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利用鐵電電容器的CMOS模擬存儲器的制作方法

文檔序號:12071377閱讀:331來源:國知局
利用鐵電電容器的CMOS模擬存儲器的制作方法與工藝

在需要高速和/或低功耗的應(yīng)用中,非易失性固態(tài)EEPROM存儲器已經(jīng)變得可與用于大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲的常規(guī)旋轉(zhuǎn)磁盤介質(zhì)競爭。這種存儲器具有短得多的有效“搜索”時(shí)間以及與常規(guī)磁盤驅(qū)動器一樣快或者比其更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外,這些存儲器可以經(jīng)受明顯的機(jī)械沖擊并且需要常規(guī)磁盤驅(qū)動器的功率的一部分。然而,這種存儲器的成本仍然限制了對驅(qū)動器的使用。此外,這種存儲器不可用于高輻射環(huán)境中。

一種用于減小這種存儲器的成本的方法是利用具有多于兩個(gè)存儲狀態(tài)的存儲器單元。例如,在EEPROM存儲器中,使用穿隧來將電荷沉積在浮柵上。電荷改變相關(guān)聯(lián)晶體管的電導(dǎo)率。在二進(jìn)制存儲器中,電荷的存在或不存在都是需要進(jìn)行感測的。在多狀態(tài)存儲器中,每個(gè)狀態(tài)與正向柵極轉(zhuǎn)移的不同電荷量相對應(yīng)。為了對單元進(jìn)行讀取,必須測量單元的電導(dǎo)率以便在可能狀態(tài)之間進(jìn)行區(qū)分。因?yàn)槊總€(gè)單元現(xiàn)在存儲有多位數(shù)據(jù),所以對于任何給定存儲器大小都顯著減小了存儲器成本。

遺憾的是,對這種單元進(jìn)行寫入的時(shí)間明顯大于對二進(jìn)制單元進(jìn)行寫入的時(shí)間。此外,可以存儲在存儲器中的狀態(tài)的最大數(shù)量是有限的。可以通過增大存儲器中的感測放大器的數(shù)量(從而使得同時(shí)對大量單元進(jìn)行讀取或?qū)懭?來部分地克服這些問題。然而,這種方式增大了存儲器的成本并且還強(qiáng)加了比一旦已經(jīng)加載了磁道讀出“磁道”的單獨(dú)片段的讀取時(shí)間更長的針對磁道的初始讀取時(shí)間。

當(dāng)要在記錄中重寫數(shù)據(jù)時(shí),必須擦除整個(gè)記錄并且然后輸入新數(shù)據(jù)。由于與寫入時(shí)間相比擦除時(shí)間較長,所以將數(shù)據(jù)重寫到已經(jīng)被擦除的未使用記錄中。然后,在后臺擦除在先前重寫中丟棄的記錄。此“垃圾收集”程序進(jìn)一步使存儲器復(fù)雜化并且增加成本。最終,可以對單元進(jìn)行擦除和重寫的次數(shù)是有限的,并且因此,在需要多次對大量單元進(jìn)行擦除和重寫的應(yīng)用中,存儲器的壽命可能是個(gè)問題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明包括一種存儲器單元以及由此存儲器單元構(gòu)造的存儲器。在一個(gè)實(shí)施例中,根據(jù)本發(fā)明的存儲器包括鐵電電容器、電荷源和讀取電路。所述電荷源接收要存儲在鐵電電容器中的數(shù)據(jù)值。所述電荷源將所述數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成要存儲在所述鐵電電容器中的剩余電荷并且使此剩余電荷存儲在所述鐵電電容器中。所述讀取電路確定存儲在所述鐵電電容器中的電荷。所述數(shù)據(jù)值具有多于三個(gè)不同的可能狀態(tài),并且所述所確定的電荷具有多于三個(gè)確定值。所述存儲器還包括復(fù)位電路,所述復(fù)位電路使所述鐵電電容器進(jìn)入預(yù)定的已知參考極化狀態(tài)。

在本發(fā)明的一方面,所述電荷源包括電容器充電電路,所述電容器充電電路將電容器充電至由所述數(shù)據(jù)值所確定的電壓;以及開關(guān),在所述充電之后,所述開關(guān)將所述電容器與所述鐵電電容器并聯(lián)連接。

在本發(fā)明的另一方面,所述電荷源包括電流源,在由所述數(shù)據(jù)值所確定的時(shí)間段內(nèi),所述電流源連接至所述鐵電電容器。

在本發(fā)明的仍進(jìn)一步方面,所述電流源包括電路,所述電路具有連接在第一開關(guān)端子與第二開關(guān)端子之間的第一電流路徑和第二電流路徑。所述鐵電電容器串聯(lián)連接在所述第一電流路徑中,從而使得與進(jìn)入所述第一開關(guān)端子的電流的固定部分相等的電流基本上獨(dú)立于所述電流而進(jìn)入到所述鐵電電容器中。

在本發(fā)明的另一方面,所述鐵電電容器由飽和電壓表征,并且所述讀取電路包括讀取電容器和預(yù)充電電路,所述預(yù)充電電路將所述讀取電容器充電至高于所述飽和電壓的電壓。所述讀取電路還包括:開關(guān),所述開關(guān)將所述鐵電電容器連接至所述讀取電容器;以及輸出電路,在所述鐵電電容器連接至所述讀取電容器之后,所述輸出電路生成指示所述讀取電容器上的電壓的信號。

在仍進(jìn)一步方面,所述鐵電電容器由可以存儲在所述鐵電電容器中的最大剩余電荷表征,并且所述讀取電路包括最大電荷存儲電路,所述最大電荷存儲電路判定所述鐵電電容器何時(shí)存儲所述最大剩余電荷。控制器使所述電荷源向所述鐵電電容器添加電荷,直到所述最大電荷電路確定所述鐵電電容器正存儲所述最大剩余電荷為止。

在本發(fā)明的另一方面,根據(jù)本發(fā)明的存儲器單元包括鐵電電容器和電路,所述電路具有連接在第一開關(guān)端子與第二開關(guān)端子之間的第一電流路徑和第二電流路徑。所述鐵電電容器串聯(lián)連接在所述第一電流路徑中,從而使得與進(jìn)入所述第一開關(guān)端子的電流的固定部分相等的電流基本上獨(dú)立于所述電流而進(jìn)入到所述鐵電電容器中。

在本發(fā)明的一方面,所述第一電流路徑包括與第一FET串聯(lián)的所述鐵電電容器,所述第一FET具有短路連接至所述FET的源極的柵極,并且第二電流路徑包括連接在所述第一端子與所述第二端子之間的第二FET。

在本發(fā)明的另一方面,所述鐵電電容器由第一鐵電電容器端子和第二鐵電電容器端子表征,所述第一鐵電電容器端子連接至所述第一開關(guān)端子,并且所述第一電流路徑包括:第一FET,所述第一FET具有連接至所述第二鐵電電容器端子的源極;以及第二FET,所述第二FET具有連接至所述第一FET的漏極的源極以及連接至所述第二開關(guān)端子的漏極,所述第二FET具有連接至所述第二鐵電電容器端子的柵極。

在本發(fā)明的仍進(jìn)一步方面,所述鐵電電容器由可以存儲在所述鐵電電容器中的最大電荷表征,所述存儲器單元進(jìn)一步包括連接至所述第一開關(guān)端子的寫入電路,所述寫入電路通過所述第一開關(guān)端子轉(zhuǎn)移電荷量,所述電荷量由輸入至所述寫入電路的數(shù)據(jù)值確定并且獨(dú)立于所述最大電荷。

在本發(fā)明的另一方面,所述存儲器單元包括讀取電路,所述讀取電路確定已經(jīng)由所述寫入電路存儲在所述鐵電電容器中的電荷量。所述讀取電路可以包括復(fù)位電容器以及用于將所述復(fù)位電容器預(yù)充電至第一電壓的電路。在所述復(fù)位電容器已經(jīng)被充電至所述第一電壓之后,電路將所述復(fù)位電容器連接至所述鐵電電容器;以及在所述復(fù)位電容器已經(jīng)連接至所述鐵電電容器之后測量所述復(fù)位電容器上的電壓的電路。

在本發(fā)明的仍進(jìn)一步方面,所述鐵電電容器由可以存儲在所述鐵電電容器上的最大電荷以及飽和電壓表征,并且所述第一電壓被選擇為使得當(dāng)與所述最大電荷相等的電荷從所述鐵電電容器轉(zhuǎn)移至所述復(fù)位電容器時(shí),所述電容器處于大于所述飽和電壓的電壓下。

在本發(fā)明的另一方面,所述鐵電電容器由可以存儲在所述鐵電電容器上的最大電荷表征,并且所述讀取電路確定為使所述鐵電電容器存儲所述最大電荷而必須向存儲在所述鐵電電容器中的電荷添加的電荷。

根據(jù)本發(fā)明的一方面的鐵電存儲器包括讀取線;寫入線;以及多個(gè)鐵電存儲器單元,每個(gè)鐵電存儲器單元包括鐵電電容器,所述鐵電電容器由可以存儲在所述鐵電電容器中的最大電荷表征。所述鐵電存儲器還包括多條鐵電存儲器單元選擇總線,所述選擇總線之一與所述鐵電存儲器單元中的每個(gè)鐵電存儲器單元相對應(yīng)。所述鐵電存儲器單元中的每個(gè)鐵電存儲器單元包括第一柵極和第二柵極,所述第一柵極和所述第二柵極用于響應(yīng)于與此鐵電存儲器單元相對應(yīng)的所述鐵電存儲器單元選擇總線上的信號而將所述鐵電存儲器單元分別連接至所述讀取線和所述寫入線。寫入電路使電荷存儲在當(dāng)前連接至所述寫入線的所述鐵電存儲器單元的所述鐵電電容器中,所述電荷具有由輸入至所述寫入電路的數(shù)據(jù)值確定的值。所述電荷獨(dú)立于所述鐵電電容器的所述最大電荷。讀取電路測量存儲在當(dāng)前連接至所述讀取線的所述鐵電存儲器單元的所述鐵電電容器中的所述電荷以便生成輸出值,所述輸出值與當(dāng)前存儲在所述鐵電電容器中的數(shù)據(jù)值相對應(yīng)。

在本發(fā)明的一方面,所述讀取線包括電流鏡的第一分支,并且所述鐵電存儲器單元包括所述電流鏡的第二分支,所述電流鏡的所述第一分支和所述第二分支被配置成使得進(jìn)入所述鐵電存儲器單元的電流的固定部分進(jìn)入所述鐵電存儲器單元中的所述鐵電電容器,所述固定部分獨(dú)立于連接至所述讀取線的所述鐵電電容器的所述最大電荷。在本發(fā)明的一方面,所述數(shù)據(jù)值具有多于三個(gè)不同值。

在本發(fā)明的另一方面,所述存儲器單元包括讀取電路,所述讀取電路確定當(dāng)前存儲在連接至所述讀取線的所述鐵電電容器中的電荷。所述電荷可以通過測量在所述鐵電電容器被復(fù)位到完全極化狀態(tài)時(shí)離開所述鐵電電容器的電荷來確定??商娲?,所述電荷可以通過測量為使所述鐵電電容器被復(fù)位到完全極化狀態(tài)而必須向所述鐵電電容器中的所述電荷添加的電荷來確定。

附圖說明

圖1展示了典型的鐵電電容器。

圖2展示了本發(fā)明中使用的基本編程原則和一個(gè)可能的編程安排。

圖3展示了另一個(gè)編程安排。

圖4展示了基于對存儲在電極上的電荷進(jìn)行讀取的簡化讀出電路。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的簡化讀出電路。

圖6展示了根據(jù)本發(fā)明的模擬鐵電存儲器的一個(gè)實(shí)施例。

圖7展示了根據(jù)本發(fā)明的鐵電存儲器的一個(gè)實(shí)施例,所述鐵電存儲器利用所討論的存儲方案,在所述存儲方案中,通過測量在寫入操作期間存儲在鐵電電容器中的電荷的量來讀出數(shù)據(jù)。

圖8A是自主存儲器電路的示意圖。

圖8B展示了當(dāng)自主存儲器電路被上電、鐵電電容器在向上(UP)和向下(DOWN)狀態(tài)下時(shí)圖8A中所示出的電源軌上以及節(jié)點(diǎn)上的作為時(shí)間的函數(shù)的電勢。

圖9A展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自主存儲器單元的CMOS實(shí)施例。

圖9B展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的自主位存儲器的CMOS實(shí)施例。

圖10展示了根據(jù)本發(fā)明的多狀態(tài)鐵電存儲器的另一個(gè)實(shí)施例。

圖11展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的鐵電存儲器。

圖12展示了根據(jù)本發(fā)明的鐵電存儲器的另一個(gè)實(shí)施例。

圖13A展示了可以用于設(shè)置鐵電電容器的極化狀態(tài)的寫入電路的另一個(gè)實(shí)施例。

圖13B展示了通過將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最小貯存電壓與最大貯存電壓V最小和V最大之間的電壓Vd來寫入到鐵電電容器中的數(shù)據(jù)。

圖14展示了根據(jù)本發(fā)明的自主存儲器單元的CMOS實(shí)施例。

圖15A展示了所施加的電壓與存儲在鐵電電容器中的電荷之間的關(guān)系。

圖15B展示了與試圖使用中間電壓來建立中間極化值相關(guān)聯(lián)的問題。

圖16展示了根據(jù)本發(fā)明的基于鐵電電容器的存儲器的總體安排。

圖17展示了具有多個(gè)鐵電電容器存儲器單元的存儲器。

具體實(shí)施方式

在本說明書中討論的電路包括兩種類型的電容器。第一種類型是鐵電電容器,所述鐵電電容器是具有作為該電容器中的電介質(zhì)的介電材料的電容器。第二種類型是常規(guī)電容器,所述常規(guī)電容器具有作為其介電層的非鐵電材料。除非上下文另外指明,在以下討論中,術(shù)語電容器將用于常規(guī)電容器。

參照嘗試存儲每鐵電電容器多于兩個(gè)狀態(tài)的現(xiàn)有技術(shù)鐵電電容器存儲器所遇到的問題,將更容易理解本發(fā)明提供其優(yōu)點(diǎn)的方式。鐵電電容器基于通過在與每個(gè)狀態(tài)相對應(yīng)的鐵電電容器兩端施加寫入電壓來將數(shù)據(jù)值映射到鐵電電介質(zhì)的特定極化狀態(tài)的模型。電介質(zhì)的極化狀態(tài)通過以下方式來感測:在使電介質(zhì)在已知方向上被完全極化的鐵電電容器兩端施加讀取電壓以及觀察由于施加讀取電壓而離開鐵電電容器的一個(gè)極板的任何電荷。

以下事實(shí)使這種方案復(fù)雜化:作為在鐵電電容器兩端施加的電壓的函數(shù)的鐵電電介質(zhì)極化狀態(tài)展現(xiàn)滯后現(xiàn)象。也就是說,當(dāng)移除電壓時(shí)留在鐵電電容器中的剩余極化是自鐵電電容器最后一次被完全極化以來的鐵電電容器兩端的電壓的歷史的函數(shù)。因此,除了兩個(gè)特定寫入電壓以外,僅施加在這些寫入電壓之間的電壓并不會在移除電壓時(shí)導(dǎo)致可再現(xiàn)的極化狀態(tài)。導(dǎo)致獨(dú)立于鐵電電容器的之前的短期歷史的已知極化狀態(tài)的兩個(gè)寫入電壓是在向上或向下方向上將電介質(zhì)完全極化的寫入電壓。提供這種完全極化的電壓被稱為飽和電壓并且將由Vc表示。如果使用大于Vc的電壓,則不會發(fā)生進(jìn)一步剩余極化。如果使用小于Vc的電壓,則極化狀態(tài)將取決于在施加該寫入電壓之前的鐵電電容器的歷史。

由于與使用中間電壓相關(guān)聯(lián)的問題,基于鐵電電容器的現(xiàn)有技術(shù)鐵電存儲器被限制于兩種狀態(tài),所述兩種狀態(tài)與用作寫入電壓來存儲數(shù)據(jù)的Vc和-Vc相對應(yīng)。這些電壓中的任一電壓可以用作讀取電壓。

已經(jīng)提出了針對使用中間寫入電壓來設(shè)置中間極化狀態(tài)的方案。為了避免與鐵電電容器的存儲器相關(guān)聯(lián)的問題,通過以下方式來設(shè)置中間狀態(tài):首先將鐵電電容器設(shè)置為完全極化狀態(tài)之一,以及然后施加趨于將鐵電電容器極化到相反極化狀態(tài)的中間寫入電壓?,F(xiàn)在參照圖15A,所述圖展示了所施加的電壓與存儲在鐵電電容器中的電荷之間的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)注意的是,因?yàn)樗鎯Φ碾姾杀浑娊橘|(zhì)的剩余極化吸引,所以所述電荷是對電介質(zhì)的極化的直接測量。當(dāng)首先制作鐵電電容器時(shí),鐵電材料未被極化??紤]在電容器兩端施加正向電壓Vc的情況。鐵電電容器中的電荷沿著曲線401增大,直到其在Vc處達(dá)到最大值為止。如果現(xiàn)在移除鐵電電容器兩端的電壓,則電荷沿著曲線402下降至Q最大,所述曲線是滯后回線400的一部分。在此,Q最大是不施加電壓時(shí)由鐵電電容器存儲的最大剩余電荷。

現(xiàn)在參照圖15B,所述圖展示了與試圖使用中間電壓來建立中間極化值相關(guān)聯(lián)的問題。假設(shè)鐵電電容器開始于其通過施加如以上所討論的Vc而被留下的點(diǎn)。為了建立部分極化,鐵電電容器首先沿著曲線407循環(huán)回-Vc,并且然后電壓從-Vc增大至V1。在404處示出了作為電壓的函數(shù)的電荷。一旦在V1處建立了鐵電電容器,就移除電壓,剩余電荷Q1留在鐵電電容器中。如果已經(jīng)使用了稍微高于V1的電壓V2,則極化將沿著路徑405繼續(xù),并且最終剩余電荷將是Q2。因此,編程電壓的很小變化導(dǎo)致剩余電荷的很大變化。這種問題由滯后曲線的陡斜率引起,所述陡斜率放大編程電圧的任何誤差。

因?yàn)閷τ诓煌F電電容器,無法以不同方式來對與要存儲在不同鐵電電容器中的特定狀態(tài)相對應(yīng)的編程電壓進(jìn)行編程,所以這些方案假設(shè)表征特定鐵電電容器的滯后回線保持不變并且所有鐵電電容器的滯后回線都相同。根據(jù)圖15B,清楚的是,中間電壓存儲的剩余電荷的程度是表征該特定鐵電電容器的滯后回線的形狀的敏感函數(shù)。形狀或滯后回線的位置的很小變化導(dǎo)致在移除編程電壓之后所留下的剩余電荷的很大變化。

例如,熟知的是,滯后回線隨溫度變化。事實(shí)上,這種變化形成基于鐵電體的紅外成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)。此外,滯后回線展現(xiàn)了取決于鐵電電容器的編程歷史的位置和形狀位移。因此,甚至使用單個(gè)鐵電電容器,滯后回線的位移使得難以建立編程電壓與剩余電荷之間的關(guān)系。

此外,因?yàn)闇蠡鼐€還取決于鐵電電容器的長期電壓歷史,所以存儲器內(nèi)的不同鐵電電容器可以具有顯著不同的滯后回線。另外,滯后回線的形狀取決于制作鐵電電容器的條件。

相應(yīng)地,甚至對于單個(gè)鐵電電容器,在向鐵電電容器施加的中間電壓與在移除電壓時(shí)存儲在鐵電電容器中的剩余電荷的量之間不存在一對一關(guān)系。也就是說,使用相同編程電壓來對鐵電電容器進(jìn)行重復(fù)編程,并且每次都讀出存儲電荷,所觀察到的存儲電荷將展現(xiàn)具有顯著寬度的統(tǒng)計(jì)分布,所述顯著寬度限制了可以實(shí)際檢測的狀態(tài)的數(shù)量。當(dāng)存儲器中的鐵電電容器中的所有鐵電電容器經(jīng)受相同編程讀出以及測量總統(tǒng)計(jì)分布時(shí),這種分布甚至更寬。

因?yàn)檫@些編程電壓所留下的剩余電荷并不取決于-Vc與+Vc之間的滯后回線的形狀的細(xì)節(jié),所以這些問題對僅利用大于Vc的編程電壓的數(shù)字存儲器不具有相同影響。

本發(fā)明通過以下方式來避免這些問題:使用電荷源而不是電壓源來將數(shù)據(jù)寫入到鐵電電容器中,從而對鐵電電容器進(jìn)行編程?,F(xiàn)在參照圖16,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的基于鐵電電容器的存儲器的總體安排。存儲器450僅具有存儲多個(gè)數(shù)據(jù)狀態(tài)的一個(gè)鐵電電容器??梢源鎯υ阼F電電容器451中的數(shù)據(jù)狀態(tài)的數(shù)量大于三。鐵電電容器451由電荷源452進(jìn)行編程,所述電荷源接收要存儲在鐵電電容器451中的或者要向已經(jīng)存儲在鐵電電容器451中的數(shù)據(jù)值添加的數(shù)據(jù)值。復(fù)位/電荷檢測器453測量存儲在鐵電電容器451中的電荷并且將鐵電電容器451復(fù)位成復(fù)位極化狀態(tài)。復(fù)位狀態(tài)可以是完全極化狀態(tài)之一或者通過已知剩余電荷從完全極化狀態(tài)之一移位的狀態(tài)。

一旦已經(jīng)復(fù)位了鐵電電容器451,就可以向已經(jīng)存儲在鐵電電容器451中的電荷添加電荷,由此實(shí)施累加器功能。電荷源452向鐵電電容器451添加電荷,而無需依賴于關(guān)于已經(jīng)存儲在鐵電電容器451中的電荷的任何知識。因此,在復(fù)位/電荷檢測器453對鐵電電容器451進(jìn)行讀出之前,可以向鐵電電容器451添加多個(gè)電荷。復(fù)位/電荷檢測器453確定自復(fù)位鐵電電容器451以來已經(jīng)存儲在鐵電電容器451中的電荷;因此,獲得存儲電荷中的所有電荷的總數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意的是,因?yàn)闉榱擞?jì)算與數(shù)據(jù)值之和相對應(yīng)的電壓,依賴于中間電壓源編程的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)必須知道當(dāng)前極化狀態(tài),所以這種系統(tǒng)無法執(zhí)行這種功能。

為了本討論的目的,電荷源被定義為編程源,所述編程源向當(dāng)前處于鐵電電容器中的剩余電荷添加指定的剩余電荷,而不依賴于+Vc與-Vc之間的滯后回線的形狀來傳遞所討論的電荷或者對當(dāng)前存儲在鐵電電容器中的剩余電荷的知識。在-Q最大與Q最大之間的寬電荷范圍內(nèi),這種電荷源提供的剩余電荷必須基本上獨(dú)立于特定鐵電電容器的滯后回線的形狀。此外,只要電荷之和不超過Q最大,在電荷源所存儲的電荷輸入至鐵電電容器之前,該電荷并不是鐵電電容器中的剩余電荷的函數(shù)。雖然向鐵電電容器施加小于Vc的固定電壓的電壓源導(dǎo)致剩余電荷被存儲在鐵電電容器中,但是因?yàn)樗粝碌碾姾闪渴潜痪幊痰蔫F電電容器的滯后回線的形狀和位置的敏感函數(shù),所以所述電壓源并不是本文中所討論的電荷源。

現(xiàn)在參照圖17,所述圖展示了具有多個(gè)鐵電電容器存儲器單元的存儲器。存儲器460包括如鐵電電容器存儲器單元461等多個(gè)鐵電電容器存儲器單元。每個(gè)鐵電電容器存儲器單元包括鐵電電容器465和第一和第二柵極464和466。單獨(dú)的鐵電電容器存儲器單元通過該鐵電電容器存儲器單元中的柵極而連接至總線462和463。已經(jīng)從所述圖中省略的控制器在任何給定時(shí)間判定將哪個(gè)鐵電電容器存儲器單元連接至所述總線。電荷源452和復(fù)位/電荷檢測器453由鐵電電容器存儲器單元中的所有鐵電電容器存儲器單元共享。

在圖17中所示出的實(shí)施例中,電荷源452和復(fù)位/電荷檢測器453的部件都不包括在鐵電電容器存儲器單元中。然而,如以下將更加詳細(xì)地解釋的,單獨(dú)的鐵電電容器存儲器單元還可以包括作為電荷源或復(fù)位/電荷檢測器功能的一部分的部件。

現(xiàn)在參照圖1,所述圖展示了典型的鐵電電容器。為了本討論的目的,鐵電電容器被定義為具有如鋯鈦酸鉛(PZT)等鐵電介電材料的電容器,所述介電材料夾在第一電極與第二電極之間,在所述電極中,當(dāng)在所述電極之間施加電勢并且然后移除所述電勢時(shí),所述介電材料展現(xiàn)剩余極化。最簡單的電容器形式是具有電極21和22的平行板電容器,在所述平行板電容器中,介電層23包括如PZT等鐵電材料。為了簡化以下討論,將在示例中使用具有將電介質(zhì)夾在中間的單對平行板的鐵電電容器。然而,其他幾何形狀是可能的。例如,還可以利用具有相間錯(cuò)雜電極(交錯(cuò)手指)(電介質(zhì)在每對電極之間)的電容器。

可以通過在電容器的電極之間施加適當(dāng)電壓來將介電層極化。極化狀態(tài)可由介電層內(nèi)的域被對準(zhǔn)的方向表征。如果極化方向與極化電勢產(chǎn)生從電極22指向電極21的電場的情況相對應(yīng),則鐵電電容器將被說成是在“向上”方向上被極化。類似地,如果極化方向與極化電勢產(chǎn)生從電極21指向電極22的電場的情況相對應(yīng),則鐵電電容器將被說成是在“向下”方向上被極化。

為了取消剩余極化所產(chǎn)生的電場,將電荷存儲在電容器的極板上。所存儲的電荷量將取決于電介質(zhì)的極化狀態(tài),更高的極化程度導(dǎo)致存儲更高量的電荷。當(dāng)鐵電電容器在向下方向上被完全極化并且然后經(jīng)受與在向上方向上將電介質(zhì)極化的Vc相等的電壓時(shí),Q最大離開鐵電電容器的一個(gè)極板并且流動至另一個(gè)極板。

在常規(guī)二進(jìn)制鐵電存儲器中,極化方向用于存儲一位值。例如,在向上方向和向下方向上進(jìn)行的極化可以分別與位值“1”和“0”??梢酝ㄟ^在電容器的電極之間施加適當(dāng)電壓來寫入位值。通過以下方式來確定存儲在電容器中的位值:在電容器的電極兩端施加將通常在向上方向上對電容器進(jìn)行編程的電壓以及觀察流自或流入電容器的電極之一的電荷。如果當(dāng)施加電壓時(shí),電容器處于向上狀態(tài),則很少電荷將流動;然而,如果電容器處于向下狀態(tài),則電容器的狀態(tài)將切換至向上狀態(tài)并且更多電荷將流自或流入所討論的電極中。

在常規(guī)二進(jìn)制鐵電存儲器中,編程電壓被設(shè)置成高到足以確保電介質(zhì)在期望方向上被完全極化。也就是說,通過使用電極之間的更大編程電壓差將不會獲得任何附加剩余極化。

本發(fā)明基于這樣的觀察:在完全向上與完全向下之間存在連續(xù)的剩余極化狀態(tài),以及可以通過控制向鐵電電容器轉(zhuǎn)移的電荷來對這些中間狀態(tài)進(jìn)行編程。還可以通過測量在電容器被復(fù)位至已知的完全飽和狀態(tài)時(shí)流動的電荷來讀取中間狀態(tài)。

現(xiàn)在參照圖2,所述圖展示了本發(fā)明中使用的基本編程原則和一個(gè)可能的編程安排。在編程周期的開始,在如由箭頭指示的向上方向上對鐵電電容器26進(jìn)行編程。通過以下方式來完成這一點(diǎn),使用電流限制源24相對于電極27而將鐵電電容器26的電勢增大在所指示的方向上將介電層完全極化的量。

為了設(shè)置中間極化狀態(tài),電流限制源24在鐵電電容器25兩端施加相反電勢;然而,允許流動的電流被限制為使得完全翻轉(zhuǎn)極化的時(shí)間延伸超過在使用非限制性電流源的情況下將通常需要的時(shí)間。本發(fā)明基于這樣的觀察:如果在完全翻轉(zhuǎn)極化之前,所述過程終止,則鐵電電容器25將留在中間極化狀態(tài)。因此,如果電流限制源24是恒定電流源,則鐵電電容器25的極化狀態(tài)將是編程時(shí)間的函數(shù)。例如,可以使用確定電流限制源24接通的時(shí)間長度的定時(shí)器28來將輸入值轉(zhuǎn)換成中間極化狀態(tài)。

鐵電電容器25可以被看作是電荷存儲設(shè)備。剩余極化導(dǎo)致電介質(zhì)中的剩余電場。為了取消這種電場,電荷從電容器的一個(gè)電極移動至另一個(gè)電極,從而使得移動電荷產(chǎn)生恰好取消極化電場的電場。當(dāng)極化方向被Q最大完全翻轉(zhuǎn)時(shí),表示從電容器電極26流動至電極27的電荷量。根據(jù)電介質(zhì)的極化方向,這種電荷可以被看作是存儲在電極之一上。如果編程源現(xiàn)在將電荷強(qiáng)加到相反極板上,則極化狀態(tài)將被取決于所轉(zhuǎn)移的電荷量的量改變。為了將電荷強(qiáng)加到相反極板上,所施加的電壓的方向必須與用于將鐵電電容器“復(fù)位”至已知的完全極化狀態(tài)的方向相反。

極板上的電荷完全取消剩余極化的電場,從而使得即使存在剩余極化,電壓計(jì)也將在電容器兩端讀取零伏特,并且電極的短路將不會對剩余極化進(jìn)行放電。

向相反極板傳遞已知電荷的任何電路安排可以用于將鐵電電容器編程至中間狀態(tài),條件是該電荷小于Q最大并且以變更剩余極化(從而使得當(dāng)移除編程電壓時(shí)存儲在電容器上的電荷由所討論的已知電荷變更)的電壓來傳遞。因?yàn)樗D(zhuǎn)移的電荷等于電流乘以編程時(shí)間,所以以上所討論的利用恒定電流源的安排是一個(gè)這種示例。然而,可以利用其它安排。

現(xiàn)在參照圖3,所述圖展示了另一個(gè)編程安排。在此實(shí)施例中,當(dāng)開關(guān)36被設(shè)置成將數(shù)模轉(zhuǎn)換器32連接至電容器33時(shí),數(shù)模轉(zhuǎn)換器32用于將輸入值轉(zhuǎn)換成向電容器33施加的電壓。在對電容器33進(jìn)行充電之后,開關(guān)36用于將電容器33連接至已經(jīng)被復(fù)位的鐵電電容器31。然后,來自電容器33的電荷流入鐵電電容器31中。在切換之前,由V1表示電容器33上的電壓,并且在切換之后,由V2表示線34上的電壓。然后,向鐵電電容器31轉(zhuǎn)移的電荷為C(V1-V2),其中C是電容器33的電容。如果V1>V2,則所轉(zhuǎn)移的電荷與線性數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入值成比例;在任一情況下,可以提供將輸入狀態(tài)映射至被轉(zhuǎn)移的電荷量的校準(zhǔn)曲線??商娲兀瑪?shù)模轉(zhuǎn)換器32可以利用非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)來補(bǔ)償V2。

應(yīng)當(dāng)注意的是,圖2中所示出的電流限制源24和定時(shí)器28的組合以及圖3中所示出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器32、開關(guān)36和電容器33的組合中的每個(gè)組合都可以被看作是向相應(yīng)鐵電電容器轉(zhuǎn)移通過數(shù)據(jù)值來確定的固定電荷量的“電荷源”。所轉(zhuǎn)移的電荷量獨(dú)立于所討論的鐵電電容器的滯后曲線和飽和電壓,條件是所述電荷小于當(dāng)在鐵電電容器兩端沒有施加電壓時(shí)鐵電電容器可以存儲的最大電荷Q最大??紤]具有稍微不同的Q最大值和/或稍微不同的滯后曲線的兩個(gè)不同的鐵電電容器。當(dāng)將電荷Q強(qiáng)加到電容器中的每個(gè)電容器中時(shí),在它們的對應(yīng)滯后曲線上,電容器將具有稍微不同的坐標(biāo),這是由鐵電電容器的性質(zhì)差異造成的(即使鐵電電容器存儲相同電荷)。

可以通過以下方式來確定在鐵電電容器被初始化至完全向上狀況之后,存儲在所述鐵電電容器中的電荷量:當(dāng)在鐵電電容器兩端施加足以將鐵電電容器完全返回至向上方向的復(fù)位電壓時(shí),測量在鐵電電容器25的電極之間流動的電荷量??紤]以上所討論的兩個(gè)不同的鐵電電容器。在以下討論中,鐵電電容器兩端必須應(yīng)用來在向上或向下方向上對電容器進(jìn)行完全編程的電壓差將被稱為飽和電壓。單獨(dú)的鐵電電容器之間的差可以導(dǎo)致兩個(gè)鐵電電容器的不同飽和電壓。然而,如果用于測量存儲電荷的復(fù)位電壓大于兩個(gè)飽和電壓中的最大者,則即使鐵電電容器具有稍微不同的性質(zhì)并且所寫入的電荷量將鐵電電容器置于它們的對應(yīng)滯后現(xiàn)象的不同點(diǎn)上,在鐵電電容器被寫入有相同電荷滯后,流自鐵電電容器中的每個(gè)鐵電電容器的電荷量將相同。

可替代地,可以通過測量必須流入電容器以便將電容器完全保持在向下狀態(tài)的電荷量來感測所述電荷。然而,因?yàn)檫@種類型的讀取電路正測量存儲在鐵電電容器的當(dāng)前電荷與該電容器的Q最大之間的電荷差,所以所述讀取電路要求這兩個(gè)電容器具有相同的Q最大。

應(yīng)當(dāng)注意的是,所存儲和檢索的電荷量不受很小的鐵電電容器變化的影響。在實(shí)踐中,就可以存儲在鐵電電容器中的最大電荷量而言,鐵電電容器因電容器的不同而變化。通常,不同鐵電電容器將展現(xiàn)因鐵電電容器的不同而稍微不同的滯后曲線。此外,必須應(yīng)用來在向上或向下方向上將電容器完全極化的電壓可能在鐵電電容器的壽命內(nèi)并且隨著鐵電電容器的歷史而變化。這些變化導(dǎo)致Q最大因鐵電電容器的不同而稍微不同,并且導(dǎo)致必須應(yīng)用來驅(qū)除因鐵電電容器的不同而不同的存儲電荷。然而,如果所存儲的電荷小于陣列中的鐵電電容器的最小Q最大,則這些差異并不變更所存儲的數(shù)據(jù)取決于所存儲的電荷的絕對值的實(shí)施例中的結(jié)果。也就是說,存儲相同電荷的兩個(gè)鐵電電容器可以處于如通過電容器的當(dāng)前極化與最大極化之比來測量的不同極化狀態(tài)。類似地,如果用于驅(qū)除電荷的電壓大于復(fù)位陣列中的每個(gè)鐵電電容器所需的最高電壓,則將獨(dú)立于單獨(dú)鐵電電容器的變化而驅(qū)除所有電荷。

所存儲的數(shù)據(jù)取決于鐵電材料的極化狀態(tài)或當(dāng)前狀態(tài)的極化與最大極化之比的實(shí)施例受限于可以相對于僅取決于所存儲的電荷的絕對值的實(shí)施例而被存儲的狀態(tài)的數(shù)量。在這種實(shí)施例中,每個(gè)數(shù)據(jù)值與相應(yīng)極化水平相對應(yīng)。與不同數(shù)據(jù)值相對應(yīng)的極化差異必須大于由可能因鐵電電容器的不同而變化的鐵電電容器性質(zhì)和這些性質(zhì)隨著時(shí)間的變化造成極化差異。因此,在這種實(shí)施例中,極化狀態(tài)必須被間隔更遠(yuǎn)。這些變化減小可以存儲在每個(gè)存儲器單元中的不同數(shù)據(jù)值的數(shù)量的程度取決于用于形成鐵電電容器的過程的質(zhì)量。

現(xiàn)在參照圖4,所述圖展示了基于對存儲在電極上的電荷進(jìn)行讀取的簡化讀出電路。為了本討論的目的,假設(shè)鐵電電容器43被復(fù)位至如在46處通過實(shí)線箭頭示出的向上極化。然后,通過存儲使極化在虛線箭頭的方向上減小的電荷來將數(shù)據(jù)存儲在鐵電電容器43中。讀出電路的目標(biāo)是當(dāng)鐵電電容器43被再次復(fù)位至向上狀態(tài)時(shí)通過提供作為所存儲的電荷的單調(diào)函數(shù)的讀出電壓來測量該電荷。

讀出操作開始于開關(guān)41打開和開關(guān)44關(guān)閉,從而使得電容器42被充電至電勢V+。在對電容器42進(jìn)行充電之后,開關(guān)44打開,并且開關(guān)41關(guān)閉。初始地,鐵電電容器43將具有鐵電電容器兩端的電勢V+。如果V+足夠高,則鐵電電容器43將被復(fù)位至向上狀態(tài),并且存儲在鐵電電容器43中的電荷Q將移動至電容器42,由此將電容器42上的電勢降低與Q/C相等的量,其中,C是電容器42的電容。因此,線47上的電壓將是存儲在鐵電電容器43上的電荷的函數(shù)。對于要在可以存儲在鐵電電容器43上的電荷的整個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行操作的此讀出方案,V+必須大于Q最大/C+Vs,其中,Vs是完全復(fù)位鐵電電容器43所需的電勢。還應(yīng)當(dāng)注意的是,在讀出操作結(jié)束時(shí),鐵電電容器43被復(fù)位到向上狀態(tài)。

如果V+電源被如圖5中所示出的V-電源替代(所述V-電源是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的簡化讀出電路),則圖4中所示出的電路還可以用于實(shí)施第二讀出方案。此讀出電路以與以上參照圖4而描述的方式的類似的方式進(jìn)行操作。首先,開關(guān)44關(guān)閉,而開關(guān)41打開以便對電容器42進(jìn)行充電。然后,在開關(guān)41關(guān)閉之后,開關(guān)44打開。電勢足以使鐵電電容器43在向下方向上變得被完全極化。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)所需的電荷由電容器42提供。因此,線47上的在開關(guān)41關(guān)閉之前和之后的電壓差是將鐵電電容器43的極化從其部分極化狀態(tài)移動至完全向下狀態(tài)所需的電荷的測量。在此方案中,在重編程之前,鐵電電容器43則必須被復(fù)位至向上極化。

現(xiàn)參照圖6,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的模擬鐵電存儲器的一個(gè)實(shí)施例。鐵電存儲器50被組織為被組織到多個(gè)行和列中的多個(gè)鐵電存儲器單元。在51處標(biāo)記了典型的鐵電存儲器單元。每個(gè)鐵電存儲器單元包括鐵電電容器52和接口電路53。在讀取操作和寫入操作期間,并行地處理成行的鐵電存儲器單元中的所有鐵電存儲器單元。由對多條行選擇總線54進(jìn)行操作的行選擇電路56選擇要處理的行,所述多條行選擇總線還包括用于在讀取和寫入期間對行處理操作進(jìn)行排序的導(dǎo)體。給定列中的每個(gè)鐵電存儲器單元連接至在58和59處所示出的兩條列總線。列總線58用于讀出存儲在被處理的鐵電存儲器單元中的鐵電電容器中的數(shù)據(jù),并且列總線59用于以新地模擬值來對鐵電電容器進(jìn)行編程??梢詫⒚總€(gè)鐵電電容器編程至N個(gè)狀態(tài)之一,其中,N>2。通過在列總線58上生成指示存儲在鐵電電容器中的電荷量的信號來確定被處理的行中的該鐵電電容器的狀態(tài)。使用電路62來讀取這種狀態(tài)。通過向經(jīng)由寫入電路61連接至該單元的列總線59施加信號來設(shè)置被處理的行中的鐵電電容器的狀態(tài)。所述信號使與要存儲在鐵電存儲器單元中的預(yù)定量的電荷存儲在該鐵電存儲器單元中的鐵電電容器中。

從行中讀出的數(shù)據(jù)存儲在行緩沖器55中。在本發(fā)明的一方面,將數(shù)據(jù)從表示存儲在相應(yīng)鐵電電容器中的電荷的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。因?yàn)樽x出過程是破壞性的,所以甚至在不對數(shù)據(jù)作出任何變化的情況下,使用寫入操作來將這種數(shù)據(jù)恢復(fù)至所述行。如果要作出變化,則在所述行中的鐵電存儲器單元已經(jīng)被復(fù)位之后,將變化輸入到行緩沖器55中。然后,將行緩沖器55中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成存儲在相應(yīng)鐵電電容器中的電荷。

讀取操作和寫入操作利用控制器57,所述控制器接收地址(ADDR)、操作碼(OPCODE)以及要寫入到所述地址中指定的(多個(gè))鐵電存儲器單元的數(shù)據(jù)。來自所指示的地址的數(shù)據(jù)被輸出到數(shù)據(jù)線上。行選擇電路56向地址指定的行選擇總線施加適當(dāng)信號。

鐵電存儲器50包括用于每列存儲器單元的兩條列總線,一條用于讀取并且一條用于寫入。這種安排簡化了對詳細(xì)實(shí)施例的以下討論。然而,還可以構(gòu)造僅需要一條列總線的實(shí)施例。

現(xiàn)在參照圖7,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的鐵電存儲器的一個(gè)實(shí)施例,所述鐵電存儲器利用以上所討論的存儲方案,在所述存儲方案中,通過測量在寫入操作期間存儲在鐵電電容器中的電荷的量來讀出數(shù)據(jù)。為了簡化討論,僅示出了鐵電存儲器70中的一個(gè)鐵電存儲器單元。四條行線R1至R4是與鐵電存儲器單元310所位于的存儲器單元行相對應(yīng)的行總線的一部分。為了簡化以下討論,將假設(shè)的是,在寫入操作之前,已經(jīng)通過對所討論的鐵電電容器進(jìn)行的之前的讀取操作來將鐵電電容器完全極化至向上狀態(tài)。通過將柵極84置于導(dǎo)通狀態(tài)并且將柵極86置于非導(dǎo)通狀態(tài)來將值寫入到鐵電存儲器單元310中。然后,電容器77被充電至將在柵極76被寫入電路75置于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)導(dǎo)致具有與被寫入的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的值的電荷轉(zhuǎn)移至鐵電電容器82的電勢。由寫入電路75執(zhí)行將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成提供所討論的電荷所需的電壓。電容器77上的電壓比V2小取決于要寫入的數(shù)據(jù)值的量。當(dāng)鐵電電容器82通過柵極84連接至寫入線73時(shí),頂部極板將處于小于底部極板的電勢,所述電勢被保持為V2,并且因此,寫入操作顛倒極化的由復(fù)位操作產(chǎn)生的一部分。

由通過柵極88連接至讀取線72的讀出電路74按兩步過程從鐵電存儲器單元310中讀出數(shù)據(jù)。首先,電容器83被充電至V1,同時(shí)通過柵極86與鐵電電容器82隔離。柵極85用于將電容器83連接至V1。在此,V1比V2大允許最大設(shè)計(jì)電荷轉(zhuǎn)移至電容器83并且仍然使電容器83的頂部基板處于大于V2的電壓下的量。電容器83上的最終電壓被源極跟隨器87放大并且被將電壓存儲在讀出電路74內(nèi)的電容器上的讀出電路74讀出。接下來,柵極86被置于導(dǎo)通狀態(tài),在鐵電電容器82兩端施加電容器83上的電壓的柵極84斷開。這將鐵電電容器82復(fù)位并使存儲在鐵電電容器82中的電荷釋放,這進(jìn)而降低了在源極跟隨器87的柵極處的電壓。然后,此電壓由讀出電路74讀取并且將之前所存儲的電壓與此電壓相減以便得出指示鐵電電容器82釋放的電荷的電壓差。然后,所產(chǎn)生的模擬電壓可由讀取電路74內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化。如以上所指出的,鐵電電容器82在讀出過程結(jié)束時(shí)留在完全極化的向上狀態(tài),如果正對鐵電存儲器單元310進(jìn)行讀取,則必須通過將輸出數(shù)據(jù)值輸入到如以上所描述的寫入電路75來將讀出的值恢復(fù)到鐵電電容器82中。

以上所討論的鐵電存儲器單元是可以在本發(fā)明中利用的鐵電存儲器單元的一個(gè)示例。然而,可以使用其他形式的鐵電存儲器單元。鐵電存儲器單元的可以用于構(gòu)造模擬存儲器的另一個(gè)實(shí)施例于與美國專利7,990,749中描述的自主存儲器電路類似。首先參照圖8A,該圖是自主存儲器電路的示意圖。自主存儲器電路200包括鐵電電容器201和具有電流致動控制輸入端205’的開關(guān)203。也就是說,開關(guān)203的阻抗隨著通過電流致動控制輸入端205’的電流的增大而減小。導(dǎo)電負(fù)載202連接于電源軌與開關(guān)203之間。

鐵電電容器201具有可以通過在鐵電電容器201兩端施加電壓而被切換的剩余極化。也就是說,在沒有電容器兩端的電壓的情況下,電容器的電介質(zhì)是電性極化的。在存儲一位的二進(jìn)制存儲器中,對鐵電電容器進(jìn)行操作從而使得電介質(zhì)被完全向上或完全向下極化。如果在鐵電電容器兩端施加電壓,則在鐵電電容器中產(chǎn)生電場。如果電場方向與剩余極化的方向相同,則小電流在連接鐵電電容器的兩個(gè)電極的電路中流動。另一方面,如果所施加的電場在與剩余極化的方向相反的方向上,則剩余極化將改變方向以符合新的電場方向,并且大電流將在外部電路中流動。電流及其流過的電壓的大小可以通過調(diào)整鐵電電容器的組成、面積和厚度來設(shè)置。

當(dāng)電流進(jìn)入電流致動控制輸入端205’時(shí),開關(guān)203從高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)。在自主存儲器電路200中,假設(shè)輸入線到開關(guān)203的電勢獨(dú)立于開關(guān)的狀態(tài)保持在地電勢下或附近。為了簡化以下討論,將假設(shè)電源軌為正,并且當(dāng)在鐵電電容器201的極板兩端施加正磁道電勢時(shí)設(shè)置“向上”剩余極化狀態(tài)。然而,可以利用輸入端以電源為參考并且輸出端以地為參考的其他實(shí)施例。

首先,假設(shè)將鐵電電容器201極化到向上狀態(tài)。當(dāng)電源被接通時(shí),開關(guān)203初始地處于斷開狀態(tài);因此,節(jié)點(diǎn)206處的電勢朝V增大。由此,向鐵電電容器201施加的場也將在向上方向上,并且鐵電電容器201將不會翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。相應(yīng)地,很少電流將流入到開關(guān)203的輸入端中,開關(guān)203將保持?jǐn)嚅_,并且自主存儲器電路200的輸出端將快速轉(zhuǎn)到電勢V。

接下來,假設(shè)將鐵電電容器201極化到向下狀態(tài)。當(dāng)電源被接通時(shí),在鐵電電容器201兩端施加的電場將與鐵電電容器201的剩余極化的電場相反,并且鐵電電容器201將試圖翻轉(zhuǎn)狀態(tài)以匹配所施加的電場。在這種情況下,大得多的電流將流入到開關(guān)203的控制輸入端中,并且開關(guān)203將進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)206將上升至小于V的中間狀態(tài)。具體電勢將取決于開關(guān)和導(dǎo)電負(fù)載的細(xì)節(jié)。中間狀態(tài)將保持下去直到鐵電電容器201完成切換到其向上狀態(tài)為止。在那時(shí),將不會有更多的電荷流出鐵電電容器201,并且開關(guān)203將再次進(jìn)入非導(dǎo)通狀態(tài)。因此,然后,節(jié)點(diǎn)206上的電勢將增大回V。

因此,在電源被接通之后,自主存儲器電路200將在鐵電電容器201切換狀態(tài)所需的時(shí)間段內(nèi)具有取決于鐵電電容器201的極化狀態(tài)的臨時(shí)輸出。如果鐵電電容器201在電源被接通時(shí)是向上的并且并不切換,則輸出將幾乎立即升高。如果鐵電電容器201在電源被接通時(shí)是向下的并且進(jìn)行切換,則輸出將轉(zhuǎn)到以臨時(shí)時(shí)間段內(nèi)的電壓Vs表征的中間狀態(tài),并且然后將升高。在該臨時(shí)時(shí)間段之后,輸出將總是很高,并且鐵電電容器201將處于向上極化狀態(tài)。

現(xiàn)在參照圖8B,所述圖示出了當(dāng)自主存儲器電路200被上電、鐵電電容器201處于向上和向下狀態(tài)時(shí)圖8A中所示出的電源軌上的以及節(jié)點(diǎn)206上的作為時(shí)間的函數(shù)的電勢。如果在鐵電自主存儲器電路200被上電時(shí)鐵電電容器201處于向下狀態(tài),則節(jié)點(diǎn)206上的電勢初始地隨著電源軌電勢而增大,直到節(jié)點(diǎn)206處的電勢達(dá)到使鐵電電容器201開始改變極化狀態(tài)的值為止。隨著鐵電電容器201開始翻轉(zhuǎn)極化,釋放使開關(guān)203開始導(dǎo)通的電荷。如果開關(guān)203開始過多導(dǎo)通,則節(jié)點(diǎn)206上的電勢開始下降,并且鐵電電容器201停止切換。如果開關(guān)203沒有足夠?qū)?,?jié)點(diǎn)206上的電勢更快地上升,導(dǎo)致鐵電電容器201更快地切換,將更多電流強(qiáng)加到開關(guān)203的控制輸入端,提高了其導(dǎo)電性。因此,隨著具有緩慢上升率的具體中間值上的節(jié)點(diǎn)206的電勢,電路穩(wěn)定下來。以此方式,開關(guān)203的導(dǎo)電性的改變限制了節(jié)點(diǎn)206處的電壓上升,直到鐵電電容器201的狀態(tài)改變完成為止。此時(shí),將不再從鐵電電容器201中釋放進(jìn)一步電荷,并且因此,開關(guān)管203將再次變?yōu)榉菍?dǎo)通的。鐵電電容器201的轉(zhuǎn)變期間的電勢在以下討論中將被稱為“貯存電壓”Vs。一般情況下,節(jié)點(diǎn)206處的電勢的具體形狀將取決于具體的開關(guān)實(shí)施方式。

具有連續(xù)狀態(tài)的模擬鐵電存儲器單元可以由自主存儲器電路200構(gòu)建。首先考慮部分地極化鐵電電容器201的情況。將假設(shè)的是,已將鐵電電容器201的極化設(shè)置為向下狀態(tài),并且然后,指示存儲在鐵電電容器201中的值的電荷被引入鐵電電容器201中,從而使得極化狀態(tài)部分地朝向上極化狀態(tài)移動。以下將更詳細(xì)地討論完成這一點(diǎn)的方式。

當(dāng)自主存儲器電路200在此部分極化狀態(tài)中被上電時(shí),節(jié)點(diǎn)206處的電壓將會升高至貯存電壓Vs。然而,此電壓保持在貯存電壓處的時(shí)間的長度將取決于朝向下狀態(tài)的部分極化的程度。具體地,貯存周期的長度是存儲在鐵電電容器201中的電荷的函數(shù)。因此,通過測量當(dāng)單元被上電時(shí)貯存周期的長度,可以確定存儲在鐵電電容器中的數(shù)據(jù)值。

在本發(fā)明的一方面,自主存儲器單元用于通過將鐵電電容器復(fù)位至向下狀態(tài)并且然后將鐵電電容器部分地切換至向上狀態(tài)來存儲模擬值。寫入操作可以被看作是在將自主存儲器單元完全復(fù)位至向上狀態(tài)之前從被中斷的完全向下狀態(tài)對自主存儲器單元進(jìn)行復(fù)位。也就是說,寫入操作沿?cái)R架將電勢移動至指示要存儲數(shù)據(jù)的點(diǎn)。讀取操作測量完成切換到向上狀態(tài)所需的時(shí)間,并且因此,確定完成到向上狀態(tài)的復(fù)位所需的電荷。

在本發(fā)明的一方面,通過導(dǎo)電負(fù)載202的電流是恒定的并且在通過開關(guān)203的電流與進(jìn)入鐵電電容器201的電流之間分流。在這種實(shí)施例中,存儲在鐵電電容器中的電荷與導(dǎo)電負(fù)載202導(dǎo)通此恒定電流所經(jīng)歷的時(shí)間成正比。因此,可以通過設(shè)置向?qū)щ娯?fù)載施加電壓V的時(shí)間將已知電荷存儲在鐵電電容器201中??梢酝ㄟ^連接導(dǎo)電負(fù)載和電壓源以及通過測量節(jié)點(diǎn)206處的電勢上升至V所需的時(shí)間來確定先前被存儲在鐵電電容器201中的電荷。

有利的是,使用開關(guān)203的CMOS FET晶體管在CMOS工藝中構(gòu)建如圖8A中所概述自主存儲器單元等自主存儲器單元?,F(xiàn)在參照圖9A,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自主存儲器單元的CMOS實(shí)施例。在自主存儲器單元220中,開關(guān)203被實(shí)施為由FET 221和222組成的電流鏡。因此,通過FET 221的電流是通過FET 222離開鐵電電容器201的電流的設(shè)定部分。如果通道長度相同,則通過這兩個(gè)FET的寬度的比例來確定這兩股電流的比例。在一個(gè)實(shí)施例中,F(xiàn)ET 222具有小于FET 221的寬度15倍的寬度。在這種情況下,F(xiàn)ET 221鏡像鐵電電容器201強(qiáng)加通過FET 222的電流的15倍。在復(fù)位鐵電電容器201期間,F(xiàn)ET 205是非導(dǎo)通的并且復(fù)位電壓接通FET 221以向來自的鐵電電容器201(隨著其切換至向下狀態(tài))的電荷提供接地的路徑。在將數(shù)據(jù)寫入到鐵電電容器201中時(shí),F(xiàn)ET 205處于導(dǎo)通狀態(tài),從而使得流過FET 222的電流控制FET 221的導(dǎo)通性。

通過導(dǎo)電負(fù)載的電流的分流允許更易于被控制用于對鐵電電容器201進(jìn)行編程的更大電流。在一些情況下,有利的是,利用盡可能小的鐵電電容器。因此,通過很小的電荷差異分離各種狀態(tài)??刂齐姾傻倪@種小的差異會存在通過使用在鐵電電容器201與流過FET 221的充電電路的分支之間分流的更大的電荷而避免的挑戰(zhàn)。

如果通過FET 205的電壓降較小,則在FET 221與FET 222之間被分流的電流的一部分將是恒定的。如果電壓降不是流過FET 222的電流的某個(gè)百分比,則其將會是通過導(dǎo)電負(fù)載202的電流的函數(shù)。由于提供輸入的寫入電路已知通過導(dǎo)電負(fù)載202的電流,所以在設(shè)置寫入電壓的持續(xù)時(shí)間時(shí)可以考慮這種依賴性。以下將更加詳細(xì)地討論在兩條路徑之間分流的電流的部分恒定的實(shí)施例。為了簡化以下討論,將假定可以忽略通過FET 205的電壓降。

通過對輸入線施以脈沖通過要寫入鐵電電容器201的數(shù)據(jù)值確定的時(shí)間長度而將數(shù)據(jù)寫入鐵電電容器201。脈沖的目標(biāo)是將已知數(shù)量的電荷存儲到鐵電電容器201中,數(shù)量取決于要寫入的數(shù)據(jù)值。電流鏡確保將流過導(dǎo)電負(fù)載202的已知的部分電流轉(zhuǎn)移到鐵電電容器201。因此,為了將期望數(shù)量的電荷注入鐵電電容器201中,通過導(dǎo)電負(fù)載202的平均電流必須是已知的。然后,以輸入脈沖乘以通過導(dǎo)電負(fù)載202的平均電流乘以通過FET 222的電流的部分的時(shí)間跨度給出存儲的電荷。

在一個(gè)示例性實(shí)施例中,導(dǎo)電負(fù)載202是恒定電流源。在這種情況下,電流是恒定且已知的,并且因此,脈沖寬度確定被存儲的電荷。

在另一示例性實(shí)施例中,導(dǎo)電負(fù)載202是晶體管,在這種情況下,在晶體管兩端的電勢降確定流入鐵電電容器201的電流。然而,應(yīng)當(dāng)注意的是,在導(dǎo)電負(fù)載202兩端的電勢降是鐵電電容器201展示的輸入和貯存電壓處的電壓之間的差異。由于貯存電壓根據(jù)存儲在鐵電電容器201中的電荷而變化,所以脈沖長度僅大致地確定存儲在鐵電電容器201中的電荷??梢酝ㄟ^改變輸入電壓從而使得在導(dǎo)電負(fù)載202兩端的電勢差保持為預(yù)定值來利用更加精確的電荷測量,從而使得通過導(dǎo)電負(fù)載202的電流在脈沖內(nèi)保持恒定。在這種情況下,脈沖寬度將再次確定存儲在鐵電電容器201中的電荷。

用于測量進(jìn)入鐵電電容器201的電荷的替代性方法是測量輸入電壓與感測線之間作為時(shí)間的函數(shù)的電勢差以及在該差的積分達(dá)到取決于要寫入的電荷的預(yù)定值時(shí)終止輸入信號。

應(yīng)當(dāng)注意的是,上述實(shí)施例均通過將預(yù)定電荷插入鐵電電容器201中來操作由要存儲到鐵電電容器201中的數(shù)據(jù)值確定的預(yù)定電荷。如以上所指出的,鐵電電容器201的滯后曲線可以隨著時(shí)間改變并且因鐵電電容器陣列中的鐵電電容器的不同而不同。通過插入預(yù)定電荷,實(shí)質(zhì)上減少了與這些變化相關(guān)聯(lián)的問題。相比之下,由于所存儲的電荷量將取決于具體的鐵電電容器以及之前的存儲和復(fù)位事件歷史,所以通過在(其中的電壓由電荷確定的)鐵電電容器兩端施加電壓將鐵電電容器編程到中間極化狀態(tài)不將已知電荷插入到鐵電電容器中。

在將電荷存儲到鐵電電容器201之前,必須將鐵電電容器201復(fù)位為在與輸入信號試圖極化鐵電電容器的方向相反的方向上被完全極化。為了本討論的目的,將假定輸入信號是正的并且在圖9A中的箭頭所示的方向上初始地極化鐵電電容器201。為了在這一方向上復(fù)位鐵電電容器201,必須從復(fù)位節(jié)點(diǎn)在鐵電電容器201兩端施加大于或等于鐵電電容器的飽和電壓的電壓。如果飽和電壓小于FET 222導(dǎo)通的電壓(通常大約0.7伏特),則圖9A中所示出的復(fù)位電路將在沒有FET 205的情況下完成復(fù)位。復(fù)位線上的正脈沖與保持接地的感測線一起將對如所示出的鐵電電容器201進(jìn)行復(fù)位。

可以通過兩種不同的方法來確定存儲在鐵電電容器201中的電荷。第一種方法測量在與復(fù)位操作中所設(shè)置的極化相反的方向上完全極化鐵電電容器201所需的電荷。如以上所指出的,當(dāng)在與圖9A所示的方向相反的方向上完全極化鐵電電容器201時(shí),感測線上的電壓將會返回至輸入電壓。在這種情況下,鐵電電容器201將存儲等于Q最大的電荷。因此,通過測量使感測線上的電壓達(dá)到輸入電壓所需的電荷以及得知Q最大,可以確定存儲在鐵電電容器201中的電荷。當(dāng)讀取存儲在鐵電電容器201中的電荷以及因此存儲在鐵電電容器201中的數(shù)據(jù)值的這種方法將運(yùn)行時(shí),其取決于知道Q最大。然而,如以上所指出的,Q最大將因鐵電電容器的不同而變化。另外,Q最大將隨著鐵電電容器201的壽命而變化。因此,這種方法并非是優(yōu)選的。

現(xiàn)在參照圖9B,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自主位存儲器的CMOS實(shí)施例。為了簡化附圖,僅示出了一個(gè)存儲器單元。參照自主存儲器單元220以類似于以上所描述的方式的方式對自主位存儲器230進(jìn)行寫入。在柵極232導(dǎo)通時(shí),F(xiàn)ET 237和239形成電流鏡。首先復(fù)位自主位存儲器230,從而在箭頭所示的方向(在本討論中將會被稱為向下方向)上完全極化鐵電電容器201。將要寫入自主位存儲器230的數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成要存儲到鐵電電容器201中的電荷并且以類似于以上所描述的方式的方式通過將電壓施加到導(dǎo)電負(fù)載202來將此電荷強(qiáng)加到鐵電電容器201中。所討論的電荷趨于在與向下方向相反的方向上極化鐵電電容器201。在寫入操作期間,柵極232處于導(dǎo)通狀態(tài),并且因此,電流鏡231采用以上參照圖9A而描述的方式類似的方式進(jìn)行操作。在寫入操作期間,柵極236保持在非導(dǎo)通狀態(tài)。

應(yīng)當(dāng)注意的是,自主位存儲器230可以作為累加器來操作。復(fù)位鐵電電容器201之后,執(zhí)行多個(gè)寫入操作。在每次寫入中,將要添加至數(shù)據(jù)值之和的數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為被添加至已經(jīng)存儲在鐵電電容器201上的電荷中的電荷。因此,存儲在鐵電電容器201上的電荷表示寫入的多個(gè)數(shù)據(jù)值之和。

復(fù)位鐵電電容器201之后可以讀出已被存儲在鐵電電容器201中的電荷,同時(shí),將鐵電電容器201復(fù)位為完全向下極化。優(yōu)選以兩個(gè)步驟執(zhí)行讀出操作。在第一步驟中,通過在柵極236保持非導(dǎo)通狀態(tài)的同時(shí)將柵極234置于導(dǎo)通狀態(tài)短時(shí)間段以將電容器233充電至復(fù)位電壓VR。將柵極234返回到非導(dǎo)通狀態(tài)之后,讀出電路235讀取充電周期結(jié)束時(shí)電容器233上的實(shí)際電勢。接下來,將柵極232置于非導(dǎo)通狀態(tài)并且將柵極236切換到導(dǎo)通狀態(tài)從而連接電容器233和鐵電電容器201。在讀出操作期間,將柵極232置于非導(dǎo)通狀態(tài)。因此,節(jié)點(diǎn)238上的電勢最初將上升至足以使FET 239導(dǎo)通的VR。從而,在鐵電電容器201兩端施加電勢。電勢足以在向下方向上完全極化鐵電電容器201。因此,迫使存儲在鐵電電容器201上的電荷從鐵電電容器201離開并流過FET 239以接地。然后,計(jì)數(shù)器平衡電荷必須從電容器233流到鐵電電容器201的相反極板上。由于電容器233與任何電路路徑隔離,此補(bǔ)充電荷導(dǎo)致在電容器233兩端的電壓減小。讀出電路235在復(fù)位操作之后測量電容器233上的電壓并且從先前測量到的電壓中減去這一電壓以確定脫離鐵電電容器201的電荷量。

讀出操作也將會完全復(fù)位鐵電電容器201,如果VR大于Vc+Q最大/C,其中,Vc是鐵電電容器201的飽和電壓,并且C是電容器233的電容。也就是說,VR必須足以確保已經(jīng)從電容器233移除復(fù)位鐵電電容器201所需要的所有電荷之后鐵電電容器201經(jīng)受飽和電壓。

應(yīng)當(dāng)注意的是,優(yōu)選電容器233較小。如果電容器233較大,那么讀出操作期間電壓的變化將會太小而不易于測量。另一方面,電容器233必須大到足以提供Q最大并且仍處于大于或等于鐵電電容器201的飽和電壓的電壓下。電容器233被示出為離散電路元件時(shí),應(yīng)當(dāng)注意的是,電容器233可以是FET的寄生電容或者讀出電路235中的其他電路元件。

現(xiàn)參照圖10,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的多狀態(tài)鐵電存儲器的另一個(gè)實(shí)施例。鐵電存儲器100包括鐵電存儲器單元的多個(gè)行和列,所述鐵電存儲器單元中的鐵電存儲器單元101和102是典型的。為了簡化附圖,僅示出了列128。每個(gè)列中的鐵電存儲器單元連接至讀取線和寫入線。在107和106處分別示出了與列128相對應(yīng)的讀取線和寫入線。鐵電存儲器100的讀取/寫入操作由控制器114控制,所述控制器接收ADDR總線122上的地址、總線123上的操作碼、以及總線121上的或者要寫入到鐵電存儲器100中的數(shù)據(jù)或者從討論中的地址中讀取的輸出數(shù)據(jù)。

每個(gè)鐵電存儲器單元包括鐵電電容器(比如鐵電電容器117)和三個(gè)CMOS FET(比如FET 118,119和120)。FET 118和119充當(dāng)柵極以便響應(yīng)于行選擇線上的信號而將鐵電存儲器單元連接至讀取線和寫入線。在108和109處示出了典型的行選擇線。FET 120和125提供以上所討論的電流鏡。FET 125被列中的存儲器單元中的所有存儲器單元共享,以便減小陣列的面積。應(yīng)注意的是,F(xiàn)ET 125僅在寫入操作期間以及列中只有一個(gè)存儲器單元連接至復(fù)位/讀取線107的操作期間使用。本發(fā)明的這個(gè)方面相對于每個(gè)單元中具有完整電流鏡的實(shí)施例節(jié)省了巨大的空間。類似地,列128中的鐵電存儲器單元中的所有鐵電存儲器單元共享公共負(fù)載110。

通過以下方式將數(shù)據(jù)寫入當(dāng)前所選擇的鐵電存儲器單元中:首先將相應(yīng)鐵電電容器復(fù)位到向下狀態(tài),并且然后通過計(jì)量取決于存儲在鐵電電容器中的數(shù)據(jù)值的電荷數(shù)量來在向上方向上部分地復(fù)位所述鐵電電容器。以下討論僅使用正電壓;然而,還可以構(gòu)造利用負(fù)電壓的實(shí)施例。要選擇的特定鐵電存儲器單元由控制器114從ADDR總線122上的值中確定。在總線121上接收要寫入的值。

控制器114在FET 105處于非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)通過將復(fù)位/讀取線107上的電勢設(shè)置成V來復(fù)位鐵電電容器單元。這引起所選擇的存儲器單元中的FET 120傳導(dǎo)從鐵電電容器移位至地的任何電流。由此,在將鐵電電容器極化到向下狀態(tài)的方向上將電勢V施加到鐵電電容器。對V進(jìn)行選擇從而使得鐵電電容器被完全極化到向下狀態(tài)。

在鐵電電容器已經(jīng)被極化到向下狀態(tài)之后,復(fù)位/讀取線107與控制器114斷開連接,并且FET 105被置于導(dǎo)通狀態(tài)。要輸入到鐵電電容器的數(shù)據(jù)以數(shù)字形式被輸入,并且然后轉(zhuǎn)換為表示寫入電路111將寫入電壓施加到負(fù)載110的時(shí)間開關(guān)的時(shí)間值,并且由此以類似于以上所討論的方式計(jì)量連接至線106和107的鐵電電容器上的電荷。如以上所指出的,在不在寫入操作之間復(fù)位鐵電電容器的情況下,每個(gè)存儲器單元還可以通過將數(shù)據(jù)多次寫入鐵電電容器中而被用作累加器。

可以通過以上所討論的兩種方法中的任一種方法來從當(dāng)前所選擇的鐵電電容器單元中讀取數(shù)據(jù)。為了簡化附圖,讀取電路包括在控制器114中。如果將通過確定在向上方向上極化鐵電電容器所需要的電荷量來讀取數(shù)據(jù),則寫入電路111將與輸入電荷中所使用的寫入電勢相同的寫入電勢施加到鐵電電容器,并且線106到達(dá)所述電勢的時(shí)間由控制器114測量。

可替代地,控制器114可以包括以上關(guān)于圖9B所討論的讀取電路。在此實(shí)施例中,F(xiàn)ET 105被置于非導(dǎo)通狀態(tài),并且通過采用以上關(guān)于圖9B所描述的方式確定預(yù)充電電容器上的電勢的降低來測量存儲在鐵電電容器中的電荷。

在圖10中所示出的實(shí)施例中,通過計(jì)量鐵電電容器上的電荷來執(zhí)行寫入操作,所述計(jì)量通過在取決于被寫入的值的時(shí)間段之后中斷復(fù)位操作來進(jìn)行。然而,可以利用用于計(jì)量鐵電電容器上的電荷的其他方法。例如,還可以利用以上關(guān)于圖7所討論的電荷計(jì)量方案。

現(xiàn)參照圖11,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的鐵電存儲器。鐵電存儲器140利用固定電荷轉(zhuǎn)移以便寫入到鐵電電容器。為了簡化以下討論,已經(jīng)向鐵電存儲器140的提供類似于鐵電存儲器100中的元件的功能的那些元件給出了相同的數(shù)字標(biāo)號。通過首先以如針對鐵電存儲器100所描述的方式相同的方式將鐵電電容器復(fù)位到向下狀態(tài)來將數(shù)據(jù)寫入所選擇的鐵電存儲器單元中的鐵電電容器中。然后通過部分極化鐵電電容器朝向向上狀態(tài)來寫入數(shù)據(jù)。要寫入的數(shù)據(jù)首先通過寫入電路143轉(zhuǎn)換為施加到電容器141的電荷,所述電荷將電容器141充電至某個(gè)電壓,所述電壓取決于要轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)值。通過將FET 144維持在非導(dǎo)通狀態(tài)的同時(shí)將FET 142置于導(dǎo)通狀態(tài)來將電荷加載到電容器141中。在電容器141已經(jīng)被適當(dāng)?shù)爻潆娭螅瑢ET 142置于非導(dǎo)通狀態(tài)并且將FET 144置于導(dǎo)通狀態(tài),以便將電荷轉(zhuǎn)移到當(dāng)前所選擇的存儲器單元。在電荷轉(zhuǎn)移期間,F(xiàn)ET 105被置于導(dǎo)通狀態(tài)。由此,強(qiáng)加到鐵電電容器上的那部分電荷由FET 120和125的面積的比率確定。存儲在鐵電電容器中的電荷優(yōu)選地由以上關(guān)于圖10中所示出的實(shí)施例而討論的第二種方法確定。

在此實(shí)施例中,對電流鏡的使用是可選的。如果在電荷轉(zhuǎn)移期間,復(fù)位/讀取線接地,則FET 105和125可以從電路中省略,在這種實(shí)施例中,所有電荷將被強(qiáng)加到鐵電電容器上。

本發(fā)明的以上描述的實(shí)施例假設(shè)鐵電電容器是純粹的電荷存儲設(shè)備。在實(shí)踐中,鐵電電容器可以被看作平行于電容器的電荷存儲設(shè)備,所述電容器存儲不與鐵電材料的剩余極化產(chǎn)生的電場相關(guān)聯(lián)的電荷。在以下討論中,此電容將被稱為非剩余極化電容,并且相關(guān)聯(lián)的電容器將被稱為非鐵電電容器。術(shù)語鐵電電容器將繼續(xù)用于響應(yīng)于設(shè)備中的鐵電材料的剩余極化而將電荷存儲在其中的設(shè)備。隨著鐵電電容器上的電勢的變化,電荷被存儲在存儲元件和相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器上或從其中移除。為了本申請的目的,存儲在與鐵電電容器相關(guān)聯(lián)的存儲設(shè)備中的電荷將被稱為“存儲在鐵電電容器中的電荷”。

如果移動至相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器的電荷/從其中移除的電荷比移動至存儲設(shè)備的電荷/從其中移除的電荷小,則相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器可以被忽略。然而,考慮鐵電電容器的相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器的實(shí)施例可以提供改善的解決方案,由此允許構(gòu)建具有增加數(shù)量的狀態(tài)的實(shí)施例。參照圖12,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的鐵電存儲器的另一個(gè)實(shí)施例。為了簡化附圖,僅示出了一個(gè)鐵電存儲器。鐵電存儲器單元270類似于圖7中所示出的鐵電存儲器單元310;然而,鐵電存儲器單元被讀出的方式已經(jīng)改變,以便考慮在250處所示出的鐵電電容器中的非鐵電電容器252。在251處示出了電荷存儲部件。

首先,在存在非鐵電電容器252的情況下,考慮數(shù)據(jù)被寫入存儲設(shè)備251中的方式。寫入電路的目標(biāo)和步驟是將電荷Q存儲在存儲設(shè)備251中,其中,Q由要存儲的數(shù)據(jù)確定??梢酝ㄟ^將電容器271充電至取決于Q的預(yù)定電壓并且然后在將柵極262保持在非導(dǎo)通狀態(tài)的同時(shí)將柵極268置于導(dǎo)通狀態(tài)來將Q的一級近似存儲在存儲設(shè)備251和相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252的組合中。寫入線267上的電勢然后由讀取電路275讀取和記錄;由P1表示此電勢。然后將柵極262置于導(dǎo)通狀態(tài),并且第二次讀取寫入線267上的電勢。由P2表示第二電勢。進(jìn)入鐵電電容器250的電荷由ΙΡ12Ι/C271給定,其中,C271是電容器271的電容。將電荷存儲在或者相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252上或者存儲設(shè)備251中。存儲在相關(guān)聯(lián)非鐵電電容器252中的電荷由|P2-V2|/C252給定,其中,C252是相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252的電容。如果C252從鐵電存儲器的設(shè)計(jì)參數(shù)中已知,則此電荷以及由此存儲在存儲設(shè)備251上由寫入操作引起的電荷被已知。如果存儲在存儲設(shè)備251上的電荷不等于與要存儲的數(shù)據(jù)值相對應(yīng)的電荷,則可以執(zhí)行利用不同P1的第二寫入操作,以便將電荷的附加增量強(qiáng)加到存儲設(shè)備251上,并且重復(fù)所述過程直到期望數(shù)量的電荷已經(jīng)存儲在存儲設(shè)備251上為止。

以上描述的寫入過程假設(shè)相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252的值被已知為足夠準(zhǔn)確。應(yīng)注意的是,此值可以在存儲器中從鐵電電容器到鐵電電容器發(fā)生輕微變化。因此,可能需要在寫入過程期間確定C252的過程。在本發(fā)明的一方面,C252被確定為如下:假設(shè)存儲設(shè)備251在向下狀態(tài)中完全飽和,并且假設(shè)通過將寫入線267連接至V2(通過寫入電路269)來將在鐵電電容器250兩端的電勢設(shè)置為零。鐵電電容器250然后與寫入線267隔離。由此,在所述過程開始時(shí),非鐵電電容器252上不存在電荷,并且沒有進(jìn)一步電荷可以通過由寫入線267上的電勢引起的小于V2的電勢差加載到存儲設(shè)備251上。

首先,電容器271被充電至P2(小于V2),柵極268處于非導(dǎo)通狀態(tài)。在被這樣充電后,電容器271通過所述寫入電路內(nèi)部的柵極與寫入電路269隔離,并且在柵極262維持非導(dǎo)通的同時(shí)柵極268被置于導(dǎo)通狀態(tài)。寫入線267上的電勢將為P2或與所述值非常接近的值。讀取電路275測量所述電勢,并且然后柵極262被置于導(dǎo)通狀態(tài)。由于在存儲設(shè)備251兩端的電勢無法強(qiáng)加附加電荷到存儲設(shè)備251中或存儲設(shè)備外,因此僅非鐵電電容器252上的電荷可以移動。任何移動的電荷將由在相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252兩端的在最終電勢P3和P2之間的電壓差引起。移動的電荷存儲在電容器271上。在柵極262被放在導(dǎo)通狀態(tài)之后,將寫入線267上的電勢表示為P3。然后,移動的電荷為Qm=|P2-P3|/C271。由此,C252=Qm/|P2-P3|。因此,寫入電路可以補(bǔ)償相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252中從鐵電電容器到鐵電電容器的變化。

在寫入操作結(jié)束時(shí),通過利用寫入電路269將寫入線267上的電勢設(shè)置為V2以及將鐵電電容器250連接至寫入線267來移除存儲在相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252上的任何電荷。這移除了在非鐵電電容器252和存儲設(shè)備251兩端的任何電勢差。存儲設(shè)備251中的電荷不通過此操作改變。然而,留在非鐵電電容器252中的任何電荷被移除。

可以以相似的方式完成讀取操作。讀取操作采用與以上所描述的方式相似的方式開始。當(dāng)鐵電電容器250與電容器255隔離時(shí),電容器255利用柵極261被充電為第一電勢V4。電容器255上的電勢的實(shí)際值由讀出電路274通過源極跟隨器263和柵極264讀出,并且被存儲為耦合讀取線266上的電勢的P5。此電勢被存儲在讀取電路274中。然后,柵極256被置于導(dǎo)通狀態(tài)。電勢V4被設(shè)置成使得V4-V2高于將把鐵電電容器250復(fù)位到完全極化的向上狀態(tài)的電勢。由此,存儲在存儲設(shè)備251上的任何電荷從存儲設(shè)備251中被逐出,并且移動至現(xiàn)在平行地連接的非鐵電電容器252和電容器255。然后,再次讀出源極跟隨器263的柵極處的電壓。由P6表示此電壓,存儲在存儲設(shè)備上的電荷Q=|P5-P6|/(C271+C255)。如果C252是已知的,則除了將結(jié)果數(shù)字化以外,完成讀出。

如果C252不是已知的,則可以采用與以上所描述的方式類似的方式來對其進(jìn)行確定。例如,V4可以增大至高于P5的電勢P6,并且然,電容器255被充電至P6,而相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252與電容器255隔離。通過將寫入線267設(shè)置為V2來將電容器255兩端的電勢設(shè)置為零。因此,當(dāng)柵極256被設(shè)置為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),電荷將從電容器255流動至相關(guān)聯(lián)的非鐵電電容器252,導(dǎo)致電容器255處的電勢減小。然后,可以根據(jù)這種電勢減小的量來確定電容器255和非鐵電電容器252的相對大小,并且因此,可以針對鐵電電容器250中的相關(guān)聯(lián)非鐵電電容而校正由讀出電路274從鐵電存儲器單元270中測量的電荷。

應(yīng)當(dāng)注意的是,存在用于確定非剩余極化的其他方法。例如,考慮這樣的讀取操作:在所述讀取操作中,通過將鐵電電容器的狀態(tài)復(fù)位至原始極化狀態(tài)以及測量離開鐵電電容器的電荷來確定存儲在鐵電電容器中的電荷。如果執(zhí)行讀取操作兩次,則第一讀取將測量與剩余極化和非剩余極化之和相關(guān)聯(lián)的電荷。第一讀取操作將把鐵電電容器留在飽和狀態(tài)。因此,將不存在要在此狀態(tài)下移除的剩余電荷。相應(yīng)地,第二讀取操作將讀取費(fèi)剩余電荷。兩個(gè)讀取結(jié)果之差是存儲在鐵電電容器中的剩余電荷。

本發(fā)明的上述實(shí)施例涉及數(shù)字存儲器,在所述數(shù)字存儲器中的每個(gè)鐵電存儲器單元存儲并檢索數(shù)字值。然而,還可以構(gòu)造存儲和檢索模擬值的實(shí)施例。在這種實(shí)施例中,寫入電路接收模擬值而不是被轉(zhuǎn)換成存儲在鐵電電容器上的電荷的數(shù)字值。然后,讀取電路輸出表示存儲在鐵電電容器上的電荷的模擬值。

上述實(shí)施例利用鐵電電容器被復(fù)位至已知狀態(tài)、被一次寫入并且然后被讀取的方案。然而,還可以構(gòu)造在鐵電電容器被復(fù)位之后對其進(jìn)行多次寫入的實(shí)施例。這種實(shí)施例提供“累加器”功能。例如,鐵電電容器首先被復(fù)位至向下狀態(tài),然后第一電荷Q1被轉(zhuǎn)移至將極化朝向上狀態(tài)移動的鐵電電容器。一段時(shí)間以后,第二電荷Q2被轉(zhuǎn)移至將鐵電電容器進(jìn)一步朝向上狀態(tài)移動的鐵電電容器,等等。當(dāng)對鐵電電容器進(jìn)行最終讀取時(shí),輸出將等于Q值之和。因此,鐵電電容器將充當(dāng)模擬加法電路。

對于圖12中的電路和圖9B的自主存儲器電路,可以通過將鐵電電容器復(fù)位至向上狀態(tài)以及然后轉(zhuǎn)移將極化朝向下狀態(tài)移動的已知電荷來獲得已知極化狀態(tài)。

應(yīng)當(dāng)注意的是,可以通過將鐵電電容器復(fù)位至在向上狀態(tài)與向下狀態(tài)之間的狀態(tài)來構(gòu)造更一般的累加功能。可以通過以下方式來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn):將鐵電電容器復(fù)位至向下狀態(tài)以及然后存儲趨于將鐵電電容器朝向上狀態(tài)移動的已知電荷?,F(xiàn)在可以將電荷轉(zhuǎn)移至通過設(shè)置電荷的大小和充電電壓的極性來將極化朝向上狀態(tài)或向下狀態(tài)移動的鐵電電容器。例如,圖3中在32處示出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以被配置成用于使用正電勢或負(fù)電勢來對電容器33進(jìn)行充電。當(dāng)對鐵電電容器進(jìn)行最終讀取時(shí),結(jié)果將是所存儲的電荷之和,條件是在每個(gè)中間狀態(tài)下的總存儲電荷不超過Q最大。

在多個(gè)寫入實(shí)施例的子集中,每次寫入將固定電荷移動至鐵電電容器。在這種情況下,最終寫入鐵電電容器的值僅是脈沖之和。這種模式可以用于通過使用要存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值來設(shè)置脈沖的數(shù)量從而對鐵電電容器進(jìn)行編程。

在上述實(shí)施例中,寫入電路是存儲器的一部分。然而,還可以構(gòu)造寫入電路在存儲器之外的實(shí)施例。將電荷強(qiáng)加到鐵電電容器上的電量很小??紤]存儲器單元具有單個(gè)存儲器單元的情況。再次參照圖3。寫入電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器32和電容器33和開關(guān)36。如果鐵電電容器31是“暴露”于此寫入電路的唯一鐵電電容器,則存儲在電容器33中的電力足以寫入狀態(tài)或?qū)⑾蛞呀?jīng)存儲在鐵電電容器31中的電荷添加附加電荷。在這個(gè)意義上,電路的包括鐵電電容器31的其余部分并不需要在以上所描述的寫入或累加供能期間被供電。在僅具有一個(gè)鐵電電容器的存儲器中,容易實(shí)現(xiàn)暴露此電容器以供外部寫入。例如,在此參照圖7。如果鐵電存儲器單元310是存儲器中的唯一存儲器單元,則可以省略柵極84和88。如果寫入電路75可以提供反向電壓電平和正向電壓電平,則可以將V2設(shè)置為地電勢。然后,可以通過將外部寫入電路連接至線73來設(shè)置鐵電電容器82的狀態(tài)。為了讀取鐵電電容器82的狀態(tài),鐵電存儲器單元310將連接至線72上的讀出電路以及讀取當(dāng)對鐵電電容器82進(jìn)行復(fù)位時(shí)從鐵電電容器82中釋放的電荷所需的電路。在具有多個(gè)這種鐵電電容器的存儲器中,尋址電路還必須被配置成由外部寫入電路供電。

在上述實(shí)施例中,通過在已經(jīng)將鐵電電容器設(shè)置為已知開始狀態(tài)之后設(shè)置傳輸至鐵電電容器的電荷來對鐵電電容器進(jìn)行編程。再次參照圖8A和圖8B。在鐵電電容器存儲器單元的此實(shí)施例中,通過中斷將狀態(tài)從向下“翻轉(zhuǎn)”為向上來存儲數(shù)據(jù)。在上述實(shí)施例中,通過以下方式來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn):限制電荷轉(zhuǎn)移或使用某種形式的定時(shí)器來在到達(dá)期望點(diǎn)時(shí)停止過程。應(yīng)當(dāng)注意的是,貯存電壓區(qū)域?qū)嶋H上由隨著時(shí)間而增大的貯存電壓表征。此貯存電壓區(qū)域的斜率取決于所利用的特定鐵電電容器。如果圖8A中所示出的電壓V被設(shè)置成在貯存區(qū)域期間到達(dá)的值,則將不會完成翻轉(zhuǎn)過程。相反,鐵電電容器將被保持在由V表征的部分極化狀態(tài)。相應(yīng)地,可以通過將鐵電電容器完全極化在向下狀態(tài)以及然后施加通過要存儲的數(shù)據(jù)來確定的電壓V來設(shè)置鐵電電容器的狀態(tài)。

現(xiàn)在參照圖13A,所述圖展示了可以用于設(shè)置鐵電電容器的極化狀態(tài)的寫入電路的另一個(gè)實(shí)施例。鐵電存儲器單元300與以上參照圖8A而討論的存儲器單元類似,并且因此,已經(jīng)為服務(wù)于與關(guān)于圖8A而討論的元件的功能相同的功能的元件給定相同的標(biāo)號。在鐵電存儲器單元300中,導(dǎo)電負(fù)載202連接至確定向鐵電電容器201施加的電勢的寫入電路301。此外,寫入電路301設(shè)置電流致動控制輸入端205’上的電勢。在將數(shù)據(jù)寫入到鐵電電容器201中之前,寫入電路301在將鐵電電容器復(fù)位至向下狀態(tài)的鐵電電容器201兩端施加電勢差V。然后,通過將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成如圖13B中所示出的最小貯存電壓與最大貯存電壓V最小和V最大之間的電壓Vd來將數(shù)據(jù)寫入鐵電電容器201。向如圖13A中所示出的導(dǎo)電負(fù)載202施加此電勢。一旦節(jié)點(diǎn)206到達(dá)Vd,任何進(jìn)一步電荷都不會轉(zhuǎn)移到鐵電電容器201中,并且因此,寫入操作將終止將鐵電電容器201留在期望狀態(tài)。

可以使用類似策略來過載非破壞性讀取操作。當(dāng)通過將導(dǎo)電負(fù)載處的電勢設(shè)置為大于對鐵電電容器進(jìn)行編程的貯存電壓的值來向經(jīng)編程的鐵電電容器施加電力時(shí),節(jié)點(diǎn)206處的電壓上升至在寫入周期結(jié)束時(shí)存在的貯存電壓。此電壓由讀取電路302讀取,并且然后,電勢返回至低于貯存電壓的水平。鐵電電容器的狀態(tài)將不會顯著變化,條件是在電勢高于所討論的電壓的時(shí)間期間轉(zhuǎn)移到或者轉(zhuǎn)移出鐵電電容器的電荷很小??梢酝ㄟ^在讀取過程期間將導(dǎo)電負(fù)載設(shè)置為足夠高并且將所施加的電壓與所讀取的貯存電壓之間的電壓差設(shè)置為盡可能小來將所轉(zhuǎn)移的電荷最小化。例如,讀取電壓可以被設(shè)置為V最大。然后,可以將所讀取的貯存電壓轉(zhuǎn)換成存儲在鐵電存儲器單元中的數(shù)據(jù)值。

圖13A中所示出的電路還可以用于實(shí)施其他讀出方案。如以上所指出的,用于讀取鐵電電容器201的狀態(tài)的一種方法是確定從當(dāng)前狀態(tài)到完全極化的向上狀態(tài)的轉(zhuǎn)變所需的電荷。再次參照圖13B,在本發(fā)明的一方面,讀取電路確定節(jié)點(diǎn)206處的電壓到達(dá)貯存電壓Ts的時(shí)間與當(dāng)寫入電路向?qū)щ娯?fù)載施加電勢V時(shí),電壓離開貯存電壓Tf的時(shí)間之差??梢灾苯訙y量或者通過對導(dǎo)電負(fù)載施以脈沖以及對在脈沖期間使節(jié)點(diǎn)206處的電勢處于Vf所需的脈沖的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)來間接確定所述時(shí)間。

再次參照圖9A。如以上所指出的,由于FET 205導(dǎo)通時(shí)在FET 205兩端的電壓降,所以來自輸入信號的電流的流過電流鏡的每個(gè)分支的部分將不會恰好不變。在一些情況下,從電流的固定部分流過電流鏡的每個(gè)分支的理想情況中分離出來的電流差并不變更對存儲器單元的操作。例如,如果要存儲在存儲器單元中的數(shù)據(jù)狀態(tài)的數(shù)量足夠小,則可以容忍所產(chǎn)生的對鐵電電容器進(jìn)行編程時(shí)的錯(cuò)誤。在這種情況下,所分離的電流將被說成是基本上不變的。然而,在需要更多狀態(tài)的情況下,替代性存儲器單元配置是優(yōu)選的。

現(xiàn)在參照圖14,所述圖展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的自主存儲器單元的CMOS實(shí)施例。在自主存儲器單元330中,F(xiàn)ET 337和338形成常規(guī)電流鏡。在復(fù)位期間,F(xiàn)ET 332被置于非導(dǎo)通狀態(tài),并且FET 339經(jīng)由反相器340被設(shè)置成導(dǎo)通狀態(tài)。因此,通過FET 339提供了到地面的路徑,以便電荷響應(yīng)于復(fù)位信號而離開鐵電電容器341。

本發(fā)明的上述實(shí)施例利用PZT鐵電電容器。然而,其他鐵電材料可以用于鐵電電容器中的電介質(zhì)。例如,可以利用基于PLZT、PLT、鈦酸鋇、鐵酸鉍、PVDF、鈮酸鋰、如鈮鉭酸鍶鉍等Y1陶瓷、以及如PVDF等各種有機(jī)聚合物的鐵電電容器。

在上述實(shí)施例中,特定極化方向被定義為向上方向。然而,要理解的是,這種定義是任意的并且可以顛倒向上方向和向下方向。

已經(jīng)提供了本發(fā)明的上述實(shí)施例以說明本發(fā)明的各個(gè)方面。然而,要理解的是,在不同的具體實(shí)施例中所示的本發(fā)明的不同方面可以被結(jié)合以提供本發(fā)明的其他實(shí)施例。此外,對本發(fā)明的各種修改將在上述說明和附圖中變得清晰。因此,本發(fā)明僅受以下權(quán)利要求書的范圍的限制。

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