JP5716372B2 - Nonvolatile latch circuit and semiconductor integrated circuit - Google Patents

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Description

本発明は、抵抗変化素子を有する不揮発性ラッチ回路および不揮発性ラッチ回路を有する半導体集積回路に関する。   The present invention relates to a nonvolatile latch circuit having a resistance change element and a semiconductor integrated circuit having a nonvolatile latch circuit.

近時、磁気トンネル接合(MTJ;Magnetic Tunnel Junction)素子等の抵抗変化素子を用いた不揮発性ラッチ回路が提案されている(例えば、特許文献1−2、非特許文献1参照。)。この種の不揮発性ラッチ回路では、互いに異なる抵抗値に設定される一対の抵抗変化素子が、ラッチ回路の電源端子と電源線との間に配置される。例えば、ラッチ回路に保持されている論理が抵抗変化素子に書き込まれるとき、ラッチ回路に保持されている論理に応じて、互いに逆向きの電流が一対の抵抗変化素子にそれぞれ流される。抵抗変化素子に保持されている論理をラッチ回路に読み出すとき、抵抗変化素子の抵抗値に応じて異なる電流が、ラッチ回路内の中間状態に設定される相補のノードにそれぞれ供給される。   Recently, a nonvolatile latch circuit using a resistance change element such as a magnetic tunnel junction (MTJ) element has been proposed (see, for example, Patent Document 1-2 and Non-Patent Document 1). In this type of nonvolatile latch circuit, a pair of resistance change elements set to different resistance values are arranged between a power supply terminal and a power supply line of the latch circuit. For example, when the logic held in the latch circuit is written into the variable resistance element, currents in opposite directions flow through the pair of variable resistance elements according to the logic held in the latch circuit. When the logic held in the variable resistance element is read out to the latch circuit, different currents depending on the resistance value of the variable resistance element are supplied to the complementary nodes set in the intermediate state in the latch circuit.

特開2008−85770号公報JP 2008-85770 A 特表2002−511631号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-511631

W. Zhao, et al., Integration of Spin-RAM technology in FPGA circuits, IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT) 2006, PP799-802W. Zhao, et al., Integration of Spin-RAM technology in FPGA circuits, IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT) 2006, PP799-802

抵抗変化素子がラッチ回路の電源端子と電源線との間に配置されるとき、ラッチ回路の論理が書き換えられる毎に、抵抗変化素子に電流が流れる。これにより、抵抗変化素子の磁化特性が劣化するおそれがあり、読み出しマージン等の電気的特性が低下するおそれがある。   When the variable resistance element is disposed between the power supply terminal of the latch circuit and the power supply line, a current flows through the variable resistance element each time the logic of the latch circuit is rewritten. As a result, the magnetization characteristics of the resistance change element may be degraded, and electrical characteristics such as a read margin may be degraded.

本発明の一形態では、不揮発性ラッチ回路は、相補の第1および第2記憶ノードを含むラッチ回路と、一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第1抵抗変化素子と、一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第2抵抗変化素子と、第1および第2抵抗変化素子をラッチ回路に接続するスイッチ回路とを備え、スイッチ回路は、外部からラッチ回路に論理が書き込まれる通常動作時に、第1および第2抵抗変化素子とラッチ回路との接続を遮断し、ラッチ回路に保持されている論理を第1および第2抵抗変化素子に書き込むストア動作時に、第1抵抗変化素子の一端および第2抵抗変化素子の他端を第1記憶ノードに接続し、第1抵抗変化素子の他端および第2抵抗変化素子の一端を第2記憶ノードに接続するIn one embodiment of the present invention, a nonvolatile latch circuit includes a latch circuit including complementary first and second storage nodes, a current flowing from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end. A first variable resistance element having a variable resistance value; a current flowing from one end to the other end; a second variable resistance element having a resistance value varying by flowing a current from the other end to the one end; and a switch circuit connecting the second resistance-variable element in the latch circuit, switch circuit, during normal operation of the logic is written to the latch circuit from the outside, blocking the connection between the first and second variable resistance element and a latch circuit In the store operation of writing the logic held in the latch circuit to the first and second resistance change elements, one end of the first resistance change element and the other end of the second resistance change element are connected to the first storage node, 1 Connecting one end of the other end and a second resistance element of the anti-change element to the second storage node.

通常動作時に、第1および第2抵抗変化素子とラッチ回路との接続を遮断することで、外部からラッチ回路の論理が書き換えられるときに、抵抗変化素子に電流が流れることを防止でき、第1および第2抵抗変化素子の磁化特性が劣化することを防止できる。この結果、読み出しマージン等の電気的特性の低下を防止できる。   By interrupting the connection between the first and second variable resistance elements and the latch circuit during normal operation, current can be prevented from flowing through the variable resistance element when the logic of the latch circuit is rewritten from the outside. And it can prevent that the magnetization characteristic of a 2nd resistance change element deteriorates. As a result, it is possible to prevent a decrease in electrical characteristics such as a read margin.

一実施形態における不揮発性ラッチ回路の例を示している。2 illustrates an example of a nonvolatile latch circuit according to an embodiment. 別の実施形態における不揮発性ラッチ回路の例を示している。The example of the non-volatile latch circuit in another embodiment is shown. 図2に示した磁気トンネル接合素子MTJ1およびスイッチSW1、SW3の素子構造の例を示している。3 shows an example of the element structure of the magnetic tunnel junction element MTJ1 and switches SW1 and SW3 shown in FIG. 図2に示した不揮発性ラッチ回路のストア動作の例を示している。3 shows an example of a store operation of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 図2に示した不揮発性ラッチ回路のリストア動作の例を示している。3 shows an example of a restore operation of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 図2に示した不揮発性ラッチ回路の通常動作の例を示している。3 shows an example of normal operation of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 図2に示した不揮発性ラッチ回路を有する半導体集積回路の動作の例を示している。3 shows an example of the operation of the semiconductor integrated circuit having the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 別の実施形態における不揮発性ラッチ回路の例を示している。The example of the non-volatile latch circuit in another embodiment is shown. 図8に示した不揮発性ラッチ回路のリストア動作の例を示している。9 shows an example of a restore operation of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 別の実施形態における不揮発性ラッチ回路の例を示している。The example of the non-volatile latch circuit in another embodiment is shown. 図10に示した不揮発性ラッチ回路の通常動作の例を示している。11 shows an example of normal operation of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 別の実施形態における不揮発性ラッチ回路の例を示している。The example of the non-volatile latch circuit in another embodiment is shown. 別の実施形態における不揮発性ラッチ回路の例を示している。The example of the non-volatile latch circuit in another embodiment is shown. 図13に示した不揮発性ラッチ回路のストア動作の例を示している。14 shows an example of a store operation of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 図13に示した不揮発性ラッチ回路のリストア動作の例を示している。14 shows an example of a restore operation of the nonvolatile latch circuit shown in FIG. 別の実施形態における不揮発性ラッチ回路に形成される抵抗変化素子の電気的特性の例を示している。The example of the electrical property of the resistance change element formed in the non-volatile latch circuit in another embodiment is shown. 上述した不揮発性ラッチ回路が搭載される半導体集積回路の例を示している。An example of a semiconductor integrated circuit on which the above-described nonvolatile latch circuit is mounted is shown. 上述した不揮発性ラッチ回路が搭載される半導体集積回路の別の例を示している。3 shows another example of a semiconductor integrated circuit on which the above-described nonvolatile latch circuit is mounted. 上述した不揮発性ラッチ回路が搭載される半導体集積回路の別の例を示している。3 shows another example of a semiconductor integrated circuit on which the above-described nonvolatile latch circuit is mounted. 図19に示したスイッチマトリックスの例を示している。An example of the switch matrix shown in FIG. 19 is shown. 図19に示した論理ブロックの例を示している。An example of the logic block shown in FIG. 19 is shown.

以下、実施形態を図面を用いて説明する。以下の説明では、信号または電圧が伝達される信号線には、信号名と同じ符号を使用する。信号名および信号線名の先頭に付した”/”は、負論理であることを示している。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals as the signal names are used for signal lines through which signals or voltages are transmitted. “/” Added to the heads of signal names and signal line names indicates negative logic.

図1は、一実施形態における不揮発性ラッチ回路NVLTの例を示している。不揮発性ラッチ回路NVLTは、ラッチ回路LT、スイッチ回路SWおよび磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2を有している。ラッチ回路LTは、ハイレベル電圧線の一例である電源線VDDおよびロウレベル電圧線の一例である接地線VSSに接続され、電源電圧VDDおよび接地電圧VSSを受けて動作する。例えば、電源電圧VDDは1.2Vである。   FIG. 1 shows an example of a nonvolatile latch circuit NVLT according to an embodiment. The nonvolatile latch circuit NVLT includes a latch circuit LT, a switch circuit SW, and magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. The latch circuit LT is connected to a power supply line VDD that is an example of a high level voltage line and a ground line VSS that is an example of a low level voltage line, and operates by receiving the power supply voltage VDD and the ground voltage VSS. For example, the power supply voltage VDD is 1.2V.

ラッチ回路LTは、相補の記憶ノードND1、ND2の間に並列かつ互いに逆向きに配置され、一方の入力と他方の出力とが互いに接続された一対のインバータIV1、IV2を有している。例えば、インバータIV1、IV2は、CMOSインバータである。記憶ノードND1は、入力データを受ける入力端子DTに接続され、記憶ノードND2は、出力データを出力する出力端子/DTに接続されている。例えば、記憶ノードND1が論理0のとき、ラッチ回路LTは論理0を記憶していると定義し、記憶ノードND1が論理1のとき、ラッチ回路LTは論理1を記憶していると定義する。   The latch circuit LT has a pair of inverters IV1 and IV2 which are arranged in parallel and in opposite directions between the complementary storage nodes ND1 and ND2, and one input and the other output are connected to each other. For example, the inverters IV1 and IV2 are CMOS inverters. Storage node ND1 is connected to an input terminal DT that receives input data, and storage node ND2 is connected to an output terminal / DT that outputs output data. For example, when the storage node ND1 is logic 0, the latch circuit LT is defined as storing logic 0, and when the storage node ND1 is logic 1, the latch circuit LT is defined as storing logic 1.

磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、スイッチ回路SWを介してラッチ回路LTの記憶ノードND1、ND2または接地線VSSに接続される。各磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、トンネル絶縁膜を介して積層された2つの強磁性層(固定層と自由層)を有している。自由層は矢印の先端側に配置され、固定層は矢印の後端側に配置されている。例えば、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory;MRAM)に形成される素子である。磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の構造は、図3で説明する。   The magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are connected to the storage nodes ND1 and ND2 or the ground line VSS of the latch circuit LT via the switch circuit SW. Each of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 has two ferromagnetic layers (a fixed layer and a free layer) stacked via a tunnel insulating film. The free layer is disposed on the front end side of the arrow, and the fixed layer is disposed on the rear end side of the arrow. For example, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are elements formed in a magnetic random access memory (MRAM). The structure of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 will be described with reference to FIG.

磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の電気抵抗は、固定層と自由層の磁化方向が平行のときに低く(パラレル状態)、固定層と自由層の磁化方向が反平行のときに高い(アンチパラレル状態)。例えば、各磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2がパラレル状態のときを論理0と定義し、各磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2がアンチパラレル状態のときを論理1と定義する。   The electric resistances of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are low when the magnetization directions of the fixed layer and the free layer are parallel (parallel state), and high when the magnetization directions of the fixed layer and the free layer are antiparallel (anti-parallel state). ). For example, logic 0 is defined when each magnetic tunnel junction element MTJ1, MTJ2 is in a parallel state, and logic 1 is defined when each magnetic tunnel junction element MTJ1, MTJ2 is in an antiparallel state.

磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、自由層から固定層に電流を流すことにより抵抗値が低い低抵抗状態(パラレル状態)になり、固定層から自由層に電流を流すことにより抵抗値が高い高抵抗状態(アンチパラレル状態)になる。すなわち、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する抵抗変化素子の一種である。   The magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are in a low resistance state (parallel state) having a low resistance value by flowing a current from the free layer to the fixed layer, and a high resistance value by flowing a current from the fixed layer to the free layer. It becomes a resistance state (anti-parallel state). That is, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are a kind of variable resistance element in which the resistance value changes when a current flows from one end to the other end and a current flows from the other end to the one end.

スイッチ回路SWは、スイッチSW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6を有している。スイッチSW1は、磁気トンネル接合素子MTJ1の一端(例えば、固定層側)を記憶ノードND1に接続する。スイッチSW2は、磁気トンネル接合素子MTJ2の他端(例えば、自由層側)を記憶ノードND1に接続する。スイッチSW3は、磁気トンネル接合素子MTJ1の他端(例えば、自由層側)を記憶ノードND2に接続する。スイッチSW4は、磁気トンネル接合素子MTJ2の一端(例えば、固定層側)を記憶ノードND2に接続する。スイッチSW5は、磁気トンネル接合素子MTJ1の他端を接地線VSSに接続する。スイッチSW6は、磁気トンネル接合素子MTJ2の他端を接地線VSSに接続する。   The switch circuit SW includes switches SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, and SW6. The switch SW1 connects one end (for example, the fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the storage node ND1. The switch SW2 connects the other end (for example, the free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the storage node ND1. The switch SW3 connects the other end (for example, the free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the storage node ND2. The switch SW4 connects one end (for example, the fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the storage node ND2. The switch SW5 connects the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the ground line VSS. The switch SW6 connects the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the ground line VSS.

不揮発性ラッチ回路NVLTの外部からラッチ回路LTに論理が書き込まれる通常動作時に、スイッチ回路SWは、スイッチSW1−SW6をオフし、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2とラッチ回路LTとの接続を遮断する。これにより、通常動作中に、ラッチ回路LTの論理の書き換えに伴い記憶ノードND1、ND2に流れる電流は、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に流れない。この結果、通常動作中に磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の磁化特性が劣化することを防止でき、劣化により読み出しマージン等の電気的特性が低下することを防止できる。   During a normal operation in which logic is written to the latch circuit LT from the outside of the nonvolatile latch circuit NVLT, the switch circuit SW turns off the switches SW1 to SW6 and cuts off the connection between the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 and the latch circuit LT. . As a result, during normal operation, the current flowing through the storage nodes ND1 and ND2 along with the rewriting of the logic of the latch circuit LT does not flow through the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. As a result, it is possible to prevent the magnetization characteristics of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 from deteriorating during normal operation, and to prevent deterioration of electrical characteristics such as a read margin due to the deterioration.

ラッチ回路LTに保持されている論理を磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に書き込むストア動作時に、スイッチ回路SWは、スイッチSW1−SW4をオンし、スイッチSW5、SW6をオフする。これにより、磁気トンネル接合素子MTJ1の一端および磁気トンネル接合素子MTJ2の他端は、記憶ノードND1に接続される。磁気トンネル接合素子MTJ1の他端および磁気トンネル接合素子MTJ2の一端は、記憶ノードND2に接続される。   During a store operation in which the logic held in the latch circuit LT is written to the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, the switch circuit SW turns on the switches SW1 to SW4 and turns off the switches SW5 and SW6. As a result, one end of the magnetic tunnel junction element MTJ1 and the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ2 are connected to the storage node ND1. The other end of the magnetic tunnel junction element MTJ1 and one end of the magnetic tunnel junction element MTJ2 are connected to the storage node ND2.

例えば、ラッチ回路LTが論理1を記憶しているとき(ND1=”1”、ND2=”0”)、磁気トンネル接合素子MTJ1では、固定層から自由層に向けて電流が流れ、磁気トンネル接合素子MTJ2では、自由層から固定層に向けて電流が流れる。これにより、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、それぞれ高抵抗状態および低抵抗状態に設定される。これとは反対に、ラッチ回路LTが論理0を記憶しているとき(ND1=”0”、ND2=”1”)、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、それぞれ低抵抗状態および高抵抗状態に設定される。   For example, when the latch circuit LT stores logic 1 (ND1 = "1", ND2 = "0"), in the magnetic tunnel junction element MTJ1, a current flows from the fixed layer toward the free layer, and the magnetic tunnel junction In the element MTJ2, a current flows from the free layer toward the fixed layer. Thereby, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are set to a high resistance state and a low resistance state, respectively. On the contrary, when the latch circuit LT stores logic 0 (ND1 = "0", ND2 = "1"), the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are in the low resistance state and the high resistance state, respectively. Is set.

ストア動作では、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、記憶ノードND1、ND2の間に並列に接続される。このため、磁気トンネル接合素子対が直列に接続されるときに比べて、書き込み電圧(この例では、VDD)を低くできる。換言すれば、通常の電源電圧VDDを用いて(すなわち、昇圧回路等を用いることなく)、ストア動作を実行できる。   In the store operation, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are connected in parallel between the storage nodes ND1 and ND2. For this reason, the write voltage (VDD in this example) can be made lower than when the magnetic tunnel junction element pairs are connected in series. In other words, the store operation can be executed using the normal power supply voltage VDD (that is, without using a booster circuit or the like).

磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に保持されている論理をラッチ回路LTに戻すリストア動作時に、スイッチ回路SWは、スイッチSW5、SW6をオンし、磁気トンネル接合素子MTJ1の他端および磁気トンネル接合素子MTJ2の他端を接地線VSSに接続する。また、スイッチ回路SWは、スイッチSW1、SW4をオンし、磁気トンネル接合素子MTJ1の一端を記憶ノードND1に接続し、磁気トンネル接合素子MTJ2の一端を記憶ノードND2に接続する。スイッチSW2、SW3はオフされる。   During a restore operation for returning the logic held in the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 to the latch circuit LT, the switch circuit SW turns on the switches SW5 and SW6, and the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ1 and the magnetic tunnel junction element MTJ2 Is connected to the ground line VSS. The switch circuit SW turns on the switches SW1 and SW4, connects one end of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the storage node ND1, and connects one end of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the storage node ND2. The switches SW2 and SW3 are turned off.

これにより、記憶ノードND1は、磁気トンネル接合素子MTJ1を介して接地線VSSに接続され、記憶ノードND2は、磁気トンネル接合素子MTJ2を介して接地線VSSに接続される。この状態で、ラッチ回路LTに電源電圧VDDを供給すると、記憶ノードND1、ND2の電圧は徐々に上昇する。   Thereby, the storage node ND1 is connected to the ground line VSS via the magnetic tunnel junction element MTJ1, and the storage node ND2 is connected to the ground line VSS via the magnetic tunnel junction element MTJ2. In this state, when the power supply voltage VDD is supplied to the latch circuit LT, the voltages of the storage nodes ND1 and ND2 gradually increase.

例えば、磁気トンネル接合素子MTJ1が高抵抗状態で、磁気トンネル接合素子MTJ2が低抵抗状態のとき、記憶ノードND2の方が記憶ノードND1より、接地線VSSに放電される電荷が多い。このため、記憶ノードND1の電圧は、記憶ノードND2の電圧より高くなる。この状態で、電源電圧VDDが、ラッチ回路LTのインバータIV1、IV2が正常に動作する電圧(例えば、VDDの2分の1)まで上昇すると、ラッチ回路LTは、相対的に高い記憶ノードND1の電圧と、相対的に低い記憶ノードND2の電圧をラッチし、論理0のデータ信号/DTを出力する。すなわち、リストア動作が実行される。   For example, when the magnetic tunnel junction element MTJ1 is in a high resistance state and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is in a low resistance state, the storage node ND2 has more charge discharged to the ground line VSS than the storage node ND1. For this reason, the voltage of the storage node ND1 is higher than the voltage of the storage node ND2. In this state, when the power supply voltage VDD rises to a voltage at which the inverters IV1 and IV2 of the latch circuit LT normally operate (for example, half of VDD), the latch circuit LT has a relatively high storage node ND1. The voltage and the voltage of the relatively low storage node ND2 are latched, and a logic 0 data signal / DT is output. That is, a restore operation is executed.

このとき、磁気トンネル接合素子MTJ1を介して、ハイレベルの記憶ノードND1から接地線VSSに電流が流れる。しかし、この電流の向きは、磁気トンネル接合素子MTJ1を高抵抗状態にするために必要な電流の向きと同じため、磁気トンネル接合素子MTJ1の抵抗状態が変わることはない。記憶ノードND2は、電源電圧VDDの2分の1を最大電圧として接地電圧VSSまで低下するため、磁気トンネル接合素子MTJ2に流れる電流は、ストア動作時に流れる電流より少ない。このため、磁気トンネル接合素子MTJ2の固定層側から自由層側に一時的に流れる電流により、磁気トンネル接合素子MTJ2が低抵抗状態から高抵抗状態に切り替わることはない。   At this time, a current flows from the high-level storage node ND1 to the ground line VSS via the magnetic tunnel junction element MTJ1. However, since the direction of this current is the same as the direction of the current required to bring the magnetic tunnel junction element MTJ1 into a high resistance state, the resistance state of the magnetic tunnel junction element MTJ1 does not change. Since the storage node ND2 drops to the ground voltage VSS with a half of the power supply voltage VDD as the maximum voltage, the current flowing through the magnetic tunnel junction element MTJ2 is smaller than the current flowing during the store operation. For this reason, the magnetic tunnel junction element MTJ2 is not switched from the low resistance state to the high resistance state by a current that temporarily flows from the fixed layer side to the free layer side of the magnetic tunnel junction element MTJ2.

磁気トンネル接合素子MTJ1が低抵抗状態で、磁気トンネル接合素子MTJ2が高抵抗状態のときのリストア動作では、上述とは逆に、記憶ノードND1の電圧は、記憶ノードND2の電圧より低くなる。ラッチ回路LTは、相対的に低い記憶ノードND1の電圧と、相対的に高い記憶ノードND2の電圧をラッチし、論理1のデータ信号/DTを出力する。   In the restore operation when the magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the low resistance state and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is in the high resistance state, the voltage of the storage node ND1 is lower than the voltage of the storage node ND2, contrary to the above. The latch circuit LT latches a relatively low voltage of the storage node ND1 and a relatively high voltage of the storage node ND2, and outputs a logic 1 data signal / DT.

なお、リストア動作は、図2または図13等に示すように、ラッチ回路LTのインバータIV1、IV2を互いにショートするショートスイッチ(nMOSトランジスタN3またはpMOSトランジスタP3)を一時的にオンすることで実行されてもよい。   The restore operation is executed by temporarily turning on a short switch (nMOS transistor N3 or pMOS transistor P3) that short-circuits the inverters IV1 and IV2 of the latch circuit LT as shown in FIG. 2 or FIG. May be.

以上、この実施形態では、外部からのデータによりラッチ回路LTの論理が書き換えられるときに、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に電流が流れることを防止できる。したがって、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に書き込まれた磁化量が変化することを防止でき、トンネル絶縁膜や自由層の特性が劣化することを防止できる。磁化特性の劣化が防止できるため、読み出しマージン等の電気的特性の低下を防止できる。   As described above, in this embodiment, when the logic of the latch circuit LT is rewritten by external data, it is possible to prevent a current from flowing through the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. Therefore, it is possible to prevent the amount of magnetization written in the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 from changing, and to prevent the characteristics of the tunnel insulating film and the free layer from deteriorating. Since the deterioration of the magnetization characteristics can be prevented, it is possible to prevent the deterioration of the electrical characteristics such as the read margin.

通常動作中に、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2が、ラッチ回路LTの電流経路に接続されないため、ラッチ回路LTを高速に動作できる。ストア動作時に、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2が記憶ノードND1、ND2の間に並列に接続されるため、書き込み電圧を低くできる。この結果、ラッチ回路LTに供給される通常の電源電圧VDDを用いて、ストア動作を確実に実行できる。   Since the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are not connected to the current path of the latch circuit LT during normal operation, the latch circuit LT can be operated at high speed. During the store operation, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are connected in parallel between the storage nodes ND1 and ND2, so that the write voltage can be lowered. As a result, the store operation can be reliably executed using the normal power supply voltage VDD supplied to the latch circuit LT.

磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2をラッチ回路LTに接続した状態で、電源電圧VDDをラッチ回路LTに供給することで、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗状態を変えることなく、リストア動作を実行できる。不揮発性ラッチ回路NVLTに必要なトランジスタ数を従来に比べて少なくでき、不揮発性ラッチ回路NVLTの回路面積を小さくできる。   By supplying the power supply voltage VDD to the latch circuit LT with the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 connected to the latch circuit LT, the restore operation can be executed without changing the resistance state of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. . The number of transistors required for the nonvolatile latch circuit NVLT can be reduced as compared with the conventional case, and the circuit area of the nonvolatile latch circuit NVLT can be reduced.

図2は、別の実施形態における不揮発性ラッチ回路NVLTの例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明は省略する。この実施形態では、ラッチ回路LTは、一方の入力と他方の出力とが互いに接続された一対のCMOSインバータIV1、IV2と、CMOSインバータIV1、IV2を互い接続するnMOSトランジスタN3とを有している。nMOSトランジスタN3のゲートは、リストア動作時にハイレベルに活性化されるリストア信号RSを受けている。   FIG. 2 shows an example of a nonvolatile latch circuit NVLT in another embodiment. The same elements as those described in the embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the latch circuit LT has a pair of CMOS inverters IV1 and IV2 in which one input and the other output are connected to each other, and an nMOS transistor N3 that connects the CMOS inverters IV1 and IV2 to each other. . The gate of the nMOS transistor N3 receives a restore signal RS that is activated to a high level during a restore operation.

CMOSインバータIV1は、電源線VDDと接地線VSSの間に配置されたpMOSトランジスタP1およびnMOSトランジスタN1により形成される。CMOSインバータIV2は、電源線VDDと接地線VSSの間に配置されたpMOSトランジスタP2およびnMOSトランジスタN2により形成される。CMOSインバータIV1の入力およびCMOSインバータIV2の出力は、入力端子DTに接続されている。CMOSインバータIV1の出力およびCMOSインバータIV2の入力は、出力端子/DTに接続されている。なお、pMOSトランジスタP1およびnMOSトランジスタN1の駆動能力は、入力データDTを不揮発性ラッチ回路NVLTに供給する出力回路(ドライバ)の駆動能力より小さい。これにより、ラッチ回路LTに保持されている論理は、入力データDTに応じて容易に反転させることができる。   The CMOS inverter IV1 is formed by a pMOS transistor P1 and an nMOS transistor N1 arranged between the power supply line VDD and the ground line VSS. The CMOS inverter IV2 is formed by a pMOS transistor P2 and an nMOS transistor N2 arranged between the power supply line VDD and the ground line VSS. The input of the CMOS inverter IV1 and the output of the CMOS inverter IV2 are connected to the input terminal DT. The output of the CMOS inverter IV1 and the input of the CMOS inverter IV2 are connected to the output terminal / DT. The driving capability of the pMOS transistor P1 and the nMOS transistor N1 is smaller than the driving capability of the output circuit (driver) that supplies the input data DT to the nonvolatile latch circuit NVLT. Thereby, the logic held in the latch circuit LT can be easily inverted according to the input data DT.

スイッチ回路SWのスイッチSW1−SW4は、nMOSトランジスタおよびpMOSトランジスタのソース、ドレインが互いに接続されるCMOSトランスファゲートを有している。スイッチSW1は、オア信号ORがハイレベルで、オア信号/ORがロウレベルのときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ1の一端(固定層側)を記憶ノードND1に接続する。   The switches SW1-SW4 of the switch circuit SW have a CMOS transfer gate in which the sources and drains of the nMOS transistor and the pMOS transistor are connected to each other. The switch SW1 is turned on when the OR signal OR is at a high level and the OR signal / OR is at a low level, and connects one end (fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the storage node ND1.

オア信号ORは、ストア信号STまたはリストア信号RSのいずれかがハイレベルに活性化されているときハイレベルに活性化される。オア信号/ORはストア信号STまたはリストア信号RSのいずれかがハイレベルに活性化されているときロウレベルに活性化される。ストア信号STは、ストア動作時にハイレベルに活性化される。オア回路OR1は、ストア信号STおよびリストア信号RSに基づいて、オア信号OR、/ORを生成する。インバータIV3は、ストア信号STの論理を反転してストア信号/STを生成する。ストア信号/STの活性化レベルはロウレベルである。   The OR signal OR is activated to a high level when either the store signal ST or the restore signal RS is activated to a high level. The OR signal / OR is activated to a low level when either the store signal ST or the restore signal RS is activated to a high level. Store signal ST is activated to a high level during a store operation. The OR circuit OR1 generates OR signals OR and / OR based on the store signal ST and the restore signal RS. Inverter IV3 inverts the logic of store signal ST to generate store signal / ST. The activation level of the store signal / ST is low level.

スイッチSW2は、ストア信号ST、/STが活性化されているときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ2の他端(自由層側)を記憶ノードND1に接続する。スイッチSW3は、ストア信号ST、/STが活性化されているときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ1の他端(自由層側)を記憶ノードND2に接続する。スイッチSW4は、オア信号OR、/ORが活性化されているときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ2の一端(固定層側)を記憶ノードND2に接続する。   The switch SW2 is turned on when the store signals ST, / ST are activated, and connects the other end (free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the storage node ND1. The switch SW3 is turned on when the store signals ST and / ST are activated, and connects the other end (free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the storage node ND2. The switch SW4 is turned on when the OR signals OR and / OR are activated, and connects one end (the fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the storage node ND2.

スイッチSW5、SW6は、nMOSトランジスタを有している。スイッチSW5のnMOSトランジスタは、ドレインを磁気トンネル接合素子MTJ1の他端に接続し、ソースを接地線VSSに接続し、ゲートをリストア信号線RSに接続している。スイッチSW6のnMOSトランジスタは、ドレインを磁気トンネル接合素子MTJ2の他端に接続し、ソースを接地線VSSに接続し、ゲートをリストア信号線RSに接続している。   The switches SW5 and SW6 have nMOS transistors. The nMOS transistor of the switch SW5 has a drain connected to the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ1, a source connected to the ground line VSS, and a gate connected to the restore signal line RS. The nMOS transistor of the switch SW6 has a drain connected to the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ2, a source connected to the ground line VSS, and a gate connected to the restore signal line RS.

例えば、ストア信号STおよびリストア信号RSは、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部で生成される。オア回路OR1およびインバータIV3は、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部に形成されてもよい。さらに、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTが半導体集積回路内に形成されるとき、オア回路OR1およびインバータIV3は、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTに共通に設けられてもよい。   For example, the store signal ST and the restore signal RS are generated outside the nonvolatile latch circuit NVLT. The OR circuit OR1 and the inverter IV3 may be formed outside the nonvolatile latch circuit NVLT. Further, when the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT are formed in the semiconductor integrated circuit, the OR circuit OR1 and the inverter IV3 may be provided in common to the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT.

図3は、図2に示した磁気トンネル接合素子MTJ1およびスイッチSW1、SW3の素子構造の例を示している。スイッチSW1、SW3は、半導体基板SUBの表面に形成され、磁気トンネル接合素子MTJ1は、半導体基板SUBの上方に形成される。例えば、半導体基板SUBはp形基板である。p形基板は、nMOSトランジスタの基板領域(p形ウエル領域PW)として使用される。p形ウエル領域PW内には、pMOSトランジスタの基板であるn形ウエル領域NWが形成されている。   FIG. 3 shows an example of the element structure of the magnetic tunnel junction element MTJ1 and the switches SW1 and SW3 shown in FIG. The switches SW1 and SW3 are formed on the surface of the semiconductor substrate SUB, and the magnetic tunnel junction element MTJ1 is formed above the semiconductor substrate SUB. For example, the semiconductor substrate SUB is a p-type substrate. The p-type substrate is used as a substrate region (p-type well region PW) of the nMOS transistor. In the p-type well region PW, an n-type well region NW which is a substrate of a pMOS transistor is formed.

スイッチSW1は、オア信号ORをゲートで受けるnMOSトランジスタおよびオア信号/ORをゲートで受けるpMOSトランジスタを有している。スイッチSW1のnMOSトランジスタの拡散層DRの一方およびpMOSトランジスタの拡散層DRの一方は、記憶ノードND1(DT)に接続されている。スイッチSW1のnMOSトランジスタの拡散層DRの他方およびpMOSトランジスタの拡散層DRの他方は、磁気トンネル接合素子MTJ1の固定層PLに接続されている。特に限定されないが、nMOSトランジスタのゲートおよびpMOSトランジスタのゲートは、ポリシリコン配線層POLYを用いて形成される。   Switch SW1 includes an nMOS transistor that receives an OR signal OR at its gate and a pMOS transistor that receives an OR signal / OR at its gate. One of the diffusion layer DR of the nMOS transistor and one of the diffusion layer DR of the pMOS transistor of the switch SW1 are connected to the storage node ND1 (DT). The other of the diffusion layer DR of the nMOS transistor and the other of the diffusion layer DR of the pMOS transistor of the switch SW1 is connected to the fixed layer PL of the magnetic tunnel junction element MTJ1. Although not particularly limited, the gate of the nMOS transistor and the gate of the pMOS transistor are formed using the polysilicon wiring layer POLY.

スイッチSW3は、ストア信号STをゲートで受けるnMOSトランジスタおよびストア信号/STをゲートで受けるpMOSトランジスタを有している。スイッチSW3のnMOSトランジスタの拡散層DRの一方およびpMOSトランジスタの拡散層DRの一方は、記憶ノードND2(/DT)に接続されている。スイッチSW3のnMOSトランジスタの拡散層DRの他方およびpMOSトランジスタの拡散層DRの他方は、磁気トンネル接合素子MTJ1の自由層FLに接続されている。   Switch SW3 has an nMOS transistor that receives store signal ST at its gate and a pMOS transistor that receives store signal / ST at its gate. One of the diffusion layer DR of the nMOS transistor and one of the diffusion layer DR of the pMOS transistor of the switch SW3 are connected to the storage node ND2 (/ DT). The other of the diffusion layer DR of the nMOS transistor and the other of the diffusion layer DR of the pMOS transistor of the switch SW3 are connected to the free layer FL of the magnetic tunnel junction element MTJ1.

例えば、磁気トンネル接合素子MTJ1は、第2金属配線層M2と第3金属配線層M3の間に、固定層PL、トンネル絶縁膜TLおよび自由層FLを順に積層して形成される。、磁気トンネル接合素子MTJ1の自由層FLは、第3金属配線層M3を介してスイッチSW5に接続される。図3では、記憶ノードND1、ND2を含む配線は、第1金属配線層M1に形成されているが、他の金属配線層に形成されてもよい。   For example, the magnetic tunnel junction element MTJ1 is formed by sequentially laminating a fixed layer PL, a tunnel insulating film TL, and a free layer FL between the second metal wiring layer M2 and the third metal wiring layer M3. The free layer FL of the magnetic tunnel junction element MTJ1 is connected to the switch SW5 via the third metal wiring layer M3. In FIG. 3, the wiring including the storage nodes ND1 and ND2 is formed in the first metal wiring layer M1, but may be formed in another metal wiring layer.

なお、図3の磁気トンネル接合素子MTJ1を磁気トンネル接合素子MTJ2に置き換え、スイッチSW1、SW3をスイッチSW4、SW2に置き換え、記憶ノードND1、ND2を入れ替えることで、図2に示した磁気トンネル接合素子MTJ2およびスイッチSW2、SW4の構造になる。この際、磁気トンネル接合素子MTJ2の自由層FLは、第3金属配線層M3を介してスイッチSW2、SW6に接続される。   The magnetic tunnel junction element MTJ1 shown in FIG. 3 is replaced with the magnetic tunnel junction element MTJ2, the switches SW1 and SW3 are replaced with the switches SW4 and SW2, and the storage nodes ND1 and ND2 are replaced. The structure is MTJ2 and switches SW2 and SW4. At this time, the free layer FL of the magnetic tunnel junction element MTJ2 is connected to the switches SW2 and SW6 via the third metal wiring layer M3.

図4は、図2に示した不揮発性ラッチ回路NVLTのストア動作の例を示している。ストア動作では、ストア信号STは論理1に設定され、リストア信号RSは論理0に設定される。これにより、図2に示したスイッチSW1−SW4はオンし、スイッチSW5、SW6はオフし、ラッチ回路LTのnMOSトランジスタN3はオフする。図4は、このときの等価的な状態を示している。   FIG. 4 shows an example of the store operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. In the store operation, the store signal ST is set to logic 1, and the restore signal RS is set to logic 0. Thereby, the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 2 are turned on, the switches SW5 and SW6 are turned off, and the nMOS transistor N3 of the latch circuit LT is turned off. FIG. 4 shows an equivalent state at this time.

まず、ラッチ回路LTが論理1を保持しているとき(ND1=”1”、ND2=”0”)、pMOSトランジスタP2およびnMOSトランジスタN1はオンし、pMOSトランジスタP1およびnMOSトランジスタN2がオフする。これにより、破線の矢印で示すように、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2を介して、電源線VDDから接地線VSSに電流が流れる。各磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2を流れる電流量がICのとき、電源電流は2ICになる。   First, when the latch circuit LT holds logic 1 (ND1 = "1", ND2 = "0"), the pMOS transistor P2 and the nMOS transistor N1 are turned on, and the pMOS transistor P1 and the nMOS transistor N2 are turned off. As a result, current flows from the power supply line VDD to the ground line VSS via the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, as indicated by the dashed arrows. When the amount of current flowing through each magnetic tunnel junction element MTJ1 and MTJ2 is IC, the power supply current is 2IC.

磁気トンネル接合素子MTJ1は、固定層から自由層に向けて電流が流れるため、高抵抗状態RHに設定される。磁気トンネル接合素子MTJ2は、自由層から固定層に向けて電流が流れるため、低抵抗状態RLに設定される。すなわち、ラッチ回路LTに保持されている相補の論理が、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に書き込まれる。   The magnetic tunnel junction element MTJ1 is set to the high resistance state RH because a current flows from the fixed layer to the free layer. The magnetic tunnel junction element MTJ2 is set to the low resistance state RL because a current flows from the free layer to the fixed layer. That is, complementary logic held in the latch circuit LT is written to the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2.

一方、ラッチ回路LTが論理0を保持しているとき(ND1=”0”、ND2=”1”)、pMOSトランジスタP1およびnMOSトランジスタN2はオンし、pMOSトランジスタP2およびnMOSトランジスタN1がオフする。これにより、破線の矢印で示すように、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2を介して、電源線VDDから接地線VSSに電流が流れる。各磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2を流れる電流量がICのとき、電源電流は2ICになる。   On the other hand, when the latch circuit LT holds logic 0 (ND1 = "0", ND2 = "1"), the pMOS transistor P1 and the nMOS transistor N2 are turned on, and the pMOS transistor P2 and the nMOS transistor N1 are turned off. As a result, current flows from the power supply line VDD to the ground line VSS via the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, as indicated by the dashed arrows. When the amount of current flowing through each magnetic tunnel junction element MTJ1 and MTJ2 is IC, the power supply current is 2IC.

磁気トンネル接合素子MTJ1は、自由層から固定層に向けて電流が流れるため、低抵抗状態RLに設定される。磁気トンネル接合素子MTJ2は、固定層から自由層に向けて電流が流れるため、高抵抗状態RHに設定される。すなわち、ラッチ回路LTに保持されている相補の論理が、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に書き込まれる。   The magnetic tunnel junction element MTJ1 is set to the low resistance state RL because a current flows from the free layer to the fixed layer. The magnetic tunnel junction element MTJ2 is set to the high resistance state RH because a current flows from the fixed layer to the free layer. That is, complementary logic held in the latch circuit LT is written to the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2.

ストア動作では、図1に示した不揮発性ラッチ回路NVLTと同様に、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、電源線VDDと接地線VSSの間に並列に接続される。このため、通常の電源電圧VDDを書き込み電圧として、ストア動作を実行できる。   In the store operation, similarly to the nonvolatile latch circuit NVLT illustrated in FIG. 1, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are connected in parallel between the power supply line VDD and the ground line VSS. Therefore, the store operation can be executed using the normal power supply voltage VDD as the write voltage.

図5は、図2に示した不揮発性ラッチ回路NVLTのリストア動作の例を示している。リストア動作では、ストア信号STは論理0に設定される。リストア信号RSは論理1に設定された後、論理0に設定される。これにより、図2に示したスイッチSW2、SW3はオフし、スイッチSW1、SW4、SW5、SW6およびラッチ回路LTのnMOSトランジスタN3は一時的にオンする。図4は、スイッチSW1、SW4、SW5、SW6がオンしているときの等価的な状態を示している。この実施形態のリストア動作は、電源電圧VDDが通常の電圧(この例では、1.2V)のときに実行される。これにより、リストア動作を確実かつ安定して実行できる。   FIG. 5 shows an example of the restore operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. In the restore operation, the store signal ST is set to logic 0. The restore signal RS is set to logic 1 and then set to logic 0. Thereby, the switches SW2 and SW3 shown in FIG. 2 are turned off, and the switches SW1, SW4, SW5 and SW6 and the nMOS transistor N3 of the latch circuit LT are temporarily turned on. FIG. 4 shows an equivalent state when the switches SW1, SW4, SW5, and SW6 are on. The restore operation of this embodiment is executed when the power supply voltage VDD is a normal voltage (1.2 V in this example). As a result, the restore operation can be executed reliably and stably.

まず、論理1のリストア信号RSによりnMOSトランジスタN3がオンする。ラッチ回路LTの一対のCMOSインバータの入力同士および出力同士は互いに接続され、記憶ノードND1、ND2の電圧は、電源電圧のほぼ2分の1になる。このように、nMOSトランジスタN3は、記憶ノードND1、ND2を互いに接続するショートスイッチとして機能する。   First, the nMOS transistor N3 is turned on by a logical 1 restore signal RS. The inputs and outputs of the pair of CMOS inverters of the latch circuit LT are connected to each other, and the voltages of the storage nodes ND1 and ND2 are approximately one half of the power supply voltage. Thus, the nMOS transistor N3 functions as a short switch that connects the storage nodes ND1 and ND2 to each other.

磁気トンネル接合素子MTJ1が高抵抗状態RHに設定され、磁気トンネル接合素子MTJ2が低抵抗状態RLに設定されているとき、電流IC1が、記憶ノードND1から磁気トンネル接合素子MTJ1を介して接地線VSSに流れる。また、電流IC1より多い電流IC2が、記憶ノードND2から磁気トンネル接合素子MTJ2を介して接地線VSSに流れる。これにより、記憶ノードND1の電圧VHは、記憶ノードND2の電圧VLより高くなる。   When the magnetic tunnel junction element MTJ1 is set to the high resistance state RH and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is set to the low resistance state RL, the current IC1 is supplied from the storage node ND1 through the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the ground line VSS. Flowing into. Further, a current IC2 larger than the current IC1 flows from the storage node ND2 to the ground line VSS via the magnetic tunnel junction element MTJ2. As a result, the voltage VH of the storage node ND1 becomes higher than the voltage VL of the storage node ND2.

次に、リストア信号RSが論理0に変化されると、SW1、SW4、SW5、SW6およびnMOSトランジスタN3はオフする。nMOSトランジスタN3のオフにより、ラッチ回路LTは正常な動作を開始し、記憶ノードND1、ND2の電圧レベルに応じて論理1をラッチする。すなわち、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2から相補の論理が読み出され、ラッチ回路LTに書き戻される。   Next, when the restore signal RS is changed to logic 0, SW1, SW4, SW5, SW6 and the nMOS transistor N3 are turned off. When the nMOS transistor N3 is turned off, the latch circuit LT starts a normal operation, and latches logic 1 according to the voltage levels of the storage nodes ND1 and ND2. That is, complementary logic is read from the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, and written back to the latch circuit LT.

一方、磁気トンネル接合素子MTJ1が低抵抗状態RLに設定され、磁気トンネル接合素子MTJ2が高抵抗状態RHに設定されているとき、電流IC2が、記憶ノードND1から磁気トンネル接合素子MTJ1を介して接地線VSSに流れる。また、電流IC2より少ない電流IC1が、記憶ノードND2から磁気トンネル接合素子MTJ2を介して接地線VSSに流れる。これにより、記憶ノードND1の電圧VLは、記憶ノードND2の電圧VHより高くなる。   On the other hand, when the magnetic tunnel junction element MTJ1 is set to the low resistance state RL and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is set to the high resistance state RH, the current IC2 is grounded from the storage node ND1 via the magnetic tunnel junction element MTJ1. Flows on line VSS. Further, a current IC1 smaller than the current IC2 flows from the storage node ND2 to the ground line VSS through the magnetic tunnel junction element MTJ2. As a result, the voltage VL of the storage node ND1 becomes higher than the voltage VH of the storage node ND2.

この後、リストア信号RSが論理0に変化されると、上述と同様にラッチ回路LTは正常な動作を開始し、記憶ノードND1、ND2の電圧レベルに応じて論理0をラッチする。すなわち、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2から相補の論理が読み出され、ラッチ回路LTに書き戻される。   Thereafter, when the restore signal RS is changed to logic 0, the latch circuit LT starts normal operation as described above, and latches logic 0 according to the voltage levels of the storage nodes ND1 and ND2. That is, complementary logic is read from the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, and written back to the latch circuit LT.

図6は、図2に示した不揮発性ラッチ回路NVLTの通常動作の例を示している。通常動作では、ストア信号STおよびリストア信号RSは、ともに論理0に設定される。これにより、図2に示したスイッチSW1−SW6はオフし、ラッチ回路LTのnMOSトランジスタN3はオフする。図4は、このときの等価的な状態を示している。   FIG. 6 shows an example of normal operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. In normal operation, store signal ST and restore signal RS are both set to logic zero. Thereby, the switches SW1 to SW6 shown in FIG. 2 are turned off, and the nMOS transistor N3 of the latch circuit LT is turned off. FIG. 4 shows an equivalent state at this time.

スイッチSW1−SW6がオフするため、磁気トンネル接合素子MTJ1の両端および磁気トンネル接合素子MTJ2の両端は、フローティング状態に設定される。すなわち、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2とラッチ回路LTとの接続は遮断され、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2はラッチ回路LTから切り離される。この状態で、ラッチ回路LTは、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部から供給される入力データDTの論理をラッチし、ラッチしている論理を反転して出力データ/DTとして出力する。   Since the switches SW1-SW6 are turned off, both ends of the magnetic tunnel junction element MTJ1 and both ends of the magnetic tunnel junction element MTJ2 are set in a floating state. That is, the connection between the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 and the latch circuit LT is cut off, and the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are disconnected from the latch circuit LT. In this state, the latch circuit LT latches the logic of the input data DT supplied from the outside of the nonvolatile latch circuit NVLT, inverts the latched logic, and outputs it as output data / DT.

通常動作では、ラッチ回路LTの論理の書き換えに伴い記憶ノードND1、ND2に流れる電流は、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に流れない。この結果、図1に示した不揮発性ラッチ回路NVLTと同様に、通常動作中に磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の磁化特性が劣化することを防止できる。   In normal operation, the current flowing through the storage nodes ND1 and ND2 due to the rewriting of the logic of the latch circuit LT does not flow through the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. As a result, like the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. 1, it is possible to prevent the magnetization characteristics of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 from deteriorating during normal operation.

図7は、図2に示した不揮発性ラッチ回路NVLTを有する半導体集積回路の動作の例を示している。例えば、半導体集積回路は、フリップフロップ等のラッチ回路を含む論理回路である。図2に示した不揮発性ラッチ回路NVLTは、論理回路中のラッチ回路の少なくとも1つとして使用される。例えば、半導体集積回路は、パワーオン時にストア信号STを生成し、パワーオフ時にリストア信号RSを生成する信号生成回路を有している。   FIG. 7 shows an example of the operation of the semiconductor integrated circuit having the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. For example, a semiconductor integrated circuit is a logic circuit including a latch circuit such as a flip-flop. The nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. 2 is used as at least one of the latch circuits in the logic circuit. For example, the semiconductor integrated circuit includes a signal generation circuit that generates a store signal ST when power is turned on and generates a restore signal RS when power is turned off.

不揮発性ラッチ回路NVLTの磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、パワーオン前に相補の論理を保持している。磁気トンネル接合素子MTJ1の抵抗値RMTJ1および磁気トンネル接合素子MTJ2の抵抗値RMTJ2は、MTJ2高抵抗状態RHまたは低抵抗状態RLに設定されている(図7(a))。まず、パワーオンPONにより、半導体集積回路に供給される電源電圧VDDが徐々に上昇する(図7(b))。不揮発性ラッチ回路NVLTの記憶ノードND1、ND2の一方および他方は、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に保持されている論理とは無関係に論理0(=VDD)および論理1(=VSS)に変化する(図7(c))。   The magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 of the nonvolatile latch circuit NVLT hold complementary logic before power-on. The resistance value RMTJ1 of the magnetic tunnel junction element MTJ1 and the resistance value RMTJ2 of the magnetic tunnel junction element MTJ2 are set to the MTJ2 high resistance state RH or the low resistance state RL (FIG. 7A). First, the power-on PON gradually increases the power supply voltage VDD supplied to the semiconductor integrated circuit (FIG. 7B). One and the other of the storage nodes ND1 and ND2 of the nonvolatile latch circuit NVLT change to logic 0 (= VDD) and logic 1 (= VSS) regardless of the logic held in the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. (FIG. 7 (c)).

信号生成回路は、電源電圧VDDが所定の値(例えば、1.2V)まで上昇した後、リストア信号RSを一時的に活性化する(図7(d))。リストア信号RSが活性化されている間、記憶ノードND1、ND2の電圧は、電源電圧VDDのほぼ半分(VDD/2=0.6V)になる。このとき、電流IMTJ1、IMTJ2が、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2にそれぞれ流れる。   The signal generation circuit temporarily activates the restore signal RS after the power supply voltage VDD rises to a predetermined value (for example, 1.2 V) (FIG. 7 (d)). While the restore signal RS is activated, the voltages of the storage nodes ND1 and ND2 are approximately half of the power supply voltage VDD (VDD / 2 = 0.6V). At this time, currents IMTJ1 and IMTJ2 flow in the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, respectively.

記憶ノードND1、ND2の電圧は、リストア信号RSが活性化中に、電源電圧VDDのほぼ半分に設定される。これにより、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2にそれぞれ流れる電流値IMTJ1、IMTJ2を、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗値が変化するために必要な書き込み電流値IP、IAPよりも小さくできる(図7(e))。具体的には、図5に示した低抵抗状態の磁気トンネル接合素子MTJ1(またはMTJ2)に流れる電流IC2は、高抵抗状態に設定するための書き込み電流IPより小さい。したがって、リストア期間RESTR中に、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗値が電流IMTJ1、IMTJ2により変化することを防止できる。   The voltages of the storage nodes ND1 and ND2 are set to almost half of the power supply voltage VDD while the restore signal RS is activated. As a result, the current values IMTJ1 and IMTJ2 flowing in the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 can be made smaller than the write current values IP and IAP necessary for changing the resistance values of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 (FIG. 7). (E)). Specifically, the current IC2 flowing through the magnetic tunnel junction element MTJ1 (or MTJ2) in the low resistance state shown in FIG. 5 is smaller than the write current IP for setting the high resistance state. Therefore, it is possible to prevent the resistance values of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 from being changed by the currents IMTJ1 and IMTJ2 during the restore period RESTR.

リストア信号RSが非活性化されると、図5で説明したように、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に保持されている相補の論理が記憶ノードND1、ND2の電圧差に応じてラッチ回路LTに読み出される。これにより、記憶ノードND1、ND2の電圧は、電源電圧VDDまたは接地電圧VSSに変化する(図7(f))。すなわち、リストア動作が実行される。   When the restore signal RS is deactivated, the complementary logic held in the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 is supplied to the latch circuit LT according to the voltage difference between the storage nodes ND1 and ND2, as described in FIG. Read out. As a result, the voltages of the storage nodes ND1 and ND2 change to the power supply voltage VDD or the ground voltage VSS (FIG. 7 (f)). That is, a restore operation is executed.

この後、通常動作期間OPに、半導体集積回路は、システムとしての通常動作を実行する。不揮発性ラッチ回路NVLTのラッチ回路LTの論理は、通常動作中に書き換えられる(図7(g))。ストア信号STおよびリストア信号RSは、通常動作期間OPに論理0に非活性化されている(図7(h))。このため、図6に示したように、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、ラッチ回路LTから切り離され、ラッチ回路LTの動作の影響を受けない。換言すれば、ラッチ回路LTの動作に伴う電流は、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に流れない。この結果、通常動作期間OPに磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗値が変動することを防止でき、不揮発性ラッチ回路NVLTおよび不揮発性ラッチ回路NVLTを有する半導体集積回路の信頼性を向上できる。   Thereafter, in the normal operation period OP, the semiconductor integrated circuit performs a normal operation as a system. The logic of the latch circuit LT of the nonvolatile latch circuit NVLT is rewritten during normal operation (FIG. 7 (g)). The store signal ST and the restore signal RS are inactivated to logic 0 during the normal operation period OP (FIG. 7 (h)). Therefore, as shown in FIG. 6, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are disconnected from the latch circuit LT and are not affected by the operation of the latch circuit LT. In other words, the current accompanying the operation of the latch circuit LT does not flow through the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. As a result, the resistance values of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 can be prevented from changing during the normal operation period OP, and the reliability of the semiconductor integrated circuit including the nonvolatile latch circuit NVLT and the nonvolatile latch circuit NVLT can be improved.

通常動作の完了後、信号生成回路は、ストア期間STRにストア信号STを活性化する(図7(i))。これにより、図4で説明したように、ストア動作が実行される。すなわち、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、ラッチ回路LTの電源端子VDDと接地端子VSSとの間に並列かつ互いに逆向きに接続される。各磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に独立に電源電圧VDDが印加されるため、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に流れる電流値を、書き込み電流値IP、IAPより容易に大きくできる。このため、ラッチ回路LTに供給される電源電圧VDDを用いて、ラッチ回路LTに保持されている相補の論理を、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗値として確実に書き込みできる。   After the normal operation is completed, the signal generation circuit activates the store signal ST in the store period STR (FIG. 7 (i)). As a result, the store operation is executed as described in FIG. That is, the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are connected in parallel and opposite to each other between the power supply terminal VDD and the ground terminal VSS of the latch circuit LT. Since the power supply voltage VDD is independently applied to each of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, the current value flowing through the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 can be easily made larger than the write current values IP and IAP. Therefore, the complementary logic held in the latch circuit LT can be reliably written as the resistance values of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 by using the power supply voltage VDD supplied to the latch circuit LT.

このように、本実施形態では、単一の電源電圧VDDにより、リストア動作時の電流値IMTJ1、IMTJ2を書き込み電流値IP、IAPより小さくでき、ストア動作時の電流値IMTJ1、IMTJ2を書き込み電流値IP、IAPより大きくできる。また、ストア動作では、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2が並列に接続されるため、直列に接続される回路構成に比べて書き込み電圧を小さくできる。   As described above, in this embodiment, the current values IMTJ1 and IMTJ2 at the time of the restore operation can be made smaller than the write current values IP and IAP by the single power supply voltage VDD, and the current values IMTJ1 and IMTJ2 at the time of the store operation It can be larger than IP and IAP. In the store operation, since the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are connected in parallel, the write voltage can be reduced as compared with the circuit configuration connected in series.

ストア動作の完了後、パワーオフPOFFにより、電源電圧VDDが徐々に低下する(図7(j))。これに伴い、ラッチ回路LTに保持されている論理は、徐々に失われる(図7(k))。しかしながら、ラッチ回路LTに保持されている論理は、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2により、パワーオフOFF後も保持される(図7(l))。   After the store operation is completed, the power supply voltage VDD gradually decreases due to the power-off POFF (FIG. 7 (j)). Along with this, the logic held in the latch circuit LT is gradually lost (FIG. 7 (k)). However, the logic held in the latch circuit LT is held by the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 even after power-off (FIG. 7 (l)).

この後、パワーオンPONにより電源電圧VDDが再び上昇すると、半導体集積回路は、リストア動作を実行し、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2に保持されている論理をラッチ回路LTに読み出す(図7(m))。   Thereafter, when the power supply voltage VDD rises again due to power-on PON, the semiconductor integrated circuit performs a restore operation, and reads the logic held in the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 to the latch circuit LT (FIG. 7 (m )).

以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、スイッチ回路SWにnMOSトランジスタN3を形成することにより、電源電圧VDDが不揮発性ラッチ回路NVLTに供給されている状態で、リストア動作を実行できる。これにより、リストア動作を確実かつ安定して実行できる。   As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained. Further, by forming the nMOS transistor N3 in the switch circuit SW, the restore operation can be executed in a state where the power supply voltage VDD is supplied to the nonvolatile latch circuit NVLT. As a result, the restore operation can be executed reliably and stably.

図8は、別の実施形態における不揮発性ラッチ回路NVLTの例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明は省略する。この実施形態では、スイッチ回路SWが、図2に示したスイッチ回路SWと相違している。また、リストア信号/RSを生成するインバータIV4が新たに形成されている。不揮発性ラッチ回路NVLTのその他の構成は、図2と同様である。なお、図8では、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の位置は、図2と逆である。   FIG. 8 shows an example of a nonvolatile latch circuit NVLT in another embodiment. The same elements as those described in the embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the switch circuit SW is different from the switch circuit SW shown in FIG. Further, an inverter IV4 for generating a restore signal / RS is newly formed. Other configurations of the nonvolatile latch circuit NVLT are the same as those in FIG. In FIG. 8, the positions of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are opposite to those in FIG.

スイッチSW1は、オア信号ORがハイレベルで、オア信号/ORがロウレベルのときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ1の一端(固定層側)を記憶ノードND1に接続する。スイッチSW2は、オア信号ORがハイレベルで、オア信号/ORがロウレベルのときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ2の他端(自由層側)を記憶ノードND1に接続する。スイッチSW3は、ストア信号ST、/STが活性化しているときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ1の他端(自由層側)を記憶ノードND2に接続する。スイッチSW4は、ストア信号ST、/STが活性化しているときにオンし、磁気トンネル接合素子MTJ2の一端(固定層側)を記憶ノードND2に接続する。   The switch SW1 is turned on when the OR signal OR is at a high level and the OR signal / OR is at a low level, and connects one end (fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the storage node ND1. The switch SW2 is turned on when the OR signal OR is at a high level and the OR signal / OR is at a low level, and connects the other end (free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the storage node ND1. The switch SW3 is turned on when the store signals ST and / ST are activated, and connects the other end (free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 to the storage node ND2. The switch SW4 is turned on when the store signals ST and / ST are activated, and connects one end (the fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ2 to the storage node ND2.

スイッチSW5のnMOSトランジスタは、ドレインを磁気トンネル接合素子MTJ1の他端に接続し、ソースを接地線VSSに接続し、ゲートをリストア信号線RSに接続するnMOSトランジスタを有している。スイッチSW6のnMOSトランジスタは、ドレインを磁気トンネル接合素子MTJ2の一端に接続し、ソースを電源線VDDに接続し、ゲートをリストア信号線/RSに接続するpMOSトランジスタを有している。   The nMOS transistor of the switch SW5 has an nMOS transistor having a drain connected to the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ1, a source connected to the ground line VSS, and a gate connected to the restore signal line RS. The nMOS transistor of the switch SW6 has a pMOS transistor having a drain connected to one end of the magnetic tunnel junction element MTJ2, a source connected to the power supply line VDD, and a gate connected to the restore signal line / RS.

例えば、ストア信号STおよびリストア信号RSは、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部で生成される。なお、オア回路OR1およびインバータIV3、IV4は、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部に形成されてもよい。さらに、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTが半導体集積回路内に形成されるとき、オア回路OR1およびインバータIV3、IV4は、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTに共通に設けられてもよい。   For example, the store signal ST and the restore signal RS are generated outside the nonvolatile latch circuit NVLT. The OR circuit OR1 and the inverters IV3 and IV4 may be formed outside the nonvolatile latch circuit NVLT. Further, when the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT are formed in the semiconductor integrated circuit, the OR circuit OR1 and the inverters IV3 and IV4 may be provided in common to the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT.

図9は、図8に示した不揮発性ラッチ回路NVLTのリストア動作の例を示している。なお、ストア動作および通常動作は、図4および図6と同様に実施される。なお、不揮発性ラッチ回路NVLTを有する半導体集積回路の動作は、図7と同様に実行される。   FIG. 9 shows an example of the restore operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. Note that the store operation and the normal operation are performed in the same manner as in FIGS. The operation of the semiconductor integrated circuit having the nonvolatile latch circuit NVLT is executed in the same manner as in FIG.

図5と同様に、リストア動作では、ストア信号STは論理0に設定され、リストア信号RSは論理1に設定された後、論理0に設定される。これにより、図8に示したスイッチSW3、SW4はオフし、スイッチSW1、SW2、SW5、SW6およびラッチ回路LTのnMOSトランジスタN3は一時的にオンする。図4は、スイッチSW1、SW2、SW5、SW6およびnMOSトランジスタN3がオンしているときの等価的な状態を示している。   As in FIG. 5, in the restore operation, the store signal ST is set to logic 0, the restore signal RS is set to logic 1, and then set to logic 0. Thereby, the switches SW3 and SW4 shown in FIG. 8 are turned off, and the switches SW1, SW2, SW5 and SW6 and the nMOS transistor N3 of the latch circuit LT are temporarily turned on. FIG. 4 shows an equivalent state when the switches SW1, SW2, SW5, SW6 and the nMOS transistor N3 are on.

図5と同様に、nMOSトランジスタN3がオンされているとき、記憶ノードND1、ND2は互いに接続され、記憶ノードND1、ND2の電圧は、ほぼVDD/2になろうとする。一方、リストア信号RSが論理1に活性化している間、磁気トンネル接合素子MTJ2、MTJ1は、電源線VDDと接地線VSSとの間に直列に接続される。磁気トンネル接合素子MTJ2の自由層側と磁気トンネル接合素子MTJ1の固定層側とに接続される中間ノードは、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗値に応じて分圧電圧を生成する。この結果、記憶記憶ノードND1の電圧は、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2による抵抗分割に依存して、電圧VDD/2より高い電圧または電圧VDD/2より低い電圧になる。   Similarly to FIG. 5, when the nMOS transistor N3 is turned on, the storage nodes ND1 and ND2 are connected to each other, and the voltages of the storage nodes ND1 and ND2 tend to become approximately VDD / 2. On the other hand, while the restore signal RS is activated to logic 1, the magnetic tunnel junction elements MTJ2 and MTJ1 are connected in series between the power supply line VDD and the ground line VSS. An intermediate node connected to the free layer side of the magnetic tunnel junction element MTJ2 and the fixed layer side of the magnetic tunnel junction element MTJ1 generates a divided voltage according to the resistance values of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. As a result, the voltage of the storage storage node ND1 becomes a voltage higher than the voltage VDD / 2 or lower than the voltage VDD / 2 depending on the resistance division by the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2.

例えば、磁気トンネル接合素子MTJ1が高抵抗状態RHで、磁気トンネル接合素子MTJ2が低抵抗状態RLのとき、記憶ノードND1の電圧は、VDD/2より高くなる(図9の左側)。磁気トンネル接合素子MTJ1が低抵抗状態RLで、磁気トンネル接合素子MTJ2が高抵抗状態RHのとき、記憶ノードND1の電圧は、VDD/2より低くなる(図9の右側)。一方、記憶ノードND2の電圧は、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗状態に拘わりなく、ほぼ電圧VDD/2である。なお、低抵抗状態の磁気トンネル接合素子MTJ1またはMTJ2に流れる電流は、高抵抗状態に変化することを防止するために、図7に示した書き込み電流IAPより少なくする必要がある。高抵抗状態の磁気トンネル接合素子MTJ1またはMTJ2に流れる電流の向きは、高抵抗状態に設定するために必要な電流の向きと同じため、電流値は制限されない。   For example, when the magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the high resistance state RH and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is in the low resistance state RL, the voltage of the storage node ND1 becomes higher than VDD / 2 (left side in FIG. 9). When the magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the low resistance state RL and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is in the high resistance state RH, the voltage of the storage node ND1 is lower than VDD / 2 (right side in FIG. 9). On the other hand, the voltage of the storage node ND2 is substantially the voltage VDD / 2 regardless of the resistance state of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2. Note that the current flowing through the magnetic tunnel junction element MTJ1 or MTJ2 in the low resistance state needs to be smaller than the write current IAP shown in FIG. 7 in order to prevent the current from flowing into the high resistance state. Since the direction of the current flowing through the magnetic tunnel junction element MTJ1 or MTJ2 in the high resistance state is the same as the direction of the current necessary for setting the high resistance state, the current value is not limited.

リストア信号RSが論理0に変化されると、スイッチSW1−SW6およびラッチ回路LTのnMOSトランジスタN3はオフする。磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2は、電源線VDD、接地線VSSおよび記憶ノードND1から切り離される。nMOSトランジスタN3のオフにより、ラッチ回路LTは正常な動作を開始し、記憶ノードND1、ND2の電圧差に応じた論理をラッチする。例えば、磁気トンネル接合素子MTJ1が高抵抗状態RHで、磁気トンネル接合素子MTJ2が低抵抗状態RLのとき、記憶ノードND1の電圧は電源電圧VDDになり、記憶ノードND2の電圧は接地電圧VSSになる。磁気トンネル接合素子MTJ1が低抵抗状態RLで、磁気トンネル接合素子MTJ2が高抵抗状態RHのとき、記憶ノードND1の電圧は接地電圧VSSになり、記憶ノードND2の電圧は電源電圧VDDになる。すなわち、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2から相補の論理が読み出され、ラッチ回路LTに戻される。以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。   When restore signal RS is changed to logic 0, switches SW1-SW6 and nMOS transistor N3 of latch circuit LT are turned off. The magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are disconnected from the power supply line VDD, the ground line VSS, and the storage node ND1. When the nMOS transistor N3 is turned off, the latch circuit LT starts normal operation, and latches the logic according to the voltage difference between the storage nodes ND1 and ND2. For example, when the magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the high resistance state RH and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is in the low resistance state RL, the voltage of the storage node ND1 is the power supply voltage VDD and the voltage of the storage node ND2 is the ground voltage VSS. . When the magnetic tunnel junction element MTJ1 is in the low resistance state RL and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is in the high resistance state RH, the voltage of the storage node ND1 becomes the ground voltage VSS, and the voltage of the storage node ND2 becomes the power supply voltage VDD. That is, complementary logic is read from the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, and returned to the latch circuit LT. As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

図10は、別の実施形態における不揮発性ラッチ回路NVLTの例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明は省略する。この実施形態では、ラッチ回路LTが図2に示したラッチ回路LTと相違している。不揮発性ラッチ回路NVLTのその他の構成は、図2と同様である。   FIG. 10 shows an example of a nonvolatile latch circuit NVLT in another embodiment. The same elements as those described in the embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the latch circuit LT is different from the latch circuit LT shown in FIG. Other configurations of the nonvolatile latch circuit NVLT are the same as those in FIG.

この実施形態のラッチ回路LTは、クロック同期タイプであり、入力端子DTとインバータIV1の入力との間に配置されるスイッチSW7と、インバータIV2の出力とインバータIV1の入力との間に配置されるスイッチSW8とを有している。例えば、スイッチSW7、SW8は、CMOSトランスファゲートを有している。クロックCK、/CKは、相補の信号である。   The latch circuit LT of this embodiment is a clock synchronous type, and is disposed between the switch SW7 disposed between the input terminal DT and the input of the inverter IV1, and between the output of the inverter IV2 and the input of the inverter IV1. And a switch SW8. For example, the switches SW7 and SW8 have CMOS transfer gates. The clocks CK and / CK are complementary signals.

スイッチSW7は、クロックCKが論理1でクロック/CKが論理0のときにオンし、入力データDTをインバータIV1の入力に伝達する。インバータIV1は、入力データDTの論理を反転し、出力データ/DTとして出力端子/DTおよびインバータIV2の入力に出力する。このとき、スイッチSW8はオフしているため、ラッチ動作は行われない。   Switch SW7 is turned on when clock CK is logic 1 and clock / CK is logic 0, and transmits input data DT to the input of inverter IV1. Inverter IV1 inverts the logic of input data DT and outputs it as output data / DT to the output terminal / DT and the input of inverter IV2. At this time, since the switch SW8 is off, the latch operation is not performed.

スイッチSW8は、クロックCKが論理0でクロック/CKが論理1のときにオンし、インバータIV2の出力をインバータIV1の入力に接続する。このとき、入力データDTがラッチ回路LTにラッチされる。スイッチSW7は、スイッチSW8がオンしているときにオフするため、新たな入力データDTの受け付けは禁止される。   The switch SW8 is turned on when the clock CK is logic 0 and the clock / CK is logic 1, and connects the output of the inverter IV2 to the input of the inverter IV1. At this time, the input data DT is latched by the latch circuit LT. Since the switch SW7 is turned off when the switch SW8 is turned on, reception of new input data DT is prohibited.

図10に示した不揮発性ラッチ回路NVLTのストア動作およびリストア動作は、クロックCKが論理0のときに実行されることを除き、図4および図6と同様である。なお、不揮発性ラッチ回路NVLTを有する半導体集積回路の動作は、図7と同様に実行される。複数の不揮発性ラッチ回路NVLTが半導体集積回路内に形成されるとき、クロックCK、/CKは、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTに共通に供給されてもよく、不揮発性ラッチ回路NVLT毎に供給されてもよい。また、図10に示すスイッチSWの代わりに、図8に示したスイッチSWを用いて、不揮発性ラッチ回路NVLTを形成してもよい。   The store operation and the restore operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. 10 are the same as those in FIGS. 4 and 6 except that the operation is performed when the clock CK is logic 0. The operation of the semiconductor integrated circuit having the nonvolatile latch circuit NVLT is executed in the same manner as in FIG. When the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT are formed in the semiconductor integrated circuit, the clocks CK and / CK may be supplied in common to the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT and are supplied for each nonvolatile latch circuit NVLT. May be. Further, the nonvolatile latch circuit NVLT may be formed by using the switch SW shown in FIG. 8 instead of the switch SW shown in FIG.

例えば、ストア信号STおよびリストア信号RSは、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部で生成される。なお、オア回路OR1およびインバータIV3は、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部に形成されてもよい。さらに、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTが半導体集積回路内に形成されるとき、オア回路OR1およびインバータIV3は、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTに共通に設けられてもよい。   For example, the store signal ST and the restore signal RS are generated outside the nonvolatile latch circuit NVLT. The OR circuit OR1 and the inverter IV3 may be formed outside the nonvolatile latch circuit NVLT. Further, when the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT are formed in the semiconductor integrated circuit, the OR circuit OR1 and the inverter IV3 may be provided in common to the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT.

図11は、図10に示した不揮発性ラッチ回路NVLTの通常動作の例を示している。この例では、通常動作期間OPに、クロックCK、/CKは周期的に生成される。なお、クロックCK、/CKは、ラッチ動作が必要なときに生成されてもよい。   FIG. 11 shows an example of normal operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. In this example, the clocks CK and / CK are periodically generated during the normal operation period OP. The clocks CK and / CK may be generated when a latch operation is necessary.

まず、クロックCKの立ち上がりエッジに同期して、図10に示したスイッチSW7がオンし、スイッチSW8がオフする。インバータIV1は入力データDTを受け、受けた入力データDTの論理(D1、D2、D3)を反転して出力データ/DT(/D1、/D2、/D3)を出力する。   First, in synchronization with the rising edge of the clock CK, the switch SW7 shown in FIG. 10 is turned on and the switch SW8 is turned off. The inverter IV1 receives the input data DT, inverts the logic (D1, D2, D3) of the received input data DT, and outputs the output data / DT (/ D1, / D2, / D3).

次に、クロックCKの立ち下がりエッジに同期して図10に示したスイッチSW7がオフし、スイッチSW8がオンする。スイッチSW8のオンにより、インバータIV2の出力がインバータIV1の入力に接続され、入力データDTの論理(D1、D2、D3)がラッチされる。クロックCKが論理0の間、スイッチSW7がオフするため、新たな入力データDTの変化は、インバータIV1に伝達されない。通常動作期間OPの完了後、クロックCK、/CKが停止し、図7と同様に、ストア期間STRにストア動作が実行される。   Next, the switch SW7 shown in FIG. 10 is turned off and the switch SW8 is turned on in synchronization with the falling edge of the clock CK. When the switch SW8 is turned on, the output of the inverter IV2 is connected to the input of the inverter IV1, and the logic (D1, D2, D3) of the input data DT is latched. Since the switch SW7 is turned off while the clock CK is logic 0, a new change in the input data DT is not transmitted to the inverter IV1. After the normal operation period OP is completed, the clocks CK and / CK are stopped, and the store operation is executed in the store period STR as in FIG.

以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、クロック同期タイプのラッチ回路LTを用いて、不揮発性ラッチ回路NVLTを形成できる。   As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained. Further, the nonvolatile latch circuit NVLT can be formed using the clock synchronous type latch circuit LT.

図12は、別の実施形態における不揮発性ラッチ回路NVLTの例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明は省略する。この実施形態の不揮発性ラッチ回路NVLTは、マスタースレーブフリップフロップとして形成される。なお、図12に示す不揮発性ラッチ回路NVLTを有する半導体集積回路の動作は、図7と同様に実行される。   FIG. 12 shows an example of a nonvolatile latch circuit NVLT in another embodiment. The same elements as those described in the embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The nonvolatile latch circuit NVLT of this embodiment is formed as a master / slave flip-flop. The operation of the semiconductor integrated circuit having the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. 12 is executed in the same manner as in FIG.

不揮発性ラッチ回路NVLTは、マスターラッチ回路MLT、スレーブラッチ回路SLT、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2およびスイッチ回路SWを有している。例えば、スイッチ回路SWは、図2および図10に示したスイッチ回路SWと同じであり、スレーブラッチ回路SLTの記憶ノードND1、ND2に接続されている。なお、スイッチ回路SWとして、図8に示すスイッチ回路SWまたは図13に示すスイッチ回路SWを用いてもよい。スイッチ回路SWは、マスターラッチ回路MLTに接続されてもよい。2つのスイッチ回路SWが、マスターラッチ回路MLTおよびスレーブラッチ回路SLTにそれぞれ接続されてもよい。   The nonvolatile latch circuit NVLT includes a master latch circuit MLT, a slave latch circuit SLT, magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2, and a switch circuit SW. For example, the switch circuit SW is the same as the switch circuit SW shown in FIGS. 2 and 10 and is connected to the storage nodes ND1 and ND2 of the slave latch circuit SLT. Note that the switch circuit SW shown in FIG. 8 or the switch circuit SW shown in FIG. 13 may be used as the switch circuit SW. The switch circuit SW may be connected to the master latch circuit MLT. Two switch circuits SW may be connected to the master latch circuit MLT and the slave latch circuit SLT, respectively.

マスターラッチ回路MLTは、入力データINの論理を反転したデータをインバータIV1の入力に伝達するスイッチSW9およびインバータIV2の出力をインバータIV1の入力に接続するスイッチSW10を有している。例えば、スイッチSW9、SW10は、CMOSトランスファゲートを有している。マスターラッチ回路MLTは、クロックCKが論理1のときに入力データINを入力データDTとして出力し、クロックCKが論理0のときに、入力データINの論理をラッチし、新たな入力データINの受け付けを禁止する。   The master latch circuit MLT has a switch SW9 that transmits data obtained by inverting the logic of the input data IN to the input of the inverter IV1, and a switch SW10 that connects the output of the inverter IV2 to the input of the inverter IV1. For example, the switches SW9 and SW10 have CMOS transfer gates. The master latch circuit MLT outputs the input data IN as the input data DT when the clock CK is logic 1, and latches the logic of the input data IN and accepts new input data IN when the clock CK is logic 0. Is prohibited.

スレーブラッチ回路SLTは、入力データDTの論理をインバータIV1の入力に伝達するスイッチSW11およびインバータIV2の出力をインバータIV1の入力に接続するスイッチSW12を有している。例えば、スイッチSW11、SW12は、CMOSトランスファゲートを有している。スレーブラッチ回路SLTは、クロックCKが論理0のときに入力データDTの論理を反転し、出力データ/DTとして出力し、クロックCKが論理1のときに、入力データDTの論理をラッチし、新たな入力データDTの受け付けを禁止する。スレーブラッチ回路SLTは、スイッチSW11、SW12で受けるクロックCK、/CKの論理が逆なことを除き、図10に示したラッチ回路LTと同じ回路である。   The slave latch circuit SLT has a switch SW11 that transmits the logic of the input data DT to the input of the inverter IV1, and a switch SW12 that connects the output of the inverter IV2 to the input of the inverter IV1. For example, the switches SW11 and SW12 have a CMOS transfer gate. The slave latch circuit SLT inverts the logic of the input data DT when the clock CK is logic 0 and outputs it as output data / DT. When the clock CK is logic 1, the slave latch circuit SLT latches the logic of the input data DT. Accepting input data DT is prohibited. The slave latch circuit SLT is the same circuit as the latch circuit LT shown in FIG. 10 except that the logics of the clocks CK and / CK received by the switches SW11 and SW12 are reversed.

以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、マスタースレーブフリップフロップを用いて、不揮発性ラッチ回路NVLTを形成できる。   As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained. Further, the nonvolatile latch circuit NVLT can be formed using a master-slave flip-flop.

図13は、別の実施形態における不揮発性ラッチ回路NVLTの例を示している。上述した実施形態で説明した要素と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明は省略する。この実施形態では、ラッチ回路LTは、インバータIV1、IV2を互い接続するpMOSトランジスタP3を有している。スイッチ回路SWのスイッチSW5、SW6は、pMOSトランジスタをそれぞれ有している。また、リストア信号/RSを生成するインバータIV4が新たに形成されている。   FIG. 13 shows an example of a nonvolatile latch circuit NVLT in another embodiment. The same elements as those described in the embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, the latch circuit LT includes a pMOS transistor P3 that connects the inverters IV1 and IV2. The switches SW5 and SW6 of the switch circuit SW have pMOS transistors, respectively. Further, an inverter IV4 for generating a restore signal / RS is newly formed.

磁気トンネル接合素子MTJ1の一端(自由層側)は、スイッチSW1を介して記憶ノードND1に接続され、磁気トンネル接合素子MTJ1の他端(固定層側)は、スイッチSW3を介して記憶ノードND2に接続されている。磁気トンネル接合素子MTJ2の一端(自由層側)は、スイッチSW4を介して記憶ノードND2に接続され、磁気トンネル接合素子MTJ1の他端(固定層側)は、スイッチSW2を介して記憶ノードND1に接続されている。すなわち、磁気トンネル接合素子MTJ1の向きは、図2の磁気トンネル接合素子MTJ1の向きと逆である。磁気トンネル接合素子MTJ2の向きは、図2の磁気トンネル接合素子MTJ2の向きと逆である。不揮発性ラッチ回路NVLTのその他の構成は、図2と同様である。   One end (free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 is connected to the storage node ND1 via the switch SW1, and the other end (fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 is connected to the storage node ND2 via the switch SW3. It is connected. One end (free layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ2 is connected to the storage node ND2 via the switch SW4, and the other end (fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1 is connected to the storage node ND1 via the switch SW2. It is connected. That is, the direction of the magnetic tunnel junction element MTJ1 is opposite to the direction of the magnetic tunnel junction element MTJ1 in FIG. The direction of the magnetic tunnel junction element MTJ2 is opposite to the direction of the magnetic tunnel junction element MTJ2 in FIG. Other configurations of the nonvolatile latch circuit NVLT are the same as those in FIG.

ラッチ回路LTのpMOSトランジスタP3は、ソースおよびドレインを記憶ノードND1、ND2にそれぞれ接続し、ゲートをリストア信号線/RSに接続している。なお、図13に示すラッチ回路LTの代わりに、リストア信号RSをゲートで受けるnMOSトランジスタN3を有する図2に示したラッチ回路LTを形成してもよい。   The pMOS transistor P3 of the latch circuit LT has a source and a drain connected to the storage nodes ND1 and ND2, respectively, and a gate connected to the restore signal line / RS. Instead of the latch circuit LT shown in FIG. 13, the latch circuit LT shown in FIG. 2 having an nMOS transistor N3 that receives the restore signal RS at the gate may be formed.

スイッチ回路SWにおいて、スイッチSW5のpMOSトランジスタは、ドレインを磁気トンネル接合素子MTJ1の他端(固定層側)に接続し、ソースを電源線VDDに接続し、ゲートをリストア信号線/RSに接続している。スイッチSW6のpMOSトランジスタは、ドレインを磁気トンネル接合素子MTJ2の他端に接続し、ソースを電源線VDDに接続し、ゲートをリストア信号線/RSに接続している。   In the switch circuit SW, the pMOS transistor of the switch SW5 has a drain connected to the other end (fixed layer side) of the magnetic tunnel junction element MTJ1, a source connected to the power supply line VDD, and a gate connected to the restore signal line / RS. ing. The pMOS transistor of the switch SW6 has a drain connected to the other end of the magnetic tunnel junction element MTJ2, a source connected to the power supply line VDD, and a gate connected to the restore signal line / RS.

例えば、ストア信号STおよびリストア信号RSは、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部で生成される。なお、オア回路OR1およびインバータIV3、IV4は、不揮発性ラッチ回路NVLTの外部に形成されてもよい。さらに、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTが半導体集積回路内に形成されるとき、オア回路OR1およびインバータIV3、IV4は、複数の不揮発性ラッチ回路NVLTに共通に設けられてもよい。   For example, the store signal ST and the restore signal RS are generated outside the nonvolatile latch circuit NVLT. The OR circuit OR1 and the inverters IV3 and IV4 may be formed outside the nonvolatile latch circuit NVLT. Further, when the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT are formed in the semiconductor integrated circuit, the OR circuit OR1 and the inverters IV3 and IV4 may be provided in common to the plurality of nonvolatile latch circuits NVLT.

図14は、図13に示した不揮発性ラッチ回路NVLTのストア動作の例を示している。図4と同じ動作については、詳細な説明は省略する。ストア動作中のストア信号STおよびリストア信号RSの論理は図4と同じである。この実施形態では、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の向きが図2と逆である。このため、ラッチ回路LTに論理1が保持されているとき(ND1=”1”、ND2=”0”)、磁気トンネル接合素子MTJ1は低抵抗状態RLに設定され、磁気トンネル接合素子MTJ2は高抵抗状態RHに設定される。ラッチ回路LTに論理0が保持されているとき(ND1=”0”、ND2=”1”)、磁気トンネル接合素子MTJ1は高抵抗状態RHに設定され、磁気トンネル接合素子MTJ2は低抵抗状態RLに設定される。   FIG. 14 shows an example of the store operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. Detailed descriptions of the same operations as those in FIG. 4 are omitted. The logic of the store signal ST and the restore signal RS during the store operation is the same as in FIG. In this embodiment, the directions of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are opposite to those in FIG. For this reason, when logic 1 is held in the latch circuit LT (ND1 = “1”, ND2 = “0”), the magnetic tunnel junction element MTJ1 is set to the low resistance state RL, and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is high. Resistance state RH is set. When logic 0 is held in the latch circuit LT (ND1 = "0", ND2 = "1"), the magnetic tunnel junction element MTJ1 is set to the high resistance state RH, and the magnetic tunnel junction element MTJ2 is set to the low resistance state RL. Set to

図15は、図13に示した不揮発性ラッチ回路NVLTのリストア動作の例を示している。図5と同じ動作については、詳細な説明は省略する。リストア動作中のストア信号STおよびリストア信号RSの論理は図5と同じである。まず、リストア信号RSが論理1に設定されると、リストア信号/RSが論理0に変化する。pMOSトランジスタP3は、論理0のリストア信号/RSを受けてオンし、ラッチ回路LTの一対のCMOSインバータの入力同士および出力同士が互いに接続される。これにより、記憶ノードND1、ND2の電圧は、ほぼVDD/2になる。   FIG. 15 shows an example of the restore operation of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIG. Detailed descriptions of the same operations as those in FIG. 5 are omitted. The logic of the store signal ST and the restore signal RS during the restore operation is the same as in FIG. First, when the restore signal RS is set to logic 1, the restore signal / RS changes to logic 0. The pMOS transistor P3 is turned on in response to the logical 0 restore signal / RS, and the inputs and outputs of the pair of CMOS inverters of the latch circuit LT are connected to each other. As a result, the voltages of the storage nodes ND1 and ND2 become approximately VDD / 2.

論理0のリストア信号/RSにより、図13に示したスイッチSW5、SW6はオンする。またリストア信号RSが論理1に設定されるとオア信号ORが論理1に設定されSW1、SW4はオンする。これにより、電源線VDDと記憶ノードND1とは、スイッチSW5、磁気トンネル接合素子MTJ1およびスイッチSW1を介して接続される。同様に、電源線VDDと記憶ノードND2とは、スイッチSW6、磁気トンネル接合素子MTJ2およびスイッチSW4を介して接続される。そして、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の抵抗値に応じた電流IC1またはIC2が記憶ノードND1、ND2にそれぞれ供給される。   The switches SW5 and SW6 shown in FIG. 13 are turned on by a logical 0 restore signal / RS. When the restore signal RS is set to logic 1, the OR signal OR is set to logic 1 and SW1 and SW4 are turned on. Accordingly, the power supply line VDD and the storage node ND1 are connected via the switch SW5, the magnetic tunnel junction element MTJ1, and the switch SW1. Similarly, the power supply line VDD and the storage node ND2 are connected via the switch SW6, the magnetic tunnel junction element MTJ2, and the switch SW4. Then, currents IC1 or IC2 corresponding to the resistance values of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 are supplied to the storage nodes ND1 and ND2, respectively.

低抵抗状態RLの磁気トンネル接合素子MTJ1(またはMTJ2)に接続される記憶ノードND1(またはND2)は、電圧VHになり、高抵抗状態RHの磁気トンネル接合素子MTJ2(またはMTJ1)に接続される記憶ノードND2(またはND1)は、電圧VHより低い電圧VLになる。この後、図5と同様に、リストア信号RSが論理0に変化され、ラッチ回路LTは、記憶ノードND1、ND2の電圧レベルに応じた論理をラッチする。なお、不揮発性ラッチ回路NVLTを有する半導体集積回路の動作は、図7と同様に実行される。以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。   The storage node ND1 (or ND2) connected to the magnetic tunnel junction element MTJ1 (or MTJ2) in the low resistance state RL becomes the voltage VH and is connected to the magnetic tunnel junction element MTJ2 (or MTJ1) in the high resistance state RH. The storage node ND2 (or ND1) becomes a voltage VL lower than the voltage VH. Thereafter, as in FIG. 5, the restore signal RS is changed to logic 0, and the latch circuit LT latches the logic according to the voltage levels of the storage nodes ND1 and ND2. The operation of the semiconductor integrated circuit having the nonvolatile latch circuit NVLT is executed in the same manner as in FIG. As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

図16は、別の実施形態における不揮発性ラッチ回路NVLTに形成される抵抗変化素子の電気的特性の例を示している。例えば、図16の特性を有する抵抗変化素子は、抵抗変化メモリ(ReRAM;Resistive Random Access Memory)に形成される素子である。   FIG. 16 shows an example of electrical characteristics of the variable resistance element formed in the nonvolatile latch circuit NVLT in another embodiment. For example, the resistance change element having the characteristics shown in FIG. 16 is an element formed in a resistance change memory (ReRAM).

図16に示す特性を有する一対の抵抗変化素子は、図1、図2、図8、図10、図13に示した磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2の代わりに配置される。特に限定されないが、抵抗変化素子は、SrRuOにより形成される電極と、SrZrO膜と、Auにより形成される電極とを積層することにより形成される。 A pair of resistance change elements having the characteristics shown in FIG. 16 is arranged instead of the magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2 shown in FIGS. 1, 2, 8, 10, and 13. Although not particularly limited, the resistance change element is formed by stacking an electrode formed of SrRuO 3 , an SrZrO 3 film, and an electrode formed of Au.

図16において、横軸は、抵抗変化素子の両端に印加される電圧差である書き込み電圧VWRを示す。縦軸は、抵抗変化素子の両端に印加される電圧に応じて流れる電流である書き込み電流IWRを示している。例えば、低抵抗状態RLの抵抗変化素子に1.0V以上の書き込み電圧VWRを印加すると、実線の矢印で示すように、初めに40μA程度流れている書き込み電流IWRは、10μA以下まで減少する。すなわち、1.0Vの書き込み電圧VWRの印加により、抵抗変化素子の抵抗状態は高抵抗状態RHに変化する。   In FIG. 16, the horizontal axis indicates a write voltage VWR that is a voltage difference applied to both ends of the variable resistance element. The vertical axis represents the write current IWR that is a current that flows in accordance with the voltage applied across the resistance change element. For example, when a write voltage VWR of 1.0 V or higher is applied to the variable resistance element in the low resistance state RL, the write current IWR initially flowing by about 40 μA decreases to 10 μA or lower as indicated by the solid line arrow. That is, the resistance state of the variable resistance element changes to the high resistance state RH by applying the write voltage VWR of 1.0V.

同様に、高抵抗状態RHの抵抗変化素子に−1.0V以下の書き込み電圧VWRを印加すると、破線の矢印で示すように、初めに−7μA程度流れている書き込み電流IWRは−40μA程度まで増加する。すなわち、−1.0Vの書き込み電圧VWRの印加により、抵抗変化素子の抵抗状態は低抵抗状態RLに変化する。これにより、上述した実施形態のストア動作が実現可能である。1.0Vより小さい電圧差では、抵抗変化素子の抵抗状態は変化しない。このため、上述した実施形態のリストア動作が実現可能である。   Similarly, when a write voltage VWR of −1.0 V or less is applied to the variable resistance element in the high resistance state RH, the write current IWR that initially flows about −7 μA increases to about −40 μA, as indicated by the dashed arrow. To do. That is, the resistance state of the variable resistance element changes to the low resistance state RL by applying the write voltage VWR of −1.0V. Thereby, the store operation of the above-described embodiment can be realized. With a voltage difference smaller than 1.0 V, the resistance state of the resistance change element does not change. For this reason, the restore operation of the above-described embodiment can be realized.

以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、抵抗変化メモリ(ReRAM;Resistive Random Access Memory)に形成される抵抗変化素子を用いて、不揮発性ラッチ回路NVLTを形成できる。   As described above, also in this embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained. Further, the nonvolatile latch circuit NVLT can be formed using a resistance change element formed in a resistance random access memory (ReRAM).

図17は、上述した不揮発性ラッチ回路NVLTが搭載される半導体集積回路SEMの例を示している。例えば、半導体集積回路SEMは、不揮発性ラッチ回路NVLTの列と、論理回路の一種である組み合わせ回路CLとを交互に配置することで形成されている。各組み合わせ回路CLは、NANDゲート、NORゲートおよびインバータ等の論理ゲートを組み合わせて形成されている。   FIG. 17 shows an example of a semiconductor integrated circuit SEM on which the above-described nonvolatile latch circuit NVLT is mounted. For example, the semiconductor integrated circuit SEM is formed by alternately arranging a column of nonvolatile latch circuits NVLT and a combinational circuit CL which is a kind of logic circuit. Each combinational circuit CL is formed by combining logic gates such as NAND gates, NOR gates, and inverters.

半導体集積回路SEMは、図2等に示したストア信号STおよびリストア信号RS等の制御信号を生成する信号生成回路SGENを有している。半導体集積回路SEMは、図7に示したように、電源電圧VDDの供給が開始されるパワーオン時にリストア動作を実行し、各不揮発性ラッチ回路NVLTの抵抗変化素子からラッチ回路LTに論理を読み出す。これにより、組み合わせ回路CLの状態は、前回のパワーオフ時の状態に復元される。そして、リストア動作後に通常動作が実行される。   The semiconductor integrated circuit SEM has a signal generation circuit SGEN that generates control signals such as the store signal ST and the restore signal RS shown in FIG. As shown in FIG. 7, the semiconductor integrated circuit SEM performs a restore operation at power-on when the supply of the power supply voltage VDD is started, and reads the logic from the variable resistance element of each nonvolatile latch circuit NVLT to the latch circuit LT. . Thereby, the state of the combinational circuit CL is restored to the state at the previous power-off. Then, the normal operation is executed after the restore operation.

半導体集積回路SEMは、図7に示したように、電源電圧VDDの供給が停止されるパワーオフ時にストア動作を実行し、各不揮発性ラッチ回路NVLTのラッチ回路LTから抵抗変化素子に論理を書き込む。これにより、半導体集積回路SEMは、電源がオフされる前の状態を保持でき、電源がオンされたときに元の動作の続きをすぐに開始できる。また、バッテリーバックアップ等が不要であるため、電源がオフされているときの消費電力をゼロにできる。   As shown in FIG. 7, the semiconductor integrated circuit SEM performs a store operation at the time of power-off when the supply of the power supply voltage VDD is stopped, and writes logic from the latch circuit LT of each nonvolatile latch circuit NVLT to the variable resistance element. . Thereby, the semiconductor integrated circuit SEM can maintain the state before the power is turned off, and can immediately continue the original operation when the power is turned on. In addition, since battery backup or the like is unnecessary, power consumption when the power is turned off can be reduced to zero.

図18は、上述した不揮発性ラッチ回路NVLTが搭載される半導体集積回路SEMの別の例を示している。図17と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明は省略する。この実施形態の半導体集積回路SEMは、いわゆるパワーゲーティング技術を採用している。   FIG. 18 shows another example of the semiconductor integrated circuit SEM on which the nonvolatile latch circuit NVLT described above is mounted. The same elements as those in FIG. 17 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The semiconductor integrated circuit SEM of this embodiment employs so-called power gating technology.

電源線VDDは、内部電源線であり、電源スイッチVDSWを介して外部電源線EVDDに接続される。接地線VSSは、内部接地線であり、接地スイッチVSSWを介して外部接地線EVSSに接続される。電源スイッチVDSWは、ゲートでローパワー信号/LPを受けるpMOSトランジスタを有している。接地スイッチVSSWは、ゲートでローパワー信号LPを受けるnMOSトランジスタを有している。ローパワー信号LP、/LPは、図18に示す回路ブロックの動作を停止するときに、論理0、論理1にそれぞれ設定され、図18に示す回路ブロックを動作させるときに、論理1、論理0にそれぞれ設定される。   The power supply line VDD is an internal power supply line, and is connected to the external power supply line EVDD via the power switch VDSW. The ground line VSS is an internal ground line, and is connected to the external ground line EVSS via the ground switch VSSW. The power switch VDSW has a pMOS transistor that receives a low power signal / LP at its gate. The ground switch VSSW has an nMOS transistor that receives a low power signal LP at its gate. The low power signals LP and / LP are set to logic 0 and logic 1, respectively, when the operation of the circuit block shown in FIG. 18 is stopped, and when the circuit block shown in FIG. Respectively.

特に限定されないが、半導体集積回路SEMは、図18と同様の複数の回路ブロックを有している。そして、回路ブロックの動作を開始するときに、その回路ブロックに対応するローパワー信号LP、/LPが論理1、論理0にそれぞれ設定され、回路ブロックに電源電圧VDDおよび接地電圧VSSが供給される。信号生成回路SGENは、回路ブロック毎に形成され、電源電圧VDDが所定の値まで上昇したときに、リストア信号RSを活性化する。図7に示した動作は、各回路ブロックの動作を示している。   Although not particularly limited, the semiconductor integrated circuit SEM has a plurality of circuit blocks similar to those in FIG. When the operation of the circuit block is started, the low power signals LP and / LP corresponding to the circuit block are set to logic 1 and logic 0, respectively, and the power supply voltage VDD and the ground voltage VSS are supplied to the circuit block. . The signal generation circuit SGEN is formed for each circuit block, and activates the restore signal RS when the power supply voltage VDD rises to a predetermined value. The operation shown in FIG. 7 shows the operation of each circuit block.

これにより、各不揮発性ラッチ回路NVLTのリストア動作が実行され、各不揮発性ラッチ回路NVLTの抵抗変化素子からラッチ回路LTに論理が読み出される。さらに、図17と同様に、各回路ブロックのパワーオフ時に各不揮発性ラッチ回路NVLTのストア動作が実行され、各不揮発性ラッチ回路NVLTのラッチ回路LTから抵抗変化素子に論理が書き込まれる。   Thereby, the restore operation of each nonvolatile latch circuit NVLT is executed, and the logic is read from the variable resistance element of each nonvolatile latch circuit NVLT to the latch circuit LT. Further, similarly to FIG. 17, the store operation of each nonvolatile latch circuit NVLT is executed when each circuit block is powered off, and logic is written from the latch circuit LT of each nonvolatile latch circuit NVLT to the variable resistance element.

パワーゲーティング技術を採用する半導体集積回路SEMに、上述した不揮発性ラッチ回路NVLTを形成することで、回路ブロック毎にストア動作およびリストア動作を実行できる。この結果、半導体集積回路SEMの消費電力を細かく制御でき、半導体集積回路SEM全体の消費電力を削減できる。さらに、パワーオン後にすぐに動作を開始できるため、半導体集積回路SEMの性能を向上できる。   By forming the above-described nonvolatile latch circuit NVLT in the semiconductor integrated circuit SEM that employs power gating technology, a store operation and a restore operation can be executed for each circuit block. As a result, the power consumption of the semiconductor integrated circuit SEM can be finely controlled, and the power consumption of the entire semiconductor integrated circuit SEM can be reduced. Furthermore, since the operation can be started immediately after power-on, the performance of the semiconductor integrated circuit SEM can be improved.

図19は、上述した不揮発性ラッチ回路NVLTが搭載される半導体集積回路SEMの別の例を示している。図17と同一の要素については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明は省略する。この実施形態の半導体集積回路SEMは、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)である。半導体集積回路SEMは、複数の論理ブロックLBLKと、論理ブロックLBLKの周囲に配線される配線チャネルWCHと、配線チャネルWCHの交差部分に形成されるスイッチマトリックスSWMとを有している。   FIG. 19 shows another example of the semiconductor integrated circuit SEM on which the nonvolatile latch circuit NVLT described above is mounted. The same elements as those in FIG. 17 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The semiconductor integrated circuit SEM of this embodiment is, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array). The semiconductor integrated circuit SEM has a plurality of logic blocks LBLK, a wiring channel WCH wired around the logic block LBLK, and a switch matrix SWM formed at the intersection of the wiring channels WCH.

図20は、図19に示したスイッチマトリックスSWMの例を示している。スイッチマトリックスSWMは、配線マトリックスSWMの各配線の交差部分に形成される複数のスイッチ群SWGを有している。   FIG. 20 shows an example of the switch matrix SWM shown in FIG. The switch matrix SWM has a plurality of switch groups SWG formed at the intersections of the respective wirings of the wiring matrix SWM.

各スイッチ群SWGは、6つの選択スイッチSSW1−SSW6と、これ等選択スイッチSSW1−SSW6をオン/オフを制御する6つの不揮発性ラッチ回路NVLTとを有している。例えば、各選択スイッチSSW1−6は、CMOSトランスファゲートを有しており、各不揮発性ラッチ回路NVLTから出力される出力データ/DTの論理に応じてオンまたはオフされる。各不揮発性ラッチ回路NVLTは、上述した不揮発性ラッチ回路NVLTのいずれかであり、図2等に示したストア信号STおよびリストア信号RSに応じて動作する。   Each switch group SWG has six selection switches SSW1 to SSW6 and six nonvolatile latch circuits NVLT for controlling on / off of these selection switches SSW1 to SSW6. For example, each selection switch SSW1-6 has a CMOS transfer gate, and is turned on or off according to the logic of the output data / DT output from each nonvolatile latch circuit NVLT. Each nonvolatile latch circuit NVLT is one of the nonvolatile latch circuits NVLT described above, and operates according to the store signal ST and the restore signal RS shown in FIG.

例えば、選択スイッチSSW1、SSW6がオンされ、選択スイッチSSW2−SSW5がオフされることにより、図20の左側に延びる配線WLと上側に延びる配線WUが互いに接続され、下側に延びる配線WDと右側に延びる配線WRとが互いに接続される。あるいは、選択スイッチSSW3−SSW4がオンされ、選択スイッチSSW1、SSW2、SSW5、SSW6がオフされることにより、配線WL、WRが互いに接続され、配線WU、WDが互いに接続される。   For example, when the selection switches SSW1 and SSW6 are turned on and the selection switches SSW2 to SSW5 are turned off, the wiring WL extending on the left side and the wiring WU extending on the upper side in FIG. 20 are connected to each other, and the wiring WD extending on the lower side and the right side Are connected to each other. Alternatively, when the selection switches SSW3 to SSW4 are turned on and the selection switches SSW1, SSW2, SSW5, and SSW6 are turned off, the wirings WL and WR are connected to each other, and the wirings WU and WD are connected to each other.

図21は、図19に示した論理ブロックLBLKの例を示している。論理ブロックLBLKは、複数の論理セルLCELを有している。各論理セルLCELは、ルックアップテーブルLUTおよびフリップフロップFFを有している。   FIG. 21 shows an example of the logical block LBLK shown in FIG. The logic block LBLK has a plurality of logic cells LCEL. Each logic cell LCEL has a lookup table LUT and a flip-flop FF.

ルックアップテーブルLUTは、アドレスデコーダADEC、8つの不揮発性ラッチ回路NVLT、8つのAND回路およびOR回路を有している。アドレスデコーダADECは、3ビットのアドレスA2、A1、A0の論理をデコードし、デコード結果をAND回路に出力する。各不揮発性ラッチ回路NVLTは、保持している論理を出力データ/DTとして、対応するAND回路に出力する。OR回路は、AND回路のいずれかが論理1を出力するときに、出力信号OUTを論理1に設定する。   The lookup table LUT has an address decoder ADEC, eight nonvolatile latch circuits NVLT, eight AND circuits, and an OR circuit. The address decoder ADEC decodes the logic of the 3-bit addresses A2, A1, and A0 and outputs the decoding result to the AND circuit. Each nonvolatile latch circuit NVLT outputs the held logic as output data / DT to a corresponding AND circuit. The OR circuit sets the output signal OUT to logic 1 when any of the AND circuits outputs logic 1.

不揮発性ラッチ回路NVLTは、図1および図2等で説明したように、論理0を記憶しているときに、論理1の出力データ/DTを出力する。例えば、アドレスA2、A1、A0=”111”に対応する不揮発性ラッチ回路NVLTに論理0を記憶させ、他の不揮発性ラッチ回路NVLTに論理1を記憶させることで、ルックアップテーブルLUTは、AND回路として動作する。アドレスA2、A1、A0=”000”に対応する不揮発性ラッチ回路NVLTに論理1を記憶させ、他の不揮発性ラッチ回路NVLTに論理0を記憶させることで、ルックアップテーブルLUTは、OR回路として動作する。なお、ルックアップテーブルLUTは、4ビットのアドレスを受けるアドレスデコーダADEC、16個の不揮発性ラッチ回路NVLTおよび16個のAND回路を有していてもよい。   The nonvolatile latch circuit NVLT outputs the logic 1 output data / DT when storing the logic 0, as described with reference to FIGS. For example, when the logic 0 is stored in the nonvolatile latch circuit NVLT corresponding to the addresses A2, A1, and A0 = “111” and the logic 1 is stored in the other nonvolatile latch circuit NVLT, the lookup table LUT is ANDed. Operates as a circuit. By storing logic 1 in the nonvolatile latch circuit NVLT corresponding to the addresses A2, A1, A0 = “000” and storing logic 0 in the other nonvolatile latch circuit NVLT, the lookup table LUT can be used as an OR circuit. Operate. The look-up table LUT may include an address decoder ADEC that receives a 4-bit address, 16 nonvolatile latch circuits NVLT, and 16 AND circuits.

各不揮発性ラッチ回路NVLTは、図2等に示したストア信号STおよびリストア信号RSに応じて動作する。例えば、図20および図21に示す不揮発性ラッチ回路NVLTの入力端子(図1等のDT)は、半導体集積回路SEMに形成されるシフトレジスタの記憶段の出力にそれぞれ接続されている。   Each nonvolatile latch circuit NVLT operates in accordance with the store signal ST and the restore signal RS shown in FIG. For example, the input terminals (DT in FIG. 1 and the like) of the nonvolatile latch circuit NVLT shown in FIGS. 20 and 21 are connected to the output of the storage stage of the shift register formed in the semiconductor integrated circuit SEM, respectively.

まず、FPGAに論理を形成するときに、シフトレジスタを介して不揮発性ラッチ回路NVLTのラッチ回路LTにデータがラッチされる。この動作は、図7に示した通常動作期間OPの動作と同様である。但し、ラッチ回路LTへのラッチ動作は1回実施すればよい。ラッチ回路LTにデータがラッチされた後、ラッチされたデータは、ストア信号STにより抵抗変化素子(例えば、磁気トンネル接合素子MTJ1、MTJ2)に書き込まれる。この動作は、図7に示したストア期間STRの動作と同様である。これにより、FPGAの論理が形成される。   First, when logic is formed in the FPGA, data is latched in the latch circuit LT of the nonvolatile latch circuit NVLT via the shift register. This operation is the same as the operation in the normal operation period OP shown in FIG. However, the latch operation to the latch circuit LT may be performed once. After the data is latched by the latch circuit LT, the latched data is written to the resistance change elements (for example, magnetic tunnel junction elements MTJ1 and MTJ2) by the store signal ST. This operation is the same as the operation in the store period STR shown in FIG. Thereby, the logic of the FPGA is formed.

この後、FPGAのパワーオン毎に、リストア信号RSが生成され、不揮発性ラッチ回路NVLTの抵抗変化素子に保持されているデータがラッチ回路LTに読み出され、FPGAの論理が生成される。この動作は、図7に示したリストア期間RESTRの動作と同様である。そして、FPGAにより、システムの少なくとも一部の機能が実現される。   Thereafter, each time the FPGA is powered on, a restore signal RS is generated, data held in the variable resistance element of the nonvolatile latch circuit NVLT is read out to the latch circuit LT, and the logic of the FPGA is generated. This operation is the same as the operation in the restore period RESTR shown in FIG. The FPGA implements at least a part of the functions of the system.

不揮発性ラッチ回路NVLTを用いて形成されるFPGAでは、パワーオン毎にEEPROM等から論理を形成するためのデータをロードする必要はない。このため、パワーオン後にシステムの動作をすぐに実行できる。   In an FPGA formed using the nonvolatile latch circuit NVLT, it is not necessary to load data for forming logic from an EEPROM or the like every time the power is turned on. Therefore, the system operation can be executed immediately after power-on.

以上の実施形態において説明した発明を整理して、付記として開示する。
(付記1)
相補の第1および第2記憶ノードを含むラッチ回路と、
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第1抵抗変化素子と、
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第2抵抗変化素子と、
前記第1および第2抵抗変化素子をラッチ回路に接続するスイッチ回路と
を備え、
前記スイッチ回路は、外部から前記ラッチ回路に論理が書き込まれる通常動作時に、前記第1および第2抵抗変化素子と前記ラッチ回路との接続を遮断すること
を特徴とする不揮発性ラッチ回路。
(付記2)
前記スイッチ回路は、前記ラッチ回路に保持されている論理を前記第1および第2抵抗変化素子に書き込むストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の一端および前記第2抵抗変化素子の他端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第1抵抗変化素子の他端および前記第2抵抗変化素子の一端を前記第2記憶ノードに接続すること
を特徴とする付記1記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記3)
前記スイッチ回路は、前記第1および第2抵抗変化素子に保持されている論理を前記ラッチ回路に戻すリストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の他端をハイレベル電圧線およびロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第1抵抗変化素子の一端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第2抵抗変化素子の他端を前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第2抵抗変化素子の一端を前記第2記憶ノードに接続すること
を特徴とする付記1または付記2記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記4)
前記スイッチ回路は、
前記第1記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の一端との間に配置される第1スイッチと、
前記第1記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の他端との間に配置される第2スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の他端との間に配置される第3スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の一端との間に配置される第4スイッチと、
前記第1抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第5スイッチと、
前記第2抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第6スイッチと
を備えていることを特徴とする付記2または付記3記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記5)
前記スイッチ回路は、前記第1および第2抵抗変化素子に保持されている論理を前記ラッチ回路に戻すリストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の一端および前記第2抵抗変化素子の他端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第1抵抗変化素子の他端をハイレベル電圧線およびロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第2抵抗変化素子の一端を前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の他方に接続すること
を特徴とする付記1または付記2記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記6)
前記スイッチ回路は、
前記第1記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の一端との間に配置される第1スイッチと、
前記第1記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の他端との間に配置される第2スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の他端との間に配置される第3スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の一端との間に配置される第4スイッチと、
前記第1抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第5スイッチと、
前記第2抵抗変化素子の一端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の他方との間に配置される第6スイッチと
を備えていることを特徴とする付記2または付記5記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記7)
前記リストア動作の開始時に前記第1記憶ノードと前記第2記憶ノードとを互いに接続するショートスイッチを備えていること
を特徴とする付記3または付記5記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記8)
前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記第3スイッチおよび前記第4スイッチは、CMOSトランスファゲートであること
を特徴とする付記4または付記6項記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記9)
前記第1抵抗変化素子および前記第2抵抗変化素子は、磁気ランダムアクセスメモリに形成される磁気トンネル接合素子であること
を特徴とする付記1ないし付記8のいずれか1項記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記10)
前記第1抵抗変化素子および前記第2抵抗変化素子は、抵抗変化メモリに形成される抵抗変化素子であること
を特徴とする付記1ないし付記8のいずれか1項記載の不揮発性ラッチ回路。
(付記11)
付記1ないし付記10のいずれか1項記載の不揮発性ラッチ回路と、
前記不揮発性ラッチ回路の出力に接続される論理回路と、
前記スイッチ回路の動作を制御するための制御信号を生成する信号生成回路と
を備えていることを特徴とする半導体集積回路。
The invention described in the above embodiments is organized and disclosed as an appendix.
(Appendix 1)
A latch circuit including complementary first and second storage nodes;
A first resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
A second resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
A switch circuit for connecting the first and second variable resistance elements to a latch circuit,
The non-volatile latch circuit, wherein the switch circuit cuts off the connection between the first and second variable resistance elements and the latch circuit during a normal operation in which logic is written to the latch circuit from the outside.
(Appendix 2)
The switch circuit connects one end of the first resistance change element and the other end of the second resistance change element during a store operation of writing the logic held in the latch circuit to the first and second resistance change elements. The nonvolatile latch circuit according to claim 1, wherein the nonvolatile memory circuit is connected to a first storage node, and the other end of the first variable resistance element and one end of the second variable resistance element are connected to the second storage node.
(Appendix 3)
In the restore operation for returning the logic held in the first and second variable resistance elements to the latch circuit, the switch circuit connects the other end of the first variable resistance element to one of a high level voltage line and a low level voltage line. One end of the first variable resistance element is connected to the first storage node, the other end of the second variable resistance element is connected to one of the high level voltage line and the low level voltage line, and The nonvolatile latch circuit according to appendix 1 or appendix 2, wherein one end of the two-resistance change element is connected to the second storage node.
(Appendix 4)
The switch circuit is
A first switch disposed between the first storage node and one end of the first variable resistance element;
A second switch disposed between the first storage node and the other end of the second variable resistance element;
A third switch disposed between the second storage node and the other end of the first variable resistance element;
A fourth switch disposed between the second storage node and one end of the second variable resistance element;
A fifth switch disposed between the other end of the first variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
The supplementary note 2 or supplementary note 3, further comprising: a sixth switch disposed between the other end of the second variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line. Nonvolatile latch circuit.
(Appendix 5)
The switch circuit connects one end of the first variable resistance element and the other end of the second variable resistance element during a restore operation for returning the logic held in the first and second variable resistance elements to the latch circuit. Connected to the first storage node, the other end of the first variable resistance element is connected to one of a high level voltage line and a low level voltage line, and one end of the second variable resistance element is connected to the high level voltage line and the low level voltage The nonvolatile latch circuit according to appendix 1 or appendix 2, wherein the nonvolatile latch circuit is connected to the other of the wires.
(Appendix 6)
The switch circuit is
A first switch disposed between the first storage node and one end of the first variable resistance element;
A second switch disposed between the first storage node and the other end of the second variable resistance element;
A third switch disposed between the second storage node and the other end of the first variable resistance element;
A fourth switch disposed between the second storage node and one end of the second variable resistance element;
A fifth switch disposed between the other end of the first variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
The nonvolatile memory according to appendix 2 or appendix 5, further comprising: a sixth switch disposed between one end of the second variable resistance element and the other of the high level voltage line and the low level voltage line. Latch circuit.
(Appendix 7)
6. The nonvolatile latch circuit according to appendix 3 or appendix 5, further comprising a short switch that connects the first storage node and the second storage node to each other at the start of the restore operation.
(Appendix 8)
The nonvolatile latch circuit according to appendix 4 or appendix 6, wherein the first switch, the second switch, the third switch, and the fourth switch are CMOS transfer gates.
(Appendix 9)
The nonvolatile latch circuit according to any one of appendix 1 to appendix 8, wherein the first variable resistance element and the second variable resistance element are magnetic tunnel junction elements formed in a magnetic random access memory. .
(Appendix 10)
The nonvolatile latch circuit according to any one of appendix 1 to appendix 8, wherein the first variable resistance element and the second variable resistance element are variable resistance elements formed in a variable resistance memory.
(Appendix 11)
The nonvolatile latch circuit according to any one of appendices 1 to 10, and
A logic circuit connected to the output of the nonvolatile latch circuit;
And a signal generation circuit for generating a control signal for controlling the operation of the switch circuit.

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。   From the above detailed description, features and advantages of the embodiments will become apparent. This is intended to cover the features and advantages of the embodiments described above without departing from the spirit and scope of the claims. Further, any person having ordinary knowledge in the technical field should be able to easily come up with any improvements and modifications, and there is no intention to limit the scope of the embodiments having the invention to those described above. It is also possible to rely on suitable improvements and equivalents within the scope disclosed in.

ADEC‥アドレスデコーダ;CL‥組み合わせ回路;DR‥拡散層;DT‥入力端子;/DT‥出力端子;EVDD‥外部電源線;EVSS‥外部接地線;FL‥自由層;IAP、IP‥書き込み電流値;IV1、IV2‥インバータ;LBLK‥論理ブロック;LCEL‥論理セル;LP、/LP‥ローパワー信号;LT‥ラッチ回路;LUT‥ルックアップテーブル;M1−M3‥金属配線層;MLT‥マスターラッチ回路;MTJ1、MTJ2‥磁気トンネル接合素子;ND1、ND2‥記憶ノード;NVLT‥不揮発性ラッチ回路;NW‥n形ウエル領域;OP‥通常動作期間;OR、OR‥オア信号;PL‥固定層;POFF‥パワーオフ;POLY‥ポリシリコン配線層;PON‥パワーオン;PW‥p形ウエル領域;RESTR‥ストア期間;RH‥高抵抗状態;RL‥低抵抗状態;RMTJ1、RMTJ2‥抵抗値;RS、/RS‥リストア信号;SEM‥半導体集積回路;SGEN‥信号生成回路;SLT‥スレーブラッチ回路;SSW1−SSW6‥選択スイッチ;ST、/ST‥ストア信号;SUB‥半導体基板;SW‥スイッチ回路;SW1−SW6‥スイッチ;SWG‥スイッチ群;SWM‥スイッチマトリックス;VDD‥電源線;VDSW‥電源スイッチ;VSS‥接地線;VSSW‥接地スイッチ;WCH‥配線チャネル;WD、WL、WR、WU‥配線   ADEC ... address decoder; CL ... combinational circuit; DR ... diffusion layer; DT ... input terminal; / DT ... output terminal; EVDD ... external power supply line; EVSS ... external ground line; FL ... free layer; IAP, IP ... write current value IV1, IV2 inverter, LBLK logic block, LCEL logic cell, LP, LP, low power signal, LT latch circuit, LUT look-up table, M1-M3 metal wiring layer, MLT master latch circuit MTJ1, MTJ2 ... magnetic tunnel junction element; ND1, ND2 ... storage node; NVLT ... nonvolatile latch circuit; NW ... n-type well region; OP ... normal operation period; OR, OR ... OR signal; Power off; POLY polysilicon wiring layer; PON power on; PW p-type well region; RES R: Store period; RH: High resistance state; RL: Low resistance state; RMTJ1, RMTJ2: Resistance value: RS, / RS: Restore signal; SEM: Semiconductor integrated circuit; SGEN: Signal generation circuit: SLT: Slave latch circuit; SSW1-SSW6 ... selection switch; ST, / ST ... store signal; SUB ... semiconductor substrate; SW ... switch circuit; SW1-SW6 ... switch; SWG ... switch group; SWM ... switch matrix; VDD ... power supply line; VSS VSS Ground line VSSW Ground switch WCH Wiring channel WD, WL, WR, WU Wiring

Claims (8)

相補の第1および第2記憶ノードを含むラッチ回路と、
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第1抵抗変化素子と、
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第2抵抗変化素子と、
前記第1および第2抵抗変化素子をラッチ回路に接続するスイッチ回路と
を備え、
前記スイッチ回路は、外部から前記ラッチ回路に論理が書き込まれる通常動作時に、前記第1および第2抵抗変化素子と前記ラッチ回路との接続を遮断し、前記ラッチ回路に保持されている論理を前記第1および第2抵抗変化素子に書き込むストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の一端および前記第2抵抗変化素子の他端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第1抵抗変化素子の他端および前記第2抵抗変化素子の一端を前記第2記憶ノードに接続すること
を特徴とする不揮発性ラッチ回路。
A latch circuit including complementary first and second storage nodes;
A first resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
A second resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
A switch circuit for connecting the first and second variable resistance elements to a latch circuit,
The switch circuit cuts off the connection between the first and second resistance change elements and the latch circuit during a normal operation in which logic is written to the latch circuit from the outside, and the logic held in the latch circuit is During a store operation for writing to the first and second variable resistance elements, one end of the first variable resistance element and the other end of the second variable resistance element are connected to the first storage node, and the other one of the first variable resistance elements A nonvolatile latch circuit comprising: an end and one end of the second variable resistance element are connected to the second storage node .
前記スイッチ回路は、前記第1および第2抵抗変化素子に保持されている論理を前記ラッチ回路に戻すリストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の他端をハイレベル電圧線およびロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第1抵抗変化素子の一端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第2抵抗変化素子の他端を前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第2抵抗変化素子の一端を前記第2記憶ノードに接続すること
を特徴とする請求項1記載の不揮発性ラッチ回路。
In the restore operation for returning the logic held in the first and second variable resistance elements to the latch circuit, the switch circuit connects the other end of the first variable resistance element to one of a high level voltage line and a low level voltage line. One end of the first variable resistance element is connected to the first storage node, the other end of the second variable resistance element is connected to one of the high level voltage line and the low level voltage line, and The nonvolatile latch circuit according to claim 1 , wherein one end of the two-resistance change element is connected to the second storage node.
前記スイッチ回路は、
前記第1記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の一端との間に配置される第1スイッチと、
前記第1記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の他端との間に配置される第2スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の他端との間に配置される第3スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の一端との間に配置される第4スイッチと、
前記第1抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第5スイッチと、
前記第2抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第6スイッチと
を備えていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の不揮発性ラッチ回路。
The switch circuit is
A first switch disposed between the first storage node and one end of the first variable resistance element;
A second switch disposed between the first storage node and the other end of the second variable resistance element;
A third switch disposed between the second storage node and the other end of the first variable resistance element;
A fourth switch disposed between the second storage node and one end of the second variable resistance element;
A fifth switch disposed between the other end of the first variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
And the other end of said second variable resistance element, the claim 1 or claim 2, characterized in that it comprises a sixth switch arranged between one of the high voltage line and said low voltage line The non-volatile latch circuit as described.
前記スイッチ回路は、前記第1および第2抵抗変化素子に保持されている論理を前記ラッチ回路に戻すリストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の一端および前記第2抵抗変化素子の他端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第1抵抗変化素子の他端をハイレベル電圧線およびロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第2抵抗変化素子の一端を前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の他方に接続すること
を特徴とする請求項1記載の不揮発性ラッチ回路。
The switch circuit connects one end of the first variable resistance element and the other end of the second variable resistance element during a restore operation for returning the logic held in the first and second variable resistance elements to the latch circuit. Connected to the first storage node, the other end of the first variable resistance element is connected to one of a high level voltage line and a low level voltage line, and one end of the second variable resistance element is connected to the high level voltage line and the low level voltage The nonvolatile latch circuit according to claim 1 , wherein the nonvolatile latch circuit is connected to the other of the lines.
前記スイッチ回路は、
前記第1記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の一端との間に配置される第1スイッチと、
前記第1記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の他端との間に配置される第2スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の他端との間に配置される第3スイッチと、
前記第2記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の一端との間に配置される第4スイッチと、
前記第1抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第5スイッチと、
前記第2抵抗変化素子の一端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の他方との間に配置される第6スイッチと
を備えていることを特徴とする請求項1または請求項4記載の不揮発性ラッチ回路。
The switch circuit is
A first switch disposed between the first storage node and one end of the first variable resistance element;
A second switch disposed between the first storage node and the other end of the second variable resistance element;
A third switch disposed between the second storage node and the other end of the first variable resistance element;
A fourth switch disposed between the second storage node and one end of the second variable resistance element;
A fifth switch disposed between the other end of the first variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
One end of said second variable resistance element, the high level voltage line and said low voltage line other that it comprises a sixth switch arranged between the characterized claims 1 or claim 4, wherein the Non-volatile latch circuit.
相補の第1および第2記憶ノードを含むラッチ回路と、  A latch circuit including complementary first and second storage nodes;
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第1抵抗変化素子と、  A first resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第2抵抗変化素子と、  A second resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
前記第1および第2抵抗変化素子をラッチ回路に接続するスイッチ回路と  A switch circuit for connecting the first and second variable resistance elements to a latch circuit;
を備え、  With
前記スイッチ回路は、外部から前記ラッチ回路に論理が書き込まれる通常動作時に、前記第1および第2抵抗変化素子と前記ラッチ回路との接続を遮断し、前記第1および第2抵抗変化素子に保持されている論理を前記ラッチ回路に戻すリストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の他端をハイレベル電圧線およびロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第1抵抗変化素子の一端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第2抵抗変化素子の他端を前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第2抵抗変化素子の一端を前記第2記憶ノードに接続し、  The switch circuit cuts off the connection between the first and second resistance change elements and the latch circuit during normal operation in which logic is written to the latch circuit from the outside, and is held by the first and second resistance change elements In a restore operation for returning the logic being returned to the latch circuit, the other end of the first resistance change element is connected to one of a high level voltage line and a low level voltage line, and one end of the first resistance change element is connected to the first resistance change element. Connecting to the storage node, connecting the other end of the second variable resistance element to one of the high-level voltage line and the low-level voltage line, connecting one end of the second variable resistance element to the second storage node,
前記スイッチ回路は、  The switch circuit is
前記第1記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の一端との間に配置される第1スイッチと、  A first switch disposed between the first storage node and one end of the first variable resistance element;
前記第1記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の他端との間に配置される第2スイッチと、  A second switch disposed between the first storage node and the other end of the second variable resistance element;
前記第2記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の他端との間に配置される第3スイッチと、  A third switch disposed between the second storage node and the other end of the first variable resistance element;
前記第2記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の一端との間に配置される第4スイッチと、  A fourth switch disposed between the second storage node and one end of the second variable resistance element;
前記第1抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第5スイッチと、  A fifth switch disposed between the other end of the first variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
前記第2抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第6スイッチと  A sixth switch disposed between the other end of the second variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
を備えていること  Having
を特徴とする不揮発性ラッチ回路。  A nonvolatile latch circuit characterized by the above.
相補の第1および第2記憶ノードを含むラッチ回路と、  A latch circuit including complementary first and second storage nodes;
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第1抵抗変化素子と、  A first resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
一端から他端に電流を流すこと、および、他端から一端に電流を流すことにより抵抗値が変化する第2抵抗変化素子と、  A second resistance change element in which a resistance value changes by flowing a current from one end to the other end, and a current flowing from the other end to the one end;
前記第1および第2抵抗変化素子をラッチ回路に接続するスイッチ回路と  A switch circuit for connecting the first and second variable resistance elements to a latch circuit;
を備え、  With
前記スイッチ回路は、外部から前記ラッチ回路に論理が書き込まれる通常動作時に、前記第1および第2抵抗変化素子と前記ラッチ回路との接続を遮断し、前記第1および第2抵抗変化素子に保持されている論理を前記ラッチ回路に戻すリストア動作時に、前記第1抵抗変化素子の一端および前記第2抵抗変化素子の他端を前記第1記憶ノードに接続し、前記第1抵抗変化素子の他端をハイレベル電圧線およびロウレベル電圧線の一方に接続し、前記第2抵抗変化素子の一端を前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の他方に接続し、  The switch circuit cuts off the connection between the first and second resistance change elements and the latch circuit during normal operation in which logic is written to the latch circuit from the outside, and is held by the first and second resistance change elements At the time of a restoring operation for returning the logic that has been returned to the latch circuit, one end of the first resistance change element and the other end of the second resistance change element are connected to the first storage node, and the other ones of the first resistance change element An end is connected to one of the high level voltage line and the low level voltage line, and one end of the second variable resistance element is connected to the other of the high level voltage line and the low level voltage line,
前記スイッチ回路は、  The switch circuit is
前記第1記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の一端との間に配置される第1スイッチと、  A first switch disposed between the first storage node and one end of the first variable resistance element;
前記第1記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の他端との間に配置される第2スイッチと、  A second switch disposed between the first storage node and the other end of the second variable resistance element;
前記第2記憶ノードと前記第1抵抗変化素子の他端との間に配置される第3スイッチと、  A third switch disposed between the second storage node and the other end of the first variable resistance element;
前記第2記憶ノードと前記第2抵抗変化素子の一端との間に配置される第4スイッチと、  A fourth switch disposed between the second storage node and one end of the second variable resistance element;
前記第1抵抗変化素子の他端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の一方との間に配置される第5スイッチと、  A fifth switch disposed between the other end of the first variable resistance element and one of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
前記第2抵抗変化素子の一端と、前記ハイレベル電圧線および前記ロウレベル電圧線の他方との間に配置される第6スイッチと  A sixth switch disposed between one end of the second variable resistance element and the other of the high-level voltage line and the low-level voltage line;
を備えていること  Having
を特徴とする不揮発性ラッチ回路。  A nonvolatile latch circuit characterized by the above.
請求項1ないし請求項7のいずれか1項記載の不揮発性ラッチ回路と、
前記不揮発性ラッチ回路の出力に接続される論理回路と、
前記スイッチ回路の動作を制御するための制御信号を生成する信号生成回路と
を備えていることを特徴とする半導体集積回路。
A nonvolatile latch circuit according to any one of claims 1 to 7 ,
A logic circuit connected to the output of the nonvolatile latch circuit;
And a signal generation circuit for generating a control signal for controlling the operation of the switch circuit.
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