铁电存储器及其操作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种铁电存储器及其操作方法。

背景技术：

目前，铁电技术已经应用在非易失性固态读取/写入存储器件中。目前，这些通常被称为“铁电ram”或者“feram”或者“fram”器件的存储器件出现在许多电子系统中，特别是便携电子设备和系统中。

fram的读操作是破坏性的，被读取的数据保存在内部寄存器，但读操作造成存储单元中的数据丢失或破坏，需要一个“回写”动作将原来的数据再写入该存储单元，否则下次读取时造成错误；在读写数据时，需要满足一定的电压/时间要求，如果电压过低或者时间过短，都会导致读写失败，造成数据永久丢失；自身的功率损耗或不合理的系统设计可能会导致铁电存储器完整运行时的电压/时序裕量不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铁电存储器及其操作方法，以解决现有的铁电存储器在读写数据时电压/时序裕量不足造成数据永久丢失的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种铁电存储器，包括：

存储器阵列，被配置为按行和列布置多个存储单元；

电压产生电路，被配置为对存储器阵列提供电源电压；

控制电路，被配置为对存储器阵列进行读写操作；

电压检测电路，被配置为对电源电压进行检测，其中：

若电源电压小于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第一信号，以禁止所述控制电路对下一个存储单元进行读写操作。

可选的，在所述的铁电存储器中，若电源电压大于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第二信号，以使能所述控制电路对存储器阵列进行读写操作。

可选的，在所述的铁电存储器中，所述读写操作包括：

字线和板线上电，感测电路对一个存储单元的存储数据进行读取，读取后板线掉电；

对板线和/或位线施加相应的电压，对该存储单元的存储数据进行重新写入；

在存储器阵列的一个存储单元进行读写操作时，若控制电路接收到第一信号，则将该存储单元的读写操作完成，并停止对下一个存储单元进行读写操作。

可选的，在所述的铁电存储器中，所述存储器阵列包括参数配置存储区和普通数据存储区，其中：

若电源电压大于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第二信号，以使能所述控制电路对存储器阵列进行读写操作；

在铁电存储器上电时，电压检测电路的上电时刻早于控制电路的上电时刻，若电源电压小于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第一信号，以禁止所述控制电路对参数配置存储区的存储单元进行读写操作，当控制电路收到第二信号后启动，对参数配置存储区的存储单元进行读写操作，得到配置参数，使用配置参数配置寄存器；

完成后对普通数据存储区的存储单元进行读写操作。

可选的，在所述的铁电存储器中，所述控制电路包括读写逻辑控制电路、输入输出锁存电路、行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和存储单元驱动电路，其中：

第一信号或第二信号被提供至读写逻辑控制电路后，读写逻辑控制电路形成逻辑指令数据，提供至输入输出锁存电路、行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和存储单元驱动电路；

根据逻辑指令数据对输入输出锁存电路、行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和存储单元驱动电路进行操作。

可选的，在所述的铁电存储器中，当第一信号被提供至读写逻辑控制电路后，读写逻辑控制电路控制停止对存储单元驱动电路的操作，不停止对输入输出锁存电路、行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器的配置操作。

可选的，在所述的铁电存储器中，所述控制电路还包括行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和线驱动器，其中：

当第二信号被提供至行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和线驱动器时，行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和线驱动器继续其操作。

可选的，在所述的铁电存储器中，所述存储单元包括：

电容器，其具有第一极板、第二极板和铁电材料，所述第一极板耦合到与包含所述存储器单元的行相关的极板线，所述铁电材料设置在所述第一极板和所述第二极板之间，其中通过在所述第一极板和所述第二极板之间施加大于第一矫顽电压的正电压来将所述电容器极化到第一数据状态，并且其中通过在所述第一极板和所述第二极板之间施加幅度大于第二矫顽电压的负电压来将所述电容器极化到第二数据状态；

传输晶体管，其具有源极/漏极路径和栅极，所述源极/漏极路径连接在所述电容器的所述第二极板和与包含所述存储器单元的列相关的位线之间，所述栅极耦合到与包含所述存储器单元的行相关的字线。

本发明还提供一种铁电存储器的操作方法，包括：

按行和列布置多个存储单元以形成存储器阵列，电压产生电路对存储器阵列提供电源电压；

在控制电路对存储器阵列进行读写操作之前或过程中，电压检测电路对电源电压进行检测，其中：

若电源电压小于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第一信号，以禁止所述控制电路对下一个存储单元进行读写操作。

可选的，在所述的铁电存储器的操作方法中，在上电检测时执行前述电压检测，若电源电压小于阈值电压，只停止对存储单元的读写操作，不停止对铁电存储器的配置操作。

可选的，在所述的铁电存储器的操作方法中，所述铁电存储器阵列包括参数配置存储区和普通数据存储区，其中：

在铁电存储器上电时，电压检测电路的上电时刻早于控制电路的上电时刻，若电源电压小于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第一信号，以禁止所述控制电路对参数配置存储区的存储单元进行读写操作，当控制电路收到第二信号后启动，对参数配置存储区的存储单元进行读写操作，得到配置参数，使用配置参数配置寄存器；

完成后对普通数据存储区的存储单元进行读写操作。

在本发明提供的铁电存储器及其操作方法中，通过控制电路对存储器阵列进行读写操作时，电压检测电路对电源电压进行检测，若电源电压小于阈值电压，则禁止所述控制电路对下一个存储单元进行读写操作，可以对读写操作进行保护，防止了铁电存储器在读写数据时电压裕量不足造成数据永久丢失的风险。

附图说明

图1是本发明一实施例铁电存储器示意图；

图2是本发明一实施例的铁电存储器的存储单元的示意图；

图3是本发明一实施例铁电存储器的存储单元的操作方法示意图；

图4是本发明一实施例铁电存储器的操作方法示意图；

图5是本发明另一实施例铁电存储器的操作方法示意图；

图中所示：10-电压产生电路；20-控制电路；30-电压检测电路；100-存储器阵列/存储单元。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的铁电存储器及其操作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种铁电存储器及其操作方法，以解决现有的铁电存储器在读写数据时电压/时序裕量不足造成数据永久丢失的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种铁电存储器及其操作方法，包括：存储器阵列，被配置为按行和列布置多个存储单元；电压产生电路，被配置为对存储器阵列提供电源电压；控制电路，被配置为对存储器阵列进行读写操作；电压检测电路，被配置为对电源电压进行检测，其中：若电源电压小于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第一信号，以禁止所述控制电路对下一个存储单元进行读写操作。

本实施例提供一种铁电存储器，如图1所示，包括：存储器阵列100，被配置为按行和列布置多个存储单元；电压产生电路10，被配置为对存储器阵列100提供电源电压；控制电路20，被配置为对存储器阵列100进行读写操作；电压检测电路30，被配置为对电源电压进行检测，其中：若电源电压小于阈值电压，则电压检测电路30向控制电路20发送第一信号，以禁止所述控制电路20对下一个存储单元100进行读写操作。

在本发明的一个实施例中，在所述的铁电存储器中，所述控制电路包括读写逻辑控制电路、输入输出锁存电路、行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和存储单元驱动电路，其中电压检测电路输出的第一信号或第二信号被提供至读写逻辑控制电路后，读写逻辑控制电路形成逻辑指令数据，读写逻辑控制电路输出的逻辑指令数据提供至输入输出锁存电路、行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和存储单元驱动电路；根据逻辑指令数据对所述输入输出锁存电路、行地址锁存电路、列地址锁存电路、感测电路、行译码器、列译码器和存储单元驱动电路进行操作。当电压检测电路检测到电源电压低于阈值电压时，检测电路输出第一信号给逻辑控制电路，此时逻辑控制电路输出控制信号，控制铁电存储单元驱动电路等停止对存储单元的读写操作。而此时逻辑控制电路对于锁存电路、地址译码电路、寄存器电路等存储器其他电路进行配置的操作不停止。当电压检测电路检测到电源电压高于阈值电压时，检测电路输出第二信号给逻辑控制电路，此时逻辑控制电路输出控制信号，可以控制铁电存储单元驱动电路等对存储单元进行读写操作。

在本发明的一个实施例中，在所述的铁电存储器中，所述存储器阵列包括参数配置存储区和普通数据存储区，普通数据存储区用于给用户存储自身的数据，可以更改，而参数配置存储区存储一些出厂参数或固定参数，不可更改，其重要性大于普通数据存储区，而铁电存储器上电时会先读取参数配置存储区的数据，若此时电源电压不稳可能会造成参数配置存储区的数据的永久丢失，因此，本实施例提出了在铁电存储器上电时，对存储器阵列的参数配置存储区的读取操作进行电压保护，其中电压检测电路的上电时刻早于控制电路的上电时刻，若电源电压小于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第一信号，以禁止所述控制电路对参数配置存储区的存储单元进行读写操作，当控制电路收到第二信号后才能启动，对参数配置存储区的存储单元进行读写操作，得到配置参数，使用配置参数配置寄存器；完成后对普通数据存储区的存储单元进行读写操作，以上实施例避免了刚刚上电时电源电压不稳定容易造成的参数配置存储区的数据损坏，提高了铁电存储器的可靠性。

图2示出了铁电存储器的存储器阵列中存储单元100的电路图。如图2所示，根据本发明的铁电存储器的铁电存储单元100具有铁电电容101(即电容器)和晶体管102。铁电电容101具有第一极板、第二极板和铁电材料(未示出)。所述第一极板耦合到与包含所述存储器单元的行相关的极板线pl，另一端连接到晶体管102的漏极和源极中的一个。晶体管102的栅极连接到字线wl，并且其漏极和源极中的另一个连接到位线bl。所述铁电材料设置在所述第一极板和所述第二极板之间，其中通过在所述第一极板和所述第二极板之间施加大于第一矫顽电压的正电压来将所述电容器极化到第一数据状态，并且其中通过在所述第一极板和所述第二极板之间施加幅度大于第二矫顽电压的负电压来将所述电容器极化到第二数据状态；传输晶体管，其具有源极/漏极路径和栅极，所述源极/漏极路径连接在所述电容器的所述第二极板和与包含所述存储器单元的列相关的位线之间，所述栅极耦合到与包含所述存储器单元的行相关的字线。

下面对本发明的铁电存储器的操作方法进行说明。

首先对铁电存储器的存储单元的读写操作进行说明，请参阅图3所示，在对存储器单元进行读写操作时包括：写入操作，具体为存储单元驱动电路的字线驱动器给需要写入的存储单元的字线wl施加电压，如图3所示，字线wlj为高电压，使存储单元的晶体管导通，然后存储单元驱动电路的位线驱动器对存储单元的位线bl施加电压，然后板线驱动器对存储单元的板线pl施加电压；当向位线bl施加低电压，而向板线pl施加高电压时，向存储单元写入数据0，参见图3的写0操作，此时板线plk为高电压；当向位线bl施加高电压，而向板线pl施加低电压时，向存储单元写入数据1，参见图3的写1操作，此时位线blk为高电压。

在对存储单元进行读取操作时，具体为存储单元驱动电路的字线驱动器给需要写入的存储单元的字线wl施加电压，使存储单元的晶体管导通，然后存储单元驱动电路的板线驱动器对存储单元的板线pl施加高电压，此时通过感测存储单元位线bl上的电压来判断存储单元存储的数据是0还是1。因为铁电存储器是破坏性的读取，在读取数据后存储单元内铁电材料的极化发生变化，因为需要进行写回操作。具体写回的步骤与前述写入操作相同，此处不再重复说明。

在本实施例提供的铁电存储器中，通过控制电路对存储器阵列进行读写操作时，电压检测电路对电源电压进行检测，若电源电压小于阈值电压，则禁止所述控制电路对下一个存储单元进行读写操作，可以对读写操作进行保护，防止了铁电存储器在读写数据时电压裕量不足造成数据永久丢失的风险。

在本发明的一个实施例中，若电源电压大于阈值电压，则电压检测电路向控制电路发送第二信号，以使能所述控制电路对存储器阵列进行读写操作，这使得后续的读写操作还能随时恢复，增加了便捷性。

如前所述，本发明的铁电存储器的存储器阵列包括参数配置存储区和普通存储区，在铁电存储器上电的时候先是对参数配置存储区的存储单元进行读写以获得铁电存储器的相关配置参数。请参阅图4及图5所示，在本发明的有些实施例中，对于存储器阵列的参数配置存储区的读写操作包括111～115共5个读写操作。在图4所示的实施例中，在存储器上电阶段，电源电压不稳定，出现电压下降，电压下降的速度较慢，在对存储器阵列的参数配置存储区进行读写的5个操作都结束的时候，电源电压还未降到阈值电压以下，因为对存储器阵列的参数配置存储区的读取有足够的电压，所以不会存在因为电源电压不足造成的读写错误。在上电检测时执行前述电压检测，若电源电压小于阈值电压，只停止对存储单元的读写操作，不停止对铁电存储器的配置操作。

在图5所示的实施例中，在铁电存储器上电阶段，电源电压出现电压下降，且电压下降的速度比较快，本来在上电阶段对存储器阵列的参数配置区的读写操作需要完成111～115共5个读写操作，当进行到读取操作114时，此时电源电压已经降至阈值电压以下，此时若继续执行115操作，因为电源电压较低，在读取写回操作时，可能导致铁电材料的极化翻转不能发生，因此写回错误导致存储器阵列的参数配置区存储的数据发生错误。因此在电压检测电路检测到电源电压低于阈值时，即发送第一信号给存储器读写逻辑控制电路，停止对存储器阵列的参数配置区的读写操作115。其中在某些实施例中，如果读写操作已经发生，此时电压检测电路检测到电源电压低于阈值电压，则继续完成当前的读写操作，而从下一读写操作开始停止。

在本发明的一个实施例中，在所述的铁电存储器中，所述电压检测电路还检测电压下降速度，并根据电压下降速度计算时间裕度，并判断时间裕度是否小于一个存储单元的读写操作的时间，若是则发送第一信号，否则发送第二信号；或设置时间裕度冗余值，时间裕度冗余值为一个存储单元的读写操作的时间的倍数，当时间裕度小于时间裕度冗余值时，发送第一信号，否则发送第二信号。如图4所示，电压检测电路感测到电源电压开始下降时，电压下降开始信号跳变下降沿，并由电压下降开始信号跳变下降沿开始，根据电源电压与阈值电压之差，除以电压下降速度，计算时间裕度，如图5所示，五个依次排列的存储单元的读写操作的时间为111～115，可以看出，时间裕度可以满足4个存储单元的读写操作时间，若时间裕度冗余值为一个存储单元的读写操作的时间的三倍，则执行完第一个存储单元的读写操作后，时间裕度开始小于时间裕度冗余值，开始输出第一信号，剩余的四个存储单元的读写操作112～115被禁止。

在本发明提供的铁电存储器及其操作方法中，通过控制电路对存储器阵列进行读写操作时，电压检测电路对电源电压进行检测，若电源电压小于阈值电压，则禁止所述控制电路对下一个存储单元进行读写操作，可以对读写操作进行保护，防止了铁电存储器在读写数据时电压裕量不足造成数据永久丢失的风险。

综上，上述实施例对铁电存储器及其操作方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。