JPH10112191A - Semiconductor device - Google Patents
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- JPH10112191A JPH10112191A JP8264065A JP26406596A JPH10112191A JP H10112191 A JPH10112191 A JP H10112191A JP 8264065 A JP8264065 A JP 8264065A JP 26406596 A JP26406596 A JP 26406596A JP H10112191 A JPH10112191 A JP H10112191A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係
り、特に、高速動作するフリップフロップ回路の状態を
強誘電体キャパシタの分極方向として不揮発に保持する
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a device for holding a state of a flip-flop circuit operating at high speed in a nonvolatile manner as a polarization direction of a ferroelectric capacitor.
【0002】[0002]
【従来の技術】フリップフロップ回路の揮発情報を、強
誘電体キャパシタの分極方向として不揮発に保持するた
めの方法が、たとえば米国特許第69390号に示され
ている。図6(a)及び(b)に、その回路構成と動作
方法をそれぞれ示す。フリップフロップ回路の相補的な
記憶ノードには、スイッチを介して強誘電体キャパシタ
が接続されている。揮発情報を不揮発情報に転写した
り、あるいは逆に不揮発情報を揮発情報に戻したりする
には、図6(b)あるいは米国特許第69390号に詳
細に示されているように、CLK3をハイレベルにした
状態で、CLK2にパルスを与える。2. Description of the Related Art A method for nonvolatilely storing volatile information of a flip-flop circuit as a polarization direction of a ferroelectric capacitor is disclosed in, for example, US Pat. No. 6,390,390. 6A and 6B show a circuit configuration and an operation method, respectively. A ferroelectric capacitor is connected to a complementary storage node of the flip-flop circuit via a switch. In order to transfer the volatile information to the non-volatile information or vice versa, to convert the non-volatile information back to the volatile information, as shown in detail in FIG. 6 (b) or US Pat. , A pulse is applied to CLK2.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
回路構成及び動作方法を、たとえばキャッシュメモリと
して知られる高速動作のフリップフロップ回路に適用す
る場合、速度が劣化してしまうという問題がある。なぜ
なら、付加した強誘電体キャパシタや電界効果トランジ
スタのためにメモリセルの面積が増大し、その結果、ビ
ット線対BL,BBやワード線WL、あるいはフリップ
フロップ回路の拡散層領域に多くの寄生容量が付加した
り、配線抵抗が増加したりするからである。However, when the above-described circuit configuration and operation method are applied to, for example, a high-speed operation flip-flop circuit known as a cache memory, there is a problem that the speed is deteriorated. This is because the area of the memory cell increases due to the added ferroelectric capacitor and field effect transistor, and as a result, a large amount of parasitic capacitance occurs in the bit line pair BL, BB, the word line WL, or the diffusion layer region of the flip-flop circuit. Is added or the wiring resistance is increased.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置で
は、複数のワード線(WS0 など)とこれに交差する複
数のビット線対(BLi/BBiなど)の交点に複数個の
フリップフロップ回路(たとえばキャッシュメモリセ
ル)がマトリックスに配置された領域と、上記ワード線
とは別の複数のワード線(WF0 など)とこれに交差す
る複数のビット線との交点に、電界効果トランジスタと
強誘電体キャパシタとで構成される複数個の強誘電体メ
モリセルがマトリックスに配置された領域とを含む。フ
リップフロップ回路のビット線と、強誘電体メモリセル
のビット線とは、スイッチを介して接続する。フリップ
フロップ回路のワード線と、強誘電体メモリセルのワー
ド線は、同一のアドレスで一対一に対応しているが、別
の制御線(FiS及びFiF)により、その両方を同時に
活性化することもできるし、どちらか一方を選択して活
性化することもできる。さらに、この構成で、フリップ
フロップ回路のビット線にはアンプ(SAi など)が接
続されており、上記アンプは、フリップフロップ回路の
揮発情報を検知するためと強誘電体メモリセルの不揮発
情報を検知するために共用される(図1)。In a semiconductor device according to the present invention, a plurality of flip-flop circuits (BLi / BBi, etc.) intersect a plurality of word lines (WS0, etc.) and a plurality of bit line pairs (BLi / BBi, etc.). For example, a field-effect transistor and a ferroelectric substance are provided at an intersection of a region where cache memory cells are arranged in a matrix, a plurality of word lines (such as WF0) other than the above word line, and a plurality of bit lines intersecting the word line. And a region in which a plurality of ferroelectric memory cells constituted by capacitors are arranged in a matrix. The bit line of the flip-flop circuit and the bit line of the ferroelectric memory cell are connected via a switch. The word line of the flip-flop circuit and the word line of the ferroelectric memory cell correspond one-to-one with the same address, but both are simultaneously activated by different control lines (FiS and FiF). Alternatively, either one can be selected and activated. Further, in this configuration, an amplifier (such as SAi) is connected to the bit line of the flip-flop circuit, and the amplifier detects volatile information of the flip-flop circuit and non-volatile information of the ferroelectric memory cell. (Figure 1).
【0005】さらに本発明の半導体装置では、この構成
で、上記フリップフロップ回路がマトリックスに配置さ
れた領域のうち、上記アンプに近い側の一部のフリップ
フロップ回路は、CPUに用いられる命令セットで直接
アドレスが指定されるレジスタであり、残りのフリップ
フロップ回路は、メモリマネジメントユニット(MMU)の
情報を介して間接的にアドレスが指定されるキャッシュ
メモリである。キャッシュメモリセルの接続するビット
線とレジスタセルの接続するビット線とは、スイッチ回
路により電気的に分離できる(図2)。Further, in the semiconductor device of the present invention, in this configuration, in the area where the flip-flop circuits are arranged in a matrix, a part of the flip-flop circuits closer to the amplifier is provided with an instruction set used for the CPU. The register is a register to which an address is directly specified, and the remaining flip-flop circuits are cache memories to which an address is indirectly specified through information of a memory management unit (MMU). The bit line connected to the cache memory cell and the bit line connected to the register cell can be electrically separated by a switch circuit (FIG. 2).
【0006】本発明の半導体装置で、強誘電体メモリセ
ルの不揮発情報をキャッシュメモリセルあるいはレジス
タセルの揮発情報に転写する場合、まず強誘電体キャパ
シタの共通プレートの電位が接地電位から電源電圧へ移
行される。その後、強誘電体メモリセルの不揮発情報
が、同一アドレスのワード線で選択され同一の上記アン
プに接続するキャッシュメモリセルあるいはレジスタセ
ルの揮発情報に転写される。この際のビット線プリチャ
ージ電位を接地電位とする。すべての強誘電体メモリセ
ルに対して上記転写が終了したら、共通プレートの電位
を接地電位に戻しておく。この共通プレート電位変化の
際、強誘電体メモリセルのワード線はすべて非活性の状
態とする(図3,図4)。In the semiconductor device of the present invention, when transferring nonvolatile information of a ferroelectric memory cell to volatile information of a cache memory cell or a register cell, first, the potential of a common plate of a ferroelectric capacitor is changed from a ground potential to a power supply voltage. Will be migrated. Thereafter, the nonvolatile information of the ferroelectric memory cell is transferred to the volatile information of the cache memory cell or register cell selected by the word line of the same address and connected to the same amplifier. At this time, the bit line precharge potential is set to the ground potential. When the transfer is completed for all the ferroelectric memory cells, the potential of the common plate is returned to the ground potential. When the potential of the common plate changes, the word lines of the ferroelectric memory cell are all inactivated (FIGS. 3 and 4).
【0007】本発明の半導体装置で、キャッシュメモリ
セルあるいはレジスタセルの揮発情報を強誘電体メモリ
セルの不揮発情報として退避する場合、上記共通プレー
トは接地電位のままとする。キャッシュメモリセルある
いはレジスタセルの揮発情報が、同一アドレスのワード
線で選択され同一の上記アンプに接続する強誘電体メモ
リセルの不揮発情報に転写される。退避動作で、キャッ
シュメモリセルあるいはレジスタセルの揮発情報が、接
地電位あるいは電源電位として上記アンプによりビット
線にラッチされた後に、情報を格納する強誘電体メモリ
セルのワード線を活性化するようにする(図3,図
5)。In the semiconductor device of the present invention, when the volatile information of the cache memory cell or the register cell is saved as the nonvolatile information of the ferroelectric memory cell, the common plate is kept at the ground potential. The volatile information of the cache memory cell or the register cell is transferred to the nonvolatile information of the ferroelectric memory cell selected by the word line of the same address and connected to the same amplifier. In the save operation, after the volatile information of the cache memory cell or the register cell is latched on the bit line by the amplifier as the ground potential or the power supply potential, the word line of the ferroelectric memory cell storing the information is activated. (FIGS. 3 and 5).
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施例の揮発情
報を不揮発に保持できる高速動作のフリップフロップ回
路(たとえばキャッシュメモリ)の構成を示す。この回
路はワード線たとえばWS0 とビット線対たとえばBL
i/BBiの交点に複数個のキャッシュメモリセルがマト
リックスに配置されたキャッシュメモリアレーS−MA
と、ワード線たとえばWF0 とビット線対たとえばBL
i/BBiの交点に複数個の強誘電体メモリセルがマトリ
ックスに配置された強誘電体メモリアレーF−MAを含
む。FIG. 1 shows a configuration of a flip-flop circuit (for example, a cache memory) of a high-speed operation capable of holding volatile information in a nonvolatile manner according to an embodiment of the present invention. This circuit includes a word line WS0 and a bit line pair BL, for example.
A cache memory array S-MA in which a plurality of cache memory cells are arranged in a matrix at the intersection of i / BBi
And a word line such as WF0 and a bit line pair such as BL
A ferroelectric memory array F-MA in which a plurality of ferroelectric memory cells are arranged in a matrix at the intersection of i / BBi.
【0009】上記ビット線対たとえばBLi/BBiは、
スイッチ回路SWにより、上記キャッシュメモリアレー
領域と上記強誘電体メモリアレー領域とで電気的に分離
でき、また、上記キャッシュメモリセル及び強誘電体メ
モリセルの情報を検知,増幅するためのアンプSAiに
接続している。SAiは強誘電体メモリアレーよりキャ
ッシュメモリアレーに近い側に設けられ、出力線Doiを
持つ。The bit line pair, for example, BLi / BBi,
By the switch circuit SW, the cache memory array area and the ferroelectric memory array area can be electrically separated from each other, and the amplifier SAi for detecting and amplifying information of the cache memory cell and the ferroelectric memory cell can be provided. Connected. SAi is provided closer to the cache memory array than the ferroelectric memory array, and has an output line Doi.
【0010】フリップフロップ回路のワード線たとえば
WS0 と、強誘電体メモリセルのワード線たとえばWF
0 は、同一のアドレスで一対一に対応しているが、別の
制御線(FiS及びFiF)により、その両方を同時に活
性化することもできるし、どちらか一方を選択して活性
化することもできる。すなわち、ワード線を活性化する
ゲートGTは、XデコーダX−DECからXドライバX
−DRVを経た信号と、制御線FiFまたはFiSをそ
の入力信号とする。A word line of a flip-flop circuit such as WS0 and a word line of a ferroelectric memory cell such as WF
0 indicates one-to-one correspondence with the same address, but both can be simultaneously activated by another control line (FiS and FiF), or one of them can be selected and activated. Can also. That is, the gate GT for activating the word line is supplied from the X decoder X-DEC to the X driver X.
-A signal that has passed DRV and a control line FiF or FiS are input signals.
【0011】本実施例によれば、同一のビット線及びア
ンプを介して、キャッシュメモリセルの揮発情報の強誘
電体メモリセルへの不揮発情報としての退避、及びその
逆の揮発情報の呼び戻しが、高速にかつ小面積の回路構
成で実現できる。通常動作時には、スイッチ回路SWF
をオフ状態とすることにより、キャッシュメモリアレー
は従来のアレーとまったく同じとなるので、不揮発性を
付加することにより高速性が損なわれることがない。According to this embodiment, the saving of volatile information of a cache memory cell as nonvolatile information to a ferroelectric memory cell and the recall of the volatile information in the opposite manner are performed through the same bit line and amplifier. It can be realized at high speed with a small area circuit configuration. During normal operation, the switch circuit SWF
Is turned off, the cache memory array becomes exactly the same as the conventional array, so that the addition of non-volatility does not impair the high-speed performance.
【0012】また、揮発情報及び不揮発情報の格納アド
レスが一対一に対応しているので、制御が簡単である。
さらに、強誘電体メモリ部を高集積性に特化したプロセ
ス(たとえば多結晶シリコン配線による自己整合プロセ
ス)、キャッシュメモリ部を高速性に特化したプロセス
(たとえば低抵抗配線プロセス)で形成することができ
るので、製造が容易で高性能の不揮発性キャッシュメモ
リが得られる。強誘電体メモリ部をダイナミックランダ
ムアクセスメモリ(DRAM)と同様なプロセスで形成
すれば、セルサイズをキャッシュメモリセルの十分の一
近くまで小さくすることも可能である。Further, since the storage addresses of the volatile information and the nonvolatile information correspond one-to-one, the control is simple.
Further, the ferroelectric memory portion is formed by a process specialized for high integration (for example, a self-alignment process using polycrystalline silicon wiring), and the cache memory portion is formed by a process specialized for high speed (for example, a low resistance wiring process). Therefore, a high-performance nonvolatile cache memory which is easy to manufacture and has high performance can be obtained. If the ferroelectric memory section is formed by a process similar to that of a dynamic random access memory (DRAM), the cell size can be reduced to nearly one-tenth of a cache memory cell.
【0013】図2はCPUにオンチップ化したキャッシ
ュメモリ及びレジスタファイルを不揮発化した構成を示
す、本発明の一実施例である。図1のメモリアレー構成
に比べて、アンプ部SA−Bとキャッシュメモリアレー
S−MAとの間にレジスタファイルRFおよびRFのビ
ット線をS−MAのそれと電気的に分離するためのスイ
ッチ回路SWSが設けられている。RFの回路構成はS
−MAと同様であるが、キャッシュメモリのアドレス
が、CPUからメモリマネージメントユニットMMU、
さらにキャッシュタグC−TAGを経て指定されるのに
対して、レジスタのアドレスは、CPUの命令セットの
データで直接指定される点が異なる。通常はSWS及び
SWFはオフ状態であり、キャッシュメモリが選択され
た場合にはSWSがオン状態となり、不揮発情報として
の退避、及びその逆の揮発情報の呼び戻しの際にはSW
Fもオン状態となる。本発明の実施例によれば、図1と
同様な効果が得られる。FIG. 2 is an embodiment of the present invention showing a configuration in which a cache memory and a register file formed on a chip in a CPU are made non-volatile. Compared with the memory array configuration of FIG. 1, a switch circuit SWS for electrically separating register files RF and bit lines of RF between amplifier section SA-B and cache memory array S-MA is different from that of S-MA. Is provided. RF circuit configuration is S
Same as -MA, except that the address of the cache memory is transferred from the CPU to the memory management unit MMU,
Further, while the address of the register is specified via the cache tag C-TAG, the address of the register is directly specified by the data of the instruction set of the CPU. Normally, the SWS and the SWF are in the OFF state, and when the cache memory is selected, the SWS is in the ON state. When saving as nonvolatile information and recalling the volatile information in reverse, the SWS is switched off.
F is also turned on. According to the embodiment of the present invention, the same effect as that of FIG. 1 can be obtained.
【0014】図3は、図1のメモリアレーのより具体的
な構成を示す、本発明の一実施例である。強誘電体メモ
リセルたとえばMF(00)は二つの強誘電体キャパシ
タと二つの電界効果トランジスタとから構成される。強
誘電体キャパシタのプレートVPLは、強誘電体メモリ
アレー内で共通である。ビット線を接地電位にプリチャ
ージするプリチャージ回路PF0 は、強誘電体メモリセ
ルの情報を検知する際に用いられる。PF0 は、リコー
ル信号バーがロウレベルの時プリチャージ信号線PCS
で制御され、リコール信号バーがハイレベルの時、非活
性状態となる。FIG. 3 is an embodiment of the present invention showing a more specific configuration of the memory array of FIG. A ferroelectric memory cell such as MF (00) is composed of two ferroelectric capacitors and two field effect transistors. The plate VPL of the ferroelectric capacitor is common in the ferroelectric memory array. A precharge circuit PF0 for precharging a bit line to a ground potential is used when detecting information of a ferroelectric memory cell. PF0 is the precharge signal line PCS when the recall signal bar is at the low level.
When the recall signal bar is at a high level, it is inactive.
【0015】強誘電体メモリ部は信号線SHRがハイレ
ベルの時にはキャッシュメモリ部と切り離される。キャ
ッシュメモリセルたとえばMS(00)はフリップフロ
ップ回路で構成される。ビット線を電源電位にプリチャ
ージするプリチャージ回路PS0 は、キャッシュメモリ
セルの情報を検知する際に用いられる。PS0 は、リコ
ール信号バーがハイレベルの時プリチャージ信号線PC
Sで制御され、リコール信号バーがロウレベルの時、非
活性状態となる。YSBはキャッシュメモリ部をアンプ
たとえばSA0 に接続するY選択線である。The ferroelectric memory section is separated from the cache memory section when the signal line SHR is at a high level. A cache memory cell, for example, MS (00) is formed of a flip-flop circuit. A precharge circuit PS0 for precharging a bit line to a power supply potential is used when detecting information of a cache memory cell. PS0 is the precharge signal line PC when the recall signal bar is at a high level.
Controlled by S, when the recall signal bar is at a low level, it becomes inactive. YSB is a Y selection line for connecting the cache memory section to an amplifier, for example, SA0.
【0016】図4及び図5に、図3の回路構成における
揮発情報の呼び戻し(リコール)、及び不揮発情報への
退避(ストア)の動作波形をそれぞれ示す。FIGS. 4 and 5 show operation waveforms for recalling (recalling) volatile information and saving (saving) volatile information in the circuit configuration shown in FIG. 3, respectively.
【0017】図4はリコール動作波形を示す、本発明の
一実施例である。図1または図2を含むシステムに対し
てスタンバイ状態が解除されたとき、スタンバイ状態に
おける電源電圧の供給停止が解除される。すなわち、シ
ステムの内部電源電圧はVccに再設定される。VPLも
Vccとなる。この時、Wi はロウレベルでワード線は非
活性状態でなければならない。アンプの信号線SAP,
SANはそれぞれVcc及び0に設定され、アンプを非活
性状態に保つ。リコール信号バーは、リコールモードで
あることを示すロウレベルとなっている。リコール動作
中はビット線は0Vにプリチャージされ、SHR,YS
Bはロウレベルでビット線の接続スイッチはすべてオン
状態である。またFiF はハイレベルに保持されてX−
DRVからの信号で直ちに強誘電体メモリ部のワード線
が活性化される状態となっている。スタンバイ状態解除
後、内部電源電圧が安定化する程度の一定遅延の後、リ
コール・ストアカウンタが0000から0001にカウ
ントアップされる。なお、カウンタは必ずしも4ビット
である必要はない。FIG. 4 is an embodiment of the present invention showing a recall operation waveform. When the standby state is released for the system including FIG. 1 or FIG. 2, the suspension of the supply of the power supply voltage in the standby state is released. That is, the internal power supply voltage of the system is reset to Vcc. VPL also becomes Vcc. At this time, Wi must be at the low level and the word line must be inactive. Amplifier signal line SAP,
SAN is set to Vcc and 0, respectively, to keep the amplifier inactive. The recall signal bar is at a low level indicating that the mode is the recall mode. During the recall operation, the bit line is precharged to 0 V, and SHR, YS
B is at a low level, and all the bit line connection switches are on. FiF is held at a high level and X-
The word line of the ferroelectric memory section is immediately activated by a signal from the DRV. After the standby state is released, the recall / store counter is counted up from 0000 to 0001 after a certain delay such that the internal power supply voltage is stabilized. Note that the counter need not always be 4 bits.
【0018】カウントアップにより、W0 で選択される
情報の、不揮発から揮発への呼び戻しが始まる。まず、
PCSがハイレベルとなり、ビット線は0Vのフローテ
ィング状態となる。次にW0によりWF0 が活性化さ
れ、ビット線対たとえばBL0/BB0 にMF(00)
の不揮発情報が電位差として生じる。次に、SAP,S
ANをそれぞれロウレベル,ハイレベルとして、BL0
/BB0の情報を増幅する。次に、FiSをハイレベルに
してWS0を活性化し、MF(00)に対応するキャッ
シュメモリセルMS(00)へ、情報を書き込む。これ
でW0で選択される情報のリコールが終了し、WF0,
WS0を非活性状態に戻す。By counting up, the recall of the information selected by W0 from non-volatile to volatile starts. First,
PCS becomes high level, and the bit line becomes a floating state of 0V. Next, WF0 is activated by W0, and MF (00) is applied to a bit line pair, for example, BL0 / BB0.
Is generated as a potential difference. Next, SAP, S
When AN is set to a low level and a high level, respectively, BL0
/ BB0 information is amplified. Next, FiS is set to the high level to activate WS0, and information is written to the cache memory cell MS (00) corresponding to MF (00). This completes the recall of the information selected in W0, and WF0,
Return WS0 to the inactive state.
【0019】最後にアンプを非活性状態としてビット線
を0Vに再プリチャージする。再プリチャージ時にリコ
ール信号バーがロウレベルであった場合、リコール・ス
トアカウンタがカウントアップされる構成になってい
る。この結果、W1で選択される情報のリコールが開始
される。Finally, the amplifier is inactivated and the bit line is recharged to 0V. When the recall signal bar is at the low level during the re-precharge, the recall / store counter is counted up. As a result, recall of the information selected in W1 is started.
【0020】以上のようにしてすべての強誘電体メモリ
セルに対してリコールを行い、最後のWnで選択される
情報が終了すると、リコール・ストアカウンタは000
0にリセットされ、最上位のキャリー信号を発生する。
キャリー信号発生時にリコール信号バーがロウレベルで
あった場合には、リコール信号バーはハイレベルに変化
する。これは、通常動作への移行を意味し、VPLは接
地電位に変化し、SHR信号は強誘電体メモリ部をキャッ
シュメモリ部から切り離す。また、FiF がロウレベル
に、FISがハイレベルに変化し、Wi 選択時に今度は
キャッシュメモリが直ちに選択されるようになる。As described above, all the ferroelectric memory cells are recalled, and when the information selected by the last Wn is completed, the recall / store counter becomes 000.
It is reset to 0 to generate the most significant carry signal.
If the recall signal bar is at the low level when the carry signal is generated, the recall signal bar changes to the high level. This means transition to normal operation, VPL changes to the ground potential, and the SHR signal disconnects the ferroelectric memory from the cache memory. Also, FiF changes to low level and FIS changes to high level, and when Wi is selected, the cache memory is immediately selected.
【0021】図5はストア動作波形を示す、本発明の一
実施例である。システムがスタンバイ状態に入ると、ま
ずSHRがロウレベルとなり、強誘電体メモリ部がキャ
ッシュメモリ部に接続される。そして、リコール・スト
アカウンタが0000から0001へカウントアップさ
れる。リコール信号バーがハイレベル、スタンバイ信号
がハイレベルの時、このカウントアップによりW0 で選
択される信号のストア動作が開始される。PCSの変化
によりビット線がフローティング状態となるが、この
時、リコール信号バーがハイレベルであるので、ビット
線はVccにプリチャージされている。なお、ストア動作
時のビット線プリチャージ電位は必ずしもVccである必
要はない。FIG. 5 shows a store operation waveform according to an embodiment of the present invention. When the system enters a standby state, first, SHR goes low, and the ferroelectric memory unit is connected to the cache memory unit. Then, the recall / store counter is counted up from 0000 to 0001. When the recall signal bar is at the high level and the standby signal is at the high level, the counting operation starts the storing operation of the signal selected by W0. The bit line enters a floating state due to a change in PCS. At this time, since the recall signal bar is at a high level, the bit line is precharged to Vcc. Note that the bit line precharge potential during the store operation does not necessarily need to be Vcc.
【0022】次にカウンタ0001に対応するW0が選
択される。FiS がハイレベル、FiFがロウレベルな
ので、WS0が活性化し、キャッシュメモリセルを選択
する。その結果、ビット線対たとえばBL0/BB0にキ
ャッシュメモリセルMS(00)の情報が電位差として生じ
る。次にSAP,SANによりアンプが活性化される。
そして、ビット線対の電位はMS(00)の情報に対応
して0及びVccにラッチされる。この時点で、FiFが
ハイレベルとなり、WF0が活性化される。Next, W0 corresponding to the counter 0001 is selected. Since FiS is at the high level and FiF is at the low level, WS0 is activated to select a cache memory cell. As a result, information of the cache memory cell MS (00) is generated as a potential difference on the bit line pair, for example, BL0 / BB0. Next, the amplifier is activated by SAP and SAN.
Then, the potential of the bit line pair is latched to 0 and Vcc according to the information of MS (00). At this point, FiF goes high and WF0 is activated.
【0023】ここで、ビット線電位が0及びVccに増幅
される以前にWF0 を活性化してはならない。これは、
リコールの時点で強誘電体キャパシタの分極は一方向
(プレート側がハイレベルである方向)にリセットされ
ており、ストア時にはキャッシュメモリの情報に対応し
て一部の分極だけを反転させるためである。すなわち、
ストア時のビット線電位が0の場合には、書き込むべき
分極はプレート側がハイレベルとなる方向であり、既に
リコール時に設定されている分極方向である。ビット線
電位が0及びVccに増幅された時点でWF0 を活性化す
れば、強誘電体キャパシタに印加される電圧はほぼ0で
あり、リコール時に設定された分極方向を破壊すること
がない。一方、ストア時のビット線電位がVccの場合に
は、WF0の活性化により、プレート側がロウレベルと
なる電圧が強誘電体キャパシタに印加され、キャッシュ
メモリの情報に対応して分極方向が反転する。Here, WF0 must not be activated before the bit line potential is amplified to 0 and Vcc. this is,
At the time of the recall, the polarization of the ferroelectric capacitor has been reset in one direction (the direction in which the plate side is at a high level), and only a part of the polarization is inverted at the time of storage in accordance with the information in the cache memory. That is,
When the bit line potential at the time of store is 0, the polarization to be written is the direction in which the plate side is at a high level, and is the polarization direction already set at the time of recall. If WF0 is activated when the bit line potential is amplified to 0 and Vcc, the voltage applied to the ferroelectric capacitor is almost 0, and the polarization direction set at the time of recall is not destroyed. On the other hand, when the bit line potential at the time of store is Vcc, a voltage at which the plate side becomes low level is applied to the ferroelectric capacitor by activating WF0, and the polarization direction is reversed in accordance with the information in the cache memory.
【0024】以上のようにして、W0 で選択される情報
の不揮発情報としての退避が完了し、ワード線が非活性
化される。最後にアンプを非活性状態としてビット線を
Vccに再プリチャージする。再プリチャージ時にスタン
バイ信号がハイレベルであった場合、リコール1・スト
アカウンタがカウントアップされる構成になっている。
この結果、W1 で選択される情報のストアが開始され
る。以上のようにしてすべてのキャッシュメモリセルに
対して不揮発情報としてのストアを行う。最後のWn で
選択される情報が終了すると、リコール・ストアカウン
タは0000にリセットされ、最上位のキャリー信号を
発生する。キャリー信号発生時にスタンバイ信号がハイ
レベルであった場合には、内部電源が接地電位に降圧さ
れる。As described above, the saving of the information selected by W0 as the non-volatile information is completed, and the word line is deactivated. Finally, the amplifier is deactivated to recharge the bit line to Vcc. When the standby signal is at the high level at the time of re-precharge, the recall 1 / store counter is counted up.
As a result, the storage of the information selected by W1 is started. As described above, the storage as the nonvolatile information is performed for all the cache memory cells. When the information selected by the last Wn is completed, the recall / store counter is reset to 0000, and the most significant carry signal is generated. If the standby signal is at the high level when the carry signal is generated, the internal power supply is stepped down to the ground potential.
【0025】図3から図5で説明した本発明の実施例に
よれば、(1)強誘電体キャパシタのプレートをメモリ
アレー内で共通化できるので、強誘電体メモリアレー部
の面積を小さくできる。(2)2値の分極方向のうち、
リコール時に一方向にリセットしておき、ストア時にも
う一方向のみ書き込む本動作方式によれば、共通プレー
トの電位をリコール開始時及び終了時に一度ずつ変化さ
せるだけで良いので、高速でノイズ発生の少ないリコー
ル,ストア動作が可能となる。(3)リコール時に共通
プレート電位をVcc、ビット線プリチャージ電位を0V
とし、ストア時に共通プレート電位を0V、キャッシュ
メモリセル情報検知後のビット線電位を0VまたはVcc
とする本動作方式によれば、強誘電体キャパシタにほぼ
Vccの電圧を印加して不揮発情報を書き込むことができ
るので、与えられた電圧振幅Vccをフルに活用した低電
圧動作に好適なシステムが得られる。(4)通常動作時
にすでに共通プレートは接地電圧に設定してあり、スト
ア命令が発生した後に共通プレートの電位を変化させる
必要がないので、すみやかにストア動作が行える。According to the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 3 to 5, (1) Since the plate of the ferroelectric capacitor can be shared in the memory array, the area of the ferroelectric memory array can be reduced. . (2) Among binary polarization directions,
According to this operation method, which is reset in one direction at the time of recall and writes only in the other direction at the time of storage, the potential of the common plate only needs to be changed once at the start and end of the recall, so that high speed and low noise generation Recall and store operations are possible. (3) The common plate potential is Vcc and the bit line precharge potential is 0 V during recall
When storing, the common plate potential is 0 V, and the bit line potential after detecting the cache memory cell information is 0 V or Vcc.
According to the present operation method, nonvolatile information can be written by applying a voltage of approximately Vcc to the ferroelectric capacitor, so that a system suitable for low-voltage operation fully utilizing the given voltage amplitude Vcc is provided. can get. (4) Since the common plate is already set to the ground voltage during normal operation, and it is not necessary to change the potential of the common plate after a store command is issued, the store operation can be performed immediately.
【0026】[0026]
【発明の効果】本発明の半導体装置によれば、高速動作
でかつ不揮発に状態を保持できるフリップフロップ回
路、特にキャッシュメモリやレジスタファイルが、容易
な製造プロセスで実現できる。According to the semiconductor device of the present invention, a flip-flop circuit which can operate at high speed and can maintain a nonvolatile state, particularly a cache memory or a register file, can be realized by an easy manufacturing process.
【0027】さらに、本発明の揮発情報の呼び戻し(リ
コール)、及び不揮発情報への退避(ストア)方法によ
れば、フリップフロップ回路の不揮発化に伴うチップ面
積の増大を小さくおさえられ、また、高速,高信頼のシ
ステムが得られる。さらに、低電圧動作に好適なシステ
ムが得られる。Further, according to the method for recalling (recalling) volatile information and saving (storing) volatile information according to the present invention, an increase in chip area due to the non-volatization of the flip-flop circuit can be suppressed, and high-speed operation can be achieved. , A highly reliable system can be obtained. Further, a system suitable for low-voltage operation is obtained.
【図1】本発明のキャッシュメモリの説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram of a cache memory according to the present invention.
【図2】本発明のデータ処理装置の説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of a data processing device according to the present invention.
【図3】本発明のメモリアレーの回路図。FIG. 3 is a circuit diagram of a memory array according to the present invention.
【図4】図3の構成におけるリコール動作波形図。FIG. 4 is a recall operation waveform diagram in the configuration of FIG. 3;
【図5】図3の構成におけるストア動作波形図。FIG. 5 is a store operation waveform diagram in the configuration of FIG. 3;
【図6】従来の強誘電体キャパシタを含むSRAMの説
明図。FIG. 6 is an explanatory diagram of an SRAM including a conventional ferroelectric capacitor.
F−MA…強誘電体メモリアレー、S−MA…キャッシ
ュメモリアレー、SA−B…アンプ部、SAi …アン
プ、SWF…スイッチ回路、BLi/BBi…ビット線
対、WF0,WS0…ワード線、GT…ゲート、X−DE
C…Xデコーダ、X−DRV…Xドライバ、FiF,Fi
S…制御線。F-MA: ferroelectric memory array, S-MA: cache memory array, SA-B: amplifier section, SAi: amplifier, SWF: switch circuit, BLi / BBi: bit line pair, WF0, WS0: word line, GT ... Gate, X-DE
C: X decoder, X-DRV: X driver, FiF, Fi
S: control line.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 孔司 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 谷川 博之 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor, Koji Yamada 5-2-1, Josuihonmachi, Kodaira-shi, Tokyo Inside Semiconductor Division, Hitachi, Ltd. Gochome No. 20, No. 1 Semiconductor Division, Hitachi, Ltd.
Claims (7)
のビット線の交点に複数個のフリップフロップ回路がマ
トリックスに配置された領域と、複数の第二ワード線と
これに交差する複数のビット線との交点に、電界効果ト
ランジスタと強誘電体キャパシタとで構成される複数個
の強誘電体メモリセルがマトリックスに配置された領域
とを有し、上記フリップフロップ回路の接続するビット
線と上記強誘電体メモリセルの接続するビット線とをス
イッチを介して電気的に接続する手段を設けてなる半導
体装置において、上記スイッチを接続状態として、上記
強誘電体キャパシタに保持された分極方向としての不揮
発情報を上記フリップフロップ回路の状態に転写する第
一の動作モードと、上記スイッチを非接続状態として、
上記フリップフロップ回路の状態を検知あるいは書換え
る第二の動作モードと、上記スイッチを接続状態とし
て、上記フリップフロップ回路の状態を上記強誘電体キ
ャパシタの分極方向としての不揮発情報に転写する第三
の動作モードとを有し、上記第一及び第三の動作モード
で情報の転写が行われる上記強誘電体キャパシタと上記
フリップフロップ回路とは、一対一に確定していること
を特徴とする半導体装置。1. A region in which a plurality of flip-flop circuits are arranged in a matrix at an intersection of a plurality of first word lines and a plurality of bit lines crossing the first word line, a plurality of second word lines and a plurality of crossing lines A plurality of ferroelectric memory cells each composed of a field effect transistor and a ferroelectric capacitor arranged in a matrix at an intersection with a bit line connected to the flip-flop circuit. And a bit line to which the ferroelectric memory cell is connected. The semiconductor device further comprises means for electrically connecting the bit line to the ferroelectric memory cell via a switch. A first operation mode for transferring non-volatile information as the state of the flip-flop circuit, and the switch in a non-connected state,
A second operation mode in which the state of the flip-flop circuit is detected or rewritten, and a third state in which the switch is connected and the state of the flip-flop circuit is transferred to nonvolatile information as a polarization direction of the ferroelectric capacitor. A semiconductor device having an operation mode, wherein the ferroelectric capacitor and the flip-flop circuit to which information is transferred in the first and third operation modes are determined one-to-one. .
回路の接続するビット線には、上記フリップフロップ回
路の状態と上記強誘電体キャパシタに保持された不揮発
情報とを検知するために併用されるアンプが接続されて
いる半導体装置。2. An amplifier according to claim 1, wherein a bit line connected to said flip-flop circuit is used for detecting a state of said flip-flop circuit and nonvolatile information held in said ferroelectric capacitor. Semiconductor device to which is connected.
回路はキャッシュメモリとして用いられる半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said flip-flop circuit is used as a cache memory.
が設けられ、上記複数のフリップフロップ回路の少なく
とも一部は、上記CPUを制御する命令セットのデータ
で直接アドレス指定されるレジスタファイルである半導
体装置。4. The CPU according to claim 1, wherein the CPU is mounted on the same chip.
Wherein at least a part of the plurality of flip-flop circuits is a register file directly addressed by data of an instruction set for controlling the CPU.
タのプレートは上記第一ワード線のうち異なるワード線
に接続するメモリセルに対して共通化され、上記第一の
動作モードでは、上記共通プレートは第一の電位に設定
され、上記スイッチで電気的に接続されたビット線のプ
リチャージ電位は上記第一の電位とは異なる第二の電位
に設定され、上記第三の動作モードでは、上記共通プレ
ートは第三の電位に設定され、上記フリップフロップ回
路の状態が上記ビット線に上記第三の電位とは異なる第
四の電位または上記第四の電位とは異なる第五の電位と
して増幅された後に上記強誘電体メモリセルが上記ビッ
ト線に接続され、上記第二の電位の第一の電位に対する
高低の関係は、上記第四の電位の第三の電位に対する高
低の関係と逆である半導体装置。5. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein a plate of the ferroelectric capacitor is used in common for memory cells connected to different ones of the first word lines, and in the first operation mode, the common plate is used. The plate is set to a first potential, the precharge potential of the bit line electrically connected by the switch is set to a second potential different from the first potential, and in the third operation mode, The common plate is set to a third potential, and the state of the flip-flop circuit is amplified to the bit line as a fourth potential different from the third potential or a fifth potential different from the fourth potential. After that, the ferroelectric memory cell is connected to the bit line, and the relationship between the second potential and the first potential is opposite to the relationship between the fourth potential and the third potential. Ah Semiconductor device.
第三の電位にほぼ等しい半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 5, wherein said fifth potential is substantially equal to said third potential.
記第三の電位は電源電圧にほぼ等しく、上記第一の電位
及び上記第四の電位は接地電圧にほぼ等しい半導体装
置。7. The semiconductor device according to claim 6, wherein said second potential and said third potential are substantially equal to a power supply voltage, and said first potential and said fourth potential are substantially equal to a ground voltage.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8264065A JPH10112191A (en) | 1996-10-04 | 1996-10-04 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8264065A JPH10112191A (en) | 1996-10-04 | 1996-10-04 | Semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10112191A true JPH10112191A (en) | 1998-04-28 |
Family
ID=17398043
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8264065A Pending JPH10112191A (en) | 1996-10-04 | 1996-10-04 | Semiconductor device |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10112191A (en) |
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