JP2003016773A - レジスタ、データの記憶方法及びデータの読み出し方法 - Google Patents
レジスタ、データの記憶方法及びデータの読み出し方法Info
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Abstract
レジスタを提供することにある。 【解決手段】本発明は、不揮発性の記憶素子を含んだデ
ータ書き込みブロック12と、不揮発性の記憶素子に記
憶されたデータを読み出すためのデータ復元ブロック1
4と、を含むように構成した。不揮発性の記憶素子とし
てはMTJ素子16a,16bを使用する。
Description
ける不揮発性の記憶素子、特にMRAM(Magnetic Ran
dom Access Memory)に使用されるMTJ(Magnetic Tu
nnel Junction)素子を使用したレジスタ、データの記
憶方法及びデータの読み出し方法に関する。
憶するための回路ブロックである。レジスタブロック2
0は、図4に示すように、NAND回路40a,40b
を組み合わせたフリップフロップ(Flip-Flop)で構成
される。入力線S及びRに入力される信号の組み合わせ
で「0」か「1」のデータを記憶する。
イ(High)」の信号を入力し、入力線Rに「ロー(Lo
w)」の信号を入力すると、Q2が「ハイ」になりQ1
が「ロー」になる。入力線Rに「ハイ(High)」の信号
を入力し、入力線Sに「ロー(Low)」の信号を入力す
ると、Q1が「ハイ」になりQ2が「ロー」になる。レ
ジスタに書き込むデータによって、入力線S及びRの信
号のレベルを決定する。また、入力線S及びRに同時に
「ハイ」の信号を入力することによって、レジスタブロ
ック20に入力されたデータが保持される。一般的に入
力線S及びRに同時に「ロー」の信号を入力すると、レ
ジスタブロック20の状態が予想不能となるため、入力
線S及びRに同時に「ロー」の信号を入力することは行
われない。
中に組み込まれるラッチ回路やレジスタは、コンデンサ
などの揮発性の記憶素子にデータ記憶するため、電源を
切るとデータを失ってしまう。従って、不揮発性の記憶
素子を使用することは、システムアプリケーションの多
くにとって非常に有用な機能であるだけでなく、システ
ムの機能を強化する要素のひとつでもある。
体メモリチップもあるが、不揮発性記憶機能を内蔵した
ロジック・チップの設計や開発は行われてこなかった。
その理由は、フラッシュメモリのような不揮発性の記憶
素子を内蔵することは、従来の半導体のロジック・チッ
プより構造が複雑になる。既存の半導体チップの製造工
程では、フラッシュメモリのような不揮発性の記憶素子
を内蔵することは不可能であるためである。従って、既
存のコンピュータシステムおよびアプリケーションのロ
ジック・チップでは、このような不揮発性のデータ記憶
機能を有していない。
発性のデータ記憶機能を備えるレジスタ、データの記憶
方法及びデータの読み出し方法を提供することにある。
は、データの記憶されたレジスタブロックと、前記デー
タを記憶するための不揮発性の記憶素子を含んだデータ
書き込みブロックと、前記データ書き込みブロックに記
憶されたデータを読み出すデータ復元ブロックと、を含
むことにある。
スタブロックから出力されたデータに従って、2個の論
理回路の内、いずれか一方の論理回路からハイの信号を
出力するステップと、ハイの信号が出力された論理回路
に接続された2個のスイッチをオンにするステップと、
2個の記憶素子にデータを書き込むステップと、を含む
ことにある。
電流ミラー回路を作動させるステップと、電流ミラー回
路を作動させるステップによって発生した差動信号を増
幅するステップと、増幅された差動信号を保持するステ
ップと、を含むことにある。
方法及びデータの読み出し方法の実施の形態について図
面を用いて説明する。
は、従来のレジスタブロック20に加えて、レジスタブ
ロック20のデータを一時記憶するデータ書き込みブロ
ック12と、データ書き込みブロック12に記憶された
データを復元するデータ復元ブロック14とを有する。
図1では1ビットのレジスタ機能または1ビットのラッ
チ機能を示すレジスタ10であるが、一般的なマルチビ
ットのレジスタは、ビット毎に同じ上記の各ブロックを
持つことになる。
記憶素子であるMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素
子16a,16bを有する。MTJ素子16a,16b
はMRAM(Magnetic Random Access Memory)のメモ
リセルに使用される記憶素子である。
ように、強磁性体の層である自由層(Free layer)2
6、トンネルバリアー(Tunneling barrier)28及び
強磁性体の層である固定層(Pinned layer)30が重ね
合わさった構造である。固定層30の磁化の方向は一定
であり、自由層26の磁化の方向は外部からの磁界の方
向によって変えることが可能になっている。固定層30
の磁化の方向と自由層26の磁化の方向との組み合わせ
によって、記憶されるデータが「0」であるか「1」で
あるかを区別する仕組みになっている。例えば、固定層
30と自由層26の磁化の方向が同一であればMTJ素
子の抵抗が小さく、「0」のデータであり、反対方向で
あればMTJ素子の抵抗が高く、「1」のデータであ
る。
ブロック20から出力されるデータが入力されるAND
回路22bと、そのデータの値を反転するためのNOT
回路24aと、NOT回路24aの出力が入力されるA
ND回路22aと、が含まれる。NOT回路24aとA
ND回路22aを1個の論理回路とすると、その1個の
論理回路とAND回路22bとで2個の論理回路が含ま
れることになる。更に、AND回路22a,22bに
は、データ書き込み線(Data Write:DW)の信号が入
力される。データ書き込み線に「ロー(Low)」の信号
を入力する限り、AND回路22a,22bの出力はロ
ーに固定される。
チT5を介して接続されている。2個のMTJ素子16
aと16bのそれぞれの固定層の磁化の方向は、互いに
反対方向を向くように構成されている。例えば、図中の
矢印で示すように、スイッチT5を介して互いに向き合
う方向になっている。
1,T2,T3,T4が接続されている。上記のスイッ
チT5と合わせて、データ書き込みブロック12の電気
経路を形成するのに使用される。例えば、スイッチT
1,T3及びT5がオンになると、スイッチT1からM
TJ素子16a,スイッチT5,MTJ素子16b及び
スイッチT3が直列に接続されて電気経路が形成され
る。また、スイッチT2,T4及びT5がオンになる
と、スイッチT2からMTJ素子16b,スイッチT
5,MTJ素子16a及びスイッチT4が直列に接続さ
れて電気経路が形成される。図1において、スイッチT
5を左から右に電流が流れれば、MTJ素子16aは固
定層と自由層の磁化の方向が同方向となり「0」のデー
タが書き込まれ、MTJ素子16bは固定層と自由層の
磁化の方向が反対方向となり「1」のデータが書き込ま
れる。また、逆にスイッチT5を右から左に電流が流れ
れば、MTJ素子16bは固定層と自由層の磁化の方向
が同方向となり「0」のデータが書き込まれ、MTJ素
子16aは固定層と自由層の磁化の方向が反対方向とな
り「1」のデータが書き込まれる。いずれの場合もMT
J素子16a,16bにはTrue(真)とComplement
(偽)のデータが書き込まれる。
と、スイッチT1及びT3がオンになる。AND回路2
2bの出力が「ハイ」になると、スイッチT2及びT4
がオンになる。スイッチT5は、データ書き込み線に
「ハイ」の信号を入力することによってオンになる。
6c、16dを含む。MTJ素子16c、16dは図2
に示すように、MTJ素子の抵抗部分であり、MTJ素
子16aまたは16bとMTJ素子16cまたは16d
は一体構造である。
信号が入力されるスイッチT8と、NOT回路24b
と、NOT回路24bの出力が入力されるスイッチT7
が設けられている。データ復元線に「ロー」の信号が入
力されることによって、スイッチT7とT8はオンにな
る。また、スイッチT7及びT8がオンになったことに
よって自動的にオンになるスイッチT6,T9,T10
が含まれる。図中のスイッチT9及びT10部分は電流
ミラー回路である。データ復元ブロック14の全てのス
イッチがオンになると、MTJ素子16c及び16d対
のノード上に差動信号(ノードMLとノードMRの信号
レベルの差)が現れる。差動信号の値によって「0」か
「1」が判断される。ノードML及びMRに接続された
アンプ・ラッチ回路(AMP & Latch)18は、差動信号
を増幅し、保持するための回路である。差動信号によっ
て決定されるデータを保持するためにCMOSFET
(Complementary MOSFET)が使用される。データを保持
するための回路構成は図3のようになっており、2個の
CMOSFET32a,32bでデータが保持される仕
組みになっている。
元ブロック14に使用されるスイッチT1,T2,T
3,T4,T5,T6,T7はn型MOSFETを使用
する。スイッチT8,T9,T10は、p型MOSFE
Tを使用する。
レジスタ入出力(Register I/Os)線より行われる。デ
ータ書き込み線やデータ復元線に信号が入力されること
によって、データ書き込みブロック12やデータ復元ブ
ロック14が動作する。
ジスタ10の回路操作中は、データ書き込み線とデータ
復元線にそれぞれ「ロー(Low)」と「ハイ(High)」
の信号を送信することで、データ書き込みブロック12
とデータ復元ブロック14の回路動作がオフになる。こ
の状態で、レジスタ10はレジスタ入出力線を通じて、
データ書き込みブロック12及びデータ復元ブロック1
4を起動せずに信号の送受信を行う。その信号は、レジ
スタ10を動作させる際にタイミングを取るクロック信
号を含む。レジスタブロック20に記憶されたデータは
いつも図中のRO上に現れるが、DWが「ロー」に固定
されると、AND回路22a,22bによって、図中の
DLとDRはいずれも「ロー」に固定され、スイッチT
1,T2,T3,T4はオフになる。
信号を送信し、スイッチT5をオンにする。同時に、D
LとDRのいずれかが、書き込まれるデータによって
「ハイ」になる。例えば、レジスタブロック20の出力
信号が「ハイ」であれば、DRが「ハイ」になる。ま
た、レジスタブロック20の出力信号が「ロー」であれ
ば、DLが「ハイ」になる。
の固定層30の磁化の方向を示す。スイッチT5を介し
て接続されたMTJ素子16a,16bの固定層30の
磁化の方向は、互いに反対の方向を向いている。データ
書き込みブロック12は、真(true、「1」)と偽(co
mplement、「0」)のデータをMTJ素子16a,16
b対に書き込む。例えば、DLが「ハイ」の場合、スイ
ッチT1,T3及びT5がオンになる。従って、電流は
スイッチT1から左のMTJ素子16a,スイッチT
5,右のMTJ素子16b,更にスイッチT3に流れ
る。電流による磁界の方向は、左のMTJ素子16aが
固定層30の磁化の方向に対して同方向であり、右のM
TJ素子16bは反対方向である。この場合、左のMT
J素子16aの固定層30と自由層26の磁化の方向は
同じになり、右のMTJ素子16bは反対方向になる。
レジスタブロック20の出力が「ロー」の場合、左のM
TJ素子16aは「0」のデータが書き込まれ、右のM
TJ素子16bは「1」のデータが書き込まれる。DR
が「ハイ」の場合、スイッチT2,T4,T5がオンに
なり、上記とは逆の磁化の組み合わせになる。DLを
「ハイ」にするかDRを「ハイ」にするかによって、デ
ータ書き込みブロック12に記憶されるデータが異な
る。上記のようにMTJ素子16a、16b対は簡易に
データを書き換えることができ、更にデータは不揮発性
であるので電源を切ってもデータは保存される。
め、書き込みワードラインと自由層の電流で格子のアド
レス指定するため、より容易なアドレス指定を切り替え
るスイッチを設ける必要がある。しかし、本発明のレジ
スタの書き込み操作では、記憶素子の構造がMRAMの
ように書き込みワードラインとビットラインがマトリッ
クス状に構成された構造ではないので、書き込みワード
ラインを持つ必要はない。
メモリアレーが上記のようにマトリックス状に構成さ
れ、交叉部にMTJ素子配置しており、縦方向のビット
ラインと横方向のワードラインとで選ばれた交叉部のM
TJ素子のみにデータを書き込むため、ビットラインの
他に書き込みワードラインにも電流を流す。しかし、図
1のようなMTJ素子16a,16bはスイッチT5を
介して対になって接続されており、固定層30の磁化の
方向が図1に示すように、互いに反対方向を向いてスイ
ッチT5の方向を向いている。従って、本発明のMTJ
素子16a,16bは上記のMRAMのメモリアレーと
同じ構造ではないので、縦横の交叉部で書き込む素子を
選択する必要はない。また、従来のMRAMにおけるM
TJ素子の自由層の磁化方向の反転は、ビットラインに
流す電流のみでも可能であるため、本発明のレジスタの
記憶素子は、従来のMRAMのMTJ素子の書き込みワ
ードラインを省いた構成である。レジスタは、上記の書
き込み操作を通して、電力を消費せずにデータを保存す
るTrueとComplementのペアを基本構造とするメモリにデ
ータを転送する。
書き込みブロック12にMTJ素子16a,16bの固
定層30を示し、データ復元ブロック14にMTJ素子
16c,16dの抵抗を表す抵抗部分を示したが、図2
に示すように符号16aと16c、または16bと16
dはそれぞれ一体の構造である。データ復元ブロック1
4のMTJ素子16c、16d対は、本発明では電流ミ
ラー回路(スイッチT9及びスイッチT10部分)用の
抵抗として使用される。
すためには、DWの信号は「ロー」のままある。DRS
の信号は、最初は「ハイ」でその後「ロー」のレベルに
切り替える。「ハイ」から「ロー」に切り替えたことに
より、スイッチT7及びT8がオンになる。更に、スイ
ッチT6,T9,T10も動作し、電流ミラー回路(cu
rrent mirror circuit)が使用可能になり、スイッチT
9,T10に同じ値の電流が流れる。
ノードML,MR上に現れる。そのノードML,MR上
に現れた差動信号は、アンプ・ラッチ回路18で増幅さ
れ、且つ保持される。言い換えると、ノードMLとMR
の電位差によって決定されるデータが、アンプ・ラッチ
回路18で増幅され、保持される。ノードMLとノード
MRの電位はMTJ素子16c、16dの抵抗値によっ
て決定される。即ち、MTJ素子16a,16bに書き
込まれているデータによって決定される。
ードML’には増幅されたノードMLの電位が現れ、ノ
ードMR’には増幅されたノードMRの電位が現れる。
n型MOSFET38a及び38bをオンにすることに
よって、ノードML’及びノードMR’の電位が、それ
ぞれノードCLとノードCRに現れる。CMOSFET
が2個使用されており、ノードCRが「ハイ」であれば
ノードCRは「ロー」が保持される。反対にノードCL
が「ハイ」であればノードCRは「ロー」が保持され
る。
RSの信号でレジスタブロック20がアンプ・ラッチ回
路18に保持されたデータを取り込む。上記の工程によ
って、データ復元操作が完了する。この後、DRSは
「ロー」から「ハイ」に戻り、電流ミラー回路がオフに
なる。
状態やMTJ素子の記憶状態を表1に示す。
れる半導体製造工程における金属層の後半段階で実装で
きる。従って、ロジック回路の設計に加えてトランジス
タの設計もまったく別個に必要とするフラッシュメモリ
のような他の既存の不揮発性記憶素子に対し、このMT
J記憶素子の製造工程はずっと簡単でコストが非常に安
い。本発明は、従来のロジック・チップに不揮発性記憶
素子を容易に実装できる。
スタからマルチビットレジスタまでさまざまに使用可能
である。電力消費なしにデータをレジスタに保存するこ
とは、電源を切る前の操作環境に復帰するのに非常に役
立つ。ロジック・チップの電気による変更機能付き不揮
発性記憶機能は非常に広範囲の用途も持つ。その機能
は、論理機能を柔軟に変更することも達成できる。
法及びデータの読み出し方法について説明したが、本発
明はこれらに限定されるものではない。例えば、MTJ
素子に代えてGMR(Giant Magnetoresistive)素子を
使用することも可能である。
者の知識に基づき種々なる改良,修正,変形を加えた態
様で実施できるものである。
揮発性の記憶素子であるMTJ素子を含むように構成さ
れており、簡易に設計及び製造ができ、コスト削減が可
能である。また、不揮発性の記憶素子を使用するため、
電源を切って電力消費無しにデータを記憶することがで
きる。
る。
路の図である。
である。
Claims (16)
- 【請求項1】 データの記憶されたレジスタブロック
と、前記レジスタブロックから出力されたデータを記憶
するための不揮発性の記憶素子を含んだデータ書き込み
ブロックと、前記データ書き込みブロックに記憶された
データを読み出すデータ復元ブロックと、を含むレジス
タ。 - 【請求項2】 前記記憶素子が、磁化の方向が固定され
た強磁性体の層である固定層と、磁化の方向が変えられ
る強磁性体の層である自由層と、を含む請求項1に記載
のレジスタ。 - 【請求項3】 前記記憶素子が2個であり、一方の記憶
素子の固定層と自由層の磁化の方向が同じであり、他方
の記憶素子の固定層と自由層の磁化の方向が異なる請求
項3または4に記載のレジスタ。 - 【請求項4】 前記2個の記憶素子がスイッチを介して
接続されている請求項3に記載のレジスタ。 - 【請求項5】 前記2個の記憶素子の固定層の磁化の方
向が、互いに前記スイッチの方向または該スイッチとは
反対方向である請求項4に記載のレジスタ。 - 【請求項6】 前記データ書き込みブロックが、前記レ
ジスタブロックから出力されたデータが入力され、ハイ
の信号またはローの信号を出力する2個の論理回路を含
む請求項1乃至5に記載のレジスタ。 - 【請求項7】 前記2個の論理回路の出力が入力される
複数個のスイッチを含む請求項6に記載のレジスタ。 - 【請求項8】 前記複数個のスイッチの内、1個の論理
回路の出力が入力されるスイッチの数が2個である請求
項7に記載のレジスタ。 - 【請求項9】 前記1個の論理回路の出力が入力される
2個のスイッチが、前記2個の記憶素子と該2個の記憶
素子を接続するスイッチとを介して接続される請求項8
に記載のレジスタ。 - 【請求項10】 前記データ復元ブロックに前記2個の
記憶素子の抵抗値によって生じる差動信号を発生させる
電流ミラー回路を含む請求項3乃至9に記載のレジス
タ。 - 【請求項11】 前記差動信号を増幅し、保持する回路
を含む請求項10に記載のレジスタ。 - 【請求項12】 前記差動信号を増幅し、保持する回路
に、前記差動信号の保持のためにCMOSFETを含む
請求項11に記載のレジスタ。 - 【請求項13】 前記CMOSFETが2個である請求
項12に記載のレジスタ。 - 【請求項14】 前記記憶素子が、MTJ(Magnetic T
unnel Junction)素子である請求項1乃至13に記載の
レジスタ。 - 【請求項15】 請求項9乃至14に記載のレジスタの
データの記憶方法であって、前記レジスタブロックから
出力されたデータに従って、前記2個の論理回路の内、
いずれか一方の論理回路からハイの信号を出力するステ
ップと、前記ハイの信号が出力された論理回路に接続さ
れた2個のスイッチをオンにするステップと、前記2個
の記憶素子にデータを書き込むステップと、を含むデー
タの記憶方法。 - 【請求項16】 請求項11乃至14に記載のレジスタ
のデータの読み出し方法であって、前記電流ミラー回路
を作動させるステップと、前記電流ミラー回路を作動さ
せるステップによって発生した前記差動信号を増幅する
ステップと、増幅された差動信号を保持するステップ
と、を含むデータの読み出し方法。
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