JP6803063B2 - 抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置、及び不揮発性フリップフロップ - Google Patents

抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置、及び不揮発性フリップフロップ Download PDF

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Description

本発明は、抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置及び不揮発性フリップフロップに関する。
抵抗変化型記憶素子は、書き込み電流による抵抗状態を利用する記憶素子であるが、素子毎に抵抗状態が変化するタイミングにばらつきがあるため、抵抗変化型記憶素子への書き込み電流の供給には、記憶素子の抵抗変化状態を変化させるために十分な時間が求められる。そのため、抵抗変化型記憶素子の抵抗状態が変化した後においても記憶素子に書き込み電流を供給し続けるため、消費電力の点で課題を有している。
抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みの終了を検出する技術として、抵抗変化型記憶素子の端部電圧変化を書き込み電流の電流方向に応じて切り替えて検出し、検出した端部電圧変化に基づいてデータの書き込み終了を検出する装置が提案されている（特許文献１）。
抵抗変化型記憶素子を用いた不揮発性フリップフロップにおいて、抵抗変化型記憶素子のスイッチング動作時の電圧変化を検出し、書き込み電流の供給を終了することによってバックアップ電流を抑制する不揮発性フリップフロップ（self-terminated NV-FF）も提案されている（非特許文献１参照）。
上記の抵抗変化型記憶素子は、記憶素子の両端に書き込み電流用端子を備え、この電流用端子に対して書き込み電流を切り替えて供給する。これに対して、抵抗変化を生じる記憶素子の一端に導電性電極、他端に読み出し電極を備え、導電性電極に電流を流すことにより記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子も提案されている（特許文献２）。
図１９は従来から知られる抵抗変化型記憶素子の書き込み装置の構成例を示している。
書き込み装置１００は、抵抗変化型の記憶素子１１１にデータ書き込むと共に、書き込み状態をモニタする書き込み／モニタ部１２０、及び記憶素子１１１に書き込んだデータを読み出す読み出し部１３０を備える。
書き込み／モニタ部１２０は、記憶素子１１１に対して書き込み電流を供給するトランジスタ１２０Ａａ及び書き込みドライバ１２０Ａｂ、及びトランジスタ１２０Ｂａ及び書き込みドライバ１２０Ｂｂを備え、記憶素子１１１に対して互いに電流方向が逆方向の書き込み電流を供給すると共に、記憶素子１１１の両端の端子電圧（ＶＭ）をマルチプレクサ１２１で切り替えて出力することによって書き込み状態をモニタする。
読み出し部１３０は、ＰＭＯＳトランジスタ１３０ｂのソースを電源に接続し、ＮＭＯＳトランジスタ１３０ａのソースを記憶素子１１１の一端に接続し、ＰＭＯＳトランジスタ１３０ｂのドレインとＮＭＯＳトランジスタ１３０ａのドレインを接続し、この接続点を出力端として、読み出し信号ＶＲＤを出力する。なお、記憶素子１１１の一端はＮＭＯＳトランジスタ１２２を介して接地される。ＮＭＯＳトランジスタ１２２の制御端には読み出し制御信号ＲＣＬが入力される。
国際公開ＷＯ２０１５／１４７０１６ 国際公開ＷＯ２００９／０７２５１１ 国際公開ＷＯ２０１６／０２１４６８
D,Suzuki,et al.,IEICE ELEX．11(2014) 20140296. D,Suzuki,et al., J. Appl.Phys.,117(2015) 17B504.
特許文献２に示される形態の記憶素子の一端に導電性電極、他端に読み出し電極を備え、導電性電極に電流を流すことにより記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子において、抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みの終了を検出する技術は提案されていない。
特許文献１に提案される抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みの終了を検出する技術を、特許文献２に示される形態の抵抗変化型記憶素子に適用することは構成上から困難性がある。特許文献２に示される形態の抵抗変化型記憶素子は、記憶素子の一端に設けた導電性電極に書き込み電流を供給し、記憶素子内に書き込み電流を導通させること無く書き込み動作を行う構成である。そのため、書き込み時においては記憶素子に書き込み電流が流れない。したがって、記憶素子の抵抗変化は記憶素子内を流れる電流を用いて検出するため、特許文献２に示される形態の抵抗変化型記憶素子の特許文献１の書き込み終了検出技術を適用し、書き込み電流に基づいてデータの書き込みの終了を検出することは構成上からできない。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、抵抗変化を生じる記憶素子の一端に導電性電極、他端に読み出し電極を備え、導電性電極に電流を流すことにより記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子において、抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みの終了を検出することを目的とする。
抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みの終了を検出することによって、バックアップ電流を抑制し、バックアップ処理における消費電力を低減することを目的とする。
本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置は、抵抗変化を生じる記憶素子の一端に導電性電極、他端に読み出し電極を備え、この導電性電極に書き込み電流を流すことにより記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置であり、書き込み手段と、出力手段と、制御手段とを備える。
書き込み手段は、導電性電極への書き込み電流の電流方向を切り替えることにより抵抗変化型記憶素子の抵抗変化を生じさせ、記憶素子に書き込みを行うと共に書き込み電流の供給を停止しうる駆動手段を備える。
出力手段は、電源と記憶素子の読み出し電極との間に設けられ、記憶素子からの読み出し信号、及び記憶素子の書き込み状態をモニタするモニタ信号を出力信号として出力する。
制御手段は、抵抗変化型記憶素子への書き込み時に、出力手段からのモニタ信号に基づいて駆動手段を制御する。
本発明は、出力手段を電源と読み出し電極間に設け、出力手段から記憶素子からの読み出し信号、及び書き込み手段による記憶素子の書き込み状態をモニタするモニタ信号を出力信号として出力する。この構成により、抵抗変化を生じる記憶素子の一端に導電性電極、他端に読み出し電極を備え、導電性電極に電流を流すことにより記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子において、モニタ信号によって抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みが終了したことを検出する。
本発明の形態によれば、出力手段を電源と読み出し電極との間に設けることにより、出力信号の電流経路と、書き込み時における書き込み電流の電流経路とは分離した構成となる。出力信号の電流経路と書き込み電流の電流経路とが分離した構成は、出力信号を書き込み電流から独立して出力する。出力信号の電流経路と書き込み電流の電流経路とをそれぞれ独立した電流経路とすることで、出力信号は書き込み電流の影響を受けることなく取得される。
制御手段は、書き込み終了検出部と書き込み終了信号生成部とを備える。
書き込み終了検出部は、書き込み手段の書き込み信号と、書き込み状態を表す出力手段からのモニタ信号の２つの信号に基づいて、書き込み終了を検出して書き込み終了検出信号を出力する。書き込み終了信号生成部は、書き込み終了検出部の書き込み終了検出信号に基づいて書き込み終了信号を出力する。
書き込み終了信号生成部は、生成した書き込み終了信号によって駆動手段を制御し、モニタ信号に基づいて抵抗変化型記憶素子への書き込みを停止する。
出力手段の一形態は、ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタの直列回路で構成する。この回路構成において、ＰＭＯＳトランジスタのソース端に電源が接続され、ＮＭＯＳトランジスタのソース端に記憶素子の読み出し電極が接続される。ＰＭＯＳトランジスタのドレイン端とＮＭＯＳトランジスタのドレイン端の接続ノードは、読み出し信号及びモニタ信号を出力する出力端である。
このＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタの直列回路による形態は、ＭＯＳトランジスタを負荷抵抗として用いて抵抗変化型記憶素子の抵抗を電圧信号として出力する。ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタとの接続点の電圧は、ＰＭＯＳトランジスタによる負荷曲線と、ＮＭＯＳトランジスタを含む抵抗変化型記憶素子の電圧−電流特性曲線とが交差する交点に対応する電圧であり、接続点の電圧を出力信号として出力する。
この出力手段の形態によれば、抵抗変化型記憶素子側の電圧−電流特性曲線は、モニタ時に流れる電流に関係するものであって、書き込み電流の制約を受けることなく定まるため、記憶素子の書き込み状態で相違する電圧を識別する際、両電圧間のマージンの電圧幅を大きく設定することが可能となる。検出電圧を識別する電圧のマージンを大きくすることで、記憶素子の書き込み状態の判別を低感度の判別回路で行うことができ、また、判別回路の回路構成を簡易化、及びサイズの小型化に寄与する。
また、書き込み電流路と読み出し電流路とが分離した構成であることから、出力手段と書き込み手段とを個別に最適化することができるため、論理回路の設計に好適である。
書き込み手段が備える駆動手段の一形態は、導電性電極の一端にソースを接続し、書き込み電流源側にドレインを接続する第１のＮＭＯＳトランジスタと、導電性電極の他端にソースを接続し、書き込み電流源側にインバータを介してドレインを接続する第２のＮＭＯＳトランジスタとを備え、第１のＮＭＯＳトランジスタ及び第２のＮＭＯＳトランジスタのゲートに制御手段からの書き込み終了信号を入力する。
抵抗変化型記憶素子の一形態は、記憶素子として３つの端子を備える抵抗変化型の磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子：Magnetic Tunnel Jnction）を用いることができる。
本発明は不揮発性フリップフロップに適用することができ、マスターラッチとスレーブラッチとを継続接続して構成し、マスターラッチへのデータの書き込みに本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置を適用する。
以上説明したように、本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置は、抵抗変化を生じる記憶素子の一端に導電性電極、他端に読み出し電極を備え、導電性電極に電流を流すことにより記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子において、抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みの終了を検出することができる。
また、本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置は、抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込みの終了を検出することによって、バックアップ電流を抑制し、バックアップ処理における消費電力を低減することができる。
本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の概略構成を説明するための構成図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するための動作図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置に用いる抵抗変化型記憶素子の概略構成を説明するための図である。 抵抗変化型記憶素子の構成例を説明するための概略図である。 本発明の書き込み手段及び出力手段を説明するための図である。 本発明の出力手段の検出電圧のマージンと従来の抵抗変化型記憶素子に用いられる検出電圧のマージンを比較するための図である。 本発明の制御手段を説明するための図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するための動作図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するための動作図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するための動作図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するための動作図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例を説明するための動作図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置を備える不揮発性フリップフロップの構成を説明するための概略図及び動作のタイミングチャートである。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置を備える不揮発性フリップフロップの構成例を説明するための図である。 本発明の不揮発性フリップフロップの実施例の信号の例を説明するための図である。 本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の動作例のタイミングチャートである。 従来の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置を説明するための概略図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
以下、図１，２を用いて本発明の抵抗変化型記憶素子データの書き込み装置の概略構成、及び動作例を説明し、図３，４を用いて、本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置に用いる抵抗変化型記憶素子の概略構成、及び抵抗変化型記憶素子の構成例を説明する。次に、本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置が備える書き込み手段及び出力手段を図５，６を用いて説明し、制御手段を図７を用いて説明し、データ書き込み装置の動作例を図８〜図１４を用いて説明する。
更に、図１５〜図１８を用いて本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置を備えた不揮発性フリップフロップの構成例を説明する。
（抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置の概略構成、及び動作）
図１は本発明の抵抗変化型記憶素子データの書き込み装置を説明するための概略構成図である。
抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置１は、抵抗変化型記憶素子１０、書き込み手段２０、出力手段３０、制御手段４０を備える。
抵抗変化型記憶素子１０は、抵抗変化を生じる記憶素子１１の一端に導電性電極１３、他端に読み出し電極１２を備える。記憶素子１１は、導電性電極１３に書き込み電流を流すことにより抵抗変化させ、この抵抗変化をデータに対応付けることでデータを記憶させる。
書き込み手段２０は、導電性電極１３への書き込み電流の電流方向を切り替えることにより抵抗変化型記憶素子１０の抵抗を変化させ、記憶素子１１に書き込みを行う駆動手段２１を備える。
出力手段３０は、電源（ＶＤＤ）と記憶素子１１の読み出し電極１２との間に設けられ、記憶素子１１からの読み出し信号ＶＲＤ、及び記憶素子１１の書き込み状態をモニタするモニタ信号ＶＭを出力信号として出力する。
制御手段４０は、抵抗変化型記憶素子１０への書き込み時に、出力手段３０からのモニタ信号ＶＭに基づいて駆動手段２１を制御し、書き込み終了検出に基づいて書き込み電流の供給を停止する。
出力手段３０は、電源（ＶＤＤ）と読み出し電極１２との間に設けられ、出力手段３０から記憶素子１１からの読み出し信号ＶＲＤ、及び書き込み手段２０による記憶素子１１の書き込み状態をモニタするモニタ信号ＶＭを出力信号として出力する。この構成により、導電性電極への電流供給により記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子において、書き込み電流とは異なる電流経路によって検出されるモニタ信号ＶＭによって記憶素子１１へのデータの書き込みの終了を検出する。
出力時と書き込み時の電流経路についてみると、出力手段３０の設置を電源（ＶＤＤ）と読み出し電極１２との間とすることにより、出力信号（読み出し信号ＶＲＤ、モニタ信号ＶＭ）を取り出す際の電流経路は、電源（ＶＤＤ）、出力手段３０，読み出し電極１２、記憶素子１１、導電性電極１３を介して接地される経路で形成され、一方、書き込み時における書き込み電流の電流経路は、書き込み手段２０、導電性電極１３の一方の端子、導電性電極１３、導電性電極１３の他方の端子を介して、再び書き込み手段２０に戻る経路で形成される。
この構成によれば、出力信号の電流経路と、書き込み電流の電流経路とは分離した構成であり、出力信号と書き込み電流とはそれぞれ干渉することなく独立して出力される。出力信号と書き込み電流とが独立することで、出力信号を書き込み電流の影響を受けることなく取得される。
制御手段４０は、書き込み終了検出部４１と書き込み終了信号生成部４２とを備える。書き込み終了検出部４１は、書き込み手段２０での書き込み信号Ｙと、出力手段３０からの書き込み状態のモニタ信号ＶＭとに基づいて書き込み終了検出信号ＤＯＮＥを出力する。一方、書き込み終了信号生成部４２は、書き込み終了検出部４１の書き込み終了検出信号ＤＯＮＥに基づいて書き込み終了信号ＷＥを出力する。
書き込み終了信号生成部４２は、生成した書き込み終了信号ＷＥによって駆動手段２１を制御し、抵抗変化型記憶素子１０への書き込みを停止する。
次に、図２を用いて本発明の抵抗変化型記憶素子データの書き込み装置の動作を、従来の抵抗変化型記憶素子の書き込み装置の動作と比較して説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は本発明の抵抗変化型記憶素子データの書き込み装置の動作を説明するための図であり、図２（ｄ）〜図２（ｆ）は従来構成の抵抗変化型記憶素子データの書き込み装置の動作を説明するための図である。なお、図２は、図１に示した概略構成において、書き込み動作時及び読み出し動作時に応じて説明に要する構成部分のみを示し、その他の部分は省略している。
図２（ａ）は書き込み時の動作状態を示している。書き込み時には、書き込み手段２０から抵抗変化型記憶素子１０の導電性電極１３に書き込み電流が供給される。書き込み電流は、書き込みを行うデータによって電流方向が切り替えられる。このとき、出力手段３０及び記憶素子１１には、出力信号を得るための電流は流れない。
図２（ｂ）は、書き込み時において、記憶素子の書き込み状態をモニタする際の動作例を示している。モニタ時には、出力手段３０から読み出し電極１２、記憶素子１１、及び導電性電極１３を介してモニタ電流ＩＭ（図中の破線）を流し、出力手段３０はモニタ電流ＩＭ及び記憶素子１１の抵抗値に応じたモニタ信号ＶＭを出力する。モニタ信号ＶＭは記憶素子１１の抵抗に応じた値であり、記憶素子１１の抵抗値は書き込まれたデータに応じた値となるため、モニタ信号ＶＭに基づいて記憶素子の書き込み状態がモニタされる。
図２（ｃ）は読み出し時の動作状態を示している。読み出し時には、出力手段３０から読み出し電極１２、記憶素子１１、及び導電性電極１３を介して読み出し電流ＩＲ（図中の破線）をし、出力手段３０は読み出し電流ＩＲから読み出し信号ＶＲＤを出力する。読み出し信号ＶＲＤは記憶素子１１に抵抗に応じた値となるため、読み出し信号ＶＲＤに基づいて記憶素子１１の記憶状態が読み出される。
次に、図２（ｄ）〜図２（ｆ）を用いて従来の書き込み装置の動作状態を説明する。なお、ここでは、従来の書き込み手段の構成として、図１９に示した構成を用いている。
図２（ｄ），（ｅ）は従来の書き込み装置の書き込み時及びモニタ時の動作状態を示している。書き込み時及びモニタ時には、書き込み手段１２０Ａ又は書き込み手段１２０Ｂから抵抗変化型記憶素子１１０に書き込み電流が供給される。書き込み電流は、一方の書き込み手段から抵抗変化型記憶素子１１０に供給された後、他方の書き込み手段に流れる。このとき、書き込み電流は、書き込みデータによって書き込み手段１２０Ａから書き込み手段１２０Ｂへの電流方向、又は書き込み手段１２０Ａから書き込み手段１２０Ｂへの電流方向が選択される。
モニタは、抵抗変化型記憶素子１１０に対して電流が供給される端子側の電圧をモニタ信号ＶＭ（図中の一点鎖線）として検出する。このとき、モニタ信号ＶＭは、駆動される書き込み手段に基づいてマルチプレクサ１２１によって書き込み電流の電流方向に応じて選択される。
図２（ｆ）は読み出し時の動作状態を示している。読み出し時には、読み出し部１３０から抵抗変化型記憶素子１１０に読み出し電流ＩＲ（図中の破線）を流して、読み出し信号ＶＲＤを出力する。読み出し信号ＶＲＤは抵抗変化型記憶素子１１０の抵抗に応じた値となるため、読み出し信号ＶＲＤに基づいて抵抗変化型記憶素子１１０の記憶状態が読み出される。
本発明の書き込み装置の形態によれば、記憶素子の書き込み状態をモニタする際に、書き込み手段による書き込み電流経路と独立した電流経路を流れるモニタ電流ＩＭを用いてモニタ信号ＶＭを検出する。一方、従来の書き込み装置の形態によれば、記憶素子の書き込み状態をモニタする際に、書き込み手段による書き込み電流経路を流れる書き込み電流を用いてモニタ信号ＶＭを検出する。モニタ信号ＶＭの検出位置は書き込み電流の電流方向で異なるため、モニタ信号を切り替えて出力するためにマルチプレクサ１２１が必要となる。
（抵抗変化型記憶素子の概略構成）
本発明の実施形態に用いられる抵抗変化型記憶素子１０の構成について図３を参照して説明する。図３（ａ）は抵抗変化型記憶素子１０の概略構成を示している。抵抗変化型記憶素子１０は、抵抗変化を生じる記憶素子１１の一端に導電性電極１３、他端に読み出し電極１２を備える。導電性電極１３に書き込み電流を流すことにより記憶素子１１に抵抗変化が生じる。
読み出し電極１２は端子Ｔ１を備え、導電性電極１３は２つの端子Ｔ２，Ｔ３とを備え、合わせて３端子を備える。導電性電極１３の端子Ｔ２，Ｔ３間に流れる磁化反転電流の電流方向が反転すると磁化方向が変わり、この磁化方向によって記憶素子１１の抵抗ＲＭが変化する。
図３（ｂ）は、書き込み電流ＩＷＲと記憶素子１１の抵抗ＲＭとのヒステリシス特性を示している。抵抗変化型記憶素子１０の記憶素子１１の抵抗が高抵抗Ｒ１の状態において、書き込み電流ＩＷ１を流すことによって高抵抗Ｒ１は低抵抗Ｒ０に抵抗変化する。一方、抵抗変化型記憶素子１０の記憶素子１１の抵抗が低抵抗Ｒ０の状態において、書き込み電流ＩＷ２を流すことによって低抵抗Ｒ０は高抵抗Ｒ１に抵抗変化する。例えば、高抵抗Ｒ１をデータＭ＝１に対応させ、低抵抗Ｒ０をデータＭ＝０に対応させることによって記憶素子として用いることができる。
記憶素子１１のデータの書き込みは、端子Ｔ２，Ｔ３間に書き込み電流ＩＷＲを流すことで行う。一方、記憶素子１１のデータの読み出しは、読み出し電流ＩＲで得られる端子Ｔ１の電圧で検出する。
（抵抗変化型記憶素子の構成例）
次に、抵抗変化型記憶素子の構成例について、図４（ａ）〜図４（ｄ）を用いて概略構成を説明する。なお、ここで示す抵抗変化型記憶素子の構成例は一例であって、この構成に限られるものではない。
図４（ａ）〜（ｄ）は抵抗変化型記憶素子１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ、及び１０Ｄの概略断面図であり、４つの構成例を示している。なお、下記の抵抗変化型記憶素子１０Ａ〜１０Ｃの構成例は特許文献２に記載される構成例を参照するものであり、ＭＴＪ素子による構成例である。また、抵抗変化型記憶素子１０Ｄの構成例は特許文献３に記載される構成例を参照するものであり、スピン軌道トルクを用いた磁化反転方式のＭＴＪ素子による構成例である。
図４（ａ）は抵抗変化型記憶素子１０Ａの一構成例を示す断面図である。抵抗変化型記憶素子１０は磁化反転電流が発生する磁場により磁化自由層の磁化状態を反転させる構成を有している。図４（ａ）に示す構成例では、抵抗変化型記憶素子１０Ａは、導電層１０ａと、磁化固定層１０ｂと、トンネルバリア層１０ｃと、磁化自由層１０ｄとを備え。磁化固定層１０ｂは、導電層１０ａの上面に直接に形成され、トンネルバリア層１０ｃは、磁化固定層１０ｂの上面に形成される。磁化自由層１０ｄは、トンネルバリア層１０ｃの上面に形成される。磁化固定層１０ｂは磁化が固定された強磁性体膜で形成され、磁化自由層１０ｄは磁化が反転可能な強磁性体膜で形成される。抵抗変化型記憶素子１０Ａの端子１０ｆは導電層１０ａの一方の端付近に設けられ、端子１０ｇは導電層１０ａの他方の端付近に設けられる。抵抗変化型記憶素子１０Ａの端子１０ｅは磁化自由層１０ｄの上面に設けられる。
抵抗変化型記憶素子１０Ａは、磁化反転電流が導電層１０ａに＋Ｘ方向に流れると、磁化自由層１０ｄに＋Ｙ方向に磁界が印加され、これにより、磁化固定層１０ｂ及び磁化自由層１０ｄの磁化方向が平行になり、抵抗変化型記憶素子１０Ａは低抵抗状態になる。一方、磁化反転電流が導電層１０ａに−Ｘ方向に流されると、磁化自由層１０ｄに−Ｙ方向に磁界が印加され、これにより、磁化固定層１０ｂ及び磁化自由層１０ｄの磁化方向が反平行になり、抵抗変化型記憶素子１０Ａは高抵抗状態になる。
図４（ｂ）は他の構成例を示している。抵抗変化型記憶素子１０Ｂは、導電層１０ａの上面に磁化自由層１０ｄが直接に積層され、磁化自由層１０ｄの上面にトンネルバリア層１０ｃが積層される。トンネルバリア層１０ｃの上面に磁化固定層１０ｂが積層される構成としてもよい。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す構成の抵抗変化型記憶素子１０Ａ，１０Ｂにおいて、導電層１０ａは本発明の抵抗変化型記憶素子の導電性電極に相当する。
図４（ｃ）において、抵抗変化型記憶素子１０Ｃは磁化反転電流の電子に与えられたスピンによって磁化自由層の磁化を反転させる磁壁移動型のＭＴＪ素子として構成される。
抵抗変化型記憶素子１０Ｃは、スピン源１０ｈ，１０ｉと、磁化自由層１０ｄと、トンネルバリア層１０ｃと、磁化固定層１０ｂとを備える。スピン源１０ｈ，１０ｉは磁化自由層１０ｄの両端付近の下面に接合される。トンネルバリア層１０ｃは、磁化自由層１０ｄの上面に積層され、磁化固定層１０ｂはトンネルバリア層１０ｃの上面に積層される。スピン源１０ｈ，１０ｉ、磁化自由層１０ｄ、磁化固定層１０ｂは、何れも磁化方向が垂直方向（Ｚ軸方向）である。磁化固定層１０ｂの磁化は＋Ｚ方向に固定される。スピン源１０ｈの磁化は−Ｚ方向に固定され、スピン源１０ｉの磁化は＋Ｚ方向に固定される。磁化自由層１０ｄは、スピン源１０ｈとスピン源１０ｉの間に発生する磁壁１０ｊを境界として磁化が上方向に向く領域と下方向に向く領域とに分かれる。
抵抗変化型記憶素子１０Ｃは、磁化反転電流を＋Ｘ方向に流すと、スピン源１０ｈによってスピン偏極された電子が磁化自由層１０ｄに注入される。この注入されたスピン偏極電子のスピントルク作用によって磁壁１０ｊが−Ｘ方向に移動し、スピン源１０ｈの近傍に到達する。その結果、磁化固定層１０ｂの直下における磁化自由層１０ｄの磁化方向は磁化固定層１０ｂと平行になり、抵抗変化型記憶素子１０Ｃは低抵抗状態となる。一方、磁化反転電流を−Ｘ方向に流すと、スピン源１０ｈ近傍にあった磁壁１０ｊが＋Ｘ方向へ移動し、スピン源１０ｉの近傍に到達する。その結果、磁化固定層１０ｂ直下における磁化自由層１０ｄの磁化方向は磁化固定層１０ｂと反平行になり、抵抗変化型記憶素子１０Ｃは高抵抗状態となる。なお、図４（ｃ）に示す構成の抵抗変化型記憶素子１０Ｃにおいて、磁化自由層１０ｄ以下の部分は本発明の抵抗変化型記憶素子の導電性電極に相当する。
図４（ｄ）において、抵抗変化型記憶素子１０Ｄは、重金属から構成され一方向に延伸された形状の重金属層１０ｋと、強磁性体から構成され、重金属層１０ｋに隣接して設けられた記録層１０ｌと、絶縁体から構成され、記録層１０ｌの重金属層１０ｋとは反対側の面に隣接して設けられた障壁層１０ｍと、強磁性体から構成され、障壁層１０ｍの記録層１０ｌとは反対側の面に隣接して設けられた参照層１０ｎとにより構成される。
重金属層１０ｋの長手方向（Ｘ軸方向）に書き込み電流が流され、この重金属層１０ｋに流れる書き込み電流で発生するスピンによって、記録層１０ｌの磁化方向が書き替えられる。また、参照層１０ｎは、磁化方向が固定された層である。図４（ｄ）に示す構成の抵抗変化型記憶素子１０Ｄにおいて、重金属層１０ｋは本発明の抵抗変化型記憶素子の導電性電極に相当する。
また、抵抗変化型記憶素子１０Ａ〜１０Ｃの上部電極は、本発明の抵抗変化型記憶素子の読み出し電極に相当している。抵抗変化型記憶素子１０Ｄにおいて、本発明の抵抗変化型記憶素子の読み出し電極に相当する部分は明記されていないが、記憶素子に対して導電性電極とは反対側の端部に設けられる電極である。
（書き込み手段、及び出力手段の構成）
本発明の書き込み装置が備える書き込み手段２０、及び出力手段３０の構成例を図５を用いて説明する。
書き込み手段２０は、抵抗変化型記憶素子１０の導電性電極１３に書き込み電流を供給する駆動手段２１Ａ及び２１Ｂと、駆動手段２１Ａ，２１Ｂに書き込み動作を行わせるための書き込み信号Ｙを形成する制御部２２を備える。なお、図５では、駆動手段２１Ａへの書き込み信号として制御部２２のインバータ２２ｂの出力を書き込み信号Ｙとして示しているが、駆動手段２１Ｂへの書き込み信号としては制御部２２のインバータ２２ｂの出力を書き込み信号回路インバータ２２ｂのＮＡＮＤ回路２２ａの出力を書き込み信号として用いる。ここでは、これらの書き込み信号は符号のみがインバータ２２ｂで反転されているだけであるので、書き込み状態の検出には一方の書き込み信号Ｙのみを検出すれば足りる。
制御部２２は、ＮＡＮＤ回路２２ａ及びインバータ２２ｂから構成され、インバータ２２ｂの出力端は駆動手段２１Ａに接続され、インバータ２２ｂの入力端は駆動手段２１Ｂに接続される。
ＮＡＮＤ回路２２ａには、データ信号Ｎｑとバックアップ信号ＢＣＫが入力される。バックアップ信号ＢＣＫは、データの書き込み動作の後の処理を行わせるための信号であり、データ信号Ｎｑは、データＤを書き込むためにクロックＣＬＫと同期して形成される信号である。ＮＡＮＤ２２ａは、バックアップ信号ＢＣＫとデータ信号Ｎｑが共に“Ｌｏｗ”のとき、及びバックアップ信号ＢＣＫとデータ信号Ｎｑの何れか一方が“Ｌｏｗ”で他方が“Ｈｉｇｈ”のときに“Ｈｉｇｈ”を出力し、バックアップ信号ＢＣＫとデータ信号Ｎｑが共に“Ｈｉｇｈ”のときは“Ｌｏｗ”を出力する。インバータ２２ｂはＮＡＮＤ回路２２ａの出力を反転して出力する。
駆動手段２１Ａは、インバータ２１Ａｂ及びＮＭＯＳトランジスタ２１Ａａから構成され、インバータ２１Ａｂの入力端には制御部２２のインバータ２２ｂが接続され、インバータ２１Ａｂの出力端にＮＭＯＳトランジスタ２１Ａａのドレインが接続され、ＮＭＯＳトランジスタ２１Ａａのソースは導電性電極１３の一端に接続される。インバータ２１Ａｂは、制御部２２のインバータ２２ｂから入力された書き込み信号Ｙに基づいて導電性電極１３の一端に書き込み電流を供給する。ＮＭＯＳトランジスタ２１Ａａは、書き込み終了信号ＷＥによってＯＦＦ状態となり書き込み動作を終了させる。
一方、駆動手段２１Ｂは、インバータ２１Ｂｂ及びＮＭＯＳトランジスタ２１Ｂａから構成され、インバータ２１Ｂｂの入力端には制御部２２のＮＡＮＤ回路２２ａ出力端が接続され、インバータ２１Ｂｂの出力端にＮＭＯＳトランジスタ２１Ｂａのドレインが接続され、ＮＭＯＳトランジスタ２１Ｂａのソースは導電性電極１３の他端に接続される。インバータ２１Ｂｂは、制御部２２のＮＡＮＤ回路２２ａから入力された書き込み信号に基づいて導電性電極１３の他端に書き込み電流を供給する。駆動手段２１Ａは導電性電極１３の一端に接続され、駆動手段２１Ｂは導電性電極１３の他端に接続され、制御部２２からの書き込み信号に基づいてそれぞれ排他的に駆動し、導電性電極１３に対して書き込み電流を電流方向を切り替えて供給する。ＮＭＯＳトランジスタ２１Ｂａは、書き込み終了信号ＷＥによってＯＦＦ状態となり書き込み動作を終了させる。なお、導電性電極１３の一端はＮＭＯＳトランジスタ３１を介して接地される。ＮＭＯＳトランジスタ３１の制御端には読み出し制御信号ＲＣＬが入力され、導電性電極１３の一端は読み出し時に接地される。
図５（ｂ）に示す駆動手段２１は駆動手段２１Ａ，２１Ｂの構成例を示している。駆動手段２１は、ＮＭＯＳトランジスタ２１ｏのドレインにインバータ２１Ｉの出力端を接続して構成され、ＮＭＯＳトランジスタ２１ｏの制御端には書き込み終了信号ＷＥが入力される。
インバータ２１Ｉは、ＰＭＯＳトランジスタ２１ｐのドレインとＮＭＯＳトランジスタ２１ｎのドレインを接続して出力端とし、ＰＭＯＳトランジスタ２１ｐのソースを電源に接続し、ＮＭＯＳトランジスタ２１ｎのソースを接地し、ＰＭＯＳトランジスタ２１ｐの制御端とＮＭＯＳトランジスタ２１ｎの制御端を接続して入力端とする。
例えば、書き込み時には、書き込み信号Ｙ又はＹの反転信号が駆動手段２１Ａに入力され、Ｙの反転信号又は、書き込み信号Ｙが駆動手段２１Ｂに入力される。駆動手段２１では、“Ｈｉｇｈ”状態にある書き込み信号Ｙ又はＹの反転信号によってＮＭＯＳトランジスタ２１ｎはオン状態となり、ＰＭＯＳトランジスタ２１ｐはオフ状態となる。トランジスタ２１ｏは、“Ｈｉｇｈ”状態の書き込み終了信号ＷＥによってオン状態にあるため、書き込み電流ＩＷＲは導電性電極１３を通過した後、トランジスタ２１ａ及びインバータ２１ＩのＮＭＯＳトランジスタ２１ｎを介して接地側に流れる。
出力手段３０の一形態は、ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂとＮＭＯＳトランジスタ３０ａの直列接続した回路で構成する。この回路構成において、ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂのソース端に電源（ＶＤＤ）が接続され、ＮＭＯＳトランジスタ３０ａのソース端に記憶素子１１の読み出し電極１２が接続される。ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂのドレイン端とＮＭＯＳトランジスタ３０ａのドレイン端の接続ノードは、読み出し信号ＶＲＤ及びモニタ信号ＶＭを出力する出力端である。
電源電圧ＶＤＤ側に接続されるＰＭＯＳトランジスタ３０ｂの制御端にはモニタ制御信号ＳＥの反転信号が接続され、記憶素子１１の読み出し電極１２に接続されるＮＭＯＳトランジスタ３０ａの制御端にはモニタ制御信号ＳＥが接続され、２つのトランジスタ（ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂ、ＮＭＯＳトランジスタ３０ａ）の接続点を出力端とし読み出し信号ＶＲＤ、ＶＭ（信号Ａ）を出力する。
出力手段３０は、モニタ制御信号ＳＥが“Ｈｉｇｈ”の状態では、ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂはオフ状態にあり、ＮＭＯＳトランジスタ３０ａはオン状態にあるため、出力端から出力される読み出し信号ＶＲＤ、モニタ信号ＶＭは、記憶素子１１の抵抗に応じた電圧が出力される。なお、モニタ制御信号ＳＥが“Ｌｏｗ”の状態では、ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂはオン状態にあり、ＮＭＯＳトランジスタ３０ａはオフ状態にあるため、出力端からは、電源電圧ＶＤＤが出力される。
ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂとＮＭＯＳトランジスタ３０ａとを直列接続した回路構成の形態は、ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂを負荷抵抗として用いることで抵抗変化型記憶素子の抵抗を電圧として出力する。ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂとＮＭＯＳトランジスタ３０ａとの接続点の電圧は、ＰＭＯＳトランジスタ３０ｂによる負荷曲線と、ＮＭＯＳトランジスタ３０ａを含む抵抗変化型記憶素子の電圧−電流特性曲線とが交差する交点に対応する電圧であり、接続点の電圧を出力信号として出力する。
この出力手段３０の形態によれば、抵抗変化型記憶素子側の電圧−電流特性曲線は、モニタ時に流れる電流に関係し、書き込み電流の制約を受けることなく定めることができる。そのため、記憶素子に書き込み状態の電圧の違いを識別する検出電圧のマージンの電圧幅を、書き込み電流の制約を受けることなく大きく設定することが可能となる。
図６は記憶素子に書き込み状態の電圧の違いを識別する検出電圧のマージンをするための図である。図６（ａ）は本発明の書き込み装置の場合を示し、図６（ｂ）は従来構成の書き込み装置の場合を示している。
図６（ａ）、（ｂ）において、右側に示す回路は記憶素子及び出力手段の回路構成を概略して示し、左側は負荷特性曲線及び電圧−電流特性曲線を示している。回路構成において、出力端を境にして、ＰａｒｔＡとＰａｒｔＢに分けられる。ＰａｒｔＡは、ＰＭＯＳトランジスタに相応する部分であり負荷抵抗となる。ＰａｒｔＢは、記憶素子及びＮＭＯＳトランジスタに相当する部分である。
ＰａｒｔＡとＰａｒｔＢには共通する電流が流れるため、出力端の電圧は、ＰａｒｔＡの負荷特性の曲線とＰａｒｔＢの電圧−電流特性曲線とが交差する交点の電圧となる。
図６（ａ）は、ＰａｒｔＡの負荷特性の曲線及びＰａｒｔＢの電圧−電流特性曲線について、モニタ時に流れるモニタ電流ＩＭとモニタ信号ＶＭとの関係を示している。
ＰａｒｔＢの電圧−電流特性曲線は、書き込みされた記憶素子の抵抗ＲＭが低抵抗Ｒ０の場合と高抵抗Ｒ１の場合を示し、それぞれＰａｒｔＡの負荷特性の曲線との交点で定まる電圧がモニタ信号ＶＭとして出力される。記憶素子の抵抗ＲＭが低抵抗Ｒ０の場合にはモニタ信号ＶＭとして電圧Ｖ０が出力され、記憶素子の抵抗ＲＭが高抵抗Ｒ１の場合にはモニタ信号ＶＭとして電圧Ｖ１が出力される。
記憶素子の書き込み状態は、モニタ信号ＶＭの電圧値が電圧Ｖ０であるかあるいは電圧Ｖ１であるかを判別することで行う。モニタ信号ＶＭの判別において、電圧Ｖ０と電圧Ｖ１の電圧差ΔＶが大きく、電圧のマージンが大きいほど判別が容易であり、低感度の判別回路で識別することができる。電圧Ｖ０と電圧Ｖ１の電圧差ΔＶが小さく、電圧のマージンが小さいほど判別が難しくなり、高感度の判別回路が必要となる。
ＰａｒｔＡの負荷特性の曲線はモニタ電流ＩＭにより変更することができるため、電圧Ｖ０と電圧Ｖ１の電圧差ΔＶのマージンを任意に定めることができる。マージンを大きくすることで、記憶素子の書き込み状態の判別を低感度の判別回路で行うことができ、また、判別回路の回路構成の簡易化、及びサイズの小型化に寄与することができる。
一方、従来構成では、図６（ｂ）において、ＰａｒｔＡの負荷特性の曲線及びＰａｒｔＢの電圧−電流特性曲線は、書き込み時に流れる書き込み電流ＩＷＲと書き込み信号ＶＢＬとの関係を示している。
図６（ｂ）においても、図６（ａ）と同様に、ＰａｒｔＢの電圧−電流特性曲線は、書き込みされた記憶素子の抵抗ＲＭが低抵抗Ｒ０の場合と高抵抗Ｒ１の場合を示し、それぞれＰａｒｔＡの負荷特性の曲線との交点で定まる電圧が書き込み信号ＶＢＬとして出力される。記憶素子の抵抗ＲＭが低抵抗Ｒ０の場合にはモニタ信号ＶＭとして電圧Ｖ０が出力され、記憶素子の抵抗ＲＭが高抵抗Ｒ１の場合にはモニタ信号ＶＭとして電圧Ｖ１が出力される。
従来構成では、ＰａｒｔＡの負荷特性の曲線とＰａｒｔＢの電圧−電流特性曲線との交点は書き込み電流の制約を受ける。記憶素子の書き込み動作では、記憶素子に書き込みを行うために所定値を超える書き込み電流を供給する必要があり、この書き込み電流は記憶素子に書き込む抵抗によって異なる。
例えば、記憶素子の抵抗ＲＭを低抵抗Ｒ０とするには、書き込み電流ＩＷ０以上の電流が必要であり、記憶素子の抵抗ＲＭを高抵抗Ｒ１とするには、書き込み電流ＩＷ１以上の電流が必要である。したがって、従来構成では、ＰａｒｔＡの負荷特性の曲線とＰａｒｔＢの電圧−電流特性曲線との交点は書き込み電流の制約を受け、低抵抗Ｒ０を書き込む電圧Ｖ０と高抵抗Ｒ１を書き込む電圧Ｖ１も書き込み電流ＩＷ０及び書き込み電流ＩＷ１の制約を受ける。
このため、書き込み状態の判別に際して、低抵抗Ｒ０を判別する電圧Ｖ０と高抵抗Ｒ１を判別する電圧Ｖ１との電圧差ΔＶを大きく設定することが難しく、電圧マージンが小さい。電圧マージンが小さいほど書き込み状態の判別が難しくなり、高感度の判別回路が必要となり、回路構成も大型化することになる。
（制御手段の構成）
図７は本発明の制御手段４０の構成例を説明するための図である。
制御手段４０は、書き込み終了検出部４１と書き込み終了信号生成部４２とを備える。書き込み終了検出部４１は、否定排他的論理和４１ａと偶数個のインバータ４１ｂ，４１ｃとから構成され、否定排他的論理和４１ａの一方の入力端子に偶数個のインバータ４１ｂ，４１ｃを介して、制御部２２の書き込み信号Ｙを入力し、他方の入力端子に出力手段３０のモニタ信号ＶＭ（信号Ａ）を入力する。書き込み終了検出部４１は、制御部２２からの書き込み信号Ｙと出力手段３０の信号Ａとの一致に基づいて記憶素子１１の書き込み処理が完了したことを検出し、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥを出力する。
書き込み終了信号生成部４２は、書き込み終了検出部４１の書き込み終了検出信号ＤＯＮＥに基づいて、書き込み終了信号ＷＥを生成する回路である。書き込み終了信号生成部４２は、電源電圧ＶＤＤと接地電圧ＧＮＤとの間に３つのトランジスタ４２ａ，４２ｂ，及び４２ｃを直列接続した直列接続回路と、トランジスタ４２ａ及びトランジスタ４２ｂに並列接続した並列回路とによって構成される。なお、ここでは、トランジスタ４２ａをＰＭＯＳトランジスタとし、トランジスタ４２ｂ，４２ｃ，及び４２ｄをＮＭＯＳトランジスタとしている。
トランジスタ４２ｂの制御ゲートには書き込み終了検出部４１の出力信号である書き込み終了検出信号ＤＯＮＥが入力され、トランジスタ４２ａ及び４２ｃの制御ゲートにはバックアップ開始制御信号ＳＴＲが入力される。なお、トランジスタ４２ａ及びトランジスタ４２ｃは互いに反転した状態で動作し、バックアップ開始制御信号ＳＴＲの入力に対して互いに逆方向でオンオフ動作を行う。
バックアップ開始制御信号ＳＴＲは、通常動作からバックアップ動作に切り替わる時点で“Ｌｏｗ”となった後、１クロックサイクルの後に“Ｈｉｇｈ”となり、バックアップ動作を開始する。
バックアップ動作の開始時には、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｌｏｗ”の状態にあり、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｌｏｗ”の状態にある。バックアップ開始制御信号ＳＴＲが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”に切り替わることにより、トランジスタ４２ｃはオフ状態に、トランジスタ３２ａはオン状態となる。この状態において、出力手段３０のモニタ信号ＶＭによって信号Ａが“Ｈｉｇｈ”となり、書き込み信号Ｙと共に“Ｈｉｇｈ”となると、書き込み終了検出部４１は書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｈｉｇｈ”とする。トランジスタ４２ｂは、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥの“Ｈｉｇｈ”状態を受けて“Ｈｉｇｈ”となり、トランジスタ４２ｂ，４２ｃはオン状態となってトランジスタ４２ｃのドレインとトランジスタ４２ｂのドレインの接続端の電位は接地電位となり、“Ｌｏｗ”の書き込み終了信号ＷＥを出力する。
また、バックアップ動作を行わない期間は、トランジスタ４２ｄはバックアップ信号ＢＣＫを反転した反転ＢＣＫによってオン状態にあり、“Ｌｏｗ”の書き込み終了信号ＷＥを出力する。駆動手段２１Ａ，２１Ｂのトランジスタ２１Ａａ，２１Ｂａは“Ｌｏｗ”の書き込み終了信号ＷＥによってオフ状態となる、書き込み動作が終了する。
（動作例）
次に、本発明の抵抗変化型記憶素子の書き込み装置の動作例を図８〜図１４を用いて説明する。なお、図８〜図１１は、書き込み前後のデータが異なり、書き込みによって異なるデータに書き替えるバックアップの動作状態１を示し、図１２〜図１４は書き込み前後のデータが同じであり、データの書き替えが行われない場合の動作状態２を示している。
動作状態１：
図８に示すタイミングチャートは、通常動作、バックアップ動作、電源オフの状態、及び読み出し動作を示している。ここで、通常動作は、データの書き込みを行わない動作状態であり、バックアップ動作は、データの書き込み及びデータの書き込み状態をモニタする動作状態であり、電源オフは記憶素子への電流供給を停止した状態であり、読み出し動作は、記憶素子に記憶されるデータを読み出す動作状態である。
図８において、図８（ａ）は電源ＶＤＤを示し、図８（ｂ）はクロックＣＬＫを示し、図８（ｃ）は通常動作を有効とするイネーブル信号ＥＮを示し、図８（ｄ）はデータ信号Ｎｑを示し、図８（ｅ）はバックアップ動作を有効にするバックアップ信号ＢＣＫを示し、図８（ｆ）は制御部２２のＮＡＮＤ出力を示し、図８（ｇ）は制御部２２から出力される書き込み信号Ｙを示し、図８（ｈ）は記憶素子１１の記憶状態を示し、図８（ｉ）は出力手段３０の出力信号Ａ（読み出し信号ＶＲＤ、モニタ信号ＶＭ）を示し、図８（ｊ）は記憶素子への書き込みが終了したことを検出する書き込み終了検出信号ＤＯＮＥを示し、図８（ｋ）は書き込み電流を停止させる書き込み終了信号ＷＥを示し、図８（ｌ）はバックアップ動作を開始するバックアップ開始制御信号ＳＴＲを示し、図８（ｍ）は記憶素子に書き込みを行うための電流ＩＷＲを示し、図８（ｎ）は読み出し動作を制御する読み出し制御信号ＲＣＬを示し、図８（ｏ）はモニタを有効にするモニタ制御信号ＳＥを示している。
（通常動作）
通常動作は、イネーブル信号ＥＮが“Ｈｉｇｈ”の状態によって、CMOSフリップフロップと同様の動作をしつつ、記憶素子へのデータの書き込みを行わない動作状態にある。なお、ここでは、記憶素子１１の抵抗状態は“Ｌｏｗ”の状態にあるものとし、書き込み信号Ｙと出力信号Ａとは共に“Ｌｏｗ”の状態にあり、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｌｏｗ”の状態にある。また、通常動作中の何れかのクロックＣＬＫの立ち下がりでデータ信号Ｎｑが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”に変化したものとする。
（バックアップ動作）
図９，図１０はバックアップ動作における書き込み手段２０、出力手段３０、及び制御手段４０の動作例を示している。
（Ａ時点） 図８のＡ時点は、通常動作からバックアップ動作に切り替わる時点であり、図９はこの時点の動作状態を示している。イネーブル信号ＥＮが“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”に変わることで、データの書き込み動作が開始され、バックアップ信号ＢＣＫが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”の状態に変わることでバックアップ動作が開始される。
ＮＡＮＤ２２ａには、バックアップ信号ＢＣＫ及びデータ信号Ｎｑが入力され、バックアップ信号ＢＣＫの切り替わりによってＮＡＮＤ出力が“Ｌｏｗ”となり、インバータ２２ｂから書き込み信号Ｙが出力される。また、制御手段４０において、バックアップ信号ＢＣＫの反転信号が“Ｈｉｇｈ”に切り替わることによって、トランジスタ４２ｄがオン状態となって、書き込み終了信号ＷＥが“Ｈｉｇｈ”となり、書き込み動作が有効となる。
駆動手段２１Ａ，２１Ｂの各トランジスタ２１Ａａ，２１Ｂａは３０の書き込み終了信号ＷＥによってオフ状態からオン状態に変わり、抵抗変化型記憶素子１０の導電性電極１３に対して書き込み電流ＩＷＲが供給される。
また、出力手段３０のトランジスタ３０ａ，３０ｂはオン状態にあり、トランジスタ３１はモニタ制御信号ＳＥが立ち上がることでオン状態に切り替わるが、抵抗状態は低抵抗の状態にあるため、出力信号Ａは“Ｌｏｗ”の状態にある。
書き込み信号Ｙは“Ｈｉｇｈ”であるが出力信号Ａは“Ｌｏｗ”の状態にあるため、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは依然として“Ｌｏｗ”の状態にあり、書き込み終了信号ＷＥは“Ｈｉｇｈ”の状態のままであり、書き込み終了の制御は行われない。
（Ｂ時点） 図８のＢ時点は、バックアップ動作中においてバックアップ開始制御信号ＳＴＲが、バックアップ動作開始で“Ｌｏｗ”となった後、１クロックサイクルの後に“Ｈｉｇｈ”に切り替わる時点である。
書き込み終了信号生成部４２において、バックアップ開始制御信号ＳＴＲが“Ｈｉｇｈ”となることによって、トランジスタ４２ａはオン状態となるトランジスタ４２ｃはオフ状態となる。このとき、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｌｏｗ”状態にあるため、トランジスタ４２ｂはオフ状態にあり、書き込み終了信号ＷＥは“Ｈｉｇｈ”の状態にある。
（Ｃ時点） 図８のＣ時点は、バックアップ動作において記憶素子１１の抵抗（データＭ）が変化する時点であり、図１０はこの時点の動作状態を示している。
記憶素子１１の抵抗（データＭ）が“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”に変化すると、この変化に応じて出力信号Ａが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”に切り替わる。この出力信号Ａの変化に伴って、書き込み終了検出部４１の書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｈｉｇｈ”となる。書き込み終了信号生成部４２のトランジスタ４２ｂは書き込み終了検出信号ＤＯＮＥを受けてオン状態となって、書き込み終了信号ＷＥは“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”に切り替わる。
駆動手段２１Ａ，２１Ｂのトランジスタ２１Ａａ、２１Ｂａは、書き込み終了信号ＷＥが“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”に切り替わることでオフ状態となり、書き込み電流ＩＷＲの供給は停止される。
（電源オフ状態）
（Ｄ時点） 図８のＤ時点は、バックアップ動作から電源オフの状態に切り替わる時点である。この動作は、電源（ＶＤＤ）がオフ状態となることで行われる。この電源オフの状態において、抵抗（データＭ）の状態は維持される。なお、抵抗変化型記憶素子を用いて不揮発性フリップフロップを構成では、抵抗変化型記憶素子をバックアップ動作させて電源がオフ状態となることによるデータの消滅を避ける。
（読み出し動作）
（Ｅ時点） 図８のＥ時点は、電源オフから電源オンの状態に切り替わると共に、記憶素子に書き込まれたデータを読み出す時点であり、図１１はこの時点の動作状態を示している。
この時点では、イネーブル信号ＥＮは“Ｌｏｗ”の状態にあり、バックアップ信号は“Ｌｏｗ”の状態にある。
読み出し制御信号ＲＣＬおよびモニタ制御信号ＳＥの立ち上がりによって、トランジスタ３０ａ、３０ｂ、及び３１はオン状態となる。記憶素子１１の抵抗（データＭ）が高抵抗であるため、出力手段３０から“Ｈｉｇｈ”の出力信号Ａが出力される。書き込み終了検出部４１は、“Ｈｉｇｈ”状態の出力信号Ａと“Ｌｏｗ”状態の書き込み信号Ｙとを受けて、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｌｏｗ”を出力する。書き込み終了信号生成部４２のトランジスタ４２ｂは書き込み終了検出信号ＤＯＮＥを受けてオフ状態にあるが、トランジスタ４２ｄはバックアップ信号の反転信号によってオン状態となるため、書き込み終了信号ＷＥは“Ｌｏｗ”が維持される。
動作状態２：
図１２に示すタイミングチャートは、書き込み前後のデータが同じでありデータの書き替えが行われない場合において、通常動作、バックアップ動作、及び電源オフの状態を示している。ここで、通常動作は、データの書き込みを行わない動作状態であり、バックアップ動作は、データの書き込み及びデータの書き込み状態をモニタする動作状態であり、電源オフは記憶素子への電流供給を呈した状態である。
図１２において、図１２（ａ）は電源ＶＤＤを示し、図１２（ｂ）はクロックＣＬＫを示し、図１２（ｃ）は通常動作を有効とするイネーブル信号ＥＮを示し、図１２（ｄ）はデータ信号Ｎｑを示し、図１２（ｅ）はバックアップ動作を有効にするバックアップ信号ＢＣＫを示し、図１２（ｆ）は制御部２２のＮＡＮＤ出力を示し、図１２（ｇ）は制御部２２から出力される書き込み信号Ｙを示し、図１２（ｈ）は記憶素子１１の記憶状態を示し、図１２（ｉ）は出力手段３０の出力信号Ａ（読み出し信号ＶＲＤ、モニタ信号ＶＭ）を示し、図１２（ｊ）は記憶素子への書き込みが終了したことを検出する書き込み終了検出信号ＤＯＮＥを示し、図１２（ｋ）は書き込み電流を停止させる書き込み終了信号ＷＥを示し、図１２（ｌ）はバックアップ動作を開始するバックアップ開始制御信号ＳＴＲを示し、図１２（ｍ）は記憶素子に書き込みを行うための電流ＩＷＲを示し、図１２（ｎ）はモニタを有効にするモニタ制御信号ＳＥを示している。
（通常動作）
通常動作は、イネーブル信号ＥＮが“Ｈｉｇｈ”の状態によって、データの書き込みを行わない動作状態にある。なお、ここでは、記憶素子１１の抵抗状態は、図８のタイミングチャートの状態を受けて“Ｈｉｇｈ”の状態にあるものとし、書き込み信号Ｙと出力信号Ａとは共に“Ｌｏｗ”の状態にあり、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｌｏｗ”の状態にあり、データ信号Ｎｑは“Ｈｉｇｈ”を維持しているものとする。
（バックアップ動作）
図１３，図１４はバックアップ動作における書き込み手段２０、出力手段３０、及び制御手段４０の動作例を示している。
（Ｆ時点） 図１２のＦ時点は、通常動作からバックアップ動作に切り替わる時点であり、図１３はこの時点の動作状態を示している。
イネーブル信号ＥＮが“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”に変わることで、データの書き込み動作が開始され、バックアップ信号ＢＣＫが“Ｌｏｗ”から“Ｈｉｇｈ”の状態に変わることでバックアップ動作が開始される。
ＮＡＮＤ２２ａには、バックアップ信号ＢＣＫ及びデータ信号Ｎｑが入力され、バックアップ信号ＢＣＫの切り替わりによってＮＡＮＤ出力が“Ｌｏｗ”となり、インバータ２２ｂから書き込み信号Ｙが出力される。また、制御手段４０において、バックアップ信号ＢＣＫの反転信号が“Ｈｉｇｈ”に切り替わることによって、トランジスタ４２ｄがオン状態となって、書き込み終了信号ＷＥが“Ｈｉｇｈ”となり、書き込み動作が有効となる。
駆動手段２１Ａ，２１Ｂの各トランジスタ２１Ａａ，２１Ｂａは３０の書き込み終了信号ＷＥによってオフ状態からオン状態に変わり、抵抗変化型記憶素子１０の導電性電極１３に対して書き込み電流ＩＷＲが供給される。
また、出力手段３０のトランジスタ３０ａ，３０ｂはオン状態にあり、トランジスタ３１はモニタ制御信号ＳＥが立ち上がることでオン状態に切り替り、抵抗状態が高抵抗の状態にあるため、出力信号Ａは“Ｈｉｇｈ”の状態となる。
書き込み信号Ｙ及び出力信号Ａは“Ｈｉｇｈ”であるため、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｈｉｇｈ”状態となり、書き込み終了信号ＷＥは“Ｈｉｇｈ”状態となり、書き込み終了の制御は行われない。
このとき、制御手段は、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥが“Ｈｉｇｈ”状態となることを受けてバックアップ開始制御信号ＳＴＲを立ち下げる。
（Ｇ時点） 図１２のＧ時点は、バックアップ動作における書き込み終了の時点であり、図１３はこの時点の動作状態を示している。
この時点において、書き込み信号Ｙ及び出力信号Ａは“Ｈｉｇｈ”であり、書き込み終了検出信号ＤＯＮＥは“Ｈｉｇｈ”状態であるが、制御手段は書き込み終了検出信号ＤＯＮＥを受けてバックアップ開始制御信号ＳＴＲを立ち下げるため、書き込み終了信号ＷＥは“Ｈｉｇｈ”から“Ｌｏｗ”状態に切り替わって書き込み終了の制御が行われ、書き込み電流ＩＷＲは１サイクルで終了する。この動作から、記憶素子の記憶状態が書き込みを行うデータに対応する記憶状態と同じ場合には、書き込み処理が実質的にスキップされる。
（不揮発性フリップフロップの構成）
次に、本発明の抵抗変化型記憶素子の書き込み装置を用いた不揮発性フリップフロップの構成例について図１５〜図１８を用いて説明する。
なお、ここでは、マスターラッチとスレーブラッチとを継続接続して構成において、マスターフラッチ側に本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置を適用した例を示している。スレーブラッチについては通常のＣＭＯＳで構成したものとする。
図１５において、本発明の不揮発性フリップフロップ（ＮＶ−ＦＦ）５０は、抵抗変化型記憶素子を備え、データＤを入力し、クロックＣＬＫのタイミングで出力Ｑを出力する。図１５中のクロックＣＬＫ、イネーブル信号ＥＮ、データＤ、バックアップ信号ＢＣＫ、バックアップ開始制御信号ＳＴＲ、読み出し制御信号ＲＣＬは、抵抗変化型記憶素子の書き込み装置で説明したものと同様に信号であり、Ｍは抵抗変化型記憶素子の抵抗状態を示している。
図１５中に示すタイミングチャート中の符号は抵抗変化型記憶素子の書き込み装置で説明した図８，及び図１２で示したタイミングチャートと同様であり、通常動作において入力されたデータＤはバックアップ動作において抵抗状態で記憶されると共に出力Ｑとして出力され、読み出し動作（リコール動作）において出力Ｑとして出力される。
図１６は不揮発性フリップフロップ（ＮＶ−ＦＦ：Nonvolatile Flip-Flop）５０の一構成例を示す図である。不揮発性フリップフロップ（ＮＶ−ＦＦ）５０は、マスターラッチ５１とスレーブラッチ５２とを継続接続して構成される。
マスターラッチ５１はデータＤを入力し、クロックＣＬＫに同期させたデータ信号Ｎｑをスレーブラッチ５２に出力する。マスターラッチ５１は、前記で説明した抵抗変化型記憶素子の書き込み装置によってデータＤのデータ信号Ｎｑを抵抗変化型記憶素子１０に記憶素子１１に記憶する。
図１６の不揮発性フリップフロップ（ＮＶ−ＦＦ）５０の構成例は、前記した図５に示したものと同様の書き込み装置の構成として、抵抗変化型記憶素子１０，書き込み手段２０（駆動手段（書き込みドライバ）２１，制御部２２）、及び制御手段４０を備える。また、制御手段４０は、図７に示したものと同様の構成として、書き込み終了検出部４１及び書き込み終了信号生成部４２を備える。
（消費電力の比較）
次に、本発明の構成と従来構成とついて消費電力の比較例を示す。
本発明の不揮発性フリップフロップの例は、以下の表１に示すパラメータの抵抗変化型記憶素子を用い、９０ｎｍルールで設計している。
Figure 0006803063
図１７は、不揮発性フリップフロップの実施例の信号の例であり、０ｎｓから１２ｎｓの区間及び１２ｎｓから２４ｎｓの区間は前記した動作状態１に対応し、２４ｎｓから３６ｎｓの区間は上記した動作状態２に対応している。
図１７によれば、データの書き込み、及びデータ書き込み後に書き込み電流の終了処理が成されていることが確認される。また、記憶素子においてＮｑ＝Ｍの場合には書き込み処理がスキップされていることが確認される。
また、以下の表２は、ＣＭＯＳ構成のフリップフロップと、本発明に適用した抵抗変化型記憶素子を用いているが書き込み電流の自動停止を行わない構成のフリップフロップ（非特許文献１、表２中でRef．［31］で表記）と、従来構成の抵抗変化型記憶素子を用いて書き込み電流の自動停止を行った構成のフリップフロップ（非特許文献２、表２中でRef．［19］で表記）と、本発明の構成によるフリップフロップについて、消費電力［μＷ］、遅延時間［ＰＳ］、及び、ＰＤＰ［μＷ*ＰＳ］（消費電力μＷと遅延時間ＰＳの積）を示している。
Figure 0006803063
 なお、上記表２において、各行に示す項目は順に、揮発性／不揮発性の有無（NOは揮発性、YESは不揮発性を示す）、書き込み処理の自動終了の有無（NOは自動終了無し、YESは自動終了有りを示す）、トランジスタ数、消費電力（μＷ）、遅延時間（ｐｓ）、及びＰＤＰ（消費電力μＷと遅延時間ＰＳの積（μＷ・ｐｓ））を示している。
また、（＊１）は入力バッファ、出力バッファ、クロックバッファは含まれていないことを示し、（＊２）は電源電圧ＶＤＤを１．２Ｖとし９０ｎｍスケールのＣＭＯＳであることを示し、（＊３）は１．０ＧＨｚにおける通常動作中の消費電力を示し、（＊４）はクロックＣＬＫの電圧ＶCLKが５０％を超えてから出力Ｑの電圧ＶQが５０％を超えるまでの最大時間を示し、（＊５）はＰＤＰ（消費電力μＷと遅延時間ＰＳの積）を示している。
この比較によれば、消費電力μＷと遅延時間ＰＳの積で表されるＰＤＰは他の構成と比較して低減されることが確認される。
なお、実施例のフリップフロップでは、８ビットのＮＶ−ＦＦについて評価しており、スイッチング時間のばらつきは、平均のスイッチング時間が５ｎｓで標準偏差は１０％であり、最もばらつきが大きい場合にはスイッチング時間が１２ｎｓで標準偏差は１２％である。
図１８は、本発明に適用した抵抗変化型記憶素子を用いた構成において、書き込み電流の自動停止を行った本発明の構成（図１８中の濃いグラフ）と、書き込み電流の自動停止を行わなかった構成（図１８中の淡いグラフ）とについて２０回繰り返した場合のバックアップ動作時の消費電力を比較して示している。
図１８によれば、バックアップ時の消費電力が十分に低減されていることが確認される。
また、表３は、通常構成と本発明の構成とにおいて、バックアップエネルギーの１００回の平均値を比較している。この比較によれば、本発明の構成によればバックアップエネルギーは６９％の削減がされている。
Figure 0006803063
 なお、（＊１）は繰り返し回数が１００回であることを示し、（＊２）は任意のパターンの入力であることを示し、（＊３）は書き込みパルスにパルス幅は１２ｎｓであることを示している。
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置は、フリップフロップ、不揮発性記憶装置等の論理素子に適応することができる。
１ 抵抗変化型記憶素子の書き込み装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 抵抗変化型記憶素子
１０ａ 導電層
１０ｂ 磁化固定層
１０ｃ トンネルバリア層
１０ｄ 磁化自由層
１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ 端子
１０ｈ，１０ｉ スピン源
１０ｊ 磁壁
１０ｋ 重金属層
１０ｌ 記録層
１０ｍ 障壁層
１０ｎ 参照層
１１ 記憶素子
１２ 読み出し電極
１３ 導電性電極
２０ 書き込み手段
２１，２１Ａ，２１Ｂ 駆動手段
２１Ａａ，２１Ｂａ トランジスタ
２１Ａｂ，２１Ｂｂ インバータ
２２ 制御部
２２ａ ＮＡＮＤ回路
２２ｂ インバータ
３０ 出力手段
３０ａ トランジスタ
３０ｂ トランジスタ
４０ 制御手段
４１ 書き込み終了検出部
４１ａ 否定排他的論理和
４１ｂ，４１ｃ インバータ
４２ 書き込み終了信号生成部
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、４２ｄ トランジスタ
５１ マスターラッチ
５２ スレーブラッチ
１００ 書き込み装置
１１０ 抵抗変化型記憶素子
１１１ 記憶素子
１２０ モニタ部
１２０Ａ 書き込み手段
１２０Ａａ トランジスタ
１２０Ａｂ 書き込みドライバ
１２０Ｂ 書き込み手段
１２０Ｂａ トランジスタ
１２０Ｂｂ 書き込みドライバ
１２１ マルチプレクサ
１３０ 読み出し部
１３０ａ ＮＭＯＳトランジスタ
１３０ｂ ＰＭＯＳトランジスタ
ＢＣＫ バックアップ信号
ＣＬＫ クロック
Ｄ データ
ＤＯＮＥ 書き込み終了検出信号
ＥＮ イネーブル信号
ＧＮＤ 接地電圧
ＩＭ モニタ電流
ＩＲ 読み出し電流
ＩＷ０，ＩＷ１，ＩＷ２ 書き込み電流
ＩＷＲ 書き込み電流
Ｍ データ
Ｎｑ データ信号
Ｑ 出力
Ｒ０ 低抵抗
Ｒ１ 高抵抗
ＲＣＬ 読み出し制御信号
ＲＭ 抵抗
ＳＥ モニタ制御信号
ＳＴＲ バックアップ開始制御信号
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ 端子
ＶＢＬ 書き込み信号
ＶＤＤ 電源電圧
ＶＭ モニタ信号
ＶＲＤ 読み出し信号
ＷＥ 書き込み終了信号

Claims (5)

  1. 抵抗変化を生じる記憶素子の一端に導電性電極、他端に読み出し電極を備え、前記導電性電極に書き込み電流を流すことにより前記記憶素子に抵抗変化を生じさせる抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置であって、
    書き込み手段と、
    記憶素子からの読み出し信号、及び書き込み手段による記憶素子の書き込み状態をモニタするモニタ信号を出力する出力手段と、
    制御手段と、
    を備え、
    前記書き込み手段は、前記導電性電極への書き込み電流の電流方向を切り替えることにより前記抵抗変化型記憶素子の抵抗変化を生じさせ、前記書き込み電流の供給を停止しうる駆動手段を備え、
    前記出力手段は、電源と前記読み出し電極間に設けられ、
    前記制御手段は、前記抵抗変化型記憶素子への書き込み時に、前記出力手段からのモニタ信号に基づいて前記駆動手段を制御する
    ことを特徴とする抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置。
  2. 前記制御手段は、
    前記書き込み手段の書き込み信号と、前記出力手段の書き込み状態のモニタ信号とに基づいて書き込み終了検出信号を出力する書き込み終了検出部と、
    前記書き込み終了検出部の書き込み終了検出信号に基づいて書き込み終了信号を出力する書き込み終了信号生成部と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置。
  3. 前記出力手段は、ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタの直列回路を備え、
    前記ＰＭＯＳトランジスタのソース端に前記電源が接続され、
    前記ＮＭＯＳトランジスタのソース端に前記記憶素子の前記読み出し電極が接続され、
    前記ＰＭＯＳトランジスタのドレイン端と前記ＮＭＯＳトランジスタのドレイン端の接続ノードは、前記読み出し信号及び前記モニタ信号を出力する出力端であることを特徴とする請求項１又は２に記載の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置。
  4. 前記駆動手段は、
    導電性電極の一端にソースを接続し、書き込み電流源側にドレインを接続する第１のＮＭＯＳトランジスタと、
    導電性電極の他端にソースを接続し、書き込み電流源側にインバータを介してドレインを接続する第２のＮＭＯＳトランジスタとを備え、
    第１のＮＭＯＳトランジスタ及び第２のＮＭＯＳトランジスタのゲートに、前記制御手段からの書き込み終了信号を入力することを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置。
  5. マスターラッチとスレーブラッチとを継続接続する不揮発性フリップフロップであって、
    前記マスターラッチは、前記請求項１から４の何れか一つに記載の抵抗変化型記憶素子のデータ書き込み装置を備えることを特徴とする不揮発性フリップフロップ。
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