JP6107472B2 - Nonvolatile memory cell and nonvolatile memory including the nonvolatile memory cell - Google Patents

Nonvolatile memory cell and nonvolatile memory including the nonvolatile memory cell Download PDF

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Description

この発明は、抵抗変化型素子を利用した不揮発性メモリセルおよびこの不揮発性メモリセルを備えた不揮発性メモリに関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory cell using a resistance variable element and a nonvolatile memory including the nonvolatile memory cell.

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリあるいはDRAMに代わり、近年、次世代不揮発性メモリとして抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型メモリが注目されている。この抵抗変化型素子としては、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory;磁気抵抗RAM)、PRAM(Phase change Random Access Memory;相変化RAM)、ReRAM(Resistance Random Access Memory;抵抗変化型RAM)等に用いられているものが挙げられる。このような抵抗変化型素子を利用したメモリは、フラッシュメモリのような複雑なプロセスを必要とせず、標準ロジックプロセスと相性が良く、微細化に向いていること、低電圧で動作することより、将来性を有望視されている。   In recent years, a resistance change type memory for storing data using a resistance change type element has attracted attention as a next-generation non-volatile memory in place of a flash memory or a DRAM that has become limited in miniaturization. Examples of the resistance change element include MRAM (Magnetoretic Random Access Memory), PRAM (Phase change Random Access Memory), ReRAM (Resistance Random Access Memory). The thing that is. A memory using such a resistance variable element does not require a complicated process like a flash memory, is compatible with a standard logic process, is suitable for miniaturization, and operates at a low voltage. The future is promising.

この種の抵抗変化型素子を利用したメモリの素子構成、特性およびアレイ構成は、例えば非特許文献1に開示されている。この非特許文献1は、MRAMに関するものであるが、1個のトランジスタと1個の抵抗変化型素子とからなるシンプルな構成のメモリセルを開示している。非特許文献1によると、このメモリセルは、1.2Vの低電圧で書き込み、読み出しが可能であり、書込電流は49μA、データ“1”の記憶状態である高抵抗状態のメモリセルからの読出電流は10μA、データ“0”の記憶状態である低抵抗状態のメモリセルからの読出電流は15μAであり、低消費電力化を実現できている。また、非特許文献1の図1によれば、メモリセルへの書込電圧を±0.6V程度までは低下させることができそうである。   The element configuration, characteristics, and array configuration of a memory using this type of variable resistance element are disclosed in Non-Patent Document 1, for example. This non-patent document 1 relates to an MRAM, but discloses a memory cell having a simple configuration including one transistor and one resistance variable element. According to Non-Patent Document 1, this memory cell can be written and read at a low voltage of 1.2 V, the write current is 49 μA, and the memory cell from the high resistance state in which data “1” is stored. The read current is 10 μA, and the read current from the memory cell in the low resistance state in which data “0” is stored is 15 μA. Thus, low power consumption can be realized. Further, according to FIG. 1 of Non-Patent Document 1, it is likely that the write voltage to the memory cell can be lowered to about ± 0.6V.

図16(a)および図16(b)は、抵抗変化型素子として代表的なMTJ(Magnetic Tunnel Junction;磁気トンネル接合)素子を利用したメモリセルの構成と動作を示す図である。図16に示すように、MTJ素子は、磁気の方向が一定のピン層と、トンネルバリア膜と、磁気の方向が変化するフリー層とからなる。図16(a)に示すように、フリー層からピン層に向かう方向の電流を流すと、フリー層の磁化方向がピン層と同一となり、MTJ素子は低抵抗となり、データ“0”を記憶した状態となる。逆に、図16(b)に示すように、ピン層からフリー層に向かう方向の電流を流すと、フリー層の磁化方向がピン層と反対になり、MTJ素子は高抵抗となり、データ“1”を記憶した状態になる。このようなMTJ素子によりメモリセルを構成する場合には、図16(a)および図16(b)に例示するように、MTJ素子を選択するためのスイッチとして、トランジスタTsがMTJ素子に直列接続される。図17は、MTJ素子により構成したメモリセルの等価回路を示す図である。図17では、抵抗変化型素子(MTJ素子)R1と並記した矢印により当該抵抗変化型素子のピン層側およびフリー層側が示されている。より詳細に説明すると、図17において抵抗変化型素子R1と並記した矢印の元側がピン層側に対応し、同矢印の先側がフリー層側に対応する。   FIG. 16A and FIG. 16B are diagrams showing the configuration and operation of a memory cell using a typical MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element as a resistance variable element. As shown in FIG. 16, the MTJ element includes a pinned layer having a constant magnetic direction, a tunnel barrier film, and a free layer whose magnetic direction changes. As shown in FIG. 16A, when a current in the direction from the free layer to the pinned layer is passed, the magnetization direction of the free layer becomes the same as that of the pinned layer, the MTJ element has a low resistance, and data “0” is stored. It becomes a state. Conversely, as shown in FIG. 16B, when a current in the direction from the pinned layer toward the free layer is passed, the magnetization direction of the free layer is opposite to that of the pinned layer, the MTJ element becomes high resistance, and data “1” "Is stored. When a memory cell is configured with such an MTJ element, a transistor Ts is connected in series with the MTJ element as a switch for selecting the MTJ element, as illustrated in FIGS. 16 (a) and 16 (b). Is done. FIG. 17 is a diagram showing an equivalent circuit of a memory cell constituted by MTJ elements. In FIG. 17, the pin layer side and the free layer side of the resistance variable element are indicated by arrows parallel to the resistance variable element (MTJ element) R1. More specifically, in FIG. 17, the original side of the arrow parallel to the resistance variable element R1 corresponds to the pinned layer side, and the tip side of the arrow corresponds to the free layer side.

図18は、図16(a)および図16(b)に示すようなメモリセルにより構成されたメモリアレイの断面構造を例示する図である。図18に示す例では、半導体基板に図16(a)および図16(b)に示す選択用のトランジスタTsが形成されている。各トランジスタTsのゲートには選択電圧WLが与えられる。また、トランジスタTsのソースは、スルーホールと第1層メタル配線1Mとを介して書込電圧BLを供給するための第2層メタル配線2Mに接続されている。また、トランジスタTsのドレインは、スルーホールを介してMTJ素子のピン層に接続され、このMTJ素子のフリー層はスルーホールを介してソース電圧SLを供給するための第2層メタル配線2Mに接続されている。   FIG. 18 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a memory array including memory cells as shown in FIGS. 16 (a) and 16 (b). In the example shown in FIG. 18, the selection transistor Ts shown in FIGS. 16A and 16B is formed on a semiconductor substrate. A selection voltage WL is applied to the gate of each transistor Ts. The source of the transistor Ts is connected to the second layer metal wiring 2M for supplying the write voltage BL via the through hole and the first layer metal wiring 1M. The drain of the transistor Ts is connected to the pin layer of the MTJ element through a through hole, and the free layer of the MTJ element is connected to the second layer metal wiring 2M for supplying the source voltage SL through the through hole. Has been.

特許文献1は、抵抗変化型素子を用いた書き換え可能な不揮発性RAMを開示している。この特許文献1の不揮発性RAMでは、抵抗変化型素子として、相変化メモリ素子を使用している。   Patent Document 1 discloses a rewritable nonvolatile RAM using a resistance variable element. In the nonvolatile RAM of Patent Document 1, a phase change memory element is used as a resistance change element.

図19は、特許文献1の図3に開示された不揮発性RAMのメモリセルの構成を示す回路図である。図19では、PチャネルトランジスタP0およびNチャネルトランジスタN0からなるインバータと、PチャネルトランジスタP1およびNチャネルトランジスタN1からなるインバータとによりフリップフロップが構成されている。PチャネルトランジスタP0およびNチャネルトランジスタN0からなるインバータの出力ノードS0はNチャネルトランジスタNa0を介してビット線BL0に接続されている。また、PチャネルトランジスタP1およびNチャネルトランジスタN1からなるインバータの出力ノードS1はNチャネルトランジスタNa1を介してビット線BL1に接続されている。そして、NチャネルトランジスタNa0およびNa1には、選択電圧WLが与えられる。以上の回路は、通常のSRAM用のメモリセルである。図19に示すメモリセルでは、このSRAM用メモリセルに対して、相変化メモリ素子RrおよびRmと、NチャネルトランジスタNsが追加されている。ここで、相変化メモリ素子RrはPチャネルトランジスタP0のソースと電源線PWRの間に、相変化メモリ素子RmはPチャネルトランジスタP1のソースと電源線PWRの間に各々介挿されている。NチャネルトランジスタNsは、PチャネルトランジスタP1および相変化メモリ素子Rmの接続点とストア線STRとの間に介挿されており、そのゲートにはノードS0の電圧が与えられる。   FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration of a memory cell of the nonvolatile RAM disclosed in FIG. In FIG. 19, a flip-flop is constituted by an inverter composed of a P-channel transistor P0 and an N-channel transistor N0 and an inverter composed of a P-channel transistor P1 and an N-channel transistor N1. An output node S0 of the inverter composed of the P channel transistor P0 and the N channel transistor N0 is connected to the bit line BL0 via the N channel transistor Na0. The output node S1 of the inverter composed of the P channel transistor P1 and the N channel transistor N1 is connected to the bit line BL1 via the N channel transistor Na1. The selection voltage WL is applied to the N channel transistors Na0 and Na1. The above circuit is a normal SRAM memory cell. In the memory cell shown in FIG. 19, phase change memory elements Rr and Rm and an N-channel transistor Ns are added to the SRAM memory cell. Here, phase change memory element Rr is interposed between the source of P channel transistor P0 and power supply line PWR, and phase change memory element Rm is interposed between the source of P channel transistor P1 and power supply line PWR. N-channel transistor Ns is interposed between the connection point of P-channel transistor P1 and phase change memory element Rm and store line STR, and the voltage of node S0 is applied to its gate.

特許文献1によると、相変化メモリ素子の一方(Rr)は参照(リファレンス)抵抗であり、他の一方の相変化メモリ(論理記憶抵抗Rm)が変化する高抵抗(論理値1)と低抵抗(論理値0)との間の抵抗値に予め設定されている。論理記憶抵抗Rmは、電源線PWR、スイッチング素子(トランジスタNs)、ストア線STRにより、相変化を起こす電流を印加される。読み出し時は、点線で示したSRAM回路部を通常のSRAMとして動作させている。この動作のときの論理記憶抵抗Rmは低抵抗値に設定されている。そして、電源が消える前に、ストア線STRの電圧を変化させ、トランジスタNsにより論理記憶抵抗Rmに電流を流すことで、SRAM回路部に記憶されている論理値を移す(ストア)。電源が入ると、相変化メモリ素子Rmに移された記憶内容を、SRAM回路部に戻す(リコール)。このように電源がOFFするときとONするときに、相変化メモリの論理記憶抵抗RmとSRAM回路部とで記憶内容を移したり戻したりすることで、不揮発性メモリとして動作する(以上、特許文献1の段落0012、0013参照)。
特許文献2および特許文献3には、所謂クロスポイント型メモリについての開示がある。特許文献2および特許文献3に開示の抵抗変化型メモリでは、1つの抵抗素子のみでメモリセルが構成されており、メタル配線以降の後工程(BEOL:Back End Of Line)においてその形成が実現される。
According to Patent Document 1, one of the phase change memory elements (Rr) is a reference (reference) resistance, and the other one of the phase change memory (logic storage resistance Rm) changes with a high resistance (logic value 1) and a low resistance. A resistance value between (logical value 0) is set in advance. The logic memory resistor Rm is applied with a current causing a phase change by the power supply line PWR, the switching element (transistor Ns), and the store line STR. At the time of reading, the SRAM circuit portion indicated by the dotted line is operated as a normal SRAM. The logical storage resistance Rm during this operation is set to a low resistance value. Then, before the power is turned off, the voltage of the store line STR is changed, and a current is passed through the logic storage resistor Rm by the transistor Ns, thereby transferring the logic value stored in the SRAM circuit portion (store). When the power is turned on, the stored contents transferred to the phase change memory element Rm are returned to the SRAM circuit section (recall). In this way, when the power is turned off and on, the memory contents are moved and returned by the logical storage resistor Rm of the phase change memory and the SRAM circuit unit, thereby operating as a non-volatile memory (see Patent Documents above). 1 paragraphs 0012 and 0013).
Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a so-called cross-point type memory. In the resistance change type memories disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, a memory cell is configured by only one resistance element, and its formation is realized in a post-process (BEOL: Back End Of Line) after metal wiring. The

特許第3845734号Japanese Patent No. 3845734 特開2002−8369号公報JP 2002-8369 A 特公2007−5366680号Japanese Patent Publication No. 2007-5366680

電子情報通信学会 信学技報ICICE Technical Report ICD2010−7 p35〜p40IEICE IEICE technical report ICEC Technical Report ICD2010-7 p35-p40

上述した特許文献1の不揮発性RAMには、幾つかの問題がある。まず、特許文献1の不揮発性RAMでは、抵抗変化型素子として、相変化メモリ素子を使用しているが、この相変化メモリ素子は、いわゆるモノポーラ型の抵抗変化素子であり、データ“1”を書き込む場合も、データ“0”を書き込む場合も同一方向の電流を流す必要がある。このため、データの書き込みのための制御が複雑になる。また、相変化メモリ素子は、書き込み特性と消去特性が大きく異なるので、高速に書き換えることができない。また、図19にも示すように、特許文献1の不揮発性RAMでは、フリップフロップを構成する2つのインバータの電源電流経路上に抵抗値の変化する相変化メモリ素子(RrとRm)が介挿されている。このため、フリップフロップがアンバランスとなり、SRAMの特性として最も重要なSNM(Static Noise Margin;スタティックノイズマージン)に大きな悪影響を与える。
以下、このSNMへの悪影響について説明する。
The nonvolatile RAM of Patent Document 1 described above has several problems. First, in the nonvolatile RAM of Patent Document 1, a phase change memory element is used as a resistance change type element. This phase change memory element is a so-called monopolar type resistance change element, and data “1” is stored. It is necessary to pass current in the same direction when writing data or when writing data “0”. This complicates the control for writing data. In addition, the phase change memory element cannot be rewritten at high speed because the write characteristic and the erase characteristic are greatly different. Further, as shown in FIG. 19, in the nonvolatile RAM of Patent Document 1, phase change memory elements (Rr and Rm) whose resistance values change are inserted on the power supply current paths of the two inverters constituting the flip-flop. Has been. For this reason, the flip-flop becomes unbalanced, and has a great adverse effect on the SNM (Static Noise Margin), which is the most important characteristic of the SRAM.
Hereinafter, this adverse effect on the SNM will be described.

図20は一般的なSRAM用のメモリセルの構成を示す回路図である。図示の例では、PチャネルトランジスタP1、P2、NチャネルトランジスタN1、N2、Ta1およびTa2により1つのメモリセルが構成されている。   FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration of a general SRAM memory cell. In the illustrated example, one memory cell is constituted by P-channel transistors P1 and P2 and N-channel transistors N1, N2, Ta1, and Ta2.

図21(a)〜(d)は、図20に示すメモリセルのSNMの特性を例示するものである。図21(a)〜(d)において、横軸はトランジスタP1およびN1の共通接続点の電圧V0を示し、縦軸はトランジスタP2およびN2の共通接続点の電圧V1を示す。   21A to 21D illustrate the SNM characteristics of the memory cell shown in FIG. 21A to 21D, the horizontal axis represents the voltage V0 at the common connection point of the transistors P1 and N1, and the vertical axis represents the voltage V1 at the common connection point of the transistors P2 and N2.

図21(a)〜(d)において破線の曲線および実線の曲線は各々バタフライ曲線と呼ばれる。これらの2本のバタフライ曲線は、途中で互いに交差して、上下および左右の位置関係が入れ替わる。そして、図21(a)〜(d)の各々には、破線のバタフライ曲線と実線のバタフライ曲線との間に挟まれた2つの領域内に各々収まる2個の正方形が描かれているが、この正方形の大きさがSNMの大きさである。さらに詳述すると、破線のバタフライ曲線が右上、実線のバタフライ曲線が左下となる領域における両バタフライ曲線間の正方形は、トランジスタP1およびN1の両ドレインの接続点の電圧V0を上昇させるようなノイズが発生するとき、メモリセルの記憶内容を反転させないノイズレベルの許容値を示すSNM(以下、便宜上、第1のSNMという)である。また、実線のバタフライ曲線が右上、破線のバタフライ曲線が左下となる領域における両バタフライ曲線間の正方形は、トランジスタP2およびN2の両ドレインの接続点の電圧V1を上昇させるようなノイズが発生するとき、メモリセルの記憶内容を反転させないノイズレベルの許容値を示すSNM(以下、便宜上、第2のSNMという)である。   In FIGS. 21A to 21D, the dashed curve and the solid curve are each called a butterfly curve. These two butterfly curves cross each other on the way, and the positional relationship between the top and bottom and the left and right is switched. In each of FIGS. 21 (a) to 21 (d), two squares are respectively drawn that fall within two regions sandwiched between a broken butterfly curve and a solid butterfly curve. The size of this square is the size of the SNM. More specifically, the square between the two butterfly curves in the region where the broken butterfly curve is at the upper right and the solid butterfly curve is at the lower left is a noise that increases the voltage V0 at the connection point of the drains of the transistors P1 and N1. When this occurs, it is an SNM (hereinafter referred to as a first SNM for convenience) indicating an allowable value of the noise level that does not invert the stored contents of the memory cell. The square between the two butterfly curves in the region where the solid butterfly curve is at the upper right and the broken butterfly curve is at the lower left is when noise that raises the voltage V1 at the connection point of the drains of the transistors P2 and N2 occurs. , An SNM (hereinafter referred to as a second SNM for convenience) indicating an allowable value of the noise level that does not invert the stored contents of the memory cell.

図21(a)および(c)は、SRAMの電源電圧VDDを1.0VとしたときのSNM特性を各々例示している。図21(a)に示す例では、メモリセルを構成する各トランジスタのベータ値βや閾値電圧Vtのバランスが取れており、第1のSNMおよび第2のSNMが同程度であり、かつ、いずれも十分な大きさとなっている。従って、このメモリセルでは、安定したライトアクセスおよびリードアクセスが可能である。   FIGS. 21A and 21C illustrate the SNM characteristics when the power supply voltage VDD of the SRAM is 1.0 V, respectively. In the example shown in FIG. 21A, the beta value β and the threshold voltage Vt of each transistor constituting the memory cell are balanced, the first SNM and the second SNM are approximately the same, and Is also large enough. Therefore, in this memory cell, stable write access and read access are possible.

ところが、バタフライ曲線は、トランジスタP1、N1、P2、N2の各々のベータ値のバランスや閾値電圧のバランスに左右される。例えば図21(a)において、トランジスタP2のベータ値βpとトランジスタN2のベータ値βnとのベータレシオβp/βnが高くなると、破線のバタフライ曲線は右上方向に張り出す。逆にこのベータレシオβp/βnが低くなると、破線のバタフライ曲線は、左下方向に退行する。また、トランジスタN2の閾値電圧Vtnが増加して、トランジスタP2の閾値電圧Vtpが減少すると、破線のバタフライ曲線が急激に立ち下がる電圧V0が高くなる。逆にトランジスタN2の閾値電圧Vtnが減少して、トランジスタP2の閾値電圧Vtpが増加すると、破線のバタフライ曲線が急激に立ち下がる電圧V0は低くなる。   However, the butterfly curve depends on the balance of the beta values and the threshold voltage of each of the transistors P1, N1, P2, and N2. For example, in FIG. 21A, when the beta ratio βp / βn between the beta value βp of the transistor P2 and the beta value βn of the transistor N2 becomes high, the broken butterfly curve projects in the upper right direction. Conversely, when the beta ratio βp / βn decreases, the broken butterfly curve retreats in the lower left direction. Further, when the threshold voltage Vtn of the transistor N2 increases and the threshold voltage Vtp of the transistor P2 decreases, the voltage V0 at which the broken butterfly curve suddenly falls increases. Conversely, when the threshold voltage Vtn of the transistor N2 decreases and the threshold voltage Vtp of the transistor P2 increases, the voltage V0 at which the broken butterfly curve suddenly falls decreases.

また、電圧V0を0VからVDDまで上昇させる過程において、トランジスタN2がONするとき、このトランジスタN2にトランジスタTa2を介して電流が流れ込むため、電圧V1はVSSレベル(0V)まで下がり切らず、VSSレベルから浮く。仮にトランジスタTa2を介して流れ込む電流が一定である場合、このときの電圧V1のVSSレベルからの浮きは、トランジスタN2の閾値電圧Vtnが高いほど、あるいはトランジスタN2のベータ値βnが低いほど大きくなる。   Further, in the process of increasing the voltage V0 from 0V to VDD, when the transistor N2 is turned on, a current flows into the transistor N2 via the transistor Ta2. Therefore, the voltage V1 does not fall down to the VSS level (0V), but the VSS level. Float from. If the current flowing through the transistor Ta2 is constant, the floating of the voltage V1 from the VSS level at this time increases as the threshold voltage Vtn of the transistor N2 is higher or the beta value βn of the transistor N2 is lower.

このように破線のバタフライ曲線は、トランジスタP2、N2の閾値電圧やベータ値の変化の影響を受ける。一方、実線のバタフライ曲線は、主にトランジスタP1、N1のベータ値のバランス、閾値電圧のバランスの変化の影響を受ける。このようにバタフライ曲線が各トランジスタの閾値電圧やベータ値の変化の影響を受けるため、第1および第2のSNMも、各トランジスタの閾値電圧やベータ値の変化の影響を受けることとなる。   Thus, the broken butterfly curve is affected by changes in threshold voltages and beta values of the transistors P2 and N2. On the other hand, the solid butterfly curve is mainly affected by changes in the balance of the beta values and the balance of the threshold voltages of the transistors P1 and N1. Thus, since the butterfly curve is affected by changes in the threshold voltage and beta value of each transistor, the first and second SNMs are also affected by changes in the threshold voltage and beta value of each transistor.

図21(c)に示す例では、メモリセルを構成する各トランジスタの閾値電圧Vtまたはベータ値間にアンバランスが生じており、第1のSNMは十分な大きさがあるが、第2のSNMがやや小さくなっている。   In the example shown in FIG. 21C, an imbalance occurs between the threshold voltage Vt or the beta value of each transistor constituting the memory cell, and the first SNM is sufficiently large, but the second SNM Is slightly smaller.

このようにメモリセルを構成する各トランジスタの特性(具体的には閾値電圧Vtやベータ値)がばらつくと、これに起因して第1および第2のSNMの各々の大きさにばらつきが生じる。   As described above, when the characteristics (specifically, the threshold voltage Vt and the beta value) of the transistors constituting the memory cell vary, the sizes of the first and second SNMs vary.

また、SRAMの電源電圧VDDが小さくなると、メモリセルを構成する各トランジスタの特性ばらつきの第1および第2のSNMに対する影響の度合いが大きくなる。図21(b)および(d)はその例を示すものである。この図21(b)および(d)の例では、SRAMの電源電圧VDDを0.5Vとしている。図21(b)に示す例では、電源電圧VDDが0.5Vであるため、第1および第2のSNMはかなり小さなものとなるが、メモリセルを構成する各トランジスタの特性のバランスが取れているため、第1および第2のSNMは、正常なライトアクセスおよびリードアクセスを可能ならしめる大きさとなっている。ところが、図21(d)に示す例では、メモリセルを構成する各トランジスタの特性に微妙なアンバランスがあり、その影響により第2のSNMが殆どなくなっている。このように動作マージンが不足した状態ではライトアクセスおよびリードアクセスに支障が生じる。   Further, when the power supply voltage VDD of the SRAM is reduced, the degree of influence on the first and second SNMs of the characteristic variation of each transistor constituting the memory cell is increased. FIGS. 21B and 21D show examples thereof. In the examples of FIGS. 21B and 21D, the power supply voltage VDD of the SRAM is 0.5V. In the example shown in FIG. 21B, since the power supply voltage VDD is 0.5 V, the first and second SNMs are considerably small. However, the characteristics of the transistors constituting the memory cell are balanced. Therefore, the first and second SNMs are sized to enable normal write access and read access. However, in the example shown in FIG. 21 (d), there is a slight imbalance in the characteristics of the transistors constituting the memory cell, and the second SNM is almost eliminated due to the influence. As described above, when the operation margin is insufficient, the write access and the read access are hindered.

このようにメモリセルを構成する各トランジスタの特性にアンバランスが生じると、SRAMのSNMが悪影響を受け、特に電源電圧VDDが低いときにその悪影響が大きくなる。   When an imbalance occurs in the characteristics of the transistors constituting the memory cell in this way, the SNM of the SRAM is adversely affected, particularly when the power supply voltage VDD is low.

しかるに特許文献1の技術では、このようなSRAMのメモリセルを構成する2つのインバータの電源電流経路に抵抗値が変化する相変化メモリ素子を各々介挿している。このような相変化メモリ素子を介挿した場合、一方のインバータを構成するトランジスタP0およびN0と他方のインバータを構成するトランジスタP1およびN1(図19参照)とで、バイアス条件にアンバランスが生じる。この結果、各インバータを構成するトランジスタの特性にアンバランスが生じ、メモリセルのSNMを大きく劣化させるのである。以上はSRAMの静的動作の分析であるが、さらに加えて、動的な動作を鑑みても、ノードS0にトランジスタNsのゲート容量が加わり、ノードS0とノードS1とで容量がアンバランスになっており、この容量のアンバランスが動的な動作マージンを低下させる。特許文献2に開示のクロスポイント型メモリでは、同特許文献2の図3(a)、図3(b)および図3(c)に示されているように、不必要な回り込み電流が発生し消費電力が大きくなるといった問題がある。また、特許文献2に開示のクロスポイント型メモリには、データの書き込み方法として、双方向電流を流すバイポーラ型の書き込み方法を採用できないといった問題もある。特許文献3に開示のクロスポイント型メモリは1R2D型の構成であり、MRAMのような双方向特性を持つ抵抗変化型素子には適用できない。   However, in the technique of Patent Document 1, phase change memory elements whose resistance values change are respectively inserted in power supply current paths of two inverters constituting such SRAM memory cells. When such a phase change memory element is interposed, the transistors P0 and N0 that constitute one inverter and the transistors P1 and N1 (see FIG. 19) that constitute the other inverter cause an imbalance in bias conditions. As a result, the characteristics of the transistors constituting each inverter are unbalanced, and the SNM of the memory cell is greatly deteriorated. The above is the analysis of the static operation of the SRAM. In addition, considering the dynamic operation, the gate capacitance of the transistor Ns is added to the node S0, and the capacitance is unbalanced between the node S0 and the node S1. This capacity imbalance reduces the dynamic operating margin. In the cross-point type memory disclosed in Patent Document 2, an unnecessary sneak current is generated as shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C of Patent Document 2. There is a problem that power consumption increases. Further, the cross-point type memory disclosed in Patent Document 2 has a problem that a bipolar type writing method that allows a bidirectional current to flow cannot be adopted as a data writing method. The cross-point type memory disclosed in Patent Document 3 has a 1R2D type configuration and cannot be applied to a resistance variable element having bidirectional characteristics such as MRAM.

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、その第1の目的は、SRAMとしての機能を損なうことなく、揮発性記憶部の記憶データの書き換え、記憶データを不揮発性記憶部に書き込むストア、不揮発性記憶部から揮発性記憶部にデータを書き込むリコールの動作を容易に行うことができる不揮発性メモリセルおよび不揮発性メモリを提供することにある。また、この発明の第2の目的は、セルを構成する素子の特性ばらつきに強い不揮発性メモリセルおよび不揮発性メモリを提供することにある。また、この発明の第3の目的は、少ない素子数(小さい面積)で高速動作可能な不揮発性メモリセルおよび不揮発性メモリを提供することにある。   The present invention has been made in view of the circumstances described above, and a first object thereof is to rewrite the stored data in the volatile storage unit and to store the stored data in the nonvolatile storage unit without impairing the function as the SRAM. It is an object of the present invention to provide a non-volatile memory cell and a non-volatile memory that can easily perform a store operation for writing data and a recall operation for writing data from a non-volatile storage unit to a volatile storage unit. A second object of the present invention is to provide a non-volatile memory cell and a non-volatile memory that are resistant to variations in characteristics of elements constituting the cell. A third object of the present invention is to provide a nonvolatile memory cell and a nonvolatile memory that can operate at high speed with a small number of elements (small area).

上記課題を解決するために本発明は、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、前記揮発性記憶部は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、前記不揮発性記憶部は、前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、閾値素子および第2の抵抗変化型素子と、前記第1の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、前記第2の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化する
ことを特徴とする不揮発性メモリセル、を提供する。
In order to solve the above-described problems, the present invention includes a volatile storage unit and a nonvolatile storage unit, and the volatile storage unit uses first and second output signals as input signals to each other. A flip-flop interposed between a first power supply node to which a high-potential-side power supply voltage is applied and a second power-supply node to which a low-potential-side power supply voltage is applied, and an inverter of the first and second inverters When each of the output nodes is inserted between two bit lines and data is written to the flip-flop via the two bit lines, or from the flip-flop, the two First and second switches that are turned on when data is read through the bit line, and the nonvolatile memory unit includes the output node of the first inverter and the second switch. A first resistance variable element, a threshold element, and a second resistance variable element inserted in series between output nodes of the inverter; a common connection point of the first resistance variable element and the threshold element; A common connection point between the first capacitor interposed between the first power supply node and one of the second power supply nodes, the second resistance variable element, and the threshold element And a second capacitor interposed between the one power supply node and passing a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter, One of the first and second variable resistance elements changes in resistance in a first direction, and the other changes in resistance in a second direction opposite to the first direction. The first input from the output node of the inverter When the current toward the output node of the data is passed, the resistance value of the one resistance change element changes in the second direction, and the resistance value of the other resistance change element changes in the first direction. A non-volatile memory cell characterized by changing is provided.

上記不揮発性メモリセルにおける第1および第2の抵抗変化型素子としては、MTJ素子、または、MRAMやReRAMなどの電界誘起巨大抵抗変化の発生する素子を用いることができる。例えば、第1および第2の抵抗変化型素子としてMTJ素子を用いる場合には、これら2つの抵抗変化型素子の各々のフリー層側(或いはピン層側)を閾値素子に接続して不揮発性メモリセルを構成すれば良い。また、上記閾値素子としては、トランジスタなどの第3のスイッチを用いる態様が考えらえる。また、上記閾値素子として、第1のインバータの出力ノードと第2のインバータの出力ノードの電位差に応じた方向に電流を流す素子(例えば、互いに逆並列に接続された2つのダイオード、或いはツェナーダイオード)を用いても良い。例えば上記閾値素子として第3のスイッチを用いる態様では、揮発性記憶部のフリップフロップに記憶されたデータを不揮発性記憶部に記憶させるストアを行う際には、第1および第2のスイッチをOFFにし、かつ第3のスイッチをONにすれば良い。第1および第2のスイッチをOFFにし、かつ第3のスイッチをONにした状態では、第1および第2のインバータの各出力ノードの電位の大小関係(すなわち、揮発性記憶部に記憶されているデータが“0”であるか、それとも“1”であるか)に応じて、第1の抵抗変化型素子→第3のスイッチ→第2の抵抗変化型素子といった第1の電流経路、または第2の抵抗変化型素子→第3のスイッチ→第1の抵抗変化型素子といった第2の電流経路の何れかに沿って電流が流れる。前述したように、第1および第2の抵抗変化型素子の各々は同じ種類の層が第3のスイッチに接続されているため、上記第1の電流経路と第2の電流経路の何れに沿って電流が流れるとしても、第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値は互いに異なる方向に変化し、これにより揮発性記憶部に記憶されたデータのストアが実現される。つまり、第1および第2の抵抗変化型素子の各抵抗値の大小関係が不揮発性記憶部に記憶されたデータを表すのである。   As the first and second resistance change elements in the nonvolatile memory cell, an MTJ element or an element that generates an electric field induced giant resistance change such as MRAM or ReRAM can be used. For example, in the case where MTJ elements are used as the first and second variable resistance elements, the free layer side (or pinned layer side) of each of these two variable resistance elements is connected to a threshold element to form a nonvolatile memory What is necessary is just to comprise a cell. As the threshold element, a mode using a third switch such as a transistor can be considered. Further, as the threshold element, an element that allows a current to flow in a direction corresponding to the potential difference between the output node of the first inverter and the output node of the second inverter (for example, two diodes connected in antiparallel to each other, or a Zener diode) ) May be used. For example, in the aspect using the third switch as the threshold element, the first and second switches are turned off when storing the data stored in the flip-flop of the volatile storage unit in the nonvolatile storage unit. And turning on the third switch. In a state where the first and second switches are turned off and the third switch is turned on, the magnitude relationship of the potentials of the output nodes of the first and second inverters (that is, stored in the volatile storage unit) The first current path such as the first variable resistance element → the third switch → the second variable resistance element, depending on whether the data is “0” or “1”), or A current flows along one of the second current paths such as the second variable resistance element → the third switch → the first variable resistance element. As described above, since each of the first and second variable resistance elements has the same kind of layer connected to the third switch, the first and second resistance change elements are arranged along any of the first current path and the second current path. Even if current flows, the resistance values of the first and second variable resistance elements change in different directions, thereby realizing the storage of data stored in the volatile storage unit. That is, the magnitude relationship between the resistance values of the first and second variable resistance elements represents the data stored in the nonvolatile storage unit.

不揮発性記憶部にストアしたデータを上記フリップフロップに書き戻すリコールの際には、第1、第2および第3のスイッチをOFFにして第1の電源ノードに与える電圧を0から高電位側電源電圧まで上昇させるようにすれば良い。第1、第2および第3のスイッチをOFFにして第1の電源ノードに与える電圧を0から高電位側電源電圧まで上昇させると、第1の抵抗変化型素子を介して第1のキャパシタに充電電流が流れるとともに、第2の抵抗変化型素子を介して第2のキャパシタに充電電流が流れるが、第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗状態に応じて両充電電流の大きさに差が生じ、第1のインバータの出力ノードの電位と第2のインバータの出力ノードの電位に差が生じる。これにより、不揮発性記憶部に記憶されたデータの揮発性記憶部への書き戻し(リコール)が実現される。   When recalling the data stored in the non-volatile storage unit to the flip-flop, the voltage applied to the first power supply node by turning off the first, second and third switches is changed from 0 to the high potential side power supply. What is necessary is just to make it raise to a voltage. When the first, second, and third switches are turned off to increase the voltage applied to the first power supply node from 0 to the high potential side power supply voltage, the first capacitor is connected to the first capacitor via the first resistance variable element. While the charging current flows, the charging current flows to the second capacitor via the second resistance variable element, and the magnitude of both charging currents depends on the resistance state of the first and second resistance variable elements. A difference occurs, and a difference occurs between the potential of the output node of the first inverter and the potential of the output node of the second inverter. Thereby, writing back (recall) of the data stored in the nonvolatile storage unit to the volatile storage unit is realized.

前述したように本発明の不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部は、少ない素子数(2個の抵抗変化型素子、2個のキャパシタおよび1個のスイッチ(トランジスタ))で構成されている。また、第1および第2の抵抗変化型素子としてMTJ素子を用いるようにすれば、これら第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗状態を変化させる際に必要となる素子間電圧は0.6V程度であり、これら素子に流れる電流は49μA程度である。このように本発明によれば、ストア時またはリコール時に抵抗変化型素子に流す電流が少なくて済むので、面積が小さくて安価な不揮発性メモリのチップを実現することができる。また、揮発性記憶部を6Tr構成とすれば、この揮発性記憶部に対するデータの書き込み動作および読み出し動作は通常のSRAMにおけるものと同一となり、データの書き込み動作および読み出し動作を高速に行うことができるとともに、広いスタティックノイズマージンを確保することができる。   As described above, the nonvolatile memory portion of the nonvolatile memory cell according to the present invention includes a small number of elements (two resistance change elements, two capacitors, and one switch (transistor)). If MTJ elements are used as the first and second variable resistance elements, the inter-element voltage required for changing the resistance state of the first and second variable resistance elements is 0. The current flowing through these elements is about 49 μA. As described above, according to the present invention, less current flows through the resistance variable element at the time of storing or recalling, so that it is possible to realize an inexpensive nonvolatile memory chip with a small area. If the volatile storage unit has a 6Tr configuration, the data write operation and read operation to the volatile storage unit are the same as those in a normal SRAM, and the data write operation and read operation can be performed at high speed. In addition, a wide static noise margin can be ensured.

本発明の第1実施形態の不揮発性RAMのメモリセル10Aの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram showing an example of composition of memory cell 10A of nonvolatile RAM of a 1st embodiment of the present invention. 同不揮発性メモリセル10Aの動作条件を示す図である。It is a figure which shows the operating conditions of the non-volatile memory cell 10A. 本発明の第2実施形態の不揮発性RAMのメモリセル10Bの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the memory cell 10B of the non-volatile RAM of 2nd Embodiment of this invention. 同不揮発性メモリセル10Bの動作条件を示す図である。It is a figure which shows the operating conditions of the non-volatile memory cell 10B. 本発明の第3実施形態の不揮発性RAMの全体ブロック図である。It is a whole block diagram of the non-volatile RAM of 3rd Embodiment of this invention. 同不揮発性RAMの不揮発性メモリセルアレイ100の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the non-volatile memory cell array 100 of the non-volatile RAM. 同不揮発性RAMの行デコーダ200を構成する行選択回路200−kの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of row selection circuit 200-k which comprises the row decoder 200 of the same non-volatile RAM. 同不揮発性RAMのストア時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the storage of the non-volatile RAM. 同不揮発性RAMのリコール時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of recall of the non-volatile RAM. 本発明の第4実施形態である不揮発性RAMの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the non-volatile RAM which is 4th Embodiment of this invention. 同第4実施形態の行選択回路220−kの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of row selection circuit 220-k of the 4th Embodiment. 同第4実施形態の不揮発性RAMのリコール時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of recall of the non-volatile RAM of the 4th embodiment. 本発明の第5実施形態である不揮発性RAMの一部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a part of non-volatile RAM which is 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態である不揮発性RAMの一部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a part of non-volatile RAM which is 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態である不揮発性RAMの一部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a part of non-volatile RAM which is 7th Embodiment of this invention. MTJ素子の構成および動作を示す図である。It is a figure which shows the structure and operation | movement of an MTJ element. 同MTJ素子を利用したメモリセルの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the memory cell using the MTJ element. 同MTJ素子を利用したメモリセルの断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the memory cell using the same MTJ element. 従来の不揮発性メモリセルの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the conventional non-volatile memory cell. 一般的なSRAMのメモリセルを示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a general SRAM memory cell; FIG. 同メモリセルのスタティックノイズマージンを例示する図である。It is a figure which illustrates the static noise margin of the memory cell. 本発明の第8実施形態のメモリセルの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the memory cell of 8th Embodiment of this invention. 同メモリセルにおけるノードNとノードSLの間の電圧電流特性を示す図である。It is a figure which shows the voltage-current characteristic between the node N and the node SL in the memory cell. 同メモリセルの動作条件を示す図である。It is a figure which shows the operating condition of the memory cell. 同メモリセルの他の等価回路例を示す図である。It is a figure which shows the other equivalent circuit example of the same memory cell. 同メモリセルの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the memory cell. 同メモリセルの動作条件を示す図である。It is a figure which shows the operating condition of the memory cell. 本発明の第9実施形態のメモリセルの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the memory cell of 9th Embodiment of this invention. 同メモリセルの動作条件を示す図である。It is a figure which shows the operating condition of the memory cell. 本発明の第10実施形態の不揮発性RAMの全体ブロック図である。It is a whole block diagram of the non-volatile RAM of 10th Embodiment of this invention. 同不揮発性RAMの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the non-volatile RAM. 同不揮発性RAMにおける行選択回路2000−kの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of row selection circuit 2000-k in the non-volatile RAM. 同不揮発性RAMのストア時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the storage of the non-volatile RAM. 同不揮発性RAMのリコール時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of recall of the non-volatile RAM. 本発明の第11実施形態の不揮発性RAMのリコール動作を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the recall operation | movement of the non-volatile RAM of 11th Embodiment of this invention. 同不揮発性RAMにおいて列毎にVDCを立ち上げる回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit which raises VDC for every column in the non-volatile RAM. 本発明の第12実施形態の不揮発性RAMの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the non-volatile RAM of 12th Embodiment of this invention. 同不揮発性RAMに含まれる行選択回路2200−kの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of row selection circuit 2200-k contained in the non-volatile RAM. 本発明の第13実施形態の不揮発性RAMの要部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the principal part of the non-volatile RAM of 13th Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
(A:第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態の不揮発性RAMの不揮発性メモリセル10Aの構成例を示す回路図である。この不揮発性メモリセル10Aは、揮発性記憶部11と、不揮発性記憶部12Aとを有する。揮発性記憶部11は、通常のSRAMにおいて揮発性メモリセルとして用いられるものと同様の構成を有している。より具体的には、揮発性記憶部11は、Pチャネル電界効果トランジスタ(以下、「電界効果トランジスタ」を単に「トランジスタ」と略記する)P1およびNチャネルトランジスタN1からなるインバータINV1と、PチャネルトランジスタP2およびNチャネルトランジスタN2からなるインバータINV2と、トランスファーゲートとしてのNチャネルトランジスタTa1およびTa2を有している。ここで、インバータINV1およびINV2は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号としており、フリップフロップを構成している。このフリップフロップは、当該揮発性記憶部11の専用電源電圧(以下、メモリセル電圧)として高電位側電圧VDCを供給するための第1の電源ノードと低電位側電源電圧VSSを供給するための第2の電源ノードとの間に介挿されている。NチャネルトランジスタTa1は、インバータINV1の出力ノードV1とビット線BLとの間に介挿されている。また、NチャネルトランジスタTa2は、インバータINV2の出力ノードV2とビット線BLBとの間に介挿されている。NチャネルトランジスタTa1およびTa2の各々のゲートは行選択線WLに接続されている。NチャネルトランジスタTa1およびTa2は、行選択線WLが選択状態(行選択線WLに選択レベルの電圧(本実施形態では、1.2V)が印加された状態)になることによりONとなる。これにより、ビット線BLおよびBLBを介した揮発性記憶部11のフリップフロップへのデータの書き込みと、揮発性記憶部11のフリップフロップからビット線BLおよびBLBへのデータの読み出しが可能になる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(A: 1st Embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a nonvolatile memory cell 10A of the nonvolatile RAM according to the first embodiment of the present invention. The nonvolatile memory cell 10A includes a volatile storage unit 11 and a nonvolatile storage unit 12A. The volatile storage unit 11 has the same configuration as that used as a volatile memory cell in a normal SRAM. More specifically, the volatile memory unit 11 includes an inverter INV1 including a P-channel field effect transistor (hereinafter, “field effect transistor” is simply abbreviated as “transistor”) P1 and an N-channel transistor N1, and a P-channel transistor. It has an inverter INV2 composed of P2 and an N-channel transistor N2, and N-channel transistors Ta1 and Ta2 as transfer gates. Here, the inverters INV1 and INV2 use the output signals of the other party as input signals for each other, and constitute a flip-flop. This flip-flop supplies a first power supply node for supplying a high potential side voltage VDC and a low potential side power supply voltage VSS as a dedicated power supply voltage (hereinafter referred to as a memory cell voltage) of the volatile storage unit 11. It is inserted between the second power supply node. The N channel transistor Ta1 is interposed between the output node V1 of the inverter INV1 and the bit line BL. The N-channel transistor Ta2 is interposed between the output node V2 of the inverter INV2 and the bit line BLB. The gates of N channel transistors Ta1 and Ta2 are connected to row select line WL. The N-channel transistors Ta1 and Ta2 are turned on when the row selection line WL is in a selected state (a state where a voltage of a selection level (1.2 V in this embodiment) is applied to the row selection line WL). As a result, data can be written to the flip-flop of the volatile storage unit 11 via the bit lines BL and BLB, and data can be read from the flip-flop of the volatile storage unit 11 to the bit lines BL and BLB.

不揮発性記憶部12Aは、スイッチとしてのNチャネルトランジスタTwと、抵抗変化型素子R1およびR2と、キャパシタC1およびC2と、を有している。抵抗変化型素子R1、NチャネルトランジスタTwおよび抵抗変化型素子R2は出力ノードV1と出力ノードV2との間に直列に介挿されている。抵抗変化型素子R1およびR2は前述したMTJ素子である。抵抗変化型素子R1のピン層側はインバータINV1の出力ノードV1に接続されており、同フリー層側はNチャネルトランジスタTwに接続されている。抵抗変化型素子R2のピン層側はインバータINV2の出力ノードV2に接続されており、同フリー層側はNチャネルトランジスタTwに接続されている。そして、抵抗変化型素子R1とNチャネルトランジスタTwとの共通接続点と上記第2の電源ノードとの間にはキャパシタC1が介挿されており、抵抗変化型素子R2とNチャネルトランジスタTwとの共通接続点と同第2の電源ノードの間にはキャパシタC2が介挿されている。そして、NチャネルトランジスタTwのゲートには、抵抗変化型素子R1およびR2にデータを記憶(ストア)するときに選択レベルとされるストアイネーブル信号STEが与えられる。   The nonvolatile memory unit 12A includes an N-channel transistor Tw as a switch, variable resistance elements R1 and R2, and capacitors C1 and C2. The variable resistance element R1, the N-channel transistor Tw, and the variable resistance element R2 are interposed in series between the output node V1 and the output node V2. The resistance variable elements R1 and R2 are the MTJ elements described above. The pin layer side of the resistance variable element R1 is connected to the output node V1 of the inverter INV1, and the free layer side is connected to the N-channel transistor Tw. The pin layer side of the resistance variable element R2 is connected to the output node V2 of the inverter INV2, and the free layer side is connected to the N-channel transistor Tw. A capacitor C1 is interposed between the common connection point between the resistance variable element R1 and the N channel transistor Tw and the second power supply node, and the resistance variable element R2 and the N channel transistor Tw are connected to each other. A capacitor C2 is interposed between the common connection point and the second power supply node. Then, a store enable signal STE that is at a selection level when data is stored (stored) in resistance change elements R1 and R2 is applied to the gate of N channel transistor Tw.

不揮発性メモリセル10Aの動作の概略は以下の通りである。通常時は、ストアイネーブル信号STEは非選択レベル(0V)であり、NチャネルトランジスタTwはOFFになっている。NチャネルトランジスタTwがOFFとなっているため、抵抗変化型素子R1およびR2は切り離されており、不揮発性メモリセル10AはSRAMとして動作する。これに対して、電源を切断するときは、揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶されているデータを不揮発性記憶部12Aに退避させる必要がある。このため、電源を切断する際には、まず、ストアイネーブル信号STEを選択レベル(1.2V)にしてNチャネルトランジスタTwをONさせ、揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶されているデータを不揮発性記憶部12Aに退避してから電源を遮断する。これをストアと定義する。そして、電源投入時は、ストアイネーブル信号STEを非選択レベル(0V)とし、メモリセル電圧VDCの立ち上がり時に、不揮発性記憶部12Aに記憶されたデータを揮発性記憶部11のフリップフロップに転送する。これをリコールと定義する。リコールが完了した後は、不揮発性メモリセル10Aは通常のSRAMとして動作を行う。このように、本実施形態の不揮発性メモリセル10Aは、電源切断時にストアを行い、電源投入時にリコールを行うことで不揮発性メモリとして動作するのである。   The outline of the operation of the nonvolatile memory cell 10A is as follows. At normal times, the store enable signal STE is at the non-selection level (0 V), and the N-channel transistor Tw is OFF. Since the N-channel transistor Tw is OFF, the resistance change elements R1 and R2 are disconnected, and the nonvolatile memory cell 10A operates as an SRAM. On the other hand, when the power is turned off, it is necessary to save the data stored in the flip-flop of the volatile storage unit 11 to the nonvolatile storage unit 12A. Therefore, when the power is turned off, first, the store enable signal STE is set to the selection level (1.2 V), the N-channel transistor Tw is turned on, and the data stored in the flip-flop of the volatile storage unit 11 is stored. The power supply is shut off after saving to the nonvolatile storage unit 12A. This is defined as a store. When the power is turned on, the store enable signal STE is set to the non-selection level (0 V), and the data stored in the nonvolatile storage unit 12A is transferred to the flip-flop of the volatile storage unit 11 when the memory cell voltage VDC rises. . This is defined as recall. After the recall is completed, the nonvolatile memory cell 10A operates as a normal SRAM. As described above, the nonvolatile memory cell 10A according to this embodiment operates as a nonvolatile memory by storing when the power is turned off and recalling when the power is turned on.

図2は、チップの電源電圧VDD=1.2Vの場合の不揮発性メモリセル10Aの動作条件を示す図である。以下、図2を参照しつつ不揮発性メモリセル10Aの動作を説明する。揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶されているデータを不揮発性記憶部12Aにストアする場合には、図2に示すように、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、かつストアイネーブル信号STEを選択レベル(1.2V)にする。このとき、ビット線BLおよび反転ビット線BLBは選択状態/非選択状態の何れであっても良い(図2では、「Don’t care」を意味する「−」と表記)。例えば、揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“1”が保持されているのであれば、ノードV1の電圧は1.2Vになっており、ノードV2の電圧は0Vとなっている。この状態において、行選択線WLを非選択状態(0V)にし、ストアイネーブル信号STEを選択レベル(1.2V)にすると、NチャネルトランジスタTa1およびTa2はOFFに、NチャネルトランジスタTwはONになり、抵抗変化型素子R1→NチャネルトランジスタTw→抵抗変化型素子R2といった電流経路に沿ってノードV1(1.2V)からノードV2(0V)に電流が流れる。抵抗変化型素子R1ではピン層からフリー層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は高抵抗状態になり、抵抗変化型素子R2ではフリー層からピン層へ電流が流れるため、抵抗変化型素子R2は低抵抗状態になる。抵抗変化型素子R1およびR2の各々の抵抗状態は、電源切断後も維持される。これにより、データ“1”が不揮発性記憶部12Aにストアされる。   FIG. 2 is a diagram showing operating conditions of the nonvolatile memory cell 10A when the power supply voltage VDD of the chip is 1.2V. Hereinafter, the operation of the nonvolatile memory cell 10A will be described with reference to FIG. When the data stored in the flip-flop of the volatile storage unit 11 is stored in the nonvolatile storage unit 12A, as shown in FIG. 2, the row selection line WL is set to the non-selected state (0 V) and the store enable is performed. The signal STE is set to the selection level (1.2V). At this time, the bit line BL and the inverted bit line BLB may be in either a selected state or a non-selected state (indicated as “−” meaning “Don't care” in FIG. 2). For example, if data “1” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the voltage at the node V1 is 1.2V, and the voltage at the node V2 is 0V. In this state, when the row selection line WL is set to the non-selected state (0 V) and the store enable signal STE is set to the selection level (1.2 V), the N-channel transistors Ta1 and Ta2 are turned off and the N-channel transistor Tw is turned on. A current flows from the node V1 (1.2 V) to the node V2 (0 V) along a current path such as the resistance variable element R1 → the N-channel transistor Tw → the resistance variable element R2. In the resistance variable element R1, since a current flows from the pin layer to the free layer, the resistance variable element R1 enters a high resistance state, and in the resistance variable element R2, a current flows from the free layer to the pin layer. R2 enters a low resistance state. The resistance states of the resistance variable elements R1 and R2 are maintained even after the power is turned off. As a result, the data “1” is stored in the nonvolatile storage unit 12A.

揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“0”が保持されている場合には、ノードV1は0V、ノードV2は1.2Vとなっているため、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、かつストアイネーブル信号STEを選択レベルとすると、抵抗変化型素子R2→NチャネルトランジスタTw→抵抗変化型素子R1といった電流経路に沿ってノードV2(1.2V)からノードV1(0V)に電流が流れる。このとき、抵抗変化型素子R1ではフリー層からピン層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は低抵抗状態となり、抵抗変化型素子R2ではピン層からフリー層へ電流が流れるため、抵抗変化型素子R2は高抵抗状態になる。これにより、データ“0”が不揮発性記憶部12Aにストアされる。   When data “0” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the node V 1 is 0 V and the node V 2 is 1.2 V. Therefore, the row selection line WL is not selected (0 V). And the store enable signal STE is set to the selected level, the current flows from the node V2 (1.2 V) to the node V1 (0 V) along the current path of the resistance variable element R2 → the N channel transistor Tw → the resistance variable element R1. Flows. At this time, since a current flows from the free layer to the pinned layer in the resistance variable element R1, the resistance variable element R1 enters a low resistance state, and in the variable resistance element R2, a current flows from the pinned layer to the free layer. The mold element R2 enters a high resistance state. As a result, the data “0” is stored in the nonvolatile storage unit 12A.

次に、不揮発性記憶部12Aにストアされたデータを揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶させるリコール動作について説明する。このリコール動作においては、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、かつストアイネーブル信号STEを非選択レベル(0V)として、メモリセル電圧VDCを0Vから1.2Vに立ち上げる。メモリセル電圧VDCが0Vから1.2Vに立ちあがる過程では、ノードV1およびノードV2の電圧はともに0Vから1.2Vに立ち上がる。低電位側電源電圧VSSが供給される第2の電源ノードとノードV1の間には抵抗変化型素子R1およびキャパシタC1が直列に介挿されており、同第2の電源ノードとノードV2の間には抵抗変化型素子R2およびキャパシタC2が直列に介挿されている。このため、ノードV1から抵抗変化型素子R1を介してキャパシタC1に充電電流が流れ、ノードV2から抵抗変化型素子R2を介してキャパシタC2に充電電流が流れる。   Next, a recall operation for storing the data stored in the nonvolatile storage unit 12A in the flip-flop of the volatile storage unit 11 will be described. In this recall operation, the row selection line WL is set to the non-selected state (0V), the store enable signal STE is set to the non-selected level (0V), and the memory cell voltage VDC is raised from 0V to 1.2V. In the process in which the memory cell voltage VDC rises from 0V to 1.2V, the voltages at the nodes V1 and V2 both rise from 0V to 1.2V. A resistance variable element R1 and a capacitor C1 are inserted in series between the second power supply node to which the low-potential-side power supply voltage VSS is supplied and the node V1, and between the second power supply node and the node V2. A resistance variable element R2 and a capacitor C2 are inserted in series. Therefore, a charging current flows from the node V1 to the capacitor C1 via the resistance variable element R1, and a charging current flows from the node V2 to the capacitor C2 via the resistance variable element R2.

抵抗変化型素子R1が高抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が抵抵抗状態(すなわち、データ“1”が不揮発性記憶部12Aにストアされた状態)であれば、キャパシタC2の充電電流のほうがキャパシタC1の充電電流より大きくなり、ノードV1の電位とノードV2の電位に差が生じる。この電位差に応じて、揮発性記憶部11のフリップフロップのノードV1はHigh(1.2V)に、同ノードV2はLow(0V)に設定される。これにより、不揮発性記憶部12Aにストアされたデータ“1”の揮発性記憶部11のフリップフロップへのリコールが完了する。抵抗変化型素子R1が低抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が高抵抗状態(すなわち、データ“0”が不揮発性記憶部12にストアされた状態)の場合は、キャパシタC1の充電電流のほうがキャパシタC2の充電電流より大きくなり、ノードV1はLow(0V)にノードV2はHigh(1.2V)にラッチされ、リコールが終了する。   If the resistance variable element R1 is in the high resistance state and the resistance variable element R2 is in the resistance state (that is, the state where the data “1” is stored in the nonvolatile memory unit 12A), the charging current of the capacitor C2 Becomes larger than the charging current of the capacitor C1, and a difference occurs between the potential of the node V1 and the potential of the node V2. In accordance with this potential difference, the node V1 of the flip-flop of the volatile storage unit 11 is set to High (1.2V), and the node V2 is set to Low (0V). Thereby, the recall of the data “1” stored in the nonvolatile storage unit 12A to the flip-flop of the volatile storage unit 11 is completed. When the resistance variable element R1 is in the low resistance state and the resistance variable element R2 is in the high resistance state (that is, the state where the data “0” is stored in the nonvolatile memory unit 12), the charging current of the capacitor C1 Is larger than the charging current of the capacitor C2, the node V1 is latched to Low (0V) and the node V2 is latched to High (1.2V), and the recall ends.

ここで留意しなければならないのは、メモリセル電圧VDCの立ち上げ方に注意を要するという点である。本実施形態のリコール動作では、抵抗変化型素子を介してキャパシタを充電する微小な電流(過渡電流)の差を利用しているので、メモリセル電圧VDCの立ち上げが緩やかすぎると、ノードV1の電位とノードV2の電位に差が付きにくく、リコールに失敗する虞があるからである。メモリセル電圧VDCの立ち上げ時間については、抵抗変化型素子とキャパシタとの時定数を考慮して決定することが好ましく、時定数を大きくするにはキャパシタの電気容量を大きくすれば良い。しかし、キャパシタの電気容量を大きくするとレイアウト面積が大きくなる欠点があるので、例えば、メモリセル電圧VDCの立ち上げ時間は10ns〜1μs程度に設定するのが好ましい。   It should be noted here that attention must be paid to how to raise the memory cell voltage VDC. In the recall operation of the present embodiment, since a minute difference (transient current) that charges the capacitor through the resistance variable element is used, if the rise of the memory cell voltage VDC is too gradual, the node V1 This is because the difference between the potential and the potential of the node V2 is unlikely to occur, and the recall may fail. The rise time of the memory cell voltage VDC is preferably determined in consideration of the time constant between the resistance variable element and the capacitor. To increase the time constant, the capacitance of the capacitor may be increased. However, since the layout area increases when the capacitance of the capacitor is increased, for example, the rise time of the memory cell voltage VDC is preferably set to about 10 ns to 1 μs.

不揮発性メモリセル10A(より正確には、揮発性記憶部11)からのデータ読み出し動作は、通常のSRAMにおけるデータの読み出し動作と同じである。この場合、不揮発性メモリセル10Aは、6個のトランジスタからなる構成(以下、6Tr構成と略記)のSRAMとして動作するので、スタティックノイズマージンの広いSRAMとして動作する。また、不揮発性メモリセル10Aへのデータ書き込みは通常のRAMと全く同じであるので、ここでは、詳細な説明を省略する。   The data read operation from the nonvolatile memory cell 10A (more precisely, the volatile storage unit 11) is the same as the data read operation in a normal SRAM. In this case, the nonvolatile memory cell 10A operates as an SRAM having a configuration including six transistors (hereinafter abbreviated as 6Tr configuration), and thus operates as an SRAM having a wide static noise margin. In addition, since data writing to the nonvolatile memory cell 10A is exactly the same as a normal RAM, detailed description is omitted here.

以上説明したように本実施形態の不揮発性メモリセル10Aの不揮発性記憶部12Aは、2個の抵抗変化型素子、2個のキャパシタおよび1個のスイッチ(トランジスタ)といった少ない素子数で構成されている。また、抵抗変化型素子R1およびR2としてMTJ素子を用いたため、これら抵抗変化型素子の抵抗状態を変化させる際に必要となる素子間電圧は0.6V程度であり、これら素子に流れる電流は49μA程度である。このように本実施形態によれば、ストア時またはリコール時に抵抗変化型素子に流す電流が少なくて済むので、面積が小さくて安価な不揮発性メモリのチップを実現することができる。また、不揮発性メモリセル10Aからのデータ読み出し動作および書き込み動作は通常のSRAMにおけるものと同一であり、データの書き込み動作および読み出し動作を高速に行うことができるとともに、広いスタティックノイズマージンを確保することができる。   As described above, the nonvolatile memory unit 12A of the nonvolatile memory cell 10A of the present embodiment is configured with a small number of elements such as two resistance change elements, two capacitors, and one switch (transistor). Yes. Further, since the MTJ elements are used as the resistance change elements R1 and R2, the inter-element voltage required for changing the resistance state of these resistance change elements is about 0.6 V, and the current flowing through these elements is 49 μA. Degree. As described above, according to the present embodiment, since a small amount of current flows through the resistance variable element at the time of storing or recalling, it is possible to realize an inexpensive nonvolatile memory chip with a small area. Further, the data read operation and write operation from the nonvolatile memory cell 10A are the same as those in a normal SRAM, and the data write operation and read operation can be performed at a high speed and a wide static noise margin is ensured. Can do.

(B:第2実施形態)
図3は本発明の第2実施形態の不揮発性メモリセル10Bの構成例を示す回路図である。
図3では図1と同一の構成要素には同一の符号が付されている。図3と図1とを対比すれば明らかなように、不揮発性メモリセル10Bの構成は不揮発性記憶部12Aに代えて不揮発性記憶部12Bを設けた点が不揮発性メモリセル10Aの構成と異なる。そして、本実施形態の不揮発性記憶部12Bでは、抵抗変化型素子R1とキャパシタC1がノードV1とメモリセル電圧VDCの与えられる電源ノードの間に直列に介挿されている点と、抵抗変化型素子R2とキャパシタC2がノードV2と同電源ノードの間に直列に介挿されている点が不揮発性記憶部12Aと異なり、さらに、抵抗変化型素子R1のフリー層側がノードV1に接続されており、抵抗変化型素子R2のフリー層側がノードV2に接続されている点も図1の不揮発性記憶部12Aと異なる。
(B: Second embodiment)
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the nonvolatile memory cell 10B according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 3, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. As apparent from a comparison between FIG. 3 and FIG. 1, the configuration of the nonvolatile memory cell 10B is different from the configuration of the nonvolatile memory cell 10A in that a nonvolatile memory unit 12B is provided instead of the nonvolatile memory unit 12A. . In the nonvolatile memory unit 12B of this embodiment, the resistance variable element R1 and the capacitor C1 are inserted in series between the node V1 and the power supply node to which the memory cell voltage VDC is applied, and the resistance variable Unlike the nonvolatile memory unit 12A, the element R2 and the capacitor C2 are inserted in series between the node V2 and the same power supply node, and the free layer side of the resistance variable element R1 is connected to the node V1. The point that the free layer side of the resistance variable element R2 is connected to the node V2 is also different from the nonvolatile memory unit 12A of FIG.

図4は、不揮発性メモリセル10Bの動作条件を示す図である。以下、図4を参照しつつ不揮発性メモリセル10Bの動作を説明する。揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶されているデータを不揮発性記憶部12Bにストアする場合には、第1実施形態における場合と同様に、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、かつストアイネーブル信号STEを選択レベル(1.2V)にする。揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“1”が保持されているのであれば、ノードV1の電圧は1.2Vになっており、ノードV2の電圧は0Vとなっている。この状態において、行選択線WLを非選択状態(0V)にし、ストアイネーブル信号STEを選択レベル(1.2V)にすると、NチャネルトランジスタTa1およびTa2はOFFになり、NチャネルトランジスタTwはONになる。このため、抵抗変化型素子R1→NチャネルトランジスタTw→抵抗変化型素子R2といった電流経路に沿ってノードV1(1.2V)からノードV2(0V)に電流が流れる。抵抗変化型素子R1ではフリー層からピン層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は低抵抗状態になり、抵抗変化型素子R2ではピン層からフリー層へ電流が流れるため、抵抗変化型素子R2は高抵抗状態になる。これにより、データ“1”が不揮発性記憶部12Bにストアされる。   FIG. 4 is a diagram showing operating conditions of the nonvolatile memory cell 10B. Hereinafter, the operation of the nonvolatile memory cell 10B will be described with reference to FIG. When the data stored in the flip-flop of the volatile storage unit 11 is stored in the nonvolatile storage unit 12B, the row selection line WL is set to the non-selected state (0 V) as in the first embodiment, The store enable signal STE is set to the selection level (1.2 V). If data “1” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the voltage of the node V1 is 1.2V, and the voltage of the node V2 is 0V. In this state, when the row selection line WL is set to the non-selected state (0 V) and the store enable signal STE is set to the selection level (1.2 V), the N-channel transistors Ta1 and Ta2 are turned off and the N-channel transistor Tw is turned on. Become. Therefore, a current flows from the node V1 (1.2 V) to the node V2 (0 V) along the current path of the resistance variable element R1 → the N channel transistor Tw → the resistance variable element R2. In the resistance variable element R1, since a current flows from the free layer to the pin layer, the resistance variable element R1 enters a low resistance state, and in the resistance variable element R2, a current flows from the pin layer to the free layer. R2 enters a high resistance state. As a result, the data “1” is stored in the nonvolatile storage unit 12B.

揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“0”が保持されている場合には、ノードV1は0V、ノードV2は1.2Vとなっているため、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、かつストアイネーブル信号STEを選択レベル(1.2V)とすると、抵抗変化型素子R2→NチャネルトランジスタTw→抵抗変化型素子R1といった電流経路に沿ってノードV2(1.2V)からノードV1(0V)に電流が流れる。このとき、抵抗変化型素子R1ではピン層からフリー層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は高抵抗状態となり、抵抗変化型素子R2ではフリー層からピン層へ電流が流れるため抵抗変化型素子R2は低抵抗状態になる。これにより、データ“0”が不揮発性記憶部12にストアされる。 When data “0” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the node V 1 is 0 V and the node V 2 is 1.2 V. Therefore, the row selection line WL is not selected (0 V). And the store enable signal STE is at the selection level (1.2 V), the node V2 (1.2 V) to the node V1 along the current path of the resistance variable element R2 → N-channel transistor Tw → resistance variable element R1. Current flows at (0V). At this time, since a current flows from the pinned layer to the free layer in the resistance variable element R1, the resistance variable element R1 enters a high resistance state, and in the resistance variable element R2, a current flows from the free layer to the pinned layer. Element R2 is in a low resistance state. Thus, data "0" is stored in the nonvolatile memory unit 12 B.

次に、不揮発性記憶部12Bにストアされたデータを揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶させるリコール動作について説明する。このリコール動作においては、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、かつストアイネーブル信号STEを非選択レベル(0V)とした状態でメモリセル電圧VDCを0Vから1.2Vに立ち上げる。メモリセル電圧VDCが0Vから1.2Vに立ちあがる過程では、ノードV1およびノードV2の電圧はともに0Vから1.2Vに立ち上がる。メモリセル電圧VDCを与えられる電源ノードとノードV1の間にはキャパシタC1と抵抗変化型素子R1が直列に介挿されており、同電源ノードとノードV2の間にはキャパシタC2と抵抗変化型素子R2が直列に介挿されている。このため、ノードV1の電位はキャパシタC1と抵抗変化型素子R1の働きにより上記電源ノードの電位に向けて上昇し、ノードV2の電位もキャパシタC2と抵抗変化型素子R2の働きにより上記電源ノードの電位に向けて上昇する。   Next, a recall operation for storing the data stored in the nonvolatile storage unit 12B in the flip-flop of the volatile storage unit 11 will be described. In this recall operation, the memory cell voltage VDC is raised from 0V to 1.2V with the row selection line WL set to the non-selected state (0V) and the store enable signal STE set to the non-selected level (0V). In the process in which the memory cell voltage VDC rises from 0V to 1.2V, the voltages at the nodes V1 and V2 both rise from 0V to 1.2V. A capacitor C1 and a resistance variable element R1 are interposed in series between a power supply node to which the memory cell voltage VDC is applied and the node V1, and a capacitor C2 and a resistance variable element are interposed between the power supply node and the node V2. R2 is inserted in series. For this reason, the potential of the node V1 rises toward the potential of the power supply node by the action of the capacitor C1 and the resistance variable element R1, and the potential of the node V2 also increases by the action of the capacitor C2 and the resistance variable element R2. It rises toward the potential.

抵抗変化型素子R1が低抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が高抵抗状態(すなわち、データ“1”が不揮発性記憶部12Bにストアされた状態)であれば、ノードV1の電位のほうがノードV2の電位に比較して上昇し易く、ノードV1の電位とノードV2の電位に差が生じ、揮発性記憶部11のフリップフロップのノードV1はHigh(1.2V)に、同ノードV2はLow(0V)に設定される。これにより、不揮発性記憶部12にストアされたデータ“1”の揮発性記憶部11のフリップフロップへのリコールが完了する。抵抗変化型素子R1が低抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が高抵抗状態(すなわち、データ“0”が不揮発性記憶部12にストアされた状態)の場合は、ノードV2の電位のほうがノードV1の電位よりも上昇し易く、ノードV1はLow(0V)にノードV2はHigh(1.2V)にラッチされ、リコールが終了する。 If the resistance variable element R1 is in the low resistance state and the resistance variable element R2 is in the high resistance state (that is, the state where the data “1” is stored in the nonvolatile storage unit 12B), the potential of the node V1 Is more likely to rise than the potential of the node V2, and a difference occurs between the potential of the node V1 and the potential of the node V2, and the node V1 of the flip-flop of the volatile storage unit 11 is set to High (1.2 V), and the node V2 Is set to Low (0 V). Thereby, the recall of the data “1” stored in the nonvolatile storage unit 12 B to the flip-flop of the volatile storage unit 11 is completed. When the resistance variable element R1 is in the low resistance state and the resistance variable element R2 is in the high resistance state (that is, the state where the data “0” is stored in the nonvolatile storage unit 12), the potential of the node V2 This is more likely to rise than the potential of the node V1, and the node V1 is latched low (0V) and the node V2 is latched high (1.2V), and the recall ends.

本実施形態においても、抵抗変化型素子を介してキャパシタを充電する微小な電流(過渡電流)の差を利用してリコールを実現しているので、不揮発性メモリセルの電源電圧VDCの立ち上げ方に注意を要することは、上記第1実施形態と同様である。また、不揮発性メモリセル10B(より正確には、揮発性記憶部11)からのデータ読み出し動作が通常のSRAM動作と同じであることは上記第1実施形態の不揮発性メモリセル10Aと同様であり、6Tr構成のSRAMとして動作するので不揮発性メモリセル10Bがスタティックノイズマージンの広いSRAMとして動作する点も上記第1実施形態と同様である。また、不揮発性メモリセル10Bへのデータ書き込みも、上記第1実施形態と同様に通常のSRAMと全く同じであるので詳細な説明を省略する。   In the present embodiment as well, recall is realized by utilizing the difference in a minute current (transient current) that charges the capacitor via the resistance variable element, so that the power supply voltage VDC of the nonvolatile memory cell is raised. It is the same as in the first embodiment that attention should be paid to the above. Further, the data read operation from the nonvolatile memory cell 10B (more precisely, the volatile storage unit 11) is the same as the normal SRAM operation, as in the nonvolatile memory cell 10A of the first embodiment. The non-volatile memory cell 10B operates as an SRAM having a wide static noise margin because it operates as a 6Tr configuration SRAM, and is the same as in the first embodiment. Further, since data writing to the nonvolatile memory cell 10B is exactly the same as a normal SRAM as in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

本実施形態によっても、不揮発性メモリセル10Bからのデータ読み出し動作および書き込み動作は通常のSRAMにおけるものと同一であり、データの書き込み動作および読み出し動作を高速に行うことができるとともに、広いスタティックノイズマージンを確保することができる。また、面積が小さくて安価な不揮発性メモリのチップを実現することができる点も第1実施形態と同様である。   Also in this embodiment, the data read operation and write operation from the nonvolatile memory cell 10B are the same as those in a normal SRAM, and the data write operation and read operation can be performed at a high speed, and a wide static noise margin is provided. Can be secured. Further, the point that an inexpensive non-volatile memory chip can be realized is the same as in the first embodiment.

(C:第3実施形態)
図5は、この発明の第3実施形態である不揮発性RAMの全体構成を示すブロック図である。図5において、不揮発性メモリセルアレイ100は、上記第1実施形態の不揮発性メモリセル10Aを行列状に配列して構成されている。この例では、不揮発性メモリセルアレイ100のメモリ容量は64Mビット(4M×16ビット)である。
(C: Third embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing an overall configuration of a nonvolatile RAM according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, a nonvolatile memory cell array 100 is configured by arranging the nonvolatile memory cells 10A of the first embodiment in a matrix. In this example, the memory capacity of the nonvolatile memory cell array 100 is 64M bits (4M × 16 bits).

制御回路500は、外部から与えられるチップイネーブル信号CEB、ストア信号STR、リコール信号RCL、出力許可信号OEBに応じて、不揮発性RAM内の各部を制御する回路である。ここで、チップイネーブル信号CEB、出力許可信号OEBは、通常のSRAMに使用される制御信号である。ストア信号STRおよびリコール信号RCLは、本実施形態に特有の制御信号である。ストア信号STRは不揮発性RAMにストアを行わせるときにHレベル(この例では、1.2V)とされる制御信号であり、リコール信号RCLは、不揮発性RAMにリコールを行わせるときにHレベルとされる制御信号である。制御回路500は、ストア信号STRおよびリコール信号RCLに応じて制御信号STRB、RCLB、RSTBを生成し行デコーダ200に与える。制御信号STRBはストア信号STRを論理反転した信号であり、制御信号RCLBはリコール信号RCLを論理反転した信号である。制御信号RSTBは、制御回路500に外部から与えられるリセット信号RSTを論理反転した信号である。   The control circuit 500 is a circuit that controls each part in the nonvolatile RAM in accordance with a chip enable signal CEB, a store signal STR, a recall signal RCL, and an output permission signal OEB given from the outside. Here, the chip enable signal CEB and the output permission signal OEB are control signals used in a normal SRAM. The store signal STR and the recall signal RCL are control signals unique to this embodiment. The store signal STR is a control signal that is set to H level (1.2 V in this example) when storing data in the nonvolatile RAM, and the recall signal RCL is set to H level when recalling data to the nonvolatile RAM. Control signal. Control circuit 500 generates control signals STRB, RCLB, RSTB in response to store signal STR and recall signal RCL, and provides them to row decoder 200. The control signal STRB is a signal obtained by logically inverting the store signal STR, and the control signal RCLB is a signal obtained by logically inverting the recall signal RCL. The control signal RSTB is a signal obtained by logically inverting the reset signal RST given from the outside to the control circuit 500.

アドレス入力回路950は、制御回路500による制御の下、不揮発性メモリセルアレイ100内のアクセス先を指定するアドレスA0〜A23を受け取って保持する回路である。このアドレスA0〜A23は、不揮発性メモリセルアレイ100内において、アクセス先が属する行を指定する行アドレスと、アクセス先が属する列を指定する列アドレスに区分されている。   The address input circuit 950 is a circuit that receives and holds addresses A0 to A23 that specify access destinations in the nonvolatile memory cell array 100 under the control of the control circuit 500. In the nonvolatile memory cell array 100, the addresses A0 to A23 are divided into a row address that specifies the row to which the access destination belongs and a column address that specifies the column to which the access destination belongs.

行デコーダ200は、行アドレスをデコードし、デコード結果に従って不揮発性メモリセルアレイ100の各行の中の1つを選択する。また、列デコーダ300は、列アドレスをデコードし、デコード結果に従って不揮発性メモリセルアレイ100の各列の中の1つを選択する。カラムゲート400は、ライトアクセス時にはデータ入力回路800を、リードアクセス時にはセンスアンプ600を、列デコーダ300によって選択された列のビット線に接続する。センスアンプ600は、リードアクセス時にカラムゲート400を介して供給されるビット線上の電圧を増幅し、入出力バッファ700に出力する回路である。データ入力回路800は、ライトアクセス時に入出力バッファ700を介して供給される書込データに応じたデータ電圧をカラムゲート400に供給する回路である。入出力バッファ700は、16ビットの書込データを外部から受け取ってデータ入力回路800に供給し、センスアンプ600の出力信号に基づいて16ビットの読出データを外部に出力する16個の双方向入出力回路により構成されている。   The row decoder 200 decodes the row address and selects one of the rows of the nonvolatile memory cell array 100 according to the decoding result. The column decoder 300 decodes the column address and selects one of the columns of the nonvolatile memory cell array 100 according to the decoding result. The column gate 400 connects the data input circuit 800 at the time of write access and the sense amplifier 600 at the time of read access to the bit line of the column selected by the column decoder 300. The sense amplifier 600 is a circuit that amplifies the voltage on the bit line supplied through the column gate 400 at the time of read access and outputs the amplified voltage to the input / output buffer 700. The data input circuit 800 is a circuit that supplies the column gate 400 with a data voltage corresponding to write data supplied via the input / output buffer 700 during write access. Input / output buffer 700 receives 16-bit write data from the outside, supplies it to data input circuit 800, and outputs 16-bit read data to the outside based on the output signal of sense amplifier 600. An output circuit is used.

行デコーダ200には、通常のSRAMの行デコーダの機能に加えて、本実施形態に特有の機能が設けられている。すなわち、本実施形態における行デコーダ200は、不揮発性メモリセルアレイ100における所望の不揮発性メモリセル10Aを行単位で選択し、当該不揮発性メモリセルのNチャネルトランジスタTa1およびTa2をOFF、NチャネルトランジスタTwをONとして当該不揮発性メモリセル10Aの揮発性記憶部11から不揮発性記憶部12Aへデータを書き込むストアを行わせるストア制御手段と、不揮発性メモリセルアレイ100における所望の不揮発性メモリセル10Aを行単位で選択し、当該不揮発性メモリセル10AのNチャネルトランジスタTa1、Ta2およびTwをOFFとし、さらに、当該不揮発性メモリセル10Aに対するメモリセル電圧VDCを立ち上げることにより、当該不揮発性メモリセル10Aの不揮発性記憶部12Aから揮発性記憶部11へデータを書き込むリコールを行わせるリコール制御手段としての機能を有している。VDC回路900はメモリセル電圧VDCを発生する回路である。本実施形態では、リコール時には、全ての不揮発性メモリセルを同時にリコールするために、全ての不揮発性メモリセルに共通のVDC回路900が設けられている。VDD検知回路960は、予期せぬ電源遮断に対応するために設けられている。VDD検知回路960は、電源電圧VDDの立ち上がりを検知してパワーオン信号PONを制御回路500にパルス出力し、電源電圧VDDが低下したことを検知すると、LowVDD信号を制御回路500へ出力する。   The row decoder 200 is provided with a function specific to the present embodiment in addition to the function of a normal SRAM row decoder. That is, the row decoder 200 in this embodiment selects a desired nonvolatile memory cell 10A in the nonvolatile memory cell array 100 in units of rows, turns off the N-channel transistors Ta1 and Ta2 of the nonvolatile memory cell, and turns off the N-channel transistor Tw. Is turned ON, store control means for storing data from the volatile storage unit 11 of the nonvolatile memory cell 10A to the nonvolatile storage unit 12A, and a desired nonvolatile memory cell 10A in the nonvolatile memory cell array 100 in units of rows The N-channel transistors Ta1, Ta2 and Tw of the nonvolatile memory cell 10A are turned off, and the memory cell voltage VDC for the nonvolatile memory cell 10A is further raised, whereby the nonvolatile memory cell 10A Volcano It has a function as a recall control means for causing the recall of writing data from the sexual storage unit 12A to the volatile storage unit 11. The VDC circuit 900 is a circuit that generates a memory cell voltage VDC. In the present embodiment, a VDC circuit 900 common to all the nonvolatile memory cells is provided in order to recall all the nonvolatile memory cells at the time of recall. The VDD detection circuit 960 is provided to cope with an unexpected power shutdown. The VDD detection circuit 960 detects the rise of the power supply voltage VDD, outputs a pulse of the power-on signal PON to the control circuit 500, and outputs a LowVDD signal to the control circuit 500 when detecting that the power supply voltage VDD has decreased.

図6は本実施形態による不揮発性RAMの具体的な構成例を示すブロック図である。なお、この図6では、図面が煩雑になるのを防止するため、1ビット分のデータの記憶および入出力に関連した構成のみが図示されている。実際の不揮発性RAMは、図6に示された不揮発性メモリセルアレイ100やカラムゲート400等を16ビット分並列化した構成となっている。   FIG. 6 is a block diagram showing a specific configuration example of the nonvolatile RAM according to the present embodiment. In FIG. 6, only the configuration related to storage and input / output of 1-bit data is shown in order to prevent the drawing from becoming complicated. The actual nonvolatile RAM has a configuration in which the nonvolatile memory cell array 100 and the column gate 400 shown in FIG.

図6において、不揮発性メモリセルアレイ100は、上記第1実施形態(図1)の不揮発性メモリセル10Aを不揮発性メモリセルMkjとし、この不揮発性メモリセルMkjをm+1行n+1列からなる行列状に配列したものである。不揮発性メモリセルアレイ100の最小単位は、高速性、メモリ容量の規模にもよるが、一般的には、例えば、m=1024、n=512として、512Kビット位に分割する。本例の場合には、メモリ容量が64Mビットなので、この最小メモリアレイを、128個設けることになる。   In FIG. 6, the nonvolatile memory cell array 100 uses the nonvolatile memory cells 10A of the first embodiment (FIG. 1) as nonvolatile memory cells Mkj, and the nonvolatile memory cells Mkj are arranged in a matrix of m + 1 rows and n + 1 columns. It is an arrangement. Although the minimum unit of the non-volatile memory cell array 100 depends on the high speed and the scale of the memory capacity, generally, for example, m = 1024 and n = 512 are divided into 512K bits. In this example, since the memory capacity is 64 Mbits, 128 minimum memory arrays are provided.

不揮発性メモリセルアレイ100では、行列状に配列された不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各列jに沿って、互いに対をなすビット線BITjおよびBITjBが配線されている。ここで、ビット線BITjには、列jに属するm+1個の不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m)のNチャネルトランジスタTa1のソースが各々接続され、ビット線BITjBには、列jに属するm+1個の不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m)のNチャネルトランジスタTa2のソースが各々接続されている。   In the nonvolatile memory cell array 100, a pair of bit lines BITj and BITjB are wired along each column j of nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) arranged in a matrix. Has been. Here, the sources of the N-channel transistors Ta1 of m + 1 nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m) belonging to the column j are connected to the bit line BITj, respectively, and the bit line BITjB belongs to the column j. The sources of N-channel transistors Ta2 of m + 1 nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m) are connected to each other.

また、不揮発性メモリセルアレイ100では、行列状に配列された不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各行kに沿って、行選択電圧WLkを供給する信号線と、ストアイネーブル信号STEkを供給するための信号線が配線されている。行選択電圧WLkは、行kに属するn+1個の不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)のNチャネルトランジスタTa1およびTa2(図1参照)の各ゲートに供給される。また、ストアイネーブル信号STEkは、行kに属するn+1個の不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)のNチャネルトランジスタTw(図1参照)の各ゲートに供給される。そして、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々におけるPチャネルトランジスタP1およびP2のソース同士の接続ノードには、VDC回路900からメモリセル電圧VDCが供給され、NチャネルトランジスタN1およびN2のソース同士の接続ノードには低電位側電源電圧VSSが供給される。   In the nonvolatile memory cell array 100, a signal line for supplying a row selection voltage WLk along each row k of the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) arranged in a matrix. A signal line for supplying the store enable signal STEk is wired. Row selection voltage WLk is supplied to the gates of N channel transistors Ta1 and Ta2 (see FIG. 1) of n + 1 nonvolatile memory cells Mkj (j = 0 to n) belonging to row k. The store enable signal STEk is supplied to each gate of the N-channel transistor Tw (see FIG. 1) of the n + 1 nonvolatile memory cells Mkj (j = 0 to n) belonging to the row k. The memory cell voltage VDC is supplied from the VDC circuit 900 to the connection node between the sources of the P-channel transistors P1 and P2 in each of the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n). The low potential side power supply voltage VSS is supplied to the connection node between the sources of the N channel transistors N1 and N2.

カラムゲート400は、不揮発性メモリセルアレイ100の各列j(j=0〜n)に対応付けられたn+1組のNチャネルの列選択トランジスタCGj(j=0〜n)およびCGjB(j=0〜n)の組を有している。列jに対応した列選択トランジスタCGjおよびCGjBは、列選択電圧COLjがHレベルとなることによりONとなり、ビット線BITjおよびBITjBをデータ入力回路800およびセンスアンプ600に接続する。   The column gate 400 includes n + 1 sets of N-channel column selection transistors CGj (j = 0 to n) and CGjB (j = 0 to 0) associated with the respective columns j (j = 0 to n) of the nonvolatile memory cell array 100. n). Column selection transistors CGj and CGjB corresponding to column j are turned on when column selection voltage COLj becomes H level, and bit lines BITj and BITjB are connected to data input circuit 800 and sense amplifier 600.

列選択回路300−j(j=0〜n)は、不揮発性メモリセルアレイ100の各列j(j=0〜n)に対応付けて設けられている。図5の列デコーダ300は、これらn+1個の列選択回路300−j(j=0〜n)により構成されている。列jに対応した列選択回路300−jは、列アドレスが当該列jを示す場合にLレベル(0V)の信号を出力する列アドレス一致検出部301と、この列アドレス一致検出部301の出力信号がLレベルであるときにHレベルの行選択電圧COLjを出力し、列jに対応したカラムゲートトタンジスタCGjおよびCGjBをONにするインバータ302とにより構成されている。   The column selection circuit 300-j (j = 0 to n) is provided in association with each column j (j = 0 to n) of the nonvolatile memory cell array 100. The column decoder 300 in FIG. 5 includes these n + 1 column selection circuits 300-j (j = 0 to n). The column selection circuit 300-j corresponding to the column j includes a column address match detection unit 301 that outputs an L level (0V) signal when the column address indicates the column j, and an output of the column address match detection unit 301. When the signal is at the L level, the inverter 302 outputs an H level row selection voltage COLj and turns on the column gate transistors CGj and CGjB corresponding to the column j.

行選択回路200−k(k=0〜m)は、不揮発性メモリセルアレイ100の各行k(k=0〜m)に対応付けて設けられている。図5の行デコーダ200は、これらm+1個の行選択回路200−kにより構成されている。行kに対応した行選択回路200−kは、通常のSRAMとしての動作モードでは、行アドレスが当該行kを示す場合に、行選択電圧WLkをHレベルとし、当該行kに属するn+1個の不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)のNチャネルトランジスタTa1およびTa2(図1参照)をONにする。また、行kに対応した行選択回路200−kは、当該行kに属するn+1個の不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)に供給するストアイネーブル信号STEkの出力制御を行う。   The row selection circuit 200-k (k = 0 to m) is provided in association with each row k (k = 0 to m) of the nonvolatile memory cell array 100. The row decoder 200 in FIG. 5 includes these m + 1 row selection circuits 200-k. In an operation mode as a normal SRAM, the row selection circuit 200-k corresponding to the row k sets the row selection voltage WLk to the H level when the row address indicates the row k, and n + 1 pieces belonging to the row k. The N-channel transistors Ta1 and Ta2 (see FIG. 1) of the nonvolatile memory cell Mkj (j = 0 to n) are turned on. In addition, the row selection circuit 200-k corresponding to the row k controls the output of the store enable signal STEk to be supplied to the n + 1 nonvolatile memory cells Mkj (j = 0 to n) belonging to the row k.

図7は、行選択回路200−k(k=0〜m)の構成例を示す回路図である。
図7に示すように、行選択回路200−kは、アドレス一致検出部201、NAND回路202、NOR回路203、インバータ204、およびNOR回路205を有している。アドレス一致検出部201には、行アドレスADDXが与えられる。この行アドレスADDXが行kを示す場合には、アドレス一致検出部201の出力はLレベルとなり、逆に行アドレスADDXが行kを示さない場合には、アドレス一致検出部201の出力はHレベルとなる。図7に示すように、アドレス一致検出部201の出力はNOR回路203とNOR回路205に与えられる。
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the row selection circuit 200-k (k = 0 to m).
As illustrated in FIG. 7, the row selection circuit 200-k includes an address match detection unit 201, a NAND circuit 202, a NOR circuit 203, an inverter 204, and a NOR circuit 205. The address match detection unit 201 is given a row address ADDX. When the row address ADDX indicates a row k, the output of the address match detection unit 201 is L level. Conversely, when the row address ADDX does not indicate the row k, the output of the address match detection unit 201 is H level. It becomes. As shown in FIG. 7, the output of the address match detection unit 201 is given to the NOR circuit 203 and the NOR circuit 205.

NAND回路202には制御信号STRBと制御信号RCLBとが与えられ、このNAND回路202の出力はNOR回路203に与えられる。図7に示すように、本実施形態では、NOR回路203の出力が行選択信号WLkとなる。NAND回路202の出力はインバータ204による論理反転を経てNOR回路205に与えられる。NOR回路205には、さらに制御信号RSTBが与えられ、このNOR回路205の出力がストアイネーブル信号STEkとなる。   The NAND circuit 202 is supplied with the control signal STRB and the control signal RCLB, and the output of the NAND circuit 202 is supplied to the NOR circuit 203. As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the output of the NOR circuit 203 is the row selection signal WLk. The output of the NAND circuit 202 is given to the NOR circuit 205 through logic inversion by the inverter 204. The NOR circuit 205 is further supplied with a control signal RSTB, and the output of the NOR circuit 205 becomes a store enable signal STEk.

ストアを行う動作モードのときは、制御信号STRBはLレベル、制御信号RCLBはHレベル、制御信号RSTBはLレベルとなる。このため、NAND回路202の出力はHレベルとなり、NOR回路203の出力(すなわち、行選択信号WLk)はLレベルとなる。このとき、行アドレスADDXが行kを示すものであれば、アドレス一致検出部201の出力はLレベルとなり、NOR回路205の出力(すなわち、ストアイネーブル信号STEk)はHレベルとなる。   In the operation mode for storing, the control signal STRB is at L level, the control signal RCLB is at H level, and the control signal RSTB is at L level. For this reason, the output of the NAND circuit 202 becomes H level, and the output of the NOR circuit 203 (that is, the row selection signal WLk) becomes L level. At this time, if the row address ADDX indicates row k, the output of the address match detection unit 201 becomes L level, and the output of the NOR circuit 205 (that is, the store enable signal STEk) becomes H level.

リコールを行う動作モードのときは、制御信号STRBはHレベルに、制御信号RCLBはLレベルとなる。また、この場合、制御信号RSTBはリセット動作の間だけLレベルとされ、その他のときはHレベルとされる。また、図示しない行アドレスのプリデコーダにより行アドレスADDXを構成する各ビットが全て“1”にセットされる。従って、NAND回路201の出力は、常時、Lレベルとなる。NAND回路202の出力はHレベルとなり、NOR回路203の出力(すなわち、行選択信号WLk)はLレベルに、NOR回路205の出力(すなわち、ストア信号STEk)は、制御信号RSTBがLレベルのときのみHレベルとなり、その他のときはLレベルとなる。なお、本実施形態の不揮発性RAMを通常のSRAMとして動作させるときは、制御信号STRBおよびRCLBは共にHレベルであり、NAND回路202の出力は常にLレベルとなる。このため、行アドレスADDXが行kを示すものであれば、行選択回路200−kはHレベルの行選択信号WLkを出力し、行アドレスADDXが行kを示すものでなければLレベルの行選択信号WLkを出力する。また、行アドレスADDXが行kを示すものであるか否かを問わず、行選択回路200−kはLレベルのストアイネーブル信号STEkを出力する。   In the operation mode in which the recall is performed, the control signal STRB becomes H level and the control signal RCLB becomes L level. In this case, the control signal RSTB is set to the L level only during the reset operation, and is set to the H level at other times. Further, all the bits constituting the row address ADDX are set to “1” by a predecoder of the row address (not shown). Therefore, the output of the NAND circuit 201 is always at the L level. The output of the NAND circuit 202 becomes H level, the output of the NOR circuit 203 (that is, the row selection signal WLk) is L level, and the output of the NOR circuit 205 (that is, the store signal STEk) is when the control signal RSTB is L level. Only becomes H level, otherwise it becomes L level. When the nonvolatile RAM of this embodiment is operated as a normal SRAM, the control signals STRB and RCLB are both at the H level, and the output of the NAND circuit 202 is always at the L level. Therefore, if the row address ADDX indicates the row k, the row selection circuit 200-k outputs the H level row selection signal WLk, and if the row address ADDX does not indicate the row k, the L level row. A selection signal WLk is output. Regardless of whether or not the row address ADDX indicates row k, the row selection circuit 200-k outputs an L level store enable signal STEk.

図8は本実施形態による不揮発性RAMのストア時の動作を示すタイムチャートである。この例では前掲図2の動作条件で不揮発性RAMが動作している。この例では、1つの行線に接続された不揮発性メモリセルへ一括で同時にストアする例を示す。ストア信号STRがLレベルのときは(図8では、期間t1)、不揮発性RAMは通常のSRAMとして動作している。不揮発性RAMに対する電源電圧VDDの供給を断つ場合、それに先立って、ストア信号STRが立ち上げられる。STR信号がHレベルになると、制御回路500の出力する制御信号STRB及びRSTBはLレベルとなり、不揮発性RAMでは、次のようにストアのための動作が開始される。   FIG. 8 is a time chart showing the operation during storage of the nonvolatile RAM according to the present embodiment. In this example, the nonvolatile RAM operates under the operating conditions shown in FIG. In this example, an example is shown in which data is simultaneously stored in a non-volatile memory cell connected to one row line. When the store signal STR is at L level (period t1 in FIG. 8), the nonvolatile RAM operates as a normal SRAM. When the supply of the power supply voltage VDD to the nonvolatile RAM is cut off, the store signal STR is raised prior to that. When the STR signal becomes H level, the control signals STRB and RSTB output from the control circuit 500 become L level, and the nonvolatile RAM starts the operation for storing as follows.

制御信号STRBがLレベルになると、行選択回路200−k(k=0〜m)の各々のNAND回路202の出力はHレベルとなり、NOR回路203の出力(すなわち、行選択信号WLk)は常にLレベルとなる。このため、ビット線BLj、反転ビット線BLBjはドントケアとなる。ストア信号STRがHレベルとなってから一定時間が経過した時点を起算点とする期間t2では、最初の行k=0に対応したアドレスAX0から最後の行k=mに対応したアドレスAXmまでのm+1個の行アドレスの各々を期間Δt1に亘って行アドレスADDXに設定する処理が実行され、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々における揮発性記憶部11から不揮発性記憶部12Aへのストアが行単位で行われる。   When the control signal STRB becomes L level, the output of each NAND circuit 202 of the row selection circuit 200-k (k = 0 to m) becomes H level, and the output of the NOR circuit 203 (that is, the row selection signal WLk) is always set. L level. Therefore, the bit line BLj and the inverted bit line BLBj are don't care. In a period t2 starting from a point in time when a predetermined time has elapsed after the store signal STR becomes H level, from the address AX0 corresponding to the first row k = 0 to the address AXm corresponding to the last row k = m A process of setting each of the m + 1 row addresses to the row address ADDX over the period Δt1 is executed, and the volatile storage unit 11 in each of the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n). To the nonvolatile storage unit 12A is performed in units of rows.

例えば、行アドレスADDXとしてアドレスAX0が設定されている期間においては、行選択回路200−0のアドレス一致検出部201の出力はLレベルとなり、行選択回路200−k(k=1〜m)のアドレス一致検出部201の出力はHレベルとなる。前述したように、行選択回路200−k(k=0〜m)の各々において、NAND回路202の出力はHレベルであるから、インバータ204の出力はLレベルになる。行選択回路200−k(k=0〜m)の各々に与えられる制御信号RSTBはLレベルであるから、行選択回路200−0のNOR回路205の出力(すなわち、第0行に対するストアイネーブル信号STE0)のみがHレベル(1.2V)となり、行選択回路200−k(k=1〜m)のNOR回路205の出力(すなわち、第k行に対するストア信号STEk)はLレベル(0V)となる。このため、第0行の不揮発性メモリセルM0j(j=1〜n)の各々において、揮発性記憶部11の記憶データが不揮発性記憶部12Aに書き込まれる。   For example, during the period in which the address AX0 is set as the row address ADDX, the output of the address match detection unit 201 of the row selection circuit 200-0 is L level, and the row selection circuit 200-k (k = 1 to m) The output of the address match detection unit 201 becomes H level. As described above, in each of the row selection circuits 200-k (k = 0 to m), since the output of the NAND circuit 202 is at the H level, the output of the inverter 204 is at the L level. Since the control signal RSTB applied to each of the row selection circuits 200-k (k = 0 to m) is at the L level, the output of the NOR circuit 205 of the row selection circuit 200-0 (that is, the store enable signal for the 0th row) Only STE0) becomes H level (1.2V), and the output of the NOR circuit 205 of the row selection circuit 200-k (k = 1 to m) (that is, the store signal STEk for the kth row) becomes L level (0V). Become. For this reason, in each of the nonvolatile memory cells M0j (j = 1 to n) in the 0th row, the storage data of the volatile storage unit 11 is written to the nonvolatile storage unit 12A.

以下同様に行アドレスADDXとしてAXk(k=1〜m)が設定されている期間においては、第k行の不揮発性メモリセルMkj(j=1〜n)の各々において、揮発性記憶部11の記憶データの不揮発性記憶部12Aへの書き込みが行われる。そして、全ての行についてのストアが完了すると、その後の期間t3において不揮発性RAMに対する電源電圧VDDの供給が遮断される。   Similarly, during a period in which AXk (k = 1 to m) is set as the row address ADDX, each of the nonvolatile memory cells Mkj (j = 1 to n) in the k-th row stores the volatile storage unit 11. The stored data is written into the nonvolatile storage unit 12A. When the storage for all the rows is completed, the supply of the power supply voltage VDD to the nonvolatile RAM is interrupted in the subsequent period t3.

以上の動作において、1個の不揮発性メモリセルのストアに要する電流を49μAとすると、1行当りの不揮発性メモリセルの個数は512個であるから、1行(=512個)のストアを一括して行うのに必要な消費電流は25mAとなる。1行のストアを一括して行うのに必要な消費電流が許容範囲に収まっていない場合には、1つの行を行方向に複数ブロックに分割し、ブロック毎に一括してストアを行うようにすれば良い。また、複数行分のストアを一括して行っても消費電力が許容範囲に収まれっているのであれば、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)を複数行分ずつ選択してストアを行っても勿論良い。   In the above operation, assuming that the current required for storing one nonvolatile memory cell is 49 μA, the number of nonvolatile memory cells per row is 512, so storing one row (= 512) at once. Thus, the current consumption required for this is 25 mA. When the current consumption required to store one row at a time is not within the allowable range, one row is divided into a plurality of blocks in the row direction, and the block is stored all at once. Just do it. Further, if the power consumption is within the allowable range even if the storage for a plurality of rows is performed at once, the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) are stored for the plurality of rows. Of course, you can select and store one by one.

図9は本実施形態による不揮発性RAMのリコール時の動作を示すタイムチャートである。この例では図2の動作条件にしたがってリコールを行わせている。電源立ち上げ期間t1では、不揮発性RAMに対する電源電圧VDDを1.2Vに立ち上げる。この過程において、VDD検知回路960は、電源電圧VDDの立ち上りを検知し、パワーオン信号PONをパルス出力する。制御回路500は、パワーオン信号PONの受信を契機として不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々における揮発性記憶部11のノードV0およびV1のリセット(初期化)を以下の要領で行う。   FIG. 9 is a time chart showing the operation at the time of recall of the nonvolatile RAM according to the present embodiment. In this example, the recall is performed according to the operating conditions of FIG. In the power supply startup period t1, the power supply voltage VDD for the nonvolatile RAM is raised to 1.2V. In this process, the VDD detection circuit 960 detects the rise of the power supply voltage VDD and outputs a power-on signal PON in pulses. The control circuit 500 resets (initializes) the nodes V0 and V1 of the volatile storage unit 11 in each of the non-volatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) upon reception of the power-on signal PON. ) In the following manner.

まず、リコール信号RCLがHレベルになると、行アドレスADDXを構成する各ビットが全て“1”(High Fix)にセットされ、制御信号RSTBが時間t2の期間に亘ってLレベルにセットされる。行アドレスADDXがHigh Fixされているため、第0行から第m行までの何れの行を示す行アドレスとも一致せず、行選択信号WLk(k=0〜m)はLレベルとなる。また、制御信号RSTBが時間t2の期間に亘ってLレベルとなるため、ストアイネーブル信号STEk(k=0〜m)は上記期間t2の間だけHレベル(1.2V)となり、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々に含まれるNチャネルトランジスタTwがONになる。その結果、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々における揮発性記憶部11のノードV0とノードV1が短絡され、同電位にリセットされる。   First, when the recall signal RCL becomes H level, all the bits constituting the row address ADDX are set to “1” (High Fix), and the control signal RSTB is set to L level over a period of time t2. Since the row address ADDX is high-fixed, it does not match the row address indicating any row from the 0th row to the m-th row, and the row selection signal WLk (k = 0 to m) becomes L level. Further, since the control signal RSTB is at the L level over the period of time t2, the store enable signal STEk (k = 0 to m) is at the H level (1.2 V) only during the period t2, and the nonvolatile memory cell N-channel transistors Tw included in each of Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) are turned on. As a result, the node V0 and the node V1 of the volatile storage unit 11 in each of the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) are short-circuited and reset to the same potential.

その後、制御回路500は制御信号RSTBをHレベルに戻す。これにより、ストアイネーブル信号STEk(k=0〜m)はLレベルとなり、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々に含まれるNチャネルトランジスタTwはOFFになる。この状態でVDC回路900によってメモリセル電圧VDCが0Vから1.2Vに立ち上げられ、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々において不揮発性記憶部12の記憶データが揮発性記憶部11に書き戻される(図9の期間t3)。その後、リコール信号RCLがLレベルになると、リコール動作が終了し、以降、不揮発性RAMは通常のSRAMとして動作する(図9:期間t4)。   Thereafter, the control circuit 500 returns the control signal RSTB to the H level. As a result, the store enable signal STEk (k = 0 to m) becomes L level, and the N-channel transistor Tw included in each of the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) is turned OFF. . In this state, the memory cell voltage VDC is raised from 0 V to 1.2 V by the VDC circuit 900, and the memory of the nonvolatile memory unit 12 is stored in each of the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n). Data is written back to the volatile storage unit 11 (period t3 in FIG. 9). Thereafter, when the recall signal RCL becomes L level, the recall operation is terminated, and thereafter, the nonvolatile RAM operates as a normal SRAM (FIG. 9: period t4).

(D:第4実施形態)
図10は本発明の第4実施形態である不揮発性RAMの構成例を示す図である。図10では、図6と同一の構成要素には同一の符号が付されている。本実施形態の不揮発性RAMは、不揮発性メモリセルアレイ100を構成する各不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)に与えるメモリセル電圧VDCを行毎に制御する点が第3実施形態の不揮発性RAMと異なり、このような制御を実現するために、制御回路500に代えて制御回路520を設けた点と、行選択回路200−k(k=0〜m)に代えて行選択回路220−k(k=0〜m)を設けた点が第3実施形態の不揮発性RAM(図6参照)と異なる。
(D: 4th Embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a nonvolatile RAM according to the fourth embodiment of the present invention. 10, the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. The nonvolatile RAM of the present embodiment has a feature that the memory cell voltage VDC applied to each nonvolatile memory cell Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n) constituting the nonvolatile memory cell array 100 is controlled for each row. Unlike the nonvolatile RAM of the third embodiment, in order to realize such control, a control circuit 520 is provided instead of the control circuit 500, and a row selection circuit 200-k (k = 0 to m) is provided. Instead, a row selection circuit 220-k (k = 0 to m) is provided, which is different from the nonvolatile RAM (see FIG. 6) of the third embodiment.

図11は行選択回路220−kの構成例を示す回路図である。図11におけるアドレス一致検出部221、NAND回路230、インバータ231、NOR回路232および233の各々は、図7におけるアドレス一致検出部201、NAND回路202、インバータ204、NOR回路203および205の各々に対応する。図11に示す行選択回路220−kでは、アドレス一致検出部201の出力はNOR回路232および233の各々に与えられる他、インバータ222による反転を経てアドレス一致検出信号ADTkとしてラッチL1に与えられる。   FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration example of the row selection circuit 220-k. Each of address match detection unit 221, NAND circuit 230, inverter 231, NOR circuits 232 and 233 in FIG. 11 corresponds to each of address match detection unit 201, NAND circuit 202, inverter 204, and NOR circuits 203 and 205 in FIG. To do. In the row selection circuit 220-k shown in FIG. 11, the output of the address coincidence detection unit 201 is given to each of the NOR circuits 232 and 233, and after being inverted by the inverter 222, is given to the latch L1 as the address match detection signal ADTk.

ラッチL1は、Pチャネルトランジスタ223と、Nチャネルトランジスタ224および226と、インバータ225とにより構成されている。Pチャネルトランジスタ223およびNチャネルトランジスタ224は、高電位側電源VDDおよび低電位側電源VSS間に直列に介挿されている。Nチャネルトランジスタ224のゲートには、アドレス一致検出信号ADTkが与えられる。インバータ225は、Pチャネルトランジスタ223およびNチャネルトランジスタ224のドレイン同士の接続ノードに発生する信号を反転して出力する。このインバータ225の出力信号がラッチL1の出力信号となる。インバータ225の出力信号は、Pチャネルトランジスタ223のゲートに供給される。Nチャネルトランジスタ226は、インバータ225の出力ノードと低電位側電源VSSとの間に介挿されている。このNチャネルトランジスタ226のゲートには、パワーオン信号PONが与えられる。以上がラッチL1の構成である。   The latch L1 is configured by a P-channel transistor 223, N-channel transistors 224 and 226, and an inverter 225. The P-channel transistor 223 and the N-channel transistor 224 are interposed in series between the high potential side power supply VDD and the low potential side power supply VSS. Address match detection signal ADTk is applied to the gate of N channel transistor 224. Inverter 225 inverts and outputs a signal generated at the connection node between the drains of P channel transistor 223 and N channel transistor 224. The output signal of the inverter 225 becomes the output signal of the latch L1. The output signal of the inverter 225 is supplied to the gate of the P channel transistor 223. The N-channel transistor 226 is interposed between the output node of the inverter 225 and the low potential side power source VSS. A power-on signal PON is supplied to the gate of the N-channel transistor 226. The above is the configuration of the latch L1.

遅延回路227は、ラッチL1の出力信号を所定時間Δt1だけ遅延させる。インバータ228は、この遅延回路227の出力信号を反転して出力する。レベルシフタ229には、VDC回路900の出力するメモリセル電圧VDCが高電位側電源電圧として与えられる。レベルシフタ229は、インバータ228の出力信号を反転し、反転した結果が“0”である場合は0Vを、“1”である場合はVDC回路900の出力する電圧VDCを行kに対応したメモリセル電圧VDCkとして出力する。
以上が行選択回路220−kの構成である。
The delay circuit 227 delays the output signal of the latch L1 by a predetermined time Δt1. The inverter 228 inverts the output signal of the delay circuit 227 and outputs it. The level shifter 229 is supplied with the memory cell voltage VDC output from the VDC circuit 900 as the high potential side power supply voltage. The level shifter 229 inverts the output signal of the inverter 228. If the inverted result is “0”, the level shifter 229 outputs 0V, and if it is “1”, the voltage VDC output from the VDC circuit 900 corresponds to the row k. Output as voltage VDCk.
The above is the configuration of the row selection circuit 220-k.

次いで、図12を参照しつつ行選択回路220−kの動作を説明する。
図12は本実施形態による不揮発性RAMのリコール時の動作を示すタイムチャートである。なお、ストア時の動作については前述した第3実施形態と同一であるため、説明を省略する。図12と図9とを対比すれば明らかように、本実施形態による不揮発性RAMのリコール時の動作では、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)に対するメモリセル電圧VDCkが行毎に選択的に順次立ち上げられる点が第3実施形態と異なる。
Next, the operation of the row selection circuit 220-k will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is a time chart showing the operation at the time of recall of the nonvolatile RAM according to the present embodiment. Since the operation at the time of storing is the same as that of the third embodiment described above, description thereof is omitted. As is clear from comparison between FIG. 12 and FIG. 9, in the operation at the time of recall of the nonvolatile RAM according to the present embodiment, the memory cell voltage with respect to the nonvolatile memory cell Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n). The difference from the third embodiment is that VDCk is selectively raised sequentially for each row.

より詳細に説明すると、電源が投入され、不揮発性RAMへの電源電圧VDDの供給が開始されると、VDD検知回路960(図12では図示略)からパワーオン信号PONが出力され、行選択回路220−k(k=0〜m)の各々のNチャネルトランジスタ226がONになり、ラッチ回路L1の出力NN2が0Vにリセットされる。この結果、行選択回路220−k(k=0〜m)の各々のレベルシフタ229の出力電圧VDCkは0Vとなる。これが初期状態である。   More specifically, when power is turned on and supply of the power supply voltage VDD to the nonvolatile RAM is started, a power-on signal PON is output from the VDD detection circuit 960 (not shown in FIG. 12), and the row selection circuit Each N-channel transistor 226 of 220-k (k = 0 to m) is turned on, and the output NN2 of the latch circuit L1 is reset to 0V. As a result, the output voltage VDCk of each level shifter 229 of the row selection circuit 220-k (k = 0 to m) becomes 0V. This is the initial state.

次に、リコール信号RCLがHレベルになり、リコール動作が開始される。行アドレスADDXに第0行を示すアドレスAX0が設定されると、行選択回路220−0では、アドレス一致検出部221の出力NN1がLレベルとなり、ラッチ回路L1の出力NN2はHレベルとなる。また、アドレスAX0が設定から期間Δt1に亘って制御回路520によって制御信号RSTBがLレベルに設定され、ストアイネーブル信号STE0がΔt1の期間に亘ってHレベルとなる。その後、遅延回路227によりΔt1遅れてインバータ228の出力がLレベルとなり、第k行に対するメモリセル電圧VDC0が1.2Vとなる。その後、期間Δt2が経過して行アドレスADDXが第1行を示すアドレスAX1に切り替わると、同様の処理が行選択回路220−1において実行される。以降、行アドレスADDXをアドレスAX2、AX3・・・AXmと切り換えることで、全ての不揮発性メモリセルMkjにおいてリコールが実行される。そして、全ての不揮発性メモリセルMkjのリコールが終了すると、リコール信号RCLがLレベルとされ、本実施形態の不揮発性RAMは通常のSRAMとして動作する。   Next, the recall signal RCL becomes H level, and the recall operation is started. When the address AX0 indicating the 0th row is set as the row address ADDX, in the row selection circuit 220-0, the output NN1 of the address match detection unit 221 becomes L level and the output NN2 of the latch circuit L1 becomes H level. Further, the control signal RSTB is set to the L level by the control circuit 520 over the period Δt1 from the setting of the address AX0, and the store enable signal STE0 is set to the H level over the period Δt1. Thereafter, the delay circuit 227 delays Δt1 and the output of the inverter 228 becomes L level, and the memory cell voltage VDC0 for the k-th row becomes 1.2V. Thereafter, when the period Δt2 elapses and the row address ADDX is switched to the address AX1 indicating the first row, the same processing is executed in the row selection circuit 220-1. Thereafter, the row address ADDX is switched to the addresses AX2, AX3... AXm, and the recall is executed in all the nonvolatile memory cells Mkj. When the recall of all the nonvolatile memory cells Mkj is completed, the recall signal RCL is set to L level, and the nonvolatile RAM of this embodiment operates as a normal SRAM.

なお、不揮発性メモリセルMkjの揮発性記憶部11のフリップフロップへのラッチは非常に高速であり、このサイクルは、10ns以下で行える(すなわち、Δt1+Δt2<10ns)。従って、m=1024かつn=512の不揮発性メモリセルアレイ100をリコールするには、10ns×1024行=10.2μs。64Mビットのメモリの場合、このメモリアレイが128個あるので、10.2μs×128ブロック=1.3msで全メモリがリコールできる。なお、本実施形態では、不揮発性メモリセルMkjを1行分ずつ選択してリコールを行うとともに、そのリコールに先立ってリコール対象の不揮発性メモリセルMkjの揮発性記憶部11のリセットを行ったが、図12にて点線で示すように、全ての不揮発性メモリセルMkjの揮発性記憶部11のリセットを一括して行っても勿論良い。   Note that the latch of the nonvolatile memory cell Mkj to the flip-flop of the volatile memory unit 11 is very fast, and this cycle can be performed in 10 ns or less (that is, Δt1 + Δt2 <10 ns). Therefore, to recall the nonvolatile memory cell array 100 with m = 1024 and n = 512, 10 ns × 1024 rows = 10.2 μs. In the case of a 64 Mbit memory, since there are 128 memory arrays, all memories can be recalled in 10.2 μs × 128 blocks = 1.3 ms. In the present embodiment, the nonvolatile memory cells Mkj are selected and recalled one row at a time, and the volatile memory unit 11 of the recalled nonvolatile memory cells Mkj is reset prior to the recall. Of course, as shown by a dotted line in FIG. 12, the volatile memory portions 11 of all the nonvolatile memory cells Mkj may be reset at once.

(E:第5実施形態)
図13はこの発明の第5実施形態である不揮発性RAMの一部の構成を示すブロック図である。本実施形態は第4実施形態を変形したものである。前述した第4実施形態では行選択回路220−kによって第k行の不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)に供給する基準電源電圧VDCkを制御した。これに対して、図13の不揮発性メモリセルアレイでは、行選択回路220−kに代えて行選択回路240−kを設け、この行選択回路240−kによって低電位側電源電圧VSCkを行毎に供給するようにしたことが異なる。本実施形態のリコール時の動作では、電源電圧VDDが立ち上がると、行選択回路240−k(k=0〜m)の各々によって、一旦、全ての低電位側電源電圧VSCkがVDDレベルに充電される。以降、行アドレスADDXにより指定される行毎に行選択回路240−kによって、低電位側電源電圧VSCkが順次0Vに設定され、第k行の不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)の各々において不揮発性記憶部12Aに記憶されたデータが揮発性記憶部11に書き込まれる。
(E: 5th Embodiment)
FIG. 13 is a block diagram showing a partial configuration of a nonvolatile RAM according to the fifth embodiment of the present invention. This embodiment is a modification of the fourth embodiment. In the fourth embodiment described above, the reference power supply voltage VDCk supplied to the nonvolatile memory cells Mkj (j = 0 to n) in the k-th row is controlled by the row selection circuit 220-k. On the other hand, in the nonvolatile memory cell array of FIG. 13, a row selection circuit 240-k is provided instead of the row selection circuit 220-k, and the low-potential-side power supply voltage VSCk is applied to each row by the row selection circuit 240-k. It is different that it was made to supply. In the operation at the time of recall of the present embodiment, when the power supply voltage VDD rises, all the low-potential-side power supply voltages VSCk are once charged to the VDD level by each of the row selection circuits 240-k (k = 0 to m). The Thereafter, for each row specified by the row address ADDX, the low potential side power supply voltage VSCk is sequentially set to 0 V by the row selection circuit 240-k, and the nonvolatile memory cells Mkj (j = 0 to n) in the k-th row are set. In each case, the data stored in the nonvolatile storage unit 12A is written into the volatile storage unit 11.

(F:第6実施形態)
図14はこの発明の第6実施形態である不揮発性RAMの一部の構成を示すブロック図である。本実施形態は第4実施形態を変形したものである。前述した第4実施形態では行選択回路220−kによって第k行の不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)に供給するメモリセル電圧VDCkを制御した。これに対して、本実施形態では、VDC回路900の出力電圧VDCが印加される電源線と不揮発性メモリセルMkjの高電位側電源供給ノードとの間にPチャネルトランジスタTsを設け、PチャネルトランジスタTsのON/OFFを制御するためのリコール選択信号RCSBkを出力する行選択回路250−kを行選択回路220−kに代えて設けた点が第5実施形態と異なる。つまり、本実施形態では、リコールの際には、行アドレスADDXにより、順次リコール選択信号RCSkが選択され(Lレベルとされ)、行毎にリコールが行われる。
(F: Sixth embodiment)
FIG. 14 is a block diagram showing a partial configuration of a nonvolatile RAM according to the sixth embodiment of the present invention. This embodiment is a modification of the fourth embodiment. In the fourth embodiment described above, the memory cell voltage VDCk supplied to the non-volatile memory cell Mkj (j = 0 to n) in the kth row is controlled by the row selection circuit 220-k. On the other hand, in this embodiment, a P-channel transistor Ts is provided between the power supply line to which the output voltage VDC of the VDC circuit 900 is applied and the high-potential-side power supply node of the nonvolatile memory cell Mkj. The fifth embodiment is different from the fifth embodiment in that a row selection circuit 250-k that outputs a recall selection signal RCSBk for controlling ON / OFF of Ts is provided instead of the row selection circuit 220-k. That is, in this embodiment, at the time of recall, the recall selection signal RCsk is sequentially selected (set to L level) by the row address ADDX, and the recall is performed for each row.

本実施形態によれば、前述した第4実施形態に比較して、不揮発性メモリセルの素子数が増える欠点はあるものの、以下の利点がある。すなわち、PチャネルトランジスタTsを不揮発性メモリセルMkj毎に設けたため、電圧VDCおよびVSSを供給するための配線を、図14の縦方向(すなわち、不揮発性メモリセルアレイにおける列方向)に配線することができる。このため、抵抗変化型素子への書き込み時あるいはリコール時に1本の電源配線に流れる電流として1ビット分のみを考慮すれば良く、電源配線抵抗による電圧低下を低減できる。   According to this embodiment, although there is a defect that the number of elements of the nonvolatile memory cell is increased as compared with the fourth embodiment described above, there are the following advantages. That is, since the P-channel transistor Ts is provided for each nonvolatile memory cell Mkj, wiring for supplying the voltages VDC and VSS can be wired in the vertical direction of FIG. 14 (that is, the column direction in the nonvolatile memory cell array). it can. For this reason, it is sufficient to consider only one bit as a current flowing in one power supply line at the time of writing to the resistance variable element or at the time of recall, and the voltage drop due to the power supply line resistance can be reduced.

(G:第7実施形態)
図15はこの発明の第7実施形態である不揮発性RAMの一部の構成を示すブロック図である。本実施形態の不揮発性RAMは、不揮発性メモリセル10Aに代えて不揮発性メモリセル10Bを用いて不揮発性メモリセルアレイを構成した点が第6実施形態の不揮発性RAMと異なる。本実施形態の不揮発性RAMにおけるストア時或いはリコール時の動作条件としては、図4に示す動作条件を採用すれば良いことは言うまでもない。同様に、第3実施形態の不揮発性RAM(図6参照)、第4実施形態の不揮発性RAM(図10)および第5実施形態の不揮発性RAMにおいても、不揮発性メモリセル10Aに代えて不揮発性メモリセル10Bをマトリクス状に配列して不揮発性メモリセルアレイを構成し、ストア時或いはリコール時の動作条件としては、図4に示す動作条件を採用しても良い。
(G: 7th embodiment)
FIG. 15 is a block diagram showing a partial configuration of a nonvolatile RAM according to the seventh embodiment of the present invention. The nonvolatile RAM of the present embodiment is different from the nonvolatile RAM of the sixth embodiment in that a nonvolatile memory cell array is configured using the nonvolatile memory cell 10B instead of the nonvolatile memory cell 10A. Needless to say, the operating conditions shown in FIG. 4 may be adopted as operating conditions at the time of storing or recalling in the nonvolatile RAM of the present embodiment. Similarly, in the nonvolatile RAM of the third embodiment (see FIG. 6), the nonvolatile RAM of the fourth embodiment (FIG. 10), and the nonvolatile RAM of the fifth embodiment, the nonvolatile memory cell 10A is replaced by a nonvolatile memory. The non-volatile memory cell array may be configured by arranging the volatile memory cells 10B in a matrix, and the operating conditions shown in FIG. 4 may be adopted as the operating conditions at the time of storing or recalling.

(H:第8実施形態)
図22は、本発明の第8実施形態のメモリセルの等価回路を示す図である。図22に示すように、このメモリセルは、MTJ素子などの抵抗変化型素子Rと閾値素子THDとを直列に接続した構成となっており、本実施形態では閾値素子THDは、ダイオードD1と、ダイオードD1に対して逆向きに並列接続されたダイオードD2とにより構成されている。
(H: Eighth Embodiment)
FIG. 22 is a diagram showing an equivalent circuit of the memory cell according to the eighth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 22, this memory cell has a configuration in which a resistance variable element R such as an MTJ element and a threshold element THD are connected in series. In this embodiment, the threshold element THD includes a diode D1, The diode D2 is connected in parallel to the diode D1 in the reverse direction.

図23は、図22のメモリセルにおけるノードN(抵抗変化型素子Rと閾値素子THDの共通接続点)とノードSL(閾値素子THDの他方の端部)の間の電圧電流特性を示す図である。図22に示すように、このメモリセルにおいてはノードNとノードSLの間にダイオードD1とD2が互いに逆向きに接続されている。以下では、ノードNの電圧をVNとし、ノードSLの電圧をVSLとする。ノードNとノードSLの間に正の電圧を印加すると(すなわち、VN−VSL>0)と、ダイオードD2が順方向となり、当該電圧がダイオードD2の閾値電圧VF(例えば、0.5V)を超えたところで急激にオン電流が流れる。逆に、ノードNとノードSLの間に負の電圧を印加すると、当該電圧の大きさがダイオードD1の閾値電圧VFを超えたところで急激にオン電流が流れる。   FIG. 23 is a diagram showing a voltage-current characteristic between the node N (common connection point of the resistance variable element R and the threshold element THD) and the node SL (the other end of the threshold element THD) in the memory cell of FIG. is there. As shown in FIG. 22, in this memory cell, diodes D1 and D2 are connected in opposite directions between node N and node SL. Hereinafter, the voltage at the node N is VN, and the voltage at the node SL is VSL. When a positive voltage is applied between the node N and the node SL (that is, VN−VSL> 0), the diode D2 becomes forward, and the voltage exceeds the threshold voltage VF (for example, 0.5 V) of the diode D2. The on-state current suddenly flows. On the other hand, when a negative voltage is applied between the node N and the node SL, an on-current suddenly flows when the magnitude of the voltage exceeds the threshold voltage VF of the diode D1.

すなわち、図22により等価回路の構成が表されるメモリセルでは、ノードBL(抵抗変化型素子Rの他方の端部)とノードSLの間に正電圧または負電圧を印加すると、その電圧が各ダイオードの閾値電圧VFを超えたところで、順方向または逆方向に大電流が流れる。   That is, in the memory cell whose equivalent circuit configuration is represented by FIG. 22, when a positive voltage or a negative voltage is applied between the node BL (the other end of the resistance variable element R) and the node SL, the voltage is When the threshold voltage VF of the diode is exceeded, a large current flows in the forward direction or the reverse direction.

図24は、図22に示すメモリセルの動作条件を示す図である。図24に示すように、このメモリセルのノードBLに1.0Vの電圧が印加されるとともにノードSLに0Vの電圧が印加されると、ダイオードD2がONとなり、ノードN−ノードSL間に略0.5Vの電圧が印加される。その結果、抵抗変化型素子Rには順方向の電流が流れ、“0”を記憶した低抵抗状態に変化する。つまり、図22のメモリセルにデータ“0”を記憶させるには、ノードBLに1.0Vの電圧が印加され、かつノードSLに0Vの電圧が印加されるようにすれば良い。なお、本実施形態では、ダイオードD1或いはD2の抵抗は抵抗変化型素子Rの抵抗に比較して充分小さく、これらダイオードによる電位降下はほぼないとした。   FIG. 24 shows operating conditions of the memory cell shown in FIG. As shown in FIG. 24, when a voltage of 1.0 V is applied to the node BL of this memory cell and a voltage of 0 V is applied to the node SL, the diode D2 is turned on, and is substantially between the node N and the node SL. A voltage of 0.5V is applied. As a result, a forward current flows through the resistance variable element R, and changes to a low resistance state storing “0”. That is, in order to store data “0” in the memory cell in FIG. 22, a voltage of 1.0 V may be applied to the node BL and a voltage of 0 V may be applied to the node SL. In this embodiment, the resistance of the diode D1 or D2 is sufficiently smaller than the resistance of the resistance variable element R, and there is almost no potential drop due to these diodes.

一方、図22のメモリセルにデータ“1”を記憶させる場合には、ノードBLに0Vの電圧を印加し、ノードSLに1.0Vの電圧を印加すれば良い。このようにすると、ダイオードD1がONとなってノードN−ノードSL間には略―0.5Vの電圧が印加され、ノードBL−ノードN間(すなわち、抵抗変化型素子R)には略−0.5Vの電圧が印加される。その結果、抵抗変化型素子Rには逆方向の電流が流れ、“1”を記憶した高抵抗状態に変化する。なお、図25に示すように、ダイオードD1およびD2に代えて、ツェナーダイオードDzを閾値素子THDとして用いてメモリセルを構成しても勿論良く、当該ツェナーダイオードDzのブレークダウン電圧が略0.5Vであれば、図23と同様の電圧電流特性が得られる。   On the other hand, when data “1” is stored in the memory cell of FIG. 22, a voltage of 0 V may be applied to the node BL and a voltage of 1.0 V may be applied to the node SL. As a result, the diode D1 is turned ON, a voltage of about −0.5 V is applied between the node N and the node SL, and a voltage between the node BL and the node N (that is, the resistance variable element R) is about −. A voltage of 0.5V is applied. As a result, a current in the reverse direction flows through the resistance variable element R, and changes to the high resistance state storing “1”. As shown in FIG. 25, the memory cell may be configured by using the Zener diode Dz as the threshold element THD instead of the diodes D1 and D2, and the breakdown voltage of the Zener diode Dz is about 0.5V. If so, the same voltage-current characteristics as in FIG. 23 can be obtained.

図26は、本実施形態の不揮発性RAMの不揮発性メモリセル10Cの構成例を示す図である。図26では、図1におけるものと同一の構成要素には同一の符号が付されている。図26と図1とを対比すれば明らかように、本実施形態の不揮発性メモリセル10Cの構成は、不揮発性記憶部12Aに代えて不揮発性記憶部12Cを設けた点が第1実施形態の不揮発性メモリセル10Aの構成と異なる。そして、不揮発性記憶部12Cの構成は、NチャネルトランジスタTwに代えて、互いに逆向きに接続されたダイオードDaおよびDbを閾値素子として設けた点が不揮発性記憶部12Aの構成と異なる。   FIG. 26 is a diagram illustrating a configuration example of the nonvolatile memory cell 10C of the nonvolatile RAM according to the present embodiment. In FIG. 26, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. As apparent from the comparison between FIG. 26 and FIG. 1, the configuration of the nonvolatile memory cell 10C of the present embodiment is that the nonvolatile memory unit 12C is provided instead of the nonvolatile memory unit 12A. Different from the configuration of the nonvolatile memory cell 10A. The configuration of the nonvolatile memory unit 12C is different from the configuration of the nonvolatile memory unit 12A in that diodes Da and Db connected in opposite directions are provided as threshold elements instead of the N-channel transistor Tw.

本実施形態において通常時のメモリセル電圧VDCは0.5Vである。この場合、ダイオードDaおよびDbは共にOFFとなり、抵抗変化型素子R1およびR2は揮発性記憶部11から切り離される。このため、本実施形態の不揮発性メモリセル10Cは、通常時においては、第1実施形態の不揮発性メモリセル10Aと同様にSRAMとして動作する。電源を切断するときには、揮発性記憶部11に記憶されているデータを不揮発性記憶部12Cにストアする必要がある。このため、電源を切断する場合には、メモリセル電圧VDCを1.5V程度の高電圧にする。すると、出力ノードV1およびV2の間に電流が流れ、抵抗変化型素子R1およびR2は一方が抵抵抗となり、他方が高抵抗となる、といった具合に各々の抵抗状態が互いに逆方向に変化してデータがストアされる。そして、電源投入時は、メモリセル電圧VDCと基準電圧VSSとの間の電圧を印加することで揮発性記憶部11のフリップフロップが一定方向に傾き、不揮発性記憶部12Cにストアされているデータが当該フリップフロップにリコールされる。このように不揮発性記憶部12Cから揮発性記憶部11へのデータのリコールを行った後は不揮発性メモリセル10CはSRAMとして動作する。   In this embodiment, the normal memory cell voltage VDC is 0.5V. In this case, both the diodes Da and Db are turned off, and the resistance variable elements R1 and R2 are disconnected from the volatile storage unit 11. For this reason, the non-volatile memory cell 10C of the present embodiment operates as an SRAM in a normal state, similarly to the non-volatile memory cell 10A of the first embodiment. When the power is turned off, it is necessary to store the data stored in the volatile storage unit 11 in the nonvolatile storage unit 12C. For this reason, when the power is turned off, the memory cell voltage VDC is set to a high voltage of about 1.5V. Then, a current flows between the output nodes V1 and V2, and one resistance of the resistance variable elements R1 and R2 becomes a resistance and the other becomes a high resistance. Data is stored. When the power is turned on, the voltage stored between the memory cell voltage VDC and the reference voltage VSS is applied to incline the flip-flop of the volatile storage unit 11 in a certain direction, and the data stored in the nonvolatile storage unit 12C. Is recalled to the flip-flop. Thus, after the data is recalled from the nonvolatile storage unit 12C to the volatile storage unit 11, the nonvolatile memory cell 10C operates as an SRAM.

図27は、不揮発性メモリセル10Cの動作条件を示す図である。揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶されているデータを不揮発性記憶部12Cにストアする場合には、図27に示すように、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、メモリセル電圧VDCを1.5Vにする。このとき、ビット線BLおよび反転ビット線BLBは選択状態/非選択状態の何れであっても良い(図27では、「Don’t care」を意味する「−」と表記)。なお、メモリセル電圧VDCを1.5Vとするのは、直列に接続された閾値素子および抵抗変化型素子の両端に約1.5Vの電圧が印加されるようにするためである。   FIG. 27 is a diagram showing operating conditions of the nonvolatile memory cell 10C. When the data stored in the flip-flop of the volatile storage unit 11 is stored in the nonvolatile storage unit 12C, the row selection line WL is set to the non-selected state (0V) as shown in FIG. Set VDC to 1.5V. At this time, the bit line BL and the inverted bit line BLB may be in either a selected state or a non-selected state (in FIG. 27, expressed as “−” meaning “Don't care”). The reason why the memory cell voltage VDC is set to 1.5 V is that a voltage of about 1.5 V is applied to both ends of the threshold element and the resistance variable element connected in series.

例えば、揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“1”が保持されているのであれば、ノードV1の電圧は1.5Vになっており、ノードV2の電圧は0Vとなっている。行選択線WLは非選択状態(0V)であるため、NチャネルトランジスタTa1およびTa2はOFFになり、抵抗変化型素子R1→ダイオードDa→抵抗変化型素子R2といった電流経路に沿ってノードV1(1.5V)からノードV2(0V)に電流が流れる。抵抗変化型素子R1ではピン層からフリー層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は高抵抗状態になり、抵抗変化型素子R2ではフリー層からピン層へ電流が流れるため、抵抗変化型素子R2は低抵抗状態になる。抵抗変化型素子R1およびR2の各々の抵抗状態は、電源切断後も維持される。これにより、データ“1”が不揮発性記憶部12Cにストアされる。   For example, if data “1” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the voltage at the node V1 is 1.5V and the voltage at the node V2 is 0V. Since the row selection line WL is in the non-selected state (0 V), the N-channel transistors Ta1 and Ta2 are turned off, and the node V1 (1) along the current path of the resistance variable element R1 → the diode Da → the resistance variable element R2. .5V) to node V2 (0V). In the resistance variable element R1, since a current flows from the pin layer to the free layer, the resistance variable element R1 enters a high resistance state, and in the resistance variable element R2, a current flows from the free layer to the pin layer. R2 enters a low resistance state. The resistance states of the resistance variable elements R1 and R2 are maintained even after the power is turned off. As a result, the data “1” is stored in the nonvolatile storage unit 12C.

揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“0”が保持されている場合には、ノードV1は0V、ノードV2は1.5Vとなる。行選択線WLは非選択状態(0V)であるため、NチャネルトランジスタTa1およびTa2はOFFになり、抵抗変化型素子R2→ダイオードDb→抵抗変化型素子R1といった電流経路に沿ってノードV2(1.5V)からノードV1(0V)に電流が流れる。このとき、抵抗変化型素子R1ではフリー層からピン層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は低抵抗状態となり、抵抗変化型素子R2ではピン層からフリー層へ電流が流れるため、抵抗変化型素子R2は高抵抗状態になる。これにより、データ“0”が不揮発性記憶部12Cにストアされる。   When data “0” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the node V1 is 0V and the node V2 is 1.5V. Since the row selection line WL is in the non-selected state (0 V), the N-channel transistors Ta1 and Ta2 are turned off, and the node V2 (1) along the current path of the resistance variable element R2 → the diode Db → the resistance variable element R1. .5V) to node V1 (0V). At this time, since a current flows from the free layer to the pinned layer in the resistance variable element R1, the resistance variable element R1 enters a low resistance state, and in the variable resistance element R2, a current flows from the pinned layer to the free layer. The mold element R2 enters a high resistance state. As a result, the data “0” is stored in the nonvolatile storage unit 12C.

次に、不揮発性記憶部12Cにストアされたデータを揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶させるリコール動作について説明する。このリコール動作においては、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、メモリセル電圧VDCを0Vから0.5Vに立ち上げる。メモリセル電圧VDCが0Vから0.5Vに立ちあがる過程では、ノードV1およびノードV2の電圧はともに0Vから0.5Vに立ち上がる。低電位側電源電圧VSSが供給される第2の電源ノードとノードV1の間には抵抗変化型素子R1およびキャパシタC1が直列に介挿されており、同第2の電源ノードとノードV2の間には抵抗変化型素子R2およびキャパシタC2が直列に介挿されている。このため、ノードV1から抵抗変化型素子R1を介してキャパシタC1に充電電流が流れ、ノードV2から抵抗変化型素子R2を介してキャパシタC2に充電電流が流れる。   Next, a recall operation for storing the data stored in the nonvolatile storage unit 12C in the flip-flop of the volatile storage unit 11 will be described. In this recall operation, the row selection line WL is set to a non-selected state (0V), and the memory cell voltage VDC is raised from 0V to 0.5V. In the process in which the memory cell voltage VDC rises from 0V to 0.5V, the voltages at the nodes V1 and V2 both rise from 0V to 0.5V. A resistance variable element R1 and a capacitor C1 are inserted in series between the second power supply node to which the low-potential-side power supply voltage VSS is supplied and the node V1, and between the second power supply node and the node V2. A resistance variable element R2 and a capacitor C2 are inserted in series. Therefore, a charging current flows from the node V1 to the capacitor C1 via the resistance variable element R1, and a charging current flows from the node V2 to the capacitor C2 via the resistance variable element R2.

抵抗変化型素子R1が高抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が抵抵抗状態(すなわち、データ“1”が不揮発性記憶部12Cにストアされた状態)であれば、キャパシタC2の充電電流のほうがキャパシタC1の充電電流より大きくなり、ノードV1の電位とノードV2の電位に差が生じる。この電位差に応じて、揮発性記憶部11のフリップフロップのノードV1はHigh(0.5V)に、同ノードV2はLow(0V)に設定される。これにより、不揮発性記憶部12Cにストアされたデータ“1”の揮発性記憶部11のフリップフロップへのリコールが完了する。抵抗変化型素子R1が低抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が高抵抗状態(すなわち、データ“0”が不揮発性記憶部12Cにストアされた状態)の場合は、キャパシタC1の充電電流のほうがキャパシタC2の充電電流より大きくなり、ノードV1はLow(0V)にノードV2はHigh(0.5V)にラッチされ、リコールが終了する。   If the resistance variable element R1 is in the high resistance state and the resistance variable element R2 is in the resistance state (that is, the state where the data “1” is stored in the nonvolatile memory unit 12C), the charging current of the capacitor C2 Becomes larger than the charging current of the capacitor C1, and a difference occurs between the potential of the node V1 and the potential of the node V2. In accordance with this potential difference, the node V1 of the flip-flop of the volatile storage unit 11 is set to High (0.5V), and the node V2 is set to Low (0V). Thereby, the recall of the data “1” stored in the nonvolatile storage unit 12C to the flip-flop of the volatile storage unit 11 is completed. When the resistance variable element R1 is in the low resistance state and the resistance variable element R2 is in the high resistance state (that is, the state where the data “0” is stored in the nonvolatile storage unit 12C), the charging current of the capacitor C1 Is larger than the charging current of the capacitor C2, the node V1 is latched to Low (0V) and the node V2 is latched to High (0.5V), and the recall is completed.

以上説明したように本実施形態の不揮発性メモリセル10Cの不揮発性記憶部12Cは、2個の抵抗変化型素子、2個のキャパシタおよび2個のダイオードといった少ない素子数で構成されている。また、抵抗変化型素子R1およびR2としてMTJ素子を用いたため、これら抵抗変化型素子の抵抗状態を変化させる際に必要となる素子間電圧は0.6V程度であり、これら素子に流れる電流は49μA程度である。このように本実施形態によれば、ストア時またはリコール時に抵抗変化型素子に流す電流が少なくて済むので、面積が小さくて安価な不揮発性メモリのチップを実現することができる。また、不揮発性メモリセル10Cからのデータ読み出し動作および書き込み動作は通常のSRAMにおけるものと同一であり、データの書き込み動作および読み出し動作を高速に行うことができるとともに、広いスタティックノイズマージンを確保することができる。但し、本実施形態においてもメモリセル電圧VDCの立ち上げ方に留意する必要がある点は前述した第1実施形態と同様である。   As described above, the nonvolatile memory portion 12C of the nonvolatile memory cell 10C of the present embodiment is configured with a small number of elements such as two resistance change elements, two capacitors, and two diodes. Further, since the MTJ elements are used as the resistance change elements R1 and R2, the inter-element voltage required for changing the resistance state of these resistance change elements is about 0.6 V, and the current flowing through these elements is 49 μA. Degree. As described above, according to the present embodiment, since a small amount of current flows through the resistance variable element at the time of storing or recalling, it is possible to realize an inexpensive nonvolatile memory chip with a small area. Further, the data read operation and write operation from the nonvolatile memory cell 10C are the same as those in a normal SRAM, and the data write operation and read operation can be performed at a high speed and a wide static noise margin is ensured. Can do. However, also in this embodiment, it is necessary to pay attention to how to raise the memory cell voltage VDC, as in the first embodiment.

(I:第9実施形態)
図28は、本発明の第9実施形態の不揮発性メモリセル10Dの構成例を示す回路図である。図28では図26と同一の構成要素には同一の符号が付されている。図28と図26とを対比すれば明らかなように、不揮発性メモリセル10Dの構成は不揮発性記憶部12Cに代えて不揮発性記憶部12Dを設けた点が不揮発性メモリセル10Cの構成と異なる。そして、本実施形態の不揮発性記憶部12Dでは、抵抗変化型素子R1とキャパシタC1がノードV1とメモリセル電圧VDCの与えられる電源ノードの間に直列に介挿されている点と、抵抗変化型素子R2とキャパシタC2がノードV2と同電源ノードの間に直列に介挿されている点が不揮発性記憶部12Cと異なり、さらに、抵抗変化型素子R1のフリー層側がノードV1に接続されており、抵抗変化型素子R2のフリー層側がノードV2に接続されている点も図26の不揮発性記憶部12Cと異なる。
(I: Ninth embodiment)
FIG. 28 is a circuit diagram showing a configuration example of the nonvolatile memory cell 10D according to the ninth embodiment of the present invention. In FIG. 28, the same components as those in FIG. 26 are denoted by the same reference numerals. As is clear from comparison between FIG. 28 and FIG. 26, the configuration of the nonvolatile memory cell 10D is different from the configuration of the nonvolatile memory cell 10C in that a nonvolatile memory unit 12D is provided instead of the nonvolatile memory unit 12C. . In the nonvolatile memory unit 12D of this embodiment, the resistance variable element R1 and the capacitor C1 are inserted in series between the node V1 and the power supply node to which the memory cell voltage VDC is applied, and the resistance variable type Unlike the nonvolatile memory unit 12C, the element R2 and the capacitor C2 are inserted in series between the node V2 and the same power supply node. Further, the free layer side of the resistance variable element R1 is connected to the node V1. The point that the free layer side of the resistance variable element R2 is connected to the node V2 is also different from the nonvolatile memory unit 12C of FIG.

図29は、不揮発性メモリセル10Dの動作条件を示す図である。以下、図29を参照しつつ不揮発性メモリセル10Dの動作を説明する。揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶されているデータを不揮発性記憶部12Dにストアする場合には、上記第8実施形態における場合と同様に、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、かつメモリセル電圧VDCを1.5Vに設定する。揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“1”が保持されているのであれば、ノードV1の電圧は1.5Vになり、ノードV2の電圧は0Vとなる。この状態において、行選択線WLを非選択状態(0V)にすると、NチャネルトランジスタTa1およびTa2はOFFになる。このため、抵抗変化型素子R1→ダイオードDa→抵抗変化型素子R2といった電流経路に沿ってノードV1(1.5V)からノードV2(0V)に電流が流れる。抵抗変化型素子R1ではフリー層からピン層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は低抵抗状態になり、抵抗変化型素子R2ではピン層からフリー層へ電流が流れるため、抵抗変化型素子R2は高抵抗状態になる。これにより、データ“1”が不揮発性記憶部12Dにストアされる。   FIG. 29 is a diagram illustrating operating conditions of the nonvolatile memory cell 10D. Hereinafter, the operation of the nonvolatile memory cell 10D will be described with reference to FIG. When the data stored in the flip-flop of the volatile storage unit 11 is stored in the nonvolatile storage unit 12D, the row selection line WL is set to the non-selected state (0 V) as in the case of the eighth embodiment. And the memory cell voltage VDC is set to 1.5V. If data “1” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the voltage of the node V1 is 1.5V and the voltage of the node V2 is 0V. In this state, when the row selection line WL is set to the non-selected state (0 V), the N-channel transistors Ta1 and Ta2 are turned off. Therefore, a current flows from the node V1 (1.5 V) to the node V2 (0 V) along a current path such as the resistance variable element R1 → the diode Da → the resistance variable element R2. In the resistance variable element R1, since a current flows from the free layer to the pin layer, the resistance variable element R1 enters a low resistance state, and in the resistance variable element R2, a current flows from the pin layer to the free layer. R2 enters a high resistance state. As a result, the data “1” is stored in the nonvolatile storage unit 12D.

揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“0”が保持されている場合には、ノードV1は0V、ノードV2は1.5Vとなるため、行選択線WLを非選択状態(0V)とすると、抵抗変化型素子R2→ダイオードDb→抵抗変化型素子R1といった電流経路に沿ってノードV2(1.5V)からノードV1(0V)に電流が流れる。このとき、抵抗変化型素子R1ではピン層からフリー層に電流が流れるため、抵抗変化型素子R1は高抵抗状態となり、抵抗変化型素子R2ではフリー層からピン層へ電流が流れるため抵抗変化型素子R2は低抵抗状態になる。これにより、データ“0”が不揮発性記憶部12Dにストアされる。   When data “0” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11, the node V1 is 0V and the node V2 is 1.5V. Therefore, when the row selection line WL is set to the non-selected state (0V). Then, a current flows from the node V2 (1.5 V) to the node V1 (0 V) along the current path of the resistance variable element R2 → the diode Db → the resistance variable element R1. At this time, since a current flows from the pinned layer to the free layer in the resistance variable element R1, the resistance variable element R1 enters a high resistance state, and in the resistance variable element R2, a current flows from the free layer to the pinned layer. Element R2 is in a low resistance state. As a result, data “0” is stored in the nonvolatile storage unit 12D.

次に、不揮発性記憶部12Dにストアされたデータを揮発性記憶部11のフリップフロップに記憶させるリコール動作について説明する。このリコール動作においては、行選択線WLを非選択状態(0V)とし、メモリセル電圧VDCを0Vから0.5Vに立ち上げる。メモリセル電圧VDCが0Vから0.5Vに立ちあがる過程では、ノードV1およびノードV2の電圧はともに0Vから0.5Vに立ち上がる。メモリセル電圧VDCを与えられる電源ノードとノードV1の間にはキャパシタC1と抵抗変化型素子R1が直列に介挿されており、同電源ノードとノードV2の間にはキャパシタC2と抵抗変化型素子R2が直列に介挿されている。このため、ノードV1の電位はキャパシタC1と抵抗変化型素子R1の働きにより上記電源ノードの電位に向けて上昇し、ノードV2の電位もキャパシタC2と抵抗変化型素子R2の働きにより上記電源ノードの電位に向けて上昇する。   Next, a recall operation for storing the data stored in the nonvolatile storage unit 12D in the flip-flop of the volatile storage unit 11 will be described. In this recall operation, the row selection line WL is set to a non-selected state (0V), and the memory cell voltage VDC is raised from 0V to 0.5V. In the process in which the memory cell voltage VDC rises from 0V to 0.5V, the voltages at the nodes V1 and V2 both rise from 0V to 0.5V. A capacitor C1 and a resistance variable element R1 are interposed in series between a power supply node to which the memory cell voltage VDC is applied and the node V1, and a capacitor C2 and a resistance variable element are interposed between the power supply node and the node V2. R2 is inserted in series. For this reason, the potential of the node V1 rises toward the potential of the power supply node by the action of the capacitor C1 and the resistance variable element R1, and the potential of the node V2 also increases by the action of the capacitor C2 and the resistance variable element R2. It rises toward the potential.

抵抗変化型素子R1が低抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が高抵抗状態(すなわち、データ“1”が不揮発性記憶部12Dにストアされた状態)であれば、ノードV1の電位のほうがノードV2の電位に比較して上昇し易く、ノードV1の電位とノードV2の電位に差が生じ、揮発性記憶部11のフリップフロップのノードV1はHigh(0.5V)に、同ノードV2はLow(0V)に設定される。これにより、不揮発性記憶部12Dにストアされたデータ“1”の揮発性記憶部11のフリップフロップへのリコールが完了する。抵抗変化型素子R1が高抵抗状態であり、かつ抵抗変化型素子R2が低抵抗状態(すなわち、データ“0”が不揮発性記憶部12Dにストアされた状態)の場合は、ノードV2の電位のほうがノードV1の電位よりも上昇し易く、ノードV1はLow(0V)にノードV2はHigh(0.5V)にラッチされ、リコールが終了する。   If the resistance variable element R1 is in the low resistance state and the resistance variable element R2 is in the high resistance state (that is, the state where the data “1” is stored in the nonvolatile storage unit 12D), the potential of the node V1 Is more likely to rise than the potential of the node V2, and a difference occurs between the potential of the node V1 and the potential of the node V2, and the node V1 of the flip-flop of the volatile storage unit 11 is set to High (0.5 V), and the node V2 Is set to Low (0 V). Thereby, the recall of the data “1” stored in the nonvolatile storage unit 12D to the flip-flop of the volatile storage unit 11 is completed. When the resistance variable element R1 is in the high resistance state and the resistance variable element R2 is in the low resistance state (that is, the state where the data “0” is stored in the nonvolatile storage unit 12D), the potential of the node V2 This is more likely to rise than the potential of the node V1, and the node V1 is latched low (0V) and the node V2 is latched high (0.5V), and the recall ends.

本実施形態においても、抵抗変化型素子を介してキャパシタを充電する微小な電流(過渡電流)の差を利用してリコールを実現しているので、不揮発性メモリセルの電源電圧VDCの立ち上げ方に注意を要することは、上記第8実施形態と同様である。また、不揮発性メモリセル10Dの揮発性記憶部11からのデータ読み出し動作が通常のSRAM動作と同じであることも上記第8実施形態の不揮発性メモリセル10Cと同様であり、スタティックノイズマージンの広いSRAMとして動作する点も上記第8実施形態と同様である。また、不揮発性メモリセル10Dへのデータ書き込みも、上記第8実施形態と同様に通常のSRAMと全く同じであるため、詳細な説明を省略する。   In the present embodiment as well, recall is realized by utilizing the difference in a minute current (transient current) that charges the capacitor via the resistance variable element, so that the power supply voltage VDC of the nonvolatile memory cell is raised. As in the eighth embodiment, it is necessary to pay attention to the above. In addition, the data read operation from the volatile memory unit 11 of the nonvolatile memory cell 10D is the same as the normal SRAM operation, which is the same as the nonvolatile memory cell 10C of the eighth embodiment, and has a wide static noise margin. The point of operating as an SRAM is the same as in the eighth embodiment. Further, since data writing to the nonvolatile memory cell 10D is exactly the same as a normal SRAM as in the eighth embodiment, detailed description thereof is omitted.

本実施形態によっても、不揮発性メモリセル10Dからのデータ読み出し動作および書き込み動作は通常のSRAMにおけるものと同一であり、データの書き込み動作および読み出し動作を高速に行うことができるとともに、広いスタティックノイズマージンを確保することができる。また、面積が小さくて安価な不揮発性メモリのチップを実現することができる点も第8実施形態と同様である。   Also in this embodiment, the data read operation and write operation from the nonvolatile memory cell 10D are the same as those in a normal SRAM, and the data write operation and read operation can be performed at a high speed, and a wide static noise margin is provided. Can be secured. Further, it is the same as in the eighth embodiment in that an inexpensive nonvolatile memory chip having a small area can be realized.

(J:第10実施形態)
図30は、この発明の第10実施形態の不揮発性RAMの全体構成を示すブロック図である。図30では図5におけるものと同一の構成要素には同一の符号が付されている。図30と図5を対比すれば明らかように、本実施形態の不揮発性RAMの構成は不揮発性メモリセルアレイ100に代えて不揮発性メモリセルアレイ1000を設けた点と、行デコーダ200に代えて行デコーダ2000を設けた点と、カラムゲート400に代えてカラムゲート4000を設けた点が前掲図5の不揮発性RAM(第3実施形態の不揮発性RAM)の構成と異なる。以下、図31を参照しつつ、第3実施形態の不揮発性RAMとの相違点である不揮発性メモリセルアレイ1000、行デコーダ2000、およびカラムゲート4000について説明する。
(J: 10th embodiment)
FIG. 30 is a block diagram showing the entire configuration of the nonvolatile RAM according to the tenth embodiment of the present invention. In FIG. 30, the same components as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. As is clear from comparison between FIG. 30 and FIG. 5, the configuration of the nonvolatile RAM of the present embodiment is that a nonvolatile memory cell array 1000 is provided instead of the nonvolatile memory cell array 100, and a row decoder is substituted for the row decoder 200. The configuration of the non-volatile RAM of FIG. 5 (the non-volatile RAM of the third embodiment) is different from that of FIG. 5 in that 2000 is provided and the column gate 4000 is provided instead of the column gate 400. Hereinafter, the nonvolatile memory cell array 1000, the row decoder 2000, and the column gate 4000, which are different from the nonvolatile RAM of the third embodiment, will be described with reference to FIG.

図31は、本実施形態の不揮発性RAMの具体的な構成例を示す図である。
不揮発性メモリセルアレイ1000は、上記第8実施形態の不揮発性メモリセル10Cを行列状に配列して構成されている。図31における符号Mij(i=0〜m、j=0〜n)は、行列状に配列されたm×n個の不揮発性メモリセル10Cの各々を指している。不揮発性メモリセルアレイ1000のメモリ容量は第3実施形態の不揮発性メモリセルアレイ100と同様に64Mビット(4M×16ビット)である。
FIG. 31 is a diagram illustrating a specific configuration example of the nonvolatile RAM according to the present embodiment.
The nonvolatile memory cell array 1000 is configured by arranging the nonvolatile memory cells 10C of the eighth embodiment in a matrix. A symbol Mij (i = 0 to m, j = 0 to n) in FIG. 31 indicates each of m × n nonvolatile memory cells 10C arranged in a matrix. The memory capacity of the nonvolatile memory cell array 1000 is 64 Mbits (4M × 16 bits), similar to the nonvolatile memory cell array 100 of the third embodiment.

行デコーダ2000は、行アドレスをデコードし、デコード結果に従って不揮発性メモリセルアレイ1000の各行の中の1つを選択する。行デコーダ2000は、図31に示す行選択回路2000−k(k=0〜m)により構成されている。図32は、第k行の行選択回路2000−kの構成例を示す回路図である。図32に示すように、行選択回路2000−kは、アドレス一致検出部2010、NAND回路2020、およびインバータ2030を有している。アドレス一致検出部2010には、行アドレスADDXが与えられる。この行アドレスADDXが第k行を示す場合、アドレス一致検出部2010の出力はLレベルとなり、逆に行アドレスADDXが第k行を示さない場合には、アドレス一致検出部2010の出力はHレベルとなる。図32に示すように、アドレス一致検出部2010の出力はNAND回路2020に与えられる。   The row decoder 2000 decodes the row address and selects one of the rows of the nonvolatile memory cell array 1000 according to the decoding result. The row decoder 2000 includes a row selection circuit 2000-k (k = 0 to m) shown in FIG. FIG. 32 is a circuit diagram showing a configuration example of the row selection circuit 2000-k in the k-th row. As illustrated in FIG. 32, the row selection circuit 2000-k includes an address match detection unit 2010, a NAND circuit 2020, and an inverter 2030. The address match detection unit 2010 is given a row address ADDX. When the row address ADDX indicates the kth row, the output of the address match detection unit 2010 is L level. Conversely, when the row address ADDX does not indicate the kth row, the output of the address match detection unit 2010 is H level. It becomes. As shown in FIG. 32, the output of the address match detection unit 2010 is given to the NAND circuit 2020.

NAND回路2020には、アドレス一致検出部2010の出力信号の他に、制御信号STRBと制御信号RCLBとが与えられる。NAND回路2020の出力信号は、アドレス一致検出部2010の出力信号、制御信号STRBおよび制御信号RCLBが全てHレベルの場合にのみLレベルとなり、その他の場合はHレベルとなる。NAND回路2020の出力信号はインバータ2030に与えられ、インバータ2030の出力が行選択信号WLkとなる。ストアおよびリコールのときは、制御信号STRBまたは制御信号RCLBはLレベルとされる。この場合、アドレス一致検出部2010の出力信号がHレベルであるかLレベルを問わずに行選択信号WLkはLレベル(非選択状態を示す値)となる。これに対して、通常のSRAM動作のときは、制御信号STRBおよび制御信号RCLBは共にHレベルとされるので、アドレス一致検出部2010の出力に応じて行選択信号WLkはLレベルまたはHレベルとなる。   In addition to the output signal of the address match detection unit 2010, the NAND circuit 2020 is supplied with a control signal STRB and a control signal RCLB. The output signal of the NAND circuit 2020 becomes L level only when the output signal of the address match detection unit 2010, the control signal STRB and the control signal RCLB are all at H level, and becomes H level in other cases. The output signal of NAND circuit 2020 is applied to inverter 2030, and the output of inverter 2030 becomes row selection signal WLk. At the time of store and recall, control signal STRB or control signal RCLB is set to L level. In this case, the row selection signal WLk becomes L level (a value indicating a non-selected state) regardless of whether the output signal of the address match detection unit 2010 is H level or L level. On the other hand, in the normal SRAM operation, both the control signal STRB and the control signal RCLB are set to the H level, so that the row selection signal WLk is set to the L level or the H level according to the output of the address match detection unit 2010. Become.

カラムゲート4000は、不揮発性メモリセルアレイ1000の各列j(j=0〜n)に対応付けられたn+1組のNチャネルの列選択トランジスタCGj(j=0〜n)およびCGjB(j=0〜n)の組を有している。第j列に対応した列選択トランジスタCGjおよびCGjBは、列選択電圧COLjがHレベルとなることによりONとなり、ビット線BITjおよびBITjBをデータ入力回路800およびセンスアンプ600に接続する。加えて、カラムゲート4000は、第j(j=0〜n)列の不揮発性メモリセルMij(i=0〜m)の各々に供給するメモリセル電圧を切り換える電圧切り替え回路を含んでいる。図31に示すように、第j列の電圧切り替え回路は、レベルシフタ401−j、Nチャネルトランジスタ402−jおよび403−jを列毎に有している。   The column gate 4000 includes n + 1 sets of N-channel column selection transistors CGj (j = 0 to n) and CGjB (j = 0 to 0) associated with the respective columns j (j = 0 to n) of the nonvolatile memory cell array 1000. n). The column selection transistors CGj and CGjB corresponding to the j-th column are turned on when the column selection voltage COLj becomes H level, and connect the bit lines BITj and BITjB to the data input circuit 800 and the sense amplifier 600. In addition, the column gate 4000 includes a voltage switching circuit that switches a memory cell voltage supplied to each of the non-volatile memory cells Mij (i = 0 to m) in the jth (j = 0 to n) column. As shown in FIG. 31, the voltage switching circuit in the j-th column has a level shifter 401-j and N-channel transistors 402-j and 403-j for each column.

より詳細に説明すると、Nチャネルトランジスタ402−jとNチャネルトランジスタ403−jは各々のソースが共通接続されており、この共通接続点が第k列に属する各不揮発性メモリに対する高電位側電源ノードとなっている。Nチャネルトランジスタ402−jのドレインは電源VDD(本実施形態の不揮発性RAMに動作電圧を共有する高電位側電源)に接続されており、Nチャネルトランジスタ403−jのドレインは電源VDC(メモリセル電圧を供給する高電位側電源)に接続されている。そして、Nチャネルトランジスタ402−jのゲートにはレベルシフタ401−jによるレベルシフトを経た列選択電圧COLjが与えられ、Nチャネルトランジスタ403−jのゲートには列選択電圧COLjが与えられる。   More specifically, the sources of the N-channel transistor 402-j and the N-channel transistor 403-j are commonly connected, and this common connection point is a high-potential-side power supply node for each nonvolatile memory belonging to the kth column. It has become. The drain of the N-channel transistor 402-j is connected to the power supply VDD (high-potential-side power supply sharing the operating voltage with the nonvolatile RAM of the present embodiment), and the drain of the N-channel transistor 403-j is the power supply VDC (memory cell). Connected to a high-potential side power source for supplying voltage) A column selection voltage COLj that has undergone a level shift by the level shifter 401-j is applied to the gate of the N-channel transistor 402-j, and a column selection voltage COLj is applied to the gate of the N-channel transistor 403-j.

図33は本実施形態による不揮発性RAMのストア時の動作を示すタイムチャートである。本実施形態の不揮発性RAMは0.5V動作の極低電圧メモリであり、前掲図27の動作条件で動作する。また、本実施形態では、不揮発性メモリセルアレイ1000の列毎に一括してストアが実施される。図33の、期間t1では、不揮発性RAMは通常のSRAMとして動作しており、メモリセル電圧VDCは0.5Vとなっている。不揮発性RAMに対する電源電圧VDDの供給を断つ場合、まず、ストア信号STRが立ち上げられる。STR信号がHレベルになると、全ての行選択信号WLk(k=0〜m)はLレベルとなり、メモリセル電圧VDCは0.5Vから1.5Vに上昇する。ここで、列アドレスADDYを最初のアドレスAY0に設定して列選択回路300−0を選択すると、列選択信号COL0=Hレベルとなり、Nチャネルトランジスタ402−0はOFFになり、Nチャネルトランジスタ403−0はONになる。このため、列アドレスADDYにアドレスAY0が設定されている期間Δt1においては、第0列の不揮発性メモリセルに供給されるメモリセル電圧VD0は1.5Vとなる。   FIG. 33 is a time chart showing an operation at the time of storing the nonvolatile RAM according to the present embodiment. The nonvolatile RAM of the present embodiment is an extremely low voltage memory operating at 0.5 V and operates under the operating conditions shown in FIG. In the present embodiment, storing is performed collectively for each column of the nonvolatile memory cell array 1000. In the period t1 in FIG. 33, the nonvolatile RAM operates as a normal SRAM, and the memory cell voltage VDC is 0.5V. When the supply of the power supply voltage VDD to the nonvolatile RAM is cut off, first, the store signal STR is raised. When the STR signal becomes H level, all the row selection signals WLk (k = 0 to m) become L level, and the memory cell voltage VDC rises from 0.5V to 1.5V. Here, when the column address ADDY is set to the first address AY0 and the column selection circuit 300-0 is selected, the column selection signal COL0 = H level, the N channel transistor 402-0 is turned OFF, and the N channel transistor 403- 0 turns ON. Therefore, in the period Δt1 in which the address AY0 is set to the column address ADDY, the memory cell voltage VD0 supplied to the nonvolatile memory cells in the 0th column is 1.5V.

この状態で、例えば不揮発性メモリセルM00の揮発性記憶部11のフリップフロップにデータ“1”が保持されていると、不揮発性メモリセルM00ではノードV1の電圧は1.5Vとなり、ノードV2の電圧は0.5Vとなるから、前掲図27のストア条件が満たされ、データ“1”が不揮発性メモリセルM00の不揮発性記憶部12Cにストアされる。以下、同様に、不揮発性メモリセルM10〜Mm0の各々の揮発性記憶部11に保持されていたデータが各々の不揮発性記憶部12Cにストアされる。   In this state, for example, when data “1” is held in the flip-flop of the volatile storage unit 11 of the nonvolatile memory cell M00, the voltage of the node V1 becomes 1.5 V in the nonvolatile memory cell M00, and the voltage of the node V2 Since the voltage is 0.5 V, the store condition shown in FIG. 27 is satisfied, and data “1” is stored in the nonvolatile storage unit 12C of the nonvolatile memory cell M00. Hereinafter, similarly, the data held in the volatile storage units 11 of the nonvolatile memory cells M10 to Mm0 are stored in the respective nonvolatile storage units 12C.

次に、列アドレスADDYをアドレスAY1に設定して列選択回路300−1を選択すると、第1列の不揮発性メモリセルに供給されるメモリセル電圧VD0は1.5Vとなり、不揮発性メモリセルM01〜Mm1の各々の揮発性記憶部11に保持されていたデータが各々の不揮発性記憶部12Cにストアされる。以下、列アドレスADDYをアドレスAY2・・・AYNと進めることで、全ての不揮発性メモリセルにおけるストア動作が完了する。   Next, when the column address ADDY is set to the address AY1 and the column selection circuit 300-1 is selected, the memory cell voltage VD0 supplied to the nonvolatile memory cells in the first column becomes 1.5V, and the nonvolatile memory cell M01. The data held in each of the volatile storage units 11 to Mm1 is stored in each of the nonvolatile storage units 12C. Thereafter, the store operation in all the nonvolatile memory cells is completed by advancing the column address ADDY to the addresses AY2... AYN.

第n列(すなわち、最終列)についてのストア動作が完了すると、図33に示すようにストア信号STRはLレベルとなり、以降、ストア信号STRがLレベルの期間t3においてメモリセル電圧VDCを0Vに落として電源遮断を行う。なお、予期せぬ停電等によって突然に電源がOFFにされることに備え、電源電圧の降下を検知する電圧降下検知回路とキャパシタ(蓄電池)とを設け、電圧降下検知回路により電源電圧の降下が検知された場合には、キャパシタに蓄えられている電力によってストア動作を行わせるようにしても良い。また、本実施形態では、列毎に一括してストアを行う場合について説明したが、同時に選択する不揮発性メモリセルの数が多いほど、ストア電流は大きくなる。例えば、不揮発性メモリセル1つ当たりのストア電流が49μAである場合、128ビット同時にストアを行うと、全体のストア電流は128×49μA=6.3mAとなる。そこで、列線を分割し、同時に選択する不揮発性メモリの数を限定する分割ストアを行っても良い。   When the store operation for the nth column (that is, the last column) is completed, the store signal STR becomes L level as shown in FIG. 33, and thereafter, the memory cell voltage VDC is set to 0V in the period t3 when the store signal STR is L level. Power off. In preparation for a sudden power failure due to an unexpected power failure, etc., a voltage drop detection circuit and a capacitor (storage battery) are provided to detect a drop in the power supply voltage. When detected, the store operation may be performed by the electric power stored in the capacitor. Further, in the present embodiment, the case where the storage is performed collectively for each column has been described, but the store current increases as the number of nonvolatile memory cells selected simultaneously increases. For example, when the store current per nonvolatile memory cell is 49 μA, if 128 bits are stored simultaneously, the total store current is 128 × 49 μA = 6.3 mA. Therefore, a divided store may be performed in which the column lines are divided and the number of nonvolatile memories selected at the same time is limited.

図34は本実施形態による不揮発性RAMのリコール時の動作を示すタイムチャートである。本実施形態では、全ての不揮発性メモリセルにおいて同時に、図27の動作条件にしたがってデータのリコールが行われる。電源立ち上げ期間t1では、不揮発性RAMに対する電源電圧VDDを0.5Vに立ち上げる。この過程において、VDD検知回路960は、電源電圧VDDの立ち上りを検知し、パワーオン信号PONをパルス出力する。このパワーオン信号PONにより、内部回路のリセット(初期化)が行われる。   FIG. 34 is a time chart showing the operation at the time of recall of the nonvolatile RAM according to the present embodiment. In the present embodiment, data is recalled in accordance with the operating conditions of FIG. 27 simultaneously in all the nonvolatile memory cells. In the power supply startup period t1, the power supply voltage VDD for the nonvolatile RAM is raised to 0.5V. In this process, the VDD detection circuit 960 detects the rise of the power supply voltage VDD and outputs a power-on signal PON in pulses. The internal circuit is reset (initialized) by the power-on signal PON.

次に、リコール信号RCLがHレベルになると、全ての行選択線WLkが非選択状態となり、期間t2において全ての列のメモリセル電圧VDCj(j=0〜n)が0Vから0.5Vに立ち上がる。不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各々では、図27に示す動作条件(すなわち、ノードV1の電圧とノードV2の電圧の大小関係)に応じて、不揮発性記憶部12Cの記憶データが揮発性記憶部11に書き戻される。その後、リコール信号RCLがLレベルになると、リコール動作が終了し、以降、不揮発性RAMは通常のSRAMとして動作する(図34における期間t3)。   Next, when the recall signal RCL becomes H level, all the row selection lines WLk are not selected, and the memory cell voltages VDCj (j = 0 to n) of all the columns rise from 0V to 0.5V in the period t2. . In each of the nonvolatile memory cells Mkj (k = 0 to m, j = 0 to n), the nonvolatile memory cell Mkj is nonvolatile depending on the operation condition shown in FIG. 27 (that is, the magnitude relationship between the voltage of the node V1 and the voltage of the node V2). Data stored in the storage unit 12C is written back to the volatile storage unit 11. Thereafter, when the recall signal RCL becomes L level, the recall operation is terminated, and thereafter, the nonvolatile RAM operates as a normal SRAM (period t3 in FIG. 34).

(K:第11実施形態)
上記第10実施形態では、不揮発性RAMに含まれる全ての不揮発性メモリセルのリコールを一括して行う場合について説明したが、図35に示すように、各列のメモリセル電圧VDCjを列毎に立ち上げ、列毎にリコールを行うようにしても良い。具体的には、パワーオン信号PONがパルス出力され、リコール信号RCLがHレベルとされた後、列アドレスAY0が設定された時点から期間Δt1を置いてメモリセル電圧VDC0を0Vから0.5Vに立ち上げる。メモリセル電圧VDC0の立ち上げ後、列アドレスがアドレスAY1に切り替わるまでの期間Δt2においては、第0列に属する不揮発性メモリセルのリコールが行われる。なお、メモリセル電圧VDC0が一旦0.5Vに立ち上がると、電源が遮断されるまでメモリセル電圧VDC0は0.5Vに維持される。その後、列アドレスがアドレスAY1・・・AYnと順次設定されて全ての不揮発性メモリセルのリコールが完了すると、リコール信号RCLがLレベルとなり、以降の期間t3では通常のSRAM動作に移行する。
(K: 11th embodiment)
In the tenth embodiment, the case where all the nonvolatile memory cells included in the nonvolatile RAM are recalled at once has been described. However, as shown in FIG. 35, the memory cell voltage VDCj of each column is set for each column. It is also possible to start up and recall for each column. Specifically, after the power-on signal PON is output in a pulse and the recall signal RCL is set to H level, the memory cell voltage VDC0 is changed from 0V to 0.5V after a period Δt1 from the time when the column address AY0 is set. Launch. During the period Δt2 after the rise of the memory cell voltage VDC0 and before the column address is switched to the address AY1, the nonvolatile memory cells belonging to the 0th column are recalled. Note that once the memory cell voltage VDC0 rises to 0.5V, the memory cell voltage VDC0 is maintained at 0.5V until the power is turned off. After that, when the column addresses are sequentially set as addresses AY1... AYn and the recall of all the nonvolatile memory cells is completed, the recall signal RCL becomes L level, and the normal SRAM operation is started in the subsequent period t3.

各列のメモリセル電圧VDCjを列毎に立ち上げ、リコールを列毎に行うには、カラムゲート4000の各列に対応する回路を図36のように構成すれば良い。図36に示すカラムゲート4000は、電源ラッチ回路410j(j=0〜n)を有する点が図32のカラムゲート4000と異なる。電源ラッチ回路410jは、アドレスラッチ回路L1、遅延回路415、インバータ416およびレベルシフタ417を含んでいる。遅延回路415はアドレスラッチ回路L1の出力信号をΔt1だけ遅延させてインバータ416に与える。インバータ416の出力信号はレベルシフタ417に与えられる。レベルシフタ417は内部電源の出力電圧VDCを選択的にメモリセル電圧VDC*j(j=0〜n)として出力する。   In order to raise the memory cell voltage VDCj of each column for each column and perform the recall for each column, a circuit corresponding to each column of the column gate 4000 may be configured as shown in FIG. A column gate 4000 shown in FIG. 36 is different from the column gate 4000 of FIG. 32 in that it includes a power supply latch circuit 410j (j = 0 to n). The power supply latch circuit 410j includes an address latch circuit L1, a delay circuit 415, an inverter 416, and a level shifter 417. Delay circuit 415 delays the output signal of address latch circuit L1 by Δt1 and provides the delayed signal to inverter 416. The output signal of inverter 416 is applied to level shifter 417. Level shifter 417 selectively outputs output voltage VDC of the internal power supply as memory cell voltage VDC * j (j = 0 to n).

アドレスラッチ回路L1は、Pチャネルトランジスタ411と、Nチャネルトランジスタ412および414と、インバータ413を含んでいる。Pチャネルトランジスタ411とNチャネルトランジスタ412は電源VDDと電源VSSの間に直列に介挿されている。Pチャネルトランジスタ411のゲートと電源VSSの間にはNチャネルトランジスタ414が介挿されている。Nチャネルトランジスタ414のゲートにはパワーオン信号PONが与えられ、このNチャネルトランジスタ414はリセットトランジスタの役割を果たす。Nチャネルトランジスタ412のゲートには列選択信号COLjが与えられる。Pチャネルトランジスタ411のドレインとNチャネルトランジスタ412のドレインの共通接続点とPチャネルトランジスタ411のゲートとNチャネルトランジスタ414のドレインの共通接続点(図36:ノードN2)との間にはインバータ413が介挿されており、ノードN2はアドレスラッチ回路L1の出力ノードとなっている。   Address latch circuit L1 includes a P-channel transistor 411, N-channel transistors 412 and 414, and an inverter 413. The P-channel transistor 411 and the N-channel transistor 412 are inserted in series between the power supply VDD and the power supply VSS. An N-channel transistor 414 is interposed between the gate of the P-channel transistor 411 and the power supply VSS. A power-on signal PON is supplied to the gate of the N-channel transistor 414, and this N-channel transistor 414 serves as a reset transistor. Column select signal COLj is applied to the gate of N channel transistor 412. An inverter 413 is connected between the common connection point of the drain of the P-channel transistor 411 and the drain of the N-channel transistor 412 and the common connection point of the gate of the P-channel transistor 411 and the drain of the N-channel transistor 414 (FIG. 36: node N2). The node N2 is an output node of the address latch circuit L1.

電源投入時にパワーオン信号PONがパルス出力されると、Nチャネルトランジスタ414がONになる。Nチャネルトランジスタ414がONになると、ノードN2がLレベルとなり、アドレスラッチ回路L1がリセットされてメモリセル電圧VDC*jが0Vとなる。次いで、列アドレスAYjが選択されると、列選択信号COLjがHレベルとなる。列選択信号COLjがHレベルとなると、アドレスラッチ回路L1がセットされてその出力信号がHレベルとなる。アドレスラッチ回路L1の出力信号は遅延回路415によるΔt1の遅延を経てインバータ416に与えられ、インバータ416による論理反転およびレベルシフタ417によるレベルシフトを経て、メモリセル電圧VDC*j(0.5V)として出力される。一方、列選択信号COLjはHレベルであるため、Nチャネルトランジスタ402−jはOFFに、Nチャネルトランジスタ403−jはONになる。その結果、メモリセル電圧VDCjはΔt1の期間は0Vに、次のΔt2の期間は0.5Vとなり、図35のタイミング波形の動作が実現される。   When the power-on signal PON is output as a pulse when the power is turned on, the N-channel transistor 414 is turned on. When the N channel transistor 414 is turned on, the node N2 becomes L level, the address latch circuit L1 is reset, and the memory cell voltage VDC * j becomes 0V. Next, when the column address AYj is selected, the column selection signal COLj becomes H level. When the column selection signal COLj becomes H level, the address latch circuit L1 is set and its output signal becomes H level. The output signal of address latch circuit L1 is applied to inverter 416 through a delay of Δt1 by delay circuit 415, and output as memory cell voltage VDC * j (0.5 V) through logic inversion by inverter 416 and level shift by level shifter 417. Is done. On the other hand, since the column selection signal COLj is at the H level, the N-channel transistor 402-j is turned OFF and the N-channel transistor 403-j is turned ON. As a result, the memory cell voltage VDCj is 0V during the period Δt1 and 0.5V during the next period Δt2, and the operation of the timing waveform of FIG. 35 is realized.

(L:第12実施形態)
上記第11実施形態では、列毎にリコールを行ったが本実施形態の不揮発性RAMでは行毎にリコールが行われる点が異なる。図37は本実施形態の不揮発性RAMの具体的な構成例を示す図である。図37では図31におけるものと同一の構成要素には同一の符号が付されている。図37と図31とを対比すれば明らかように、本実施形態の不揮発性RAMは、行選択回路2000−kに代えて行選択回路2200−kが用いられている点と、カラムゲート4000に代えてカラムゲート4200が用いられている点が図31の不揮発性RAMと異なる。
(L: 12th embodiment)
In the eleventh embodiment, the recall is performed for each column. However, the nonvolatile RAM of the present embodiment is different in that the recall is performed for each row. FIG. 37 is a diagram showing a specific configuration example of the nonvolatile RAM of the present embodiment. In FIG. 37, the same components as those in FIG. 31 are denoted by the same reference numerals. As is clear from a comparison between FIG. 37 and FIG. 31, the nonvolatile RAM of the present embodiment includes a row selection circuit 2200-k instead of the row selection circuit 2000-k, and a column gate 4000. Instead, the column gate 4200 is different from the nonvolatile RAM of FIG.

カラムゲート4200は、カラムゲート4000からインバータ401−j(j=0〜n)とNチャネルトランジスタ402−j(j=0〜n)および403−j(j=0〜n)を削除した構成となっている。行選択回路2200−kは第k行の不揮発性メモリセルに与えるメモリセル電圧VDCkと行選択信号WLkを選択的に出力する。図38は、行選択回路2200−kの構成例を示す図である。この行選択回路2200−kでは、NAND回路221およびインバータ222が行アドレスデコーダを構成し、Pチャネルトランジスタ223、Nチャネルトランジスタ224および226、インバータ225がラッチ回路L1を構成する。遅延回路227は遅延Δt1を生成する遅延回路であり、遅延回路227の出力信号はインバータ228による論理反転を経てレベルシフタ229に与えられ、レベルシフタ229の出力信号が第k行の不揮発性メモリセルに対するメモリセル電圧VDCkとなる。この行選択回路2200−kは、図36の電源ラッチ回路410と同様の動作を行う。なお、ストア時の動作タイミング波形およびリコール時の動作タイミング波形については、図33および図35における列アドレスAYjを行アドレスAXkに置き換えれば良いため、詳細な図示を省略する。   The column gate 4200 has a configuration in which the inverter 401-j (j = 0 to n) and the N-channel transistors 402-j (j = 0 to n) and 403-j (j = 0 to n) are deleted from the column gate 4000. It has become. The row selection circuit 2200-k selectively outputs a memory cell voltage VDCk and a row selection signal WLk applied to the nonvolatile memory cells in the kth row. FIG. 38 is a diagram illustrating a configuration example of the row selection circuit 2200-k. In this row selection circuit 2200-k, NAND circuit 221 and inverter 222 constitute a row address decoder, and P channel transistor 223, N channel transistors 224 and 226, and inverter 225 constitute latch circuit L1. The delay circuit 227 is a delay circuit that generates a delay Δt1, and the output signal of the delay circuit 227 is applied to the level shifter 229 through logic inversion by the inverter 228, and the output signal of the level shifter 229 is a memory for the non-volatile memory cell in the k-th row. The cell voltage becomes VDCk. The row selection circuit 2200-k performs the same operation as that of the power supply latch circuit 410 in FIG. The operation timing waveform at the time of storing and the operation timing waveform at the time of recall are not shown in detail because the column address AYj in FIGS. 33 and 35 may be replaced with the row address AXk.

(M:第13実施形態)
本実施形態は、第12実施形態(すなわち、メモリセル電圧VDCを行毎に供給する実施形態)の変形である。本実施形態では、図39に示すように、メモリセル電圧VDCを供給する電源と各不揮発性メモリセルとをPチャネルトランジスタSWを介して接続し、第k行のPチャネルトランジスタSWのON/OFF制御を行選択回路2300−kに行わせるようにした点が第12実施形態と異なる。図39に示すように、本実施形態では、第k行のPチャネルトランジスタSWのゲートには、行選択回路2300−kから行電源選択信号SELBkが与えられる。例えば、行選択回路2300−kが選択されると、行電源選択信号SELBkはLレベルとなり、不揮発性メモリセルMk0〜MKnが、メモリセル電圧VDCを供給する電源に接続されるといった具合である。このような態様によれば、メモリセル電圧VDCを供給する電源と各不揮発性メモリセル(より正確には各不揮発性メモリセルに対応するPチャネルトランジスタSW)とを接続する電源線を不揮発性メモリセルの列方向と行方向の少なくとも一方に沿って(すなわち、列方向に沿って、或いは行方向沿って、または行方向と列方向にメッシュ様に)配線することが可能になり、比較的大電流が流れる当該電源線を強化することが可能になる。
(M: 13th Embodiment)
This embodiment is a modification of the twelfth embodiment (that is, an embodiment in which the memory cell voltage VDC is supplied for each row). In the present embodiment, as shown in FIG. 39, the power source that supplies the memory cell voltage VDC and each nonvolatile memory cell are connected via the P-channel transistor SW, and the P-channel transistor SW in the k-th row is turned on / off. The difference from the twelfth embodiment is that the row selection circuit 2300-k is controlled. As shown in FIG. 39, in this embodiment, the row power supply selection signal SELBk is supplied from the row selection circuit 2300-k to the gate of the P-channel transistor SW in the k-th row. For example, when the row selection circuit 2300-k is selected, the row power supply selection signal SELBk becomes L level, and the nonvolatile memory cells Mk0 to MKn are connected to the power supply that supplies the memory cell voltage VDC. According to such an aspect, the power supply line that connects the power supply that supplies the memory cell voltage VDC and each nonvolatile memory cell (more precisely, the P-channel transistor SW corresponding to each nonvolatile memory cell) is connected to the nonvolatile memory. It is possible to perform wiring along at least one of the column direction and the row direction of the cell (that is, along the column direction, or along the row direction, or in a mesh-like manner in the row direction and the column direction). It becomes possible to strengthen the power supply line through which a current flows.

(N:変形)
以上本発明の第1〜第10実施形態について説明したが、これら実施形態に以下の変形を加えても勿論良い。
(1)上記第1実施形態の不揮発性メモリセル10Aの不揮発性記憶部12Aでは、抵抗変化型素子R1のフリー層側がNチャネルトランジスタTwに接続されており、抵抗変化型素子R2のフリー層側がNチャネルトランジスタTwに接続されていた。しかし、抵抗変化型素子R1のピン層側をNチャネルトランジスタTwに接続し、抵抗変化型素子R2のピン層側をNチャネルトランジスタTwに接続して不揮発性記憶部を構成しても良い。このような構成の不揮発性記憶部では、データ“1”をストアすると抵抗変化型素子R1は低抵抗状態となり、抵抗変化型素子R2は高抵抗状態となる。また、データ“0”をストアすると抵抗変化型素子R1は高抵抗状態となり、抵抗変化型素子R2は低抵抗状態となる。第2実施形態の不揮発性メモリセル10Bについても同様に、抵抗変化型素子R1のピン層側をNチャネルトランジスタTwに接続し、抵抗変化型素子R2のピン層側をNチャネルトランジスタTwに接続しての不揮発性記憶部12Bを構成しても良い。要は、抵抗変化型素子R1およびR2の各々が有する2種類の層のうちの同じ種類の層がNチャネルトランジスタTwに接続されている態様であれば良い。第8実施形態の不揮発性メモリセル10Cの不揮発性記憶部12Cおよび第9実施形態の不揮発性メモリセル10Dの不揮発性記憶部12Dについても同様である。
(N: deformation)
Although the first to tenth embodiments of the present invention have been described above, the following modifications may of course be added to these embodiments.
(1) In the nonvolatile memory unit 12A of the nonvolatile memory cell 10A of the first embodiment, the free layer side of the resistance change element R1 is connected to the N-channel transistor Tw, and the free layer side of the resistance change element R2 is It was connected to the N channel transistor Tw. However, the nonvolatile memory unit may be configured by connecting the pin layer side of the resistance variable element R1 to the N channel transistor Tw and connecting the pin layer side of the resistance variable element R2 to the N channel transistor Tw. In the nonvolatile memory unit having such a configuration, when data “1” is stored, the resistance variable element R1 is in a low resistance state and the resistance variable element R2 is in a high resistance state. When data “0” is stored, the resistance variable element R1 enters a high resistance state, and the resistance variable element R2 enters a low resistance state. Similarly, in the nonvolatile memory cell 10B of the second embodiment, the pin layer side of the resistance change element R1 is connected to the N channel transistor Tw, and the pin layer side of the resistance change element R2 is connected to the N channel transistor Tw. All the non-volatile storage units 12B may be configured. The point is that the same type of two types of layers of each of the resistance variable elements R1 and R2 may be connected to the N-channel transistor Tw. The same applies to the nonvolatile memory unit 12C of the nonvolatile memory cell 10C of the eighth embodiment and the nonvolatile memory unit 12D of the nonvolatile memory cell 10D of the ninth embodiment.

(2)上記各実施形態では、不揮発性メモリセルの全セルを、揮発性記憶部と不揮発性記憶部からなる不揮発性メモリセルにより構成した。しかし、そのようにする代わりに、不揮発性メモリセルアレイの一部の領域を不揮発性メモリセルにより構成し、残りの領域を通常のSRAMのメモリセルにより構成してもよい。すなわち、SRAMの全メモリ空間のうち一部の領域のみをストアおよびリコールの可能な領域にするのである。 (2) In each of the embodiments described above, all the nonvolatile memory cells are configured by nonvolatile memory cells including a volatile storage unit and a nonvolatile storage unit. However, instead of doing so, a part of the non-volatile memory cell array may be constituted by non-volatile memory cells, and the remaining area may be constituted by ordinary SRAM memory cells. That is, only a part of the entire memory space of the SRAM is made an area that can be stored and recalled.

(3)上記第1実施形態の不揮発性メモリセル10Aでは、NチャネルトランジスタTwと抵抗変化型素子R1との共通接続点と低電位側電源ノードとの間にキャパシタC1が介挿されており、NチャネルトランジスタTwと抵抗変化型素子R2との共通接続点と低電位側電源ノードとの間にキャパシタC2が介挿されていた。しかし、キャパシタC1およびC2を省略し、両者の役割をNチャネルトランジスタTwの寄生容量あるいはメタル配線容量に担わせても良い。第2〜第10実施形態の各々における不揮発性メモリセルについても同様に、キャパシタC1およびC2を省略し、両者の役割をNチャネルトランジスタTwの寄生容量あるいはメタル配線容量に担わせても良い。 (3) In the nonvolatile memory cell 10A of the first embodiment, the capacitor C1 is interposed between the common connection point between the N-channel transistor Tw and the resistance variable element R1 and the low potential side power supply node. The capacitor C2 is interposed between the common connection point between the N-channel transistor Tw and the resistance variable element R2 and the low potential side power supply node. However, the capacitors C1 and C2 may be omitted, and the role of both may be assigned to the parasitic capacitance or metal wiring capacitance of the N-channel transistor Tw. Similarly, in the nonvolatile memory cells in each of the second to tenth embodiments, the capacitors C1 and C2 may be omitted, and the role of both may be assigned to the parasitic capacitance or the metal wiring capacitance of the N-channel transistor Tw.

10A,10B、10C、10D…不揮発性メモリセル、11…揮発性記憶部、12A,12B,12C、12D…不揮発性記憶部、INV1,INV2…インバータ、V1,V2…出力ノード、P1,P2…Pチャネルトランジスタ、N1,N2,Ta1,Ta2…Nチャネルトランジスタ、100,1000…不揮発性メモリセルアレイ、200,2000…行デコーダ、200−k,220−k、240−k,250−k…行選択回路、300…列デコーダ、300−j…列選択回路、400,4000…カラムゲート、500…制御回路、600…センスアンプ、700…入出力バッファ、800…データ入力回路、900…VDC回路、950…アドレス入力回路、960…VDD検知回路。 10A, 10B, 10C, 10D ... non-volatile memory cell, 11 ... volatile memory unit, 12A, 12B, 12C, 12D ... non-volatile memory unit, INV1, INV2 ... inverter, V1, V2 ... output node, P1, P2 ... P channel transistor, N1, N2, Ta1, Ta2 ... N channel transistor, 100, 1000 ... non-volatile memory cell array, 200, 2000 ... row decoder, 200-k, 220-k, 240-k, 250-k ... row selection Circuit 300, column decoder 300-j column selection circuit 400, 4000 column gate 500 control circuit 600 sense amplifier 700 input / output buffer 800 data input circuit 900 VDC circuit 950 ... Address input circuit, 960 ... VDD detection circuit.

Claims (19)

揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、閾値素子および第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記第1および第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化する
ことを特徴とする不揮発性メモリセル。
A volatile storage unit and a non-volatile storage unit;
The volatile storage unit is
The first and second inverters, each having an output signal of the other party as an input signal, each of the first power supply node to which the high potential side power supply voltage is applied and the second power supply node to which the low potential side power supply voltage is applied A flip-flop interposed between them,
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first resistance variable element, a threshold element, and a second resistance variable element inserted in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first capacitor interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the threshold element and one of the first and second power supply nodes;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the threshold element and the one power supply node;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, A nonvolatile memory cell, wherein one resistance change element changes a resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes a resistance value in the first direction.
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、磁気トンネル接合素子または電界誘起巨大抵抗変化の発生する抵抗素子であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性メモリセル。   2. The nonvolatile memory cell according to claim 1, wherein the first and second resistance change elements are a magnetic tunnel junction element or a resistance element in which an electric field induced giant resistance change occurs. 前記閾値素子は第3のスイッチであり、前記フリップフロップに記憶されたデータを前記不揮発性記憶部に記憶させる際には、前記第1および第2のスイッチをOFFにして当該第3のスイッチをONにし、前記不揮発性記憶部に記憶されたデータを前記フリップフロップに記憶させる際には、前記第1、第2および第3のスイッチをOFFにした状態で前記第1の電源ノードの電圧を前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上げることを特徴とする請求項1および2に記載の不揮発性メモリセル。   The threshold element is a third switch. When the data stored in the flip-flop is stored in the nonvolatile storage unit, the first switch and the second switch are turned off and the third switch is turned on. When the data stored in the nonvolatile storage unit is stored in the flip-flop, the voltage of the first power supply node is set with the first, second, and third switches turned off. 3. The nonvolatile memory cell according to claim 1, wherein the non-volatile memory cell rises from the low potential side power supply voltage to the high potential side power supply voltage. 前記閾値素子は電界効果トランジスタであり、前記第1および第2のキャパシタは当該電界効果トランジスタの寄生容量であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の不揮発性メモリセル。   4. The nonvolatile memory cell according to claim 1, wherein the threshold element is a field effect transistor, and the first and second capacitors are parasitic capacitances of the field effect transistor. 5. . 前記閾値素子は前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの電位差に応じた方向に電流を流す素子であり、前記フリップフロップに記憶されたデータを前記不揮発性記憶部に記憶させる際には、前記第1および第2のスイッチをOFFにして前記第1の電源ノードの電圧を前記高電位側電源電圧よりも高い所定の電圧まで立ち上げ、前記不揮発性記憶部に記憶されたデータを前記フリップフロップに記憶させる際には、前記第1および第2のスイッチをOFFにした状態で前記第1の電源ノードの電圧を前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上げることを特徴とする請求項1および2に記載の不揮発性メモリセル。   The threshold element is an element that causes a current to flow in a direction corresponding to a potential difference between the output node of the first inverter and the output node of the second inverter, and the data stored in the flip-flop is stored in the nonvolatile storage unit. When storing, the first and second switches are turned OFF, the voltage of the first power supply node is raised to a predetermined voltage higher than the high-potential-side power supply voltage, and stored in the nonvolatile storage unit When storing the processed data in the flip-flop, the voltage of the first power supply node is changed from the low-potential-side power supply voltage to the high-potential-side power-supply voltage with the first and second switches turned off. The non-volatile memory cell according to claim 1, wherein the non-volatile memory cell is started up to a maximum. 前記閾値素子は、逆並列に接続された2つのダイオード、またはツェナーダイオードであることを特徴とする請求項5に記載の不揮発性メモリセル。   The nonvolatile memory cell according to claim 5, wherein the threshold element is two diodes connected in antiparallel or a Zener diode. 不揮発性メモリセルを行列状に配列した不揮発性メモリセルアレイと、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける各不揮発性メモリセルの動作を制御する制御手段とを有し、
前記不揮発性メモリセルは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、第3のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記第1および第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化し、
前記制御手段は、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを選択し、当該不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにするとともに第3のスイッチをONにして当該不揮発性メモリセルのフリップフロップに記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶させるストア処理を実行するストア制御手段と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを選択し、当該不揮発性メモリセルの第1、第2および第3のスイッチをOFFにした状態で前記第1の電源ノードの電圧を前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上げて当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの前記フリップフロップに記憶させるリコール処理を実行するリコール制御手段と、を有する
ことを特徴とする不揮発性メモリ。
A nonvolatile memory cell array in which nonvolatile memory cells are arranged in a matrix;
Control means for controlling the operation of each nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array,
The non-volatile memory cell has a volatile memory unit and a non-volatile memory unit,
The volatile storage unit is
The first and second inverters, each having an output signal of the other party as an input signal, each of the first power supply node to which the high potential side power supply voltage is applied and the second power supply node to which the low potential side power supply voltage is applied A flip-flop interposed between them,
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first variable resistance element, a third switch, and a second variable resistance element interposed in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first capacitor interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the third switch and one of the first and second power supply nodes;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the third switch and the one power supply node;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, One resistance change element changes its resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes its resistance value in the first direction,
The control means includes
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected, the first and second switches of the nonvolatile memory cell are turned off, and the third switch is turned on to turn on the flip-flop of the nonvolatile memory cell. Store control means for executing a store process for storing the data stored in the nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory cell;
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected, and the voltage of the first power supply node is set to the low potential with the first, second, and third switches of the nonvolatile memory cell turned off. Recall control means for executing a recall process in which the data stored in the nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory cell is stored in the flip-flop of the nonvolatile memory cell by rising from the side power supply voltage to the high potential power supply voltage And a non-volatile memory.
前記ストア制御手段は不揮発性メモリセルを行単位で選択して前記ストア処理を実行し、前記リコール制御手段は前記不揮発性メモリセルアレイに含まれる全ての前記不揮発性メモリセルを一括して選択して前記リコール処理を実行することを特徴とする請求項7に記載の不揮発性メモリ。   The store control means selects nonvolatile memory cells in a row unit and executes the store process, and the recall control means selects all the nonvolatile memory cells included in the nonvolatile memory cell array at a time. The nonvolatile memory according to claim 7, wherein the recall process is executed. 不揮発性メモリセルを行列状に配列した不揮発性メモリセルアレイと、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける各不揮発性メモリセルの動作を制御する制御手段とを有し、
前記不揮発性メモリセルは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、第3のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化し、
前記制御手段は、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを選択し、当該不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにするとともに第3のスイッチをONにして当該不揮発性メモリセルのフリップフロップに記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶させるストア処理を実行するストア制御手段と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを1または複数の行単位で選択し、当該不揮発性メモリセルの第1、第2および第3のスイッチをOFFにした状態で当該不揮発性メモリセルの第1の電源ノードの電圧を前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上げて当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの前記フリップフロップに記憶させるリコール処理を実行するリコール制御手段と、を有する
ことを特徴とする不揮発性メモリ。
A nonvolatile memory cell array in which nonvolatile memory cells are arranged in a matrix;
Control means for controlling the operation of each nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array,
The non-volatile memory cell has a volatile memory unit and a non-volatile memory unit,
The volatile storage unit is
The first and second inverters, each having an output signal of the other party as an input signal, each of the first power supply node to which the high potential side power supply voltage is applied and the second power supply node to which the low potential side power supply voltage is applied A flip-flop interposed between them,
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first variable resistance element, a third switch, and a second variable resistance element interposed in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first node interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the third switch and one of the first power supply node and the second power supply node; A capacitor;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the third switch and the one power supply node;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, One resistance change element changes its resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes its resistance value in the first direction,
The control means includes
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected, the first and second switches of the nonvolatile memory cell are turned off, and the third switch is turned on to turn on the flip-flop of the nonvolatile memory cell. Store control means for executing a store process for storing the data stored in the nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory cell;
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected in units of one or more rows, and the nonvolatile memory cell is in a state where the first, second and third switches of the nonvolatile memory cell are turned off. The voltage of the first power supply node is raised from the low-potential-side power supply voltage to the high-potential-side power supply voltage, and the data stored in the nonvolatile storage portion of the nonvolatile memory cell is transferred to the flip-flop of the nonvolatile memory cell. And a recall control means for executing a recall process stored in the memory.
前記リコール制御手段は、リコール処理の対象とする行の選択に先立って前記不揮発性メモリセルアレイに含まれる全ての不揮発性メモリセルのフリップフロップを一括して初期化することを特徴とする請求項9に記載の不揮発性メモリ。   10. The recall control means collectively initializes flip-flops of all nonvolatile memory cells included in the nonvolatile memory cell array prior to selection of a row to be recalled. Nonvolatile memory as described in 1. 前記リコール制御手段は、リコールの実行に先立って、選択した行の不揮発性メモリセルのフリップフロップを初期化することを特徴とする請求項9に記載の不揮発性メモリ。   10. The nonvolatile memory according to claim 9, wherein the recall control unit initializes a flip-flop of the nonvolatile memory cell in the selected row prior to execution of the recall. 不揮発性メモリセルを行列状に配列した不揮発性メモリセルアレイと、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける各不揮発性メモリセルの動作を制御する制御手段とを有し、
前記不揮発性メモリセルは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、第3のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化し、
前記制御手段は、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを行単位で選択し、当該不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにするとともに第3のスイッチをONにして当該不揮発性メモリセルのフリップフロップに記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶させるストア処理を実行するストア制御手段と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを行単位で選択し、当該不揮発性メモリセルの第1、第2および第3のスイッチをOFFにした状態で前記第2の電源ノードの電圧を前記高電位側電源電圧に充電した後に前記低電位側電源電圧まで立ち下げて当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの前記フリップフロップに記憶させるリコール処理を実行するリコール制御手段と、を有する
ことを特徴とする不揮発性メモリ。
A nonvolatile memory cell array in which nonvolatile memory cells are arranged in a matrix;
Control means for controlling the operation of each nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array,
The non-volatile memory cell has a volatile memory unit and a non-volatile memory unit,
The volatile storage unit is
The first and second inverters, each having an output signal of the other party as an input signal, each of the first power supply node to which the high potential side power supply voltage is applied and the second power supply node to which the low potential side power supply voltage is applied A flip-flop interposed between them,
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first variable resistance element, a third switch, and a second variable resistance element interposed in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first node interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the third switch and one of the first power supply node and the second power supply node; A capacitor;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the third switch and the one power supply node;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, One resistance change element changes its resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes its resistance value in the first direction,
The control means includes
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected in units of rows, the first and second switches of the nonvolatile memory cell are turned OFF, and the third switch is turned ON to turn the nonvolatile memory cell Store control means for executing store processing for storing the data stored in the flip-flop in the nonvolatile memory portion of the nonvolatile memory cell;
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected in units of rows, and the voltage of the second power supply node is set with the first, second, and third switches of the nonvolatile memory cell turned off. Recall processing for storing the data stored in the nonvolatile memory portion of the nonvolatile memory cell in the flip-flop of the nonvolatile memory cell by charging to the high potential power supply voltage and then falling to the low potential power supply voltage A non-volatile memory comprising recall control means for executing
不揮発性メモリセルが行列状に配列されているとともに、不揮発性メモリセルの列毎に高電位側電源電圧が印加される電源線が当該列に沿って配線されている不揮発性メモリセルアレイと、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける各不揮発性メモリセルの動作を制御する制御手段とを有し、
前記不揮発性メモリセルは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、当該不揮発性メモリセルの属する列に対応する電源線に選択スイッチを介して接続される第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、第3のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記第3のスイッチの共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化し、
前記制御手段は、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを行単位で選択し、当該不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにするとともに第3のスイッチをONにして当該不揮発性メモリセルのフリップフロップに記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶させるストア処理を実行するストア制御手段と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを行単位で選択し、当該不揮発性メモリセルの第1、第2および第3のスイッチをOFFにした状態で当該不揮発性メモリセルの選択スイッチをONにし、その接続先の電源線の電圧を前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上げて当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの前記フリップフロップに記憶させるリコール処理を実行するリコール制御手段と、を有する
ことを特徴とする不揮発性メモリ。
A non-volatile memory cell array in which non-volatile memory cells are arranged in a matrix, and a power supply line to which a high-potential-side power supply voltage is applied for each column of the non-volatile memory cell is wired along the column,
Control means for controlling the operation of each nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array,
The non-volatile memory cell has a volatile memory unit and a non-volatile memory unit,
The volatile storage unit is
A first power supply node comprising first and second inverters each having a counterpart output signal as an input signal to each other, and connected via a selection switch to a power supply line corresponding to a column to which the nonvolatile memory cell belongs; A flip-flop interposed between the second power supply nodes to which the low potential side power supply voltage is applied;
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first variable resistance element, a third switch, and a second variable resistance element interposed in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first node interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the third switch and one of the first power supply node and the second power supply node; A capacitor;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the third switch and the one power supply node;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, One resistance change element changes its resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes its resistance value in the first direction,
The control means includes
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected in units of rows, the first and second switches of the nonvolatile memory cell are turned OFF, and the third switch is turned ON to turn the nonvolatile memory cell Store control means for executing store processing for storing the data stored in the flip-flop in the nonvolatile memory portion of the nonvolatile memory cell;
A desired non-volatile memory cell in the non-volatile memory cell array is selected in units of rows, and the selection switch of the non-volatile memory cell is turned on with the first, second and third switches of the non-volatile memory cell being turned off. ON, the voltage of the connected power line is raised from the low-potential-side power supply voltage to the high-potential-side power supply voltage, and the data stored in the nonvolatile storage portion of the nonvolatile memory cell is transferred to the nonvolatile memory cell And a recall control means for executing a recall process stored in the flip-flop.
不揮発性メモリセルを行列状に配列した不揮発性メモリセルアレイと、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける各不揮発性メモリセルの動作を制御する制御手段とを有し、
前記不揮発性メモリセルは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、閾値素子および第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記第1および第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記閾値素子は前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの電位差に応じた方向に電流を流す素子であり、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化し、
前記制御手段は、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを選択し、当該不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにするとともに当該不揮発性メモリセルの第1の電源ノードの電圧を前記高電位側電源電圧よりも高い所定の電圧まで引き上げて当該不揮発性メモリセルのフリップフロップに記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶させるストア処理を実行するストア制御手段と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを選択し、当該不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにした状態で前記第1の電源ノードの電圧を前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上げて当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの前記フリップフロップに記憶させるリコール処理を実行するリコール制御手段と、を有する
ことを特徴とする不揮発性メモリ。
A nonvolatile memory cell array in which nonvolatile memory cells are arranged in a matrix;
Control means for controlling the operation of each nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array,
The non-volatile memory cell has a volatile memory unit and a non-volatile memory unit,
The volatile storage unit is
The first and second inverters, each having an output signal of the other party as an input signal, each of the first power supply node to which the high potential side power supply voltage is applied and the second power supply node to which the low potential side power supply voltage is applied A flip-flop interposed between them,
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first resistance variable element, a threshold element, and a second resistance variable element inserted in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first capacitor interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the threshold element and one of the first and second power supply nodes;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the threshold element and the one power supply node;
The threshold element is an element that allows a current to flow in a direction according to a potential difference between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, One resistance change element changes its resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes its resistance value in the first direction,
The control means includes
A desired non-volatile memory cell in the non-volatile memory cell array is selected, the first and second switches of the non-volatile memory cell are turned OFF, and the voltage of the first power supply node of the non-volatile memory cell is increased. Store control means for executing a store process for raising the data to a predetermined voltage higher than the potential-side power supply voltage and storing the data stored in the flip-flop of the nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory unit of the nonvolatile memory cell;
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected, and the voltage of the first power supply node is set to the low-potential-side power supply voltage in a state where the first and second switches of the nonvolatile memory cell are turned off. Recall control means for executing a recall process for starting up from the high-potential-side power supply voltage and storing the data stored in the nonvolatile memory portion of the nonvolatile memory cell in the flip-flop of the nonvolatile memory cell; A non-volatile memory comprising:
前記ストア制御手段は不揮発性メモリセルを列単位で選択して前記ストア処理を実行することを特徴とする請求項14に記載の不揮発性メモリ。   The nonvolatile memory according to claim 14, wherein the store control unit selects the nonvolatile memory cells in units of columns and executes the store process. 前記リコール制御手段は前記不揮発性メモリセルアレイに含まれる不揮発性メモリセルを列単位で選択して前記リコール処理を実行することを特徴とする請求項14または請求項15に記載の不揮発性メモリ。   16. The nonvolatile memory according to claim 14, wherein the recall control unit selects the nonvolatile memory cells included in the nonvolatile memory cell array in units of columns and executes the recall process. 不揮発性メモリセルを行列状に配列した不揮発性メモリセルアレイと、
前記不揮発性メモリセルアレイの行毎に設けられ、対応する行の不揮発性メモリセルに動作電圧を供給する電圧発生回路と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける各不揮発性メモリセルの動作を制御する制御手段と、を有し、
前記不揮発性メモリセルは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、閾値素子および第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記第1および第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記閾値素子は前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの電位差に応じた方向に電流を流す素子であり、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化し、
前記制御手段は、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを行単位で選択し、選択した行に属する揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにするとともに当該不揮発性メモリセルの第1の電源ノードに前記高電位側電源電圧よりも高い所定の電圧が印加されるように当該選択した行に対応する電圧発生回路を制御して当該不揮発性メモリセルのフリップフロップに記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶させるストア処理を実行するストア制御手段と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを行単位で選択し、選択した行に属する不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにした状態で前記第1の電源ノードに与えられる電圧が前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上がるように当該選択した行に対応する電圧発生回路を制御して当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの前記フリップフロップに記憶させるリコール処理を実行するリコール制御手段と、を有する
ことを特徴とする不揮発性メモリ。
A nonvolatile memory cell array in which nonvolatile memory cells are arranged in a matrix;
A voltage generating circuit that is provided for each row of the nonvolatile memory cell array and supplies an operating voltage to the nonvolatile memory cells in the corresponding row;
Control means for controlling the operation of each nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array,
The non-volatile memory cell has a volatile memory unit and a non-volatile memory unit,
The volatile storage unit is
The first and second inverters, each having an output signal of the other party as an input signal, each of the first power supply node to which the high potential side power supply voltage is applied and the second power supply node to which the low potential side power supply voltage is applied A flip-flop interposed between them,
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first resistance variable element, a threshold element, and a second resistance variable element inserted in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first capacitor interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the threshold element and one of the first and second power supply nodes;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the threshold element and the one power supply node;
The threshold element is an element that allows a current to flow in a direction according to a potential difference between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, One resistance change element changes its resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes its resistance value in the first direction,
The control means includes
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected in units of rows, the first and second switches of the volatile memory cells belonging to the selected row are turned OFF, and the first nonvolatile memory cell Data stored in the flip-flop of the nonvolatile memory cell is controlled by controlling the voltage generation circuit corresponding to the selected row so that a predetermined voltage higher than the high-potential-side power supply voltage is applied to the power supply node. Store control means for executing store processing to be stored in the nonvolatile storage unit of the nonvolatile memory cell;
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected in units of rows, and applied to the first power supply node in a state where the first and second switches of the nonvolatile memory cells belonging to the selected row are turned off. Data stored in the nonvolatile memory portion of the nonvolatile memory cell is controlled by controlling the voltage generation circuit corresponding to the selected row so that the generated voltage rises from the low potential power supply voltage to the high potential power supply voltage. Recall control means for executing a recall process stored in the flip-flop of the nonvolatile memory cell.
不揮発性メモリセルを行列状に配列した不揮発性メモリセルアレイと、
前記不揮発性メモリセル毎に設けられ、不揮発性メモリセルに動作電圧を供給する電圧発生回路への接続の可否を切り換える選択スイッチと、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける各不揮発性メモリセルの動作を制御する制御手段とを有し、
前記不揮発性メモリセルは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部とを有し、
前記揮発性記憶部は、
互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータからなり、高電位側電源電圧が与えられる第1の電源ノードと低電位側電源電圧が与えられる第2の電源ノードの間に介挿されるフリップフロップと、
前記第1および第2のインバータの各々の出力ノードと2本のビット線との間に各々介挿され、前記2本のビット線を介して前記フリップフロップに対してデータの書き込みを行う場合、または前記フリップフロップから前記2本のビット線を介してデータの読み出しを行う場合にONとされる第1および第2のスイッチと、を有し、
前記不揮発性記憶部は、
前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの間に直列に介挿された第1の抵抗変化型素子、閾値素子および第2の抵抗変化型素子と、
前記第1の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記第1および第2の電源ノードの何れか一方の電源ノードとの間に介挿された第1のキャパシタと、
前記第2の抵抗変化型素子および前記閾値素子の共通接続点と前記一方の電源ノードとの間に介挿された第2のキャパシタと、を有し、
前記閾値素子は前記第1のインバータの出力ノードと前記第2のインバータの出力ノードの電位差に応じた方向に電流を流す素子であり、
前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記第1および第2の抵抗変化型素子の一方は第1の方向に抵抗値が変化し他方は前記第1の方向とは逆方向の第2の方向に抵抗値が変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードへ向う電流を通過させたときには、前記一方の抵抗変化型素子は前記第2の方向に抵抗値が変化し前記他方の抵抗変化型素子は前記第1の方向に抵抗値が変化し、
前記制御手段は、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを選択し、当該揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにするとともに当該不揮発性メモリセルの第1の電源ノードに前記高電位側電源電圧よりも高い所定の電圧が印加されるように当該選択した不揮発性メモリセルに対応する選択スイッチを制御して当該不揮発性メモリセルのフリップフロップに記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶させるストア処理を実行するストア制御手段と、
前記不揮発性メモリセルアレイにおける所望の不揮発性メモリセルを選択し、当該不揮発性メモリセルの第1および第2のスイッチをOFFにした状態で前記第1の電源ノードに与えられる電圧が前記低電位側電源電圧から前記高電位側電源電圧まで立ち上がるように当該選択した不揮発性メモリセルに対応する選択スイッチを制御して当該不揮発性メモリセルの不揮発性記憶部に記憶されたデータを当該不揮発性メモリセルの前記フリップフロップに記憶させるリコール処理を実行するリコール制御手段と、を有する
ことを特徴とする不揮発性メモリ。
A nonvolatile memory cell array in which nonvolatile memory cells are arranged in a matrix;
A selection switch that is provided for each of the non-volatile memory cells and that switches whether to connect to a voltage generation circuit that supplies an operating voltage to the non-volatile memory cells;
Control means for controlling the operation of each nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array,
The non-volatile memory cell has a volatile memory unit and a non-volatile memory unit,
The volatile storage unit is
The first and second inverters, each having an output signal of the other party as an input signal, each of the first power supply node to which the high potential side power supply voltage is applied and the second power supply node to which the low potential side power supply voltage is applied A flip-flop interposed between them,
When writing data to the flip-flop via the two bit lines, which are respectively inserted between the output nodes of the first and second inverters and the two bit lines, Or first and second switches that are turned on when data is read from the flip-flops via the two bit lines,
The nonvolatile storage unit is
A first resistance variable element, a threshold element, and a second resistance variable element inserted in series between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
A first capacitor interposed between a common connection point of the first variable resistance element and the threshold element and one of the first and second power supply nodes;
A second capacitor interposed between a common connection point of the second variable resistance element and the threshold element and the one power supply node;
The threshold element is an element that allows a current to flow in a direction according to a potential difference between an output node of the first inverter and an output node of the second inverter;
When a current from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter is passed, the resistance value of one of the first and second variable resistance elements changes in the first direction. On the other hand, when the resistance value changes in a second direction opposite to the first direction and a current from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter is passed, One resistance change element changes its resistance value in the second direction, and the other resistance change element changes its resistance value in the first direction,
The control means includes
A desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected, the first and second switches of the volatile memory cell are turned off, and the high potential side is connected to the first power supply node of the nonvolatile memory cell. The selection switch corresponding to the selected nonvolatile memory cell is controlled so that a predetermined voltage higher than the power supply voltage is applied, and the data stored in the flip-flop of the nonvolatile memory cell is transferred to the nonvolatile memory cell. Store control means for executing store processing to be stored in the nonvolatile storage unit;
When a desired nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory cell array is selected and the first and second switches of the nonvolatile memory cell are turned off, the voltage applied to the first power supply node is the low potential side. Control the selection switch corresponding to the selected nonvolatile memory cell so as to rise from the power supply voltage to the high-potential-side power supply voltage, and the data stored in the nonvolatile memory portion of the nonvolatile memory cell is transferred to the nonvolatile memory cell. And a recall control means for executing a recall process stored in the flip-flop.
前記電圧発生回路と前記各選択スイッチとを接続する電源線は、前記不揮発性メモリセルにおける列方向と行方向の少なくとも一方に沿って配線されていることを特徴とする請求項18に記載の不揮発性メモリ。   19. The nonvolatile memory according to claim 18, wherein a power supply line connecting the voltage generation circuit and each selection switch is wired along at least one of a column direction and a row direction in the nonvolatile memory cell. Sex memory.
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