ回路などの順序回路の状態を、電源が遮断される前の状態に、確実かつ速やかに復帰させることが可能となる。すなわち、不揮発性のフリップフロップ回路などの順序回路を実現することができる。
【0023】
この発明の順序回路においては、順序回路を直列に2つ結合した構成を有する順序回路であって、入力側の順序回路の出力データを出力側の順序回路の入力データとして出力側の順序回路のゲート部に与え、入力側の順序回路のゲート部を制御するゲート制御信号と出力側の順序回路のゲート部を制御するゲート制御信号とが相互に反転した位相となるようにし、入力側および出力側の順序回路の強誘電体コンデンサの他端に、同一タイミングで電圧を印加するよう構成したことを特徴とする。
【0024】
したがって、フリップフロップ回路などの順序回路を構成する2つのラッチ回路などの順序回路を構成する各ゲート部の出力端に現れる信号を、当該信号に対応した分極状態の形で強誘電体記憶部が保持している。このため、電源が遮断されても、双方の強誘電体記憶部によってデータが保持されていることになる。
【0025】
この結果、電源が遮断された場合であっても、電源が遮断される前の状態に、より確実に復帰させることができる。また、通常の動作状態においても、帰還回路を設けることなく、当該信号をより確実に保持することが可能となる。
【0026】
この発明のデータ記憶再生方法においては、ゲート制御信号にしたがってデータを継断するゲート部を備え、ゲート部が継状態のときに、入力データに対応した信号を出力データとして出力し、ゲート部が断状態のときに、実質的に当該断状態となる直前の入力データに対応した信号を出力データとして出力するよう構成した順序回路であって、データに対応した情報を記憶する強誘電体記憶部を備えた順序回路、を用いてデータを記憶して再生する方法であって、保持されたデータに対応した情報を強誘電体記憶部に記憶するとともに、強誘電体記憶部に記憶された情報に基づいて当該データを再生することを特徴とする。
【0027】
したがって、ラッチ回路などの順序回路に保持されたデータを強誘電体記憶部が記憶している。このため、電源が遮断されても、強誘電体記憶部によってデータが保持されていることになる。
【0028】
この結果、電源が回復したときに、保持されている当該データを用いて、当該順序回路の状態を、電源が遮断される前の状態に、確実かつ速やかに復帰させることが可能となる。
【0029】
この発明のデータ記憶再生方法においては、ゲート制御信号にしたがってデータを継断するゲート部を備え、ゲート部が継状態のときに、入力データに対応した信号を出力データとして出力し、ゲート部が断状態のときに、実質的に当該断状態となる直前の入力データに対応した信号を出力データとして出力するよう構成した順序回路を2以上結合した構成を有する順序回路であって、データに対応した情報を記憶する強誘電体記憶部を備えた順序回路、を用いてデータを記憶して再生する方法であって、保持されたデータに対応した情報を強誘電体記憶部に記憶するとともに、強誘電体記憶部に記憶された情報に基づいて当該データを再生することを特徴とする。
【0030】
したがって、フリップフロップ回路などの順序回路に保持されたデータを強誘電体記憶部が記憶している。このため、電源が遮断されても、強誘電体記憶部によってデータが保持されていることになる。
【0031】
この結果、電源が回復したときに、保持されている当該データを用いて、当該順序回路の状態を、電源が遮断される前の状態に、確実かつ速やかに復帰させることが可能となる。
【0032】
なお、請求項において「強誘電体記憶部」とは、強誘電体の履歴特性を用いて情報を記憶する部分をいい、強誘電体トランジスタや強誘電体コンデンサそのものの他、これらを組合せた回路をも含む概念である。実施形態では、図1に示す強誘電体コンデンサC1、C2が、これに該当する。
【0033】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明の一実施形態による半導体装置に用いられる順序回路であるフリップフロップ回路42を示す回路図である。フリップフロップ回路42は、順序回路であるラッチ回路LT1(マスターラッチ回路)とラッチ回路LT2(スレーブラッチ回路)とを直列に接続した構成を有する基本的なDフリップフロップ回路である。
【0034】
ラッチ回路LT1は、ゲート部であるトランジスタGT1(NチャネルMOSFET)、強誘電体記憶部である強誘電体コンデンサC1および規格化回路であるインバータ回路部INV1を備えている。
【0035】
なお、インバータ回路部INV1は、たとえばCMOSインバータ回路であり、PチャネルMOSFETであるトランジスタPTとNチャネルMOSFETであるトランジスタNTとを直列に接続した構成(図示せず)を備えている。
【0036】
強誘電体コンデンサC1は、2つの電極間にPZT等により構成された強誘電体層を挟み込むように形成したものである。強誘電体コンデンサC1は、後述するように、入力データDに対応した分極状態を保持する。
【0037】
強誘電体コンデンサC1の一端は、図1に示すラッチ回路LT1のトランジスタGT1の出力端に接続されるとともに、インバータ回路部INV1の入力端に接続されている。強誘電体コンデンサC1の他端は、プレートラインPLに接続されている。また、トランジスタGT1の出力端からインバータ回路部INV1の入力端に至る配線とグランドとの間には、寄生容量C3が存する。
【0038】
図1に示すように、ラッチ回路LT1は、帰還路を備えていない。しかし、強誘電体コンデンサC1や上述の寄生容量C3が存在するため、トランジスタGT1の出力端からインバータ回路部INV1の入力端に至る配線がフローティング状態となっても(すなわち、トランジスタGT1がOFF状態になっても)、該配線の電位はしばらく維持される。したがって、クロックパルスCpの周期がそれほど長くない限り、帰還路を備えていなくとも、後述するように、ラッチ回路LT1のラッチ内容は保持されるのである。
【0039】
トランジスタGT1を介して入力された入力データDは、インバータ回路部INV1で反転された後、ラッチ回路LT2に入力される。ラッチ回路LT2も、ラッチ回路LT1と同様の構成であり、ゲート部であるトランジスタGT2、強誘電体コンデンサC2、インバータ回路部INV2、寄生容量C4を備えている。トランジスタGT2は、トランジスタGT1と同様の構成であり、インバータ回路部INV2は、インバータ回路部INV1と同様の構成である。
【0040】
ラッチ回路LT2の動作も、ラッチ回路LT1のそれと同様である。すなわち、トランジスタGT2を介して入力されたインバータ回路部INV1の出力は、インバータ回路部INV2で反転された後、フリップフロップ回路42の出力Qとなる。
【0041】
ラッチ回路LT2のトランジスタGT2のゲートには、ゲート制御信号であるクロックパルスCpが与えられ、ラッチ回路LT1のトランジスタGT1のゲートには、クロックパルスCpの反転信号であるクロックパルスCpB(制御信号)が与えられる。プレートラインPLには、図2に示すように、クロックパルスCpに同期した信号が与えられる。
【0042】
フリップフロップ回路42の動作は、図8に示す従来のフリップフロップ回路2の動作(図9参照)と類似しているが、後述するように、電源が遮断されてもデータを保持している点で、従来のフリップフロップ回路2と異なる。なお、この実施形態においては、フリップフロップ回路2の場合と異なり、クロックパルスCpの立ち上がりのタイミングで入力データDをラッチするようにしている。
【0043】
図2に示すタイミングチャートを用いて、フリップフロップ回路42の動作を説明する。
【0044】
クロックパルスCpが”L”から”H”になると(図2、(a)参照)、ラッチ回路LT1のトランジスタGT1がOFF(断状態)になるとともに、ラッチ回路LT2のトランジスタGT2がON(継状態)になる。したがって、クロックパルスCpの立ち上がり時のデータDn(現在のデータ)に対応するデータがラッチ回路LT1にラッチされるとともに、出力Qには、当該データDnが出力される。
【0045】
つぎに、クロックパルスCpが”H”から”L”になると(図2、(b)参照)、ラッチ回路LT1のトランジスタGT1がON(継状態)になるとともに、ラッチ回路LT2のトランジスタGT2がOFF(断状態)になる。したがって、データDnがラッチ回路LT2にラッチされるとともに、出力Qには、やはり当該データDnが出力される。
【0046】
つぎに、クロックパルスCpが”L”から”H”になると(図2、(c)参照)、再び、ラッチ回路LT1のトランジスタGT1がOFF(断状態)になるとともに、ラッチ回路LT2のトランジスタGT2がON(継状態)になる。したがって、クロックパルスCpの立ち上がり時のデータDn+1(つぎのデータ)に対応するデータがラッチ回路LT1にラッチされるとともに、出力Qには、当該データDn+1が出力される。
【0047】
このように、フリップフロップ回路42を用いると、クロックパルスCpの立ち上がりのタイミングでデータをラッチし、クロックパルスCpの1サイクルに相当する時間の間、ラッチした当該データを出力することができる。
【0048】
上述のように、このフリップフロップ回路42は、従来のフリップフロップ回路2と異なり、電源が遮断されてもデータを保持している。データの保持および再生の動作について説明する。なお、図1のPA点は、強誘電体コンデンサC1の一端を表わし、PB点は、強誘電体コンデンサC2の一端を表わす。
【0049】
図3に、ラッチ回路LT1を構成する強誘電体コンデンサC1および寄生容量C3近傍の回路図を示す。図4に、強誘電体コンデンサC1に関する電圧(図3に示すプレートラインPLを基準電位とした場合のPA点の電位)と分極状態(図においては、”分極状態”と等価な”電荷”で表わしている)との関係を表わす履歴曲線(電圧・電荷特性)を示す。
【0050】
図4において、残留分極Z1を生じている状態を分極状態P1とし、残留分極Z2を生じている状態を分極状態P2とする。
【0051】
上述のように、クロックパルスCpの立ち上がり時、すなわち、クロックパルスCpが”L”から”H”になる(図2、(a)参照)直前のデータDn(この実施形態では、データ”H”)がラッチ回路LT1にラッチされる。図3は、図2、(a)の直前における強誘電体コンデンサC1および寄生容量C3近傍の信号の状態を示している。
【0052】
このとき、図3に示すように、強誘電体コンデンサC1の一端(PA点)には、データ”H”により”H”電位が与えられており、強誘電体コンデンサC1の他端(プレートラインPL)には”L”電位が与えられている。
【0053】
これにより、寄生容量C3とともに強誘電体コンデンサC1が充電される。このとき、強誘電体コンデンサC1は、図4に示す分極状態P3を呈する。
【0054】
このあと、クロックパルスCpが立ち上がって(図2、(a)参照)”H”になると、トランジスタGT1がOFFとなるが、充電された寄生容量C3および強誘電体コンデンサC1の電荷により、PA点の電位はそれほど変化しない。すなわち、上述のように、しばらくの間データ”H”がラッチ回路LT1にラッチされた状態になる。
【0055】
このあと、クロックパルスCpが立ち下がって(図2、(b)参照)”L”になると、トランジスタGT1がONとなり、再び、図3に示す状態に戻り、寄生容量C3および強誘電体コンデンサC1が充電状態となる。この間、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、やや変動するものの、ほぼ図4に示す分極状態P3を維持することとなる。
【0056】
この状態で、つぎにプレートラインPLが”H”になると(図2、(d)参照)、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、図4に示す分極状態P1になる。このように、入力データDが”H”の場合、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、ほぼ、図4に示す分極状態P3と分極状態P1との間を往来することになる。すなわち、強誘電体コンデンサC1の分極状態P3ないし分極状態P1が、データ”H”に対応する。
【0057】
その後、入力データDが”L”になると(図2、(e)参照)、PA点の電位も”L”となる(図2、(h)参照)。PA点の電位が”L”になったとき、プレートラインPLが”H”であれば、寄生容量C3が強制的に放電させられるとともに、強誘電体コンデンサC1は、PA点側を”L”、プレートラインPL側を”H”として(図3に示す状態と逆の状態)充電される(図2、(f)参照)。したがって、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、図4に示す分極状態P4となる。
【0058】
この状態で、つぎにプレートラインPLが”L”になると(図2、(g)参照)、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、図4に示す分極状態P2になる。このように、入力データDが”L”の場合、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、ほぼ、図4に示す分極状態P4と分極状態P2との間を往来することになる。すなわち、強誘電体コンデンサC1の分極状態P4ないし分極状態P2が、データ”L”に対応する。
【0059】
なお、PA点の電位が”L”になったとき(図2、(h)参照)プレートラインPLが既に”L”になっていた場合には、強誘電体コンデンサC1は強制的に放電させられ、図4に示す分極状態P1となる。したがって、この場合には、強誘電体コンデンサC1は、まだ、データ”H”に対応した分極状態となっている。このような場合、強誘電体コンデンサC1が、データ”L”に対応した分極状態になるのは、次にトランジスタGT1がONとなり、かつ、プレートラインPLが”H”になるとき(図2、(i)参照)である。
【0060】
このように、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、入力データDが変化するタイミングにより多少のバラ付きはあるものの、ほぼ入力データDに対応して変化するPA点の電位にしたがって、変化する。
【0061】
同様に、ラッチ回路LT2を構成する強誘電体コンデンサC2の分極状態は、入力データDが変化するタイミングにより多少のバラ付きはあるものの、ほぼPA点の電位を反転させたPB点の電位にしたがって、変化する。したがって、強誘電体コンデンサC2は、強誘電体コンデンサC1とほぼ逆の分極状態となっている。
【0062】
つぎに、強誘電体コンデンサC1がデータ”L”に対応する分極状態において電源が遮断されたとする(図2、(j)参照)。電源が遮断されてからしばらくすると、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、図4に示す分極状態P2になる。なお、寄生容量C3は放電状態となる。
【0063】
電源投入により、クロックパルスCpを”H”にするとともにプレートラインPLを”H”とするよう構成しておく。このように構成しておけば、電源の投入(図2、(k)参照)とともに、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、図4に示す分極状態P5となる。すなわち、この場合、図式解法によれば、グランドを基準としたPA点の電位は、図4に示すV2−Vp(図2、(l)参照)となる。PA点の電位(V2−Vp)は、基準値Vref−Vpより小さいので、論理レベルとしては”L”である。
【0064】
このとき、ラッチ回路LT2のトランジスタGT2はONになっているので、PB点の電位は、ラッチ回路LT1のインバータ回路部INV1の働きにより”H”レベルとなる(図2、(m)参照)。
【0065】
PB点の電位が”H”になると、ラッチ回路LT2のインバータ回路部INV2の働きにより、出力Qは、”L”となる(図2、(n)参照)。
【0066】
このようにして、電源遮断直前にフリップフロップ42が保持していたデータ”L”が、電源の復帰とともに再生される。なお、図4におけるVpは、プレートラインPLの”H”電位を表わし、L1は、寄生容量C3の静電容量を表わす。
【0067】
一方、強誘電体コンデンサC1がデータ”H”に対応する分極状態において電源が遮断されたとすると、電源が遮断されてからしばらくすると、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、図4に示す分極状態P1になる。なお、寄生容量C3は放電状態となっている。
【0068】
ここで、電源を投入することによって(図2、(k)参照)、強誘電体コンデンサC1の分極状態は、図4に示す分極状態P6となる。すなわち、グランドを基準としたPA点の電位は、図4に示すV1−Vp(図2、(l’)参照)となる。PA点の電位(V1−Vp)は、基準値Vref−Vpより大きいので、論理レベルとしては”H”である。
【0069】
このとき、ラッチ回路LT2のトランジスタGT2はONになっているので、PB点の電位は、ラッチ回路LT1のインバータ回路部INV1の働きにより”L”レベルとなる(図2、(m’)参照)。
【0070】
PB点の電位が”L”になると、ラッチ回路LT2のインバータ回路部INV2の働きにより、出力Qは、”H”となる(図2、(n’)参照)。
【0071】
このようにして、電源遮断直前にフリップフロップ42が保持していたデータ”H”が、電源の復帰とともに再生される。
【0072】
なお、その後、クロックパルスCpが”L”になることで(図2、(o)参照)トランジスタGT1がONになると、PA点の電位は、新たな入力データD(ここでは”L”)にしたがって、”L”となる。ただし、トランジスタGT2がOFFであるため、PB点の電位は”L”のままである。したがって、出力Qは”H”のままである。出力Qが、新たな入力データ”L”にしたがって、”L”となるのは、前述のように、次のクロックパルスCpの立上がり(図2、(p)参照)である。
【0073】
このように、電源遮断直前にフリップフロップ42が保持していたデータに対応する強誘電体コンデンサC1の分極状態にしたがって、電源の復帰とともに当該データが再生されるのである。なお、上述のように、強誘電体コンデンサC1の分極状態にしたがって前記データが再生されるように構成する場合には、ラッチ回路LT2を構成する強誘電体コンデンサC2を省略することもできる。
【0074】
上述の実施形態においては、ラッチ回路LT1を構成する強誘電体コンデンサC1の保持している分極状態にしたがって、電源遮断直前にフリップフロップ42が保持していたデータを再生するよう構成したが、この発明はこれに限定されるものではない。
【0075】
たとえば、ラッチ回路LT2を構成する強誘電体コンデンサC2の保持している分極状態にしたがって、電源遮断直前にフリップフロップ42が保持していたデータを再生するよう構成することもできる。この場合には、電源の投入により、クロックパルスCpを”L”にするとともにプレートラインPLを”H”とするよう構成しておくとよい。なお、強誘電体コンデンサC2の分極状態にしたがって、前記データが再生されるように構成する場合には、ラッチ回路LT1を構成する強誘電体コンデンサC1を省略することもできる。
【0076】
ただし、図1に示すように、強誘電体コンデンサC1、C2をともに備えるようにしておけば、電源投入時のクロックパルスCpの状態に制限を設ける必要がないので、好都合である。
【0077】
このように、このフリップフロップ回路42においては、トランジスタGT1,GT2のそれぞれ出力端に接続され、当該出力端に現れる信号に対応した分極状態を保持する強誘電体コンデンサC1、C2を備えている。
【0078】
したがって、フリップフロップ回路42を構成するトランジスタGT1,GT2の出力端に現れる信号を、当該信号に対応した分極状態の形で強誘電体コンデンサC1、C2が保持している。このため、電源が遮断されても、強誘電体コンデンサC1、C2によってデータが保持されていることになる。
【0079】
この結果、電源が回復したときに、保持されている当該データを用いて、当該フリップフロップ回路42の状態を、電源が遮断される前の状態に、確実かつ速やかに復帰させることが可能となる。すなわち、不揮発性のフリップフロップ回路を実現することができる。
【0080】
また、強誘電体の分極反転に要する時間は短いので、データの書込みに際し、強誘電体コンデンサC1、C2が入力データDに対応した分極状態に至るまでの時間は短い。したがって、高速応答が可能となる。
【0081】
さらに、強誘電体の場合、データの書込み、消去時に高電圧を要することはない。したがって、チップ内に昇圧回路を設けたり、通常電源の他に高圧電源を別途用意したりする必要がない。このため、チップサイズの増大や製造コストの上昇を抑制することができる。
【0082】
また、この実施形態においては、信号を所定の規格値に規格化する規格化回路としてインバータ回路部INV1,INV2を備え、当該インバータ回路部INV1,INV2を介してデータを出力するよう構成している。
【0083】
したがって、通常の動作や復帰時の動作において得られる信号が規格値からずれている場合であっても、インバータ回路部INV1,INV2を設けることにより、規格化して出力することができる。このため、後続の処理をより正確に行なうことができる。
【0084】
また、この実施形態においては、強誘電体記憶部を強誘電体コンデンサC1,C2としている。したがって、フリップフロップ回路42を構成するトランジスタGT1,GT2の出力端に現れる信号を、当該強誘電体コンデンサC1,C2の分極状態として保持することができる。このため、不揮発性のフリップフロップ回路を、容易に実現することができる。また、フリップフロップ回路を構成するトランジスタ等の個数を、容易に低減することができる。
【0085】
また、この実施形態においては、強誘電体コンデンサC1,C2の一端(PA点、PB点)をトランジスタGT1,GT2の出力端に結合するとともに、強誘電体コンデンサC1,C2の他端に、クロックパルスCpに同期した電圧を印加するよう構成している。
【0086】
したがって、クロックパルスCpに同期させて、フリップフロップ回路42を構成するトランジスタGT1,GT2の出力端に現れる信号を該強誘電体コンデンサC1,C2に保持させたり、該強誘電体コンデンサC1,C2に保持された情報を再生したりすることができる。このため、フリップフロップ回路にラッチされているデータを、容易に不揮発的に記憶したり再生したりすることができる。
【0087】
なお、上述の実施形態においては、ゲート部としてトランジスタGT1,GT2を用いたが、ゲート部はこれに限定されるものではない。ゲート部として、たとえば、伝送ゲートやクロックドCMOSインバータ等を用いることもできる。
【0088】
なお、上述の各バリエーションは、以下に述べる種々の他の実施形態においても、同様に適用することができる。
【0089】
上述の各実施形態においては、基本的なDフリップフロップ回路を例に説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。たとえば、S−R(セット・リセット)付きのDフリップフロップ回路や、J−Kフリップフロップ回路など、フリップフロップ回路一般に適用することができる。
【0090】
図5に、この発明を適用したS−R(セット・リセット)付きのDフリップフロップ回路の一例であるフリップフロップ回路44の回路図を示す。図6は、フリップフロップ回路44の動作を示すテーブルである。
【0091】
フリップフロップ回路44は、図1に示すフリップフロップ回路42と同様に、順序回路であるラッチ回路LT1(マスターラッチ回路)とラッチ回路LT2(スレーブラッチ回路)とを直列に接続した構成を有する。
【0092】
ラッチ回路LT1の出力端には、インバータ回路部INV1(図1参照)ではなく、複数の論理ゲートを組合せた論理ゲート部LG1が接続されている。論理ゲート部LG1には、PA点からの信号、リセット端子Rからの信号、セット端子Sからの信号が入力される。論理ゲート部LG1の出力が、ラッチ回路LT1の出力となる。
【0093】
図6に示すように、リセット端子Rに信号”H”を入力することにより、フリップフロップ回路44の記憶内容をリセット(クリア)することができ、リセット端子Rに信号”L”を入力するとともにセット端子Sに信号”H”を入力することにより、フリップフロップ回路44の記憶内容をセット(プリセット)することができる。
【0094】
また、リセット端子Rおよびセット端子Sに信号”L”を与えておけば、上述のフリップフロップ回路42(図1参照)と同様の働きをする。
【0095】
ラッチ回路LT2も、ラッチ回路LT1と同様の構成であり、論理ゲート部LG2を備えている。論理ゲート部LG2は、論理ゲート部LG1と同様の構成である。
【0096】
このように、フリップフロップ回路44は、セット端子S、リセット端子Rを備えていること、および、インバータ回路部INV1、INV2に代えて、論理ゲート部LG1、論理ゲート部LG2備えていることを除けば、図1に示すフリップフロップ回路42と同様の構成である。
【0097】
図7Aは、この発明を適用したJ−Kフリップフロップ回路の一例であるフリップフロップ回路46の回路図を示す。図7Bは、フリップフロップ回路46の動作を示すテーブルである。
【0098】
フリップフロップ回路46は、図1に示すフリップフロップ回路42と、複数の論理ゲートを組合せた論理ゲート部LGとを備えている。論理ゲート部LGには、入力として、入力端子Jからの入力、入力端子Kからの入力、および、フリップフロップ回路42からの出力Qが与えられる。論理ゲート部LGの出力は、フリップフロップ回路42の入力端子Dに与えられる。
【0099】
図7Bに示すように、入力端子Jに信号”H”を与えるとともに入力端子Kに信号”L”を与えれば、クロックパルスCpの立上がりで、出力Qからデータ”H”が出力される。逆に、入力端子Jに信号”L”を与えるとともに入力端子Kに信号”H”を与えれば、クロックパルスCpの立上がりで、出力Qからデータ”L”が出力される。
【0100】
また、入力端子Jおよび入力端子Kの双方に信号”H”を与えれば、クロックパルスCpの立上がりで、出力Qの内容が反転する。一方、入力端子Jおよび入力端子Kの双方に信号”L”を与えれば、出力Qの内容は保持される。
【0101】
なお、上述の各実施形態においては、順序回路としてフリップフロップ回路を例に説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。順序回路として、たとえばラッチ回路にも、この発明を適用することができる。
【0102】
ラッチ回路としては、たとえば、図1に示すフリップフロップ回路42の構成要素であるラッチ回路LT1等がある。ラッチ回路LT1等は、上述の各フリップフロップ回路と同様に、電源が遮断されてもデータを保持することができ、電源が復帰すると、電源が遮断される直前の状態に復帰する。
【0103】
また、この実施形態においては、強誘電体記憶部として強誘電体コンデンサを用いたが、強誘電体記憶部は強誘電体コンデンサに限定されるものではない。強誘電体記憶部として、たとえば、強誘電体トランジスタを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図l】この発明の一実施形態による半導体装置に用いられる順序回路であるフリップフロップ回路42を示す回路図である。
【図2】フリップフロップ回路42の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図3】ラッチ回路LT1を構成する強誘電体コンデンサC1および寄生容量C3近傍の回路図である。
【図4】強誘電体コンデンサC1に関する電圧と分極状態との関係を表わす履歴曲線を示す図面である。
【図5】この発明の他の実施形態による半導体装置に用いられる順序回路であるフリップフロップ回路44を示す回路図である。
【図6】フリップフロップ回路44の動作を示すテーブルである。
【図7】図7Aは、この発明を適用したJ−Kフリップフロップ回路の一例であるフリップフロップ回路46の回路図である。図7Bは、フリップフロップ回路46の動作を示すテーブルである。
【図8】従来の順序回路の一例であるフリップフロップ回路2の回路図である。
【図9】図8に示すフリップフロップ回路2の動作を表わすタイミングチャートである。
【符号の説明】
42・・・・・フリップフロップ回路
C1・・・・・強誘電体コンデンサ
D・・・・・・入力データ
GT1・・・・トランジスタ
LT1・・・・ラッチ回路
Q・・・・・・出力[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sequential circuit, and more particularly to a sequential circuit using a ferroelectric.
[0002]
[Prior art]
Sequential circuits such as latch circuits and flip-flop circuits are known. FIG. 8 shows a flip-
[0003]
When the clock pulse Cp changes from “H” to “L” (see FIG. 9, (a)), the latch circuit 4 enters the latched state and the
[0004]
Next, when the clock pulse Cp changes from “L” to “H” (see FIG. 9, (b)), the latch circuit 4 enters the unlatched state and the
[0005]
Next, when the clock pulse Cp changes from “H” to “L” (see FIG. 9, (c)), the latch circuit 4 is again in the latch state and the
[0006]
As described above, when the flip-
[0007]
Therefore, by using a combination of a sequential circuit such as the flip-
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional sequential circuit such as the above-described flip-
[0009]
Therefore, if the power is shut off due to an accident in the middle of the sequence processing, even if the power is restored, the data immediately before the accident does not remain, and in order to return the sequence processing to the state immediately before the accident, the sequence processing must be performed again. I had to start over. This is wasteful and lacks processing reliability.
[0010]
An object of the present invention is to provide a nonvolatile sequential circuit or the like that can solve the problems of sequential circuits such as the conventional flip-flop circuit and can retain data even when the power is cut off.
[0011]
[Means for Solving the Problem, Action and Effect of the Invention]
This inventionEach of the sequential circuit and the semiconductor device includes a ferroelectric memory unit that is coupled to the output terminal of the gate unit and holds a polarization state corresponding to a signal appearing at the output terminal.
[0012]
Therefore, the ferroelectric memory unit holds a signal appearing at the output terminal of the gate unit constituting the sequential circuit such as a latch circuit in the form of a polarization state corresponding to the signal. For this reason, even if the power supply is cut off, the data is held by the ferroelectric memory unit.
[0013]
As a result, when the power is restored, the state of the sequential circuit can be reliably and promptly restored to the state before the power is shut off using the stored data. That is, a sequential circuit such as a nonvolatile latch circuit can be realized.
[0014]
This inventionThe sequential circuit includes a normalization circuit that normalizes signals to a predetermined standard value, and is configured to output output data via the normalization circuit.
[0015]
Therefore, even if the signal obtained in the normal operation or the operation at the time of return is deviated from the standard value, it can be standardized and output by providing the standardization circuit. For this reason, subsequent processing can be performed more accurately.
[0016]
This inventionThis sequential circuit is characterized in that the ferroelectric memory portion is a ferroelectric capacitor.
[0017]
Therefore, by using the ferroelectric capacitor, the signal appearing at the output terminal of the gate portion constituting the sequential circuit can be held as the polarization state of the ferroelectric capacitor. For this reason, a non-volatile sequential circuit can be easily realized. In addition, the number of transistors or the like included in the sequential circuit can be easily reduced.
[0018]
This inventionIn the sequential circuit, one end of the ferroelectric capacitor is coupled to the output end of the gate portion, and a voltage synchronized with the gate control signal is applied to the other end of the ferroelectric capacitor. .
[0019]
Therefore, in synchronization with the gate control signal, the signal appearing at the output terminal of the gate part constituting the sequential circuit is held in the ferroelectric capacitor, or the information held in the ferroelectric capacitor is reproduced. Can do. For this reason, the signal appearing at the output terminal of the sequential circuit can be easily stored and reproduced in a nonvolatile manner.
[0020]
This inventionIn the sequential circuit, a gate unit that interrupts input data according to a gate control signal,A normalization circuit that normalizes the data through the gate unit to a predetermined standard value;With a signal corresponding to the input dataThrough the standardization circuitOutput as output data, and when the gate is in a disconnected state, a signal corresponding to the input data immediately before the disconnected state is substantially generatedFrom standardized circuitA sequential circuit configured to output as output data,
TheIn seriesTwo sequential circuits that provide output data of an input-side sequential circuit as input data of an output-side sequential circuit to a gate portion of an output-side sequential circuit,
At least one sequential circuit of the two coupled sequential circuits is
A ferroelectric capacitor that is coupled to the output terminal of the gate portion and holds a polarization state corresponding to a signal appearing at the output terminal,
The one end of the ferroelectric capacitor is coupled to the output end of the gate unit, and the other end of the ferroelectric capacitor is configured to apply a voltage synchronized with the gate control signal,
The gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the input side and the gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the output side are in a mutually inverted phase.
It is characterized by that.
[0021]
Accordingly, a signal appearing at the output terminal of the gate part constituting at least one of the sequential circuits such as the two latch circuits constituting the sequential circuit such as the flip-flop circuit is a polarization state corresponding to the signal. Is held by the ferroelectric memory. For this reason, even if the power supply is cut off, the data is held by the ferroelectric memory unit.
[0022]
As a result, when the power supply is restored, the state of the sequential circuit such as the latch circuit can be reliably and promptly restored to the state before the power supply is shut off using the stored data. It becomes. That is, a sequential circuit such as a nonvolatile flip-flop circuit can be realized.
[0023]
This inventionThe sequential circuit has a configuration in which two sequential circuits are coupled in series, and the output data of the sequential circuit on the input side is used as the input data of the sequential circuit on the output side. The gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the input side and the gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the output side have mutually inverted phases. A voltage is applied to the other end of the ferroelectric capacitor of the sequential circuit at the same timing.
[0024]
Accordingly, the ferroelectric memory unit converts the signal appearing at the output terminal of each gate unit constituting the sequential circuit such as the two latch circuits constituting the sequential circuit such as the flip-flop circuit into the polarization state corresponding to the signal. keeping. For this reason, even if the power supply is cut off, the data is held by both the ferroelectric storage units.
[0025]
As a result, even when the power is shut off, it is possible to more reliably return to the state before the power is shut off. Further, even in a normal operation state, the signal can be held more reliably without providing a feedback circuit.
[0026]
This inventionIn the data storage / reproduction method, a gate unit for switching data according to a gate control signal is provided, and when the gate unit is in a connected state, a signal corresponding to the input data is output as output data, and the gate unit is in a disconnected state. A sequential circuit configured to output, as output data, a signal substantially corresponding to input data immediately before the disconnection state, and includes a ferroelectric storage unit that stores information corresponding to the data Is a method for storing and reproducing data using a sequential circuit, wherein information corresponding to the held data is stored in the ferroelectric memory unit and based on the information stored in the ferroelectric memory unit And reproducing the data.
[0027]
Therefore, the ferroelectric memory unit stores data held in a sequential circuit such as a latch circuit. For this reason, even if the power supply is cut off, the data is held by the ferroelectric memory unit.
[0028]
As a result, when the power supply is restored, the state of the sequential circuit can be reliably and promptly restored to the state before the power supply is shut off using the stored data.
[0029]
This inventionIn the data storage / reproduction method, a gate unit for switching data according to a gate control signal is provided, and when the gate unit is in a connected state, a signal corresponding to the input data is output as output data, and the gate unit is in a disconnected state. In this case, a sequential circuit having a configuration in which two or more sequential circuits configured to output a signal corresponding to input data immediately before the disconnection state is output as output data is combined, and information corresponding to the data Is a method of storing and reproducing data using a sequential circuit having a ferroelectric memory unit for storing data, and stores information corresponding to the held data in the ferroelectric memory unit and ferroelectric The data is reproduced based on information stored in the body storage unit.
[0030]
Therefore, the ferroelectric memory unit stores data held in a sequential circuit such as a flip-flop circuit. For this reason, even if the power supply is cut off, the data is held by the ferroelectric memory unit.
[0031]
As a result, when the power is restored, the state of the sequential circuit can be reliably and promptly restored to the state before the power is shut off using the stored data.
[0032]
The term “ferroelectric storage section” in the claims refers to a portion that stores information using the hysteresis characteristics of a ferroelectric, and a circuit that combines these in addition to a ferroelectric transistor or a ferroelectric capacitor itself. It is a concept that also includes In the embodiment, the ferroelectric capacitors C1 and C2 shown in FIG. 1 correspond to this.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing a flip-
[0034]
The latch circuit LT1 includes a transistor GT1 (N-channel MOSFET) that is a gate portion, a ferroelectric capacitor C1 that is a ferroelectric memory portion, and an inverter circuit portion INV1 that is a standardization circuit.
[0035]
The inverter circuit unit INV1 is, for example, a CMOS inverter circuit, and includes a configuration (not shown) in which a transistor PT that is a P-channel MOSFET and a transistor NT that is an N-channel MOSFET are connected in series.
[0036]
The ferroelectric capacitor C1 is formed so as to sandwich a ferroelectric layer made of PZT or the like between two electrodes. The ferroelectric capacitor C1 holds a polarization state corresponding to the input data D, as will be described later.
[0037]
One end of the ferroelectric capacitor C1 is connected to the output terminal of the transistor GT1 of the latch circuit LT1 shown in FIG. 1 and to the input terminal of the inverter circuit unit INV1. The other end of the ferroelectric capacitor C1 is connected to the plate line PL. In addition, a parasitic capacitance C3 exists between the wiring extending from the output terminal of the transistor GT1 to the input terminal of the inverter circuit unit INV1 and the ground.
[0038]
As shown in FIG. 1, the latch circuit LT1 does not include a feedback path. However, since the ferroelectric capacitor C1 and the parasitic capacitance C3 described above exist, even if the wiring from the output terminal of the transistor GT1 to the input terminal of the inverter circuit unit INV1 is in a floating state (that is, the transistor GT1 is turned off). The potential of the wiring is maintained for a while. Therefore, as long as the period of the clock pulse Cp is not so long, the latch contents of the latch circuit LT1 are held even if no feedback path is provided.
[0039]
The input data D input via the transistor GT1 is inverted by the inverter circuit unit INV1, and then input to the latch circuit LT2. The latch circuit LT2 has a configuration similar to that of the latch circuit LT1, and includes a transistor GT2, which is a gate portion, a ferroelectric capacitor C2, an inverter circuit portion INV2, and a parasitic capacitance C4. The transistor GT2 has the same configuration as the transistor GT1, and the inverter circuit unit INV2 has the same configuration as the inverter circuit unit INV1.
[0040]
The operation of the latch circuit LT2 is the same as that of the latch circuit LT1. That is, the output of the inverter circuit unit INV1 input through the transistor GT2 is inverted by the inverter circuit unit INV2, and then becomes the output Q of the flip-
[0041]
A clock pulse Cp that is a gate control signal is applied to the gate of the transistor GT2 of the latch circuit LT2, and a clock pulse CpB (control signal) that is an inverted signal of the clock pulse Cp is applied to the gate of the transistor GT1 of the latch circuit LT1. Given. As shown in FIG. 2, a signal synchronized with the clock pulse Cp is applied to the plate line PL.
[0042]
The operation of the flip-
[0043]
The operation of the flip-
[0044]
When the clock pulse Cp changes from “L” to “H” (see FIG. 2, (a)), the transistor GT1 of the latch circuit LT1 is turned OFF (disconnected state), and the transistor GT2 of the latch circuit LT2 is turned ON (connected state). )become. Therefore, data corresponding to the data Dn (current data) at the rising edge of the clock pulse Cp is latched in the latch circuit LT1, and the data Dn is output to the output Q.
[0045]
Next, when the clock pulse Cp changes from “H” to “L” (see FIG. 2, (b)), the transistor GT1 of the latch circuit LT1 is turned on (connected state), and the transistor GT2 of the latch circuit LT2 is turned off. (Disconnected state). Therefore, the data Dn is latched by the latch circuit LT2, and the data Dn is also output to the output Q.
[0046]
Next, when the clock pulse Cp changes from “L” to “H” (see FIG. 2, (c)), the transistor GT1 of the latch circuit LT1 is turned off again (disconnected state) and the transistor GT2 of the latch circuit LT2 is turned on again. Is turned on (joining state). Therefore, the data corresponding to the data Dn + 1 (next data) at the rising edge of the clock pulse Cp is latched by the latch circuit LT1, and the data Dn + 1 is output to the output Q.
[0047]
As described above, when the flip-
[0048]
As described above, unlike the conventional flip-
[0049]
FIG. 3 shows a circuit diagram in the vicinity of the ferroelectric capacitor C1 and the parasitic capacitor C3 constituting the latch circuit LT1. FIG. 4 shows the voltage related to the ferroelectric capacitor C1 (the potential at the point PA when the plate line PL shown in FIG. 3 is the reference potential) and the polarization state (in the figure, “charge” equivalent to the “polarization state”). The hysteresis curve (voltage / charge characteristics) representing the relationship with
[0050]
In FIG. 4, a state in which the remanent polarization Z1 is generated is a polarization state P1, and a state in which the remanent polarization Z2 is generated is a polarization state P2.
[0051]
As described above, at the rising edge of the clock pulse Cp, that is, the data Dn immediately before the clock pulse Cp changes from “L” to “H” (see FIG. 2A) (in this embodiment, the data “H”). ) Is latched by the latch circuit LT1. FIG. 3 shows the state of signals in the vicinity of the ferroelectric capacitor C1 and the parasitic capacitance C3 immediately before FIG.
[0052]
At this time, as shown in FIG. 3, one end (point PA) of the ferroelectric capacitor C1 is given an “H” potential by data “H”, and the other end (plate line) of the ferroelectric capacitor C1. “L” potential is applied to PL).
[0053]
As a result, the ferroelectric capacitor C1 is charged together with the parasitic capacitance C3. At this time, the ferroelectric capacitor C1 exhibits a polarization state P3 shown in FIG.
[0054]
Thereafter, when the clock pulse Cp rises (see FIG. 2, (a)) and becomes “H”, the transistor GT1 is turned off. However, due to the charged parasitic capacitance C3 and the charge of the ferroelectric capacitor C1, The potential of does not change so much. That is, as described above, data “H” is latched in the latch circuit LT1 for a while.
[0055]
Thereafter, when the clock pulse Cp falls (see FIG. 2, (b)) and becomes “L”, the transistor GT1 is turned on, and again returns to the state shown in FIG. 3, and the parasitic capacitance C3 and the ferroelectric capacitor C1. Will be charged. During this time, although the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 slightly fluctuates, the polarization state P3 shown in FIG. 4 is maintained.
[0056]
In this state, when the plate line PL next becomes “H” (see FIG. 2, (d)), the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 becomes the polarization state P1 shown in FIG. As described above, when the input data D is “H”, the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 goes back and forth between the polarization state P3 and the polarization state P1 shown in FIG. That is, the polarization state P3 to the polarization state P1 of the ferroelectric capacitor C1 correspond to the data “H”.
[0057]
Thereafter, when the input data D becomes “L” (see FIG. 2, (e)), the potential at the PA point also becomes “L” (see FIG. 2, (h)). When the potential at the PA point becomes “L”, if the plate line PL is “H”, the parasitic capacitance C3 is forcibly discharged, and the ferroelectric capacitor C1 has the “L” point on the PA point side. The plate line PL side is set to “H” (a state opposite to the state shown in FIG. 3) and charged (see FIG. 2, (f)). Therefore, the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 becomes a polarization state P4 shown in FIG.
[0058]
In this state, when the plate line PL becomes “L” next (see FIG. 2, (g)), the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 becomes the polarization state P2 shown in FIG. As described above, when the input data D is “L”, the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 goes back and forth between the polarization state P4 and the polarization state P2 shown in FIG. That is, the polarization state P4 or the polarization state P2 of the ferroelectric capacitor C1 corresponds to the data “L”.
[0059]
When the potential at the PA point becomes “L” (see FIG. 2, (h)) and the plate line PL is already “L”, the ferroelectric capacitor C1 is forcibly discharged. Thus, the polarization state P1 shown in FIG. 4 is obtained. Therefore, in this case, the ferroelectric capacitor C1 is still in the polarization state corresponding to the data “H”. In such a case, the ferroelectric capacitor C1 is in the polarization state corresponding to the data “L” when the transistor GT1 is next turned ON and the plate line PL is set to “H” (FIG. 2, (See (i)).
[0060]
As described above, the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 changes according to the potential at the PA point that changes substantially corresponding to the input data D, although there is some variation depending on the timing at which the input data D changes.
[0061]
Similarly, although the polarization state of the ferroelectric capacitor C2 constituting the latch circuit LT2 varies slightly depending on the timing at which the input data D changes, it almost follows the potential at the PB point obtained by inverting the potential at the PA point. ,Change. Therefore, the ferroelectric capacitor C2 is in a polarization state almost opposite to that of the ferroelectric capacitor C1.
[0062]
Next, it is assumed that the power supply is cut off in the polarization state corresponding to the data “L” in the ferroelectric capacitor C1 (see FIG. 2, (j)). After a while since the power supply is cut off, the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 becomes the polarization state P2 shown in FIG. The parasitic capacitance C3 is in a discharged state.
[0063]
By turning on the power, the clock pulse Cp is set to “H” and the plate line PL is set to “H”. With this configuration, the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 becomes the polarization state P5 shown in FIG. 4 when the power is turned on (see FIG. 2, (k)). That is, in this case, according to the graphical solution, the potential at the PA point with respect to the ground is V2-Vp shown in FIG. 4 (see FIG. 2, (l)). Since the potential at the point PA (V2-Vp) is smaller than the reference value Vref-Vp, the logic level is "L".
[0064]
At this time, since the transistor GT2 of the latch circuit LT2 is ON, the potential at the point PB becomes "H" level by the action of the inverter circuit section INV1 of the latch circuit LT1 (see FIG. 2, (m)).
[0065]
When the potential at the point PB becomes “H”, the output Q becomes “L” by the action of the inverter circuit section INV2 of the latch circuit LT2 (see FIG. 2, (n)).
[0066]
In this way, the data “L” held in the flip-
[0067]
On the other hand, if the ferroelectric capacitor C1 is turned off in the polarization state corresponding to the data “H”, the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 is changed to the polarization state shown in FIG. 4 after a while after the power supply is turned off. It becomes P1. The parasitic capacitance C3 is in a discharged state.
[0068]
Here, when the power is turned on (see FIG. 2, (k)), the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 becomes the polarization state P6 shown in FIG. That is, the potential at the PA point with respect to the ground is V1-Vp (see FIG. 2, (l ')) shown in FIG. Since the potential at the point PA (V1-Vp) is larger than the reference value Vref-Vp, the logic level is "H".
[0069]
At this time, since the transistor GT2 of the latch circuit LT2 is ON, the potential at the point PB becomes "L" level by the action of the inverter circuit section INV1 of the latch circuit LT1 (see FIG. 2, (m ')). .
[0070]
When the potential at the point PB becomes “L”, the output Q becomes “H” by the action of the inverter circuit section INV2 of the latch circuit LT2 (see FIG. 2, (n ′)).
[0071]
In this way, the data “H” held in the flip-
[0072]
After that, when the transistor GT1 is turned on when the clock pulse Cp becomes “L” (see FIG. 2, (o)), the potential at the PA point is changed to new input data D (here, “L”). Therefore, it becomes “L”. However, since the transistor GT2 is OFF, the potential at the point PB remains “L”. Therefore, the output Q remains “H”. The output Q becomes “L” in accordance with the new input data “L”, as described above, at the rise of the next clock pulse Cp (see FIG. 2, (p)).
[0073]
Thus, according to the polarization state of the ferroelectric capacitor C1 corresponding to the data held in the flip-
[0074]
In the above-described embodiment, the data held in the flip-
[0075]
For example, according to the polarization state held by the ferroelectric capacitor C2 constituting the latch circuit LT2, the data held by the flip-
[0076]
However, as shown in FIG. 1, if both the ferroelectric capacitors C1 and C2 are provided, it is not necessary to limit the state of the clock pulse Cp when the power is turned on, which is convenient.
[0077]
Thus, the flip-
[0078]
Therefore, the ferroelectric capacitors C1 and C2 hold the signals appearing at the output terminals of the transistors GT1 and GT2 constituting the flip-
[0079]
As a result, when the power is restored, the state of the flip-
[0080]
In addition, since the time required for the polarization inversion of the ferroelectric is short, the time until the ferroelectric capacitors C1 and C2 reach the polarization state corresponding to the input data D is short when writing data. Therefore, high-speed response is possible.
[0081]
Further, in the case of a ferroelectric material, a high voltage is not required when data is written or erased. Therefore, there is no need to provide a booster circuit in the chip or to separately prepare a high-voltage power supply in addition to the normal power supply. For this reason, an increase in chip size and an increase in manufacturing cost can be suppressed.
[0082]
In this embodiment, inverter circuits INV1 and INV2 are provided as standardization circuits for normalizing signals to predetermined standard values, and data is output via the inverter circuit sections INV1 and INV2. .
[0083]
Therefore, even if the signal obtained in the normal operation or the operation at the time of return is deviated from the standard value, it can be standardized and output by providing the inverter circuit portions INV1 and INV2. For this reason, subsequent processing can be performed more accurately.
[0084]
In this embodiment, the ferroelectric memory unit is made of ferroelectric capacitors C1 and C2. Therefore, the signal appearing at the output terminals of the transistors GT1 and GT2 constituting the flip-
[0085]
In this embodiment, one end (PA point, PB point) of the ferroelectric capacitors C1, C2 is coupled to the output ends of the transistors GT1, GT2, and the other end of the ferroelectric capacitors C1, C2 is connected to the clock. A voltage synchronized with the pulse Cp is applied.
[0086]
Therefore, in synchronization with the clock pulse Cp, signals appearing at the output terminals of the transistors GT1 and GT2 constituting the flip-
[0087]
In the above-described embodiment, the transistors GT1 and GT2 are used as the gate portion, but the gate portion is not limited to this. As the gate portion, for example, a transmission gate, a clocked CMOS inverter, or the like can be used.
[0088]
Note that the above-described variations can be similarly applied to various other embodiments described below.
[0089]
In each of the above-described embodiments, the basic D flip-flop circuit has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to flip-flop circuits in general, such as a D flip-flop circuit with S-R (set / reset) and a JK flip-flop circuit.
[0090]
FIG. 5 shows a circuit diagram of a flip-flop circuit 44 which is an example of a D flip-flop circuit with SR (set / reset) to which the present invention is applied. FIG. 6 is a table showing the operation of the flip-flop circuit 44.
[0091]
Similarly to the flip-
[0092]
The output terminal of the latch circuit LT1 is not connected to the inverter circuit unit INV1 (see FIG. 1) but is connected to a logic gate unit LG1 that is a combination of a plurality of logic gates. A signal from the point PA, a signal from the reset terminal R, and a signal from the set terminal S are input to the logic gate part LG1. The output of the logic gate part LG1 becomes the output of the latch circuit LT1.
[0093]
As shown in FIG. 6, by inputting a signal “H” to the reset terminal R, the stored contents of the flip-flop circuit 44 can be reset (cleared), and a signal “L” is input to the reset terminal R. By inputting the signal “H” to the set terminal S, the stored contents of the flip-flop circuit 44 can be set (preset).
[0094]
If the signal “L” is given to the reset terminal R and the set terminal S, the same function as the above-described flip-flop circuit 42 (see FIG. 1) is obtained.
[0095]
The latch circuit LT2 has the same configuration as the latch circuit LT1 and includes a logic gate part LG2. The logic gate part LG2 has the same configuration as the logic gate part LG1.
[0096]
As described above, the flip-flop circuit 44 includes the set terminal S and the reset terminal R, and includes the logic gate unit LG1 and the logic gate unit LG2 instead of the inverter circuit units INV1 and INV2. For example, the configuration is the same as that of the flip-
[0097]
FIG. 7A shows a circuit diagram of a flip-
[0098]
The flip-
[0099]
As shown in FIG. 7B, when a signal “H” is applied to the input terminal J and a signal “L” is applied to the input terminal K, data “H” is output from the output Q at the rising edge of the clock pulse Cp. Conversely, if a signal “L” is applied to the input terminal J and a signal “H” is applied to the input terminal K, data “L” is output from the output Q at the rising edge of the clock pulse Cp.
[0100]
If the signal “H” is applied to both the input terminal J and the input terminal K, the contents of the output Q are inverted at the rising edge of the clock pulse Cp. On the other hand, if the signal “L” is applied to both the input terminal J and the input terminal K, the contents of the output Q are retained.
[0101]
In each of the above-described embodiments, the flip-flop circuit has been described as an example of the sequential circuit. However, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to a latch circuit as a sequential circuit, for example.
[0102]
As the latch circuit, for example, there is a latch circuit LT1, which is a component of the flip-
[0103]
In this embodiment, a ferroelectric capacitor is used as the ferroelectric memory unit. However, the ferroelectric memory unit is not limited to the ferroelectric capacitor. As the ferroelectric memory unit, for example, a ferroelectric transistor can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a flip-
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the flip-
FIG. 3 is a circuit diagram in the vicinity of a ferroelectric capacitor C1 and a parasitic capacitor C3 constituting the latch circuit LT1.
FIG. 4 is a diagram showing a hysteresis curve representing a relationship between a voltage and a polarization state related to a ferroelectric capacitor C1.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a flip-flop circuit 44 which is a sequential circuit used in a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
6 is a table showing the operation of the flip-flop circuit 44. FIG.
FIG. 7A is a circuit diagram of a flip-
FIG. 8 is a circuit diagram of a flip-
9 is a timing chart representing the operation of flip-
[Explanation of symbols]
42... Flip-flop circuit
C1 ... Ferroelectric capacitor
D ... Input data
GT1... Transistor
LT1... Latch circuit
Q ・ ・ ・ ・ ・ ・ Output
Claims (7)
ゲート部の出力端に結合され、当該出力端に現れる信号に対応した分極状態を保持する強誘電体コンデンサを備え、
前記強誘電体コンデンサの一端を前記ゲート部の出力端に結合するとともに、強誘電体コンデンサの他端に、前記ゲート制御信号に同期した電圧を印加するよう構成した、
ことを特徴とする、強誘電体を用いた順序回路。Equipped with a gate part that relays input data according to the gate control signal, and a normalization circuit that normalizes the data through the gate part to a predetermined standard value, and supports input data when the gate part is in the relay state The output signal is output as output data through the standardization circuit, and when the gate portion is in the disconnected state, the signal corresponding to the input data immediately before the disconnection state is substantially output from the standardization circuit as the output data. A sequential circuit configured as follows,
A ferroelectric capacitor that is coupled to the output terminal of the gate portion and holds a polarization state corresponding to a signal appearing at the output terminal,
The one end of the ferroelectric capacitor is coupled to the output end of the gate unit, and the other end of the ferroelectric capacitor is configured to apply a voltage synchronized with the gate control signal.
A sequential circuit using a ferroelectric material.
順序回路の電源投入とともに、前記ゲート制御信号に同期した強誘電体コンデンサの他端からの電圧を立ち上げるよう構成した、
ことを特徴とする、強誘電体を用いた順序回路。The sequential circuit using the ferroelectric according to claim 1,
Constructed to raise the voltage from the other end of the ferroelectric capacitor synchronized with the gate control signal when the sequential circuit is powered on,
A sequential circuit using a ferroelectric material.
を直列に2つ結合し、入力側の順序回路の出力データを出力側の順序回路の入力データとして出力側の順序回路のゲート部に与える順序回路であって、
結合した2つの順序回路のうち少なくとも一方の順序回路が、
ゲート部の出力端に結合され、当該出力端に現れる信号に対応した分極状態を保持する強誘電体コンデンサを備え、
前記強誘電体コンデンサの一端を前記ゲート部の出力端に結合するとともに、強誘電体コンデンサの他端に、前記ゲート制御信号に同期した電圧を印加するよう構成し、
入力側の順序回路のゲート部を制御するゲート制御信号と出力側の順序回路のゲート部を制御するゲート制御信号とが相互に反転した位相となるようにした、
ことを特徴とする、強誘電体を用いた順序回路。Equipped with a gate part that relays input data according to the gate control signal, and a normalization circuit that normalizes the data through the gate part to a predetermined standard value, and supports input data when the gate part is in the relay state The output signal is output as output data through the standardization circuit, and when the gate portion is in the disconnected state, the signal corresponding to the input data immediately before the disconnection state is substantially output from the standardization circuit as the output data. Sequential circuit, configured as
Are connected in series, and the output data of the sequential circuit on the input side is given to the gate portion of the sequential circuit on the output side as input data of the sequential circuit on the output side,
At least one sequential circuit of the two coupled sequential circuits is
A ferroelectric capacitor that is coupled to the output terminal of the gate portion and holds a polarization state corresponding to a signal appearing at the output terminal,
The one end of the ferroelectric capacitor is coupled to the output end of the gate unit, and the other end of the ferroelectric capacitor is configured to apply a voltage synchronized with the gate control signal,
The gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the input side and the gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the output side are in a mutually inverted phase.
A sequential circuit using a ferroelectric material.
入力側および出力側の順序回路の強誘電体コンデンサの他端に、同一タイミングで前記電圧を印加するよう構成したこと、
を特徴とする、強誘電体を用いた順序回路。A sequential circuit using the ferroelectric according to claim 3,
The other end of the ferroelectric capacitor of the sequential circuit on the input side and the output side is configured to apply the voltage at the same timing,
A sequential circuit using a ferroelectric material.
を特徴とする半導体装置。Use of the circuit according to any one of claims 1 to 4.
A semiconductor device characterized by the above.
強誘電体コンデンサの他端に、前記ゲート制御信号に同期した電圧を印加し、
前記保持されたデータに対応した情報を強誘電体コンデンサに記憶するとともに、強誘電体コンデンサに記憶された情報に基づいて当該データを再生すること、
を特徴とするデータ記憶再生方法。Equipped with a gate part that relays input data according to the gate control signal, and a normalization circuit that normalizes the data through the gate part to a predetermined standard value, and supports input data when the gate part is in the relay state The output signal is output as output data through the standardization circuit, and when the gate portion is in the disconnected state, the signal corresponding to the input data immediately before the disconnection state is substantially output from the standardization circuit as the output data. A method of storing and reproducing data using a sequential circuit configured as described above, wherein the sequential circuit includes a ferroelectric capacitor that couples one end storing information corresponding to data to the output end of the gate unit. There,
A voltage synchronized with the gate control signal is applied to the other end of the ferroelectric capacitor,
Storing information corresponding to the held data in a ferroelectric capacitor and reproducing the data based on the information stored in the ferroelectric capacitor ;
A data storage and reproduction method characterized by the above.
入力側の順序回路のゲート部と制御するゲート制御信号と出力側の順序回路のゲート部を制御するゲート制御信号とを相互に反転した位相として与え、
強誘電体コンデンサの他端に、前記ゲート制御信号に同期した電圧を印加し、
前記保持されたデータに対応した情報を強誘電体コンデンサに記憶するとともに、強誘電体コンデンサに記憶された情報に基づいて当該データを再生すること、
を特徴とするデータ記憶再生方法。Equipped with a gate part that relays input data according to the gate control signal, and a normalization circuit that normalizes the data through the gate part to a predetermined standard value, and supports input data when the gate part is in the relay state The output signal is output as output data through the standardization circuit, and when the gate portion is in the disconnected state, the signal corresponding to the input data immediately before the disconnection state is substantially output from the standardization circuit as the output data. A sequential circuit having a configuration in which two or more sequential circuits configured in such a manner are coupled in series, and includes a ferroelectric capacitor that couples one end storing information corresponding to data to the output end of the gate unit , A method for storing and reproducing data using
A gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the input side and a gate control signal for controlling the gate part of the sequential circuit on the output side are given as mutually inverted phases,
A voltage synchronized with the gate control signal is applied to the other end of the ferroelectric capacitor,
Storing information corresponding to the held data in a ferroelectric capacitor and reproducing the data based on the information stored in the ferroelectric capacitor ;
A data storage and reproduction method characterized by the above.
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