JPWO2013076928A1 - 不揮発性ラッチ回路、不揮発性フリップフロップ回路および不揮発性信号処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、第1の従来例として、特許文献1に記載されているようなスピンバルブ型のメモリ素子を用いた不揮発性ラッチ回路について説明する。スピンバルブ型メモリ素子はMRAM(Magnetic Random Access Memory)セルともいわれ、磁化の方向によって抵抗値が変化する磁気抵抗効果(Magneto Resistive Effect)を用いたメモリ素子である。磁気抵抗効果には、異方性磁気抵抗効果(Anisotropic Magnetoresistance:AMR)や巨大磁気抵抗効果(Giant Magnetoresistance:GMR)、トンネル磁気抵抗効果(Tunnel Magnetoresistance:TMR)などが知られている。
次に、第2の従来例として、非特許文献1に記載されているようなReRAM(Resistive RAM)セルを用いた不揮発性ラッチ回路について説明する。ReRAMセルは、電気的なストレス(主に電気パルス)の印加によって、抵抗値が変化する抵抗変化素子である。非特許文献1では、銀(Ag)電極と白金(Pt)電極との間にZnCdSの抵抗膜が挟まれた素子が開示されている。この従来例における抵抗変化素子は、BE(Pt)電極からTE(Ag)電極に電流が流れるような印加で、かつ所定の電圧レベルを超えると高抵抗化し、TE電極からBE電極に電流が流れるような印加で、かつ所定の電圧レベルを超えると低抵抗化する。この素子を、図18のように接続することにより不揮発性ラッチ回路を構成している。
次に第3の従来例として、特許文献2および特許文献3に挙げられているReRAMセルを用いた不揮発性ラッチ回路について説明する。
また、抵抗変化素子のセル構造の特徴として、特許文献4には、抵抗変化素子に含まれる酸化物層が第1の酸素含有率である第1の酸化物層と、前記第1の酸化物層より酸素含有率の高い第2の酸化物層との積層構造で構成することにより、電圧印加の方向と抵抗変化の方向とが決定されることが開示されている。また、特許文献5には、抵抗変化素子に用いる電極材料の標準電極電位が高いものと低いものとが用いることで、電圧印加の方向と抵抗変化の方向とが決定されることが開示されている。
[抵抗変化素子の構成]
まず、本発明に係る不揮発性ラッチ回路およびフリップフロップ回路に用いられる抵抗変化素子について説明する。
次に、本実施の形態に係る抵抗変化素子の電流−電圧特性について説明する。
次に、本発明の実施の形態1に係る不揮発性ラッチ回路について、図3を用いて説明する。
はじめに、不揮発性ラッチ回路100のラッチ動作では、図3または図4において、Ctrl端子およびトランスミッションゲートTMG2のR端子の信号レベルがLow(GNDレベル)にされている(但し、RB端子はVDDとする)。これにより、トランジスタ6および7と、トランスミッションゲートTMG2とがオフとなるため、抵抗変化素子1および加算増幅回路22が、インバータ回路20および21で構成されるラッチ動作部から切り離され、当該ラッチ動作部は、一般的なクロスカップル型ラッチ回路として動作する。
次に、本発明の特徴の一つであるラッチ状態のストア動作、すなわち抵抗変化素子への情報の書き込み動作、ついて図5A〜図7を用いて説明する。図5A〜図6Bにおいて、図3および図4と等しい記号が付加された構成要素は、同じものを表している。
次に、抵抗変化素子1に記憶された抵抗状態から、元のラッチ動作部の論理状態を復帰せしめるリストア動作について説明する。
次に、本発明の実施の形態1における重要な機能であるベリファイ追加書き込み工程について説明する。既に述べたように、本発明に係る不揮発性ラッチ回路および不揮発性フリップフロップ回路に用いられる抵抗変化素子は、半導体プロセスの製造工程と非常に親和性が高く、CMOSトランジスタを作製した後の工程で容易に作製できる。更には、動作が高速でデータ保持特性や書き換え回数の上限などといった信頼性も優れている。これらの特徴から、非常に高性能な不揮発性ラッチ回路を構成することが可能となる。
次に、本発明の実施の形態2に係る不揮発性ラッチ回路200について、図13および図14を用いて説明する。
次に、本発明の実施の形態3に係る不揮発性ラッチ回路を用いた不揮発性フリップフロップ回路について図15Aと図15Bを用いて説明する。
次に、本実施の形態における不揮発性Dフリップフロップ回路104のリストア動作について説明する。図15Aの不揮発性Dフリップフロップ回路104において、VS端子はLowに固定され、G端子はHighに固定される。これにより、トランスミッションゲートTMG8はオフとなり、Ck1はLowおよびCk2はHighとなるので、トランスミッションゲートTMG1はオフ、TMG5はオン、TMG6はオンおよびTMG7はオフとなる。さらに、VR端子はHigh、R端子はHigh、C端子はHighに固定され、トランスミッションゲートTMG9はオン、TMG10はオフおよびTMG2はオンとなる。上記回路状態において、Ctrl端子よりリード電圧が印加されると、実施の形態1で説明したように、加算増幅回路22により、抵抗変化素子1に記憶された抵抗状態に従って不揮発性Dラッチ回路102の状態が復元される。さらに、不揮発性Dラッチ回路102の出力Q1はD2に入力されており、インバータ回路50および51の状態も確定し、出力Q2およびQoutに、ストア直前の不揮発性Dフリップフロップ回路104の状態が復元される。
次に、本実施の形態における不揮発性Dフリップフロップ回路104のストア動作について説明する。まず、ストア前の確認リード動作(Verify Read)について述べる。図15Aの不揮発性Dフリップフロップ回路104において、VS端子はHighに固定され、G端子はHighに固定される。これによりトランスミッションゲートTMG8はオンとなり、Ck1はLowおよびCk2はLowとなるので、トランスミッションゲートTMG1はオフ、TMG5はオン、TMG6はオフおよびTMG7はオンとなる。さらに、VR端子はHigh、R端子はLow、トランスミッションゲートTMG9はオン、TMG10はオフおよびTMG2はオフとなる。また、C端子はLowに固定され、不揮発性Dラッチ回路102内の加算増幅回路22の増幅比率は、実施の形態2で説明したように、書き込み用リード判定点(第2または第3リード判定点)となる。上記回路状態において、Ctrl端子よりリード電圧が印加されると、実施の形態2で説明したように、加算増幅回路22により、抵抗変化素子1に記憶された抵抗状態がHR状態であれば、ノード5にHighが出力され、抵抗変化素子1に記憶された抵抗状態がLR状態であれば、ノード5にLowが出力される。このとき、インバータ回路20およびインバータ回路21で構成されるラッチ回路のラッチ状態が、ノード2がHighでノード1がLowの状態にあるならば、そのときのストア動作は抵抗変化素子1にHRを書き込むこととなる。これを“HR書き込みのラッチ状態”と称すると、上述のストア前の確認リード動作によってノード5がHighとなるような抵抗変化素子1である場合には、書き込みが不要である。また同様に、インバータ回路20およびインバータ回路21で構成されるラッチ回路のラッチ状態が、ノード2がLowでノード1がHighの状態にあるならば、そのときのストア動作は抵抗変化素子1にLRを書き込むこととなる。これを“LR書き込みのラッチ状態”とすると、上述のストア前の確認リード動作によってノード5がLowとなるような抵抗変化素子1である場合は、書き込みが不要である。そして、“HR書き込みのラッチ状態”でノード5がHighであれば、比較回路23の入力はともにHighで等しくなり出力がLowとなる。同様に“LR書き込みのラッチ状態”でノード5がLowであれば、比較回路23の入力はともにLowで等しくなり出力がLowとなる。このとき、比較回路23の出力であるDiff信号は、トランスミッションゲートTMG8を介してインバータ回路50に入力され、Dラッチ回路103にラッチされ、インバータ回路51の出力もLowを出力する。そして、次にストア動作を実行する前にVR端子をHighからLowにする。このときインバータ回路51の出力であるQ2信号もLowであるので、iVRはLowとなり、トランスミッションゲートTMG10がオンでトランスミッションゲートTMG9がオフである。この状態によれば、Ctrl端子から書き込みパルスが入力されても、iCtrlノードは、Lowに固定され抵抗変化素子1への書き込みが実行されない。すなわち、既に抵抗変化素子の抵抗状態が、既に書き込みを行う目標の抵抗状態と等しければ、書き込み行為が実行されない。このため不必要な追加書き込みがなくなり、素子へのストレスが軽減され、素子の寿命が増大できるとともに、同じ方向に複数回書き込むことによって極度に高抵抗または低抵抗に推移させて、正常な抵抗変化ができなくなるような不具合の発生も防止する。
本発明の実施の形態4について、図16を用いて説明する。
2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、30、31 トランジスタ
12 抵抗素子
20、21、50、51、611、612、821、822 インバータ回路
22 加算増幅回路
23 比較回路
70 不揮発性信号処理装置
71 制御回路
100、110、200、600、700、800 不揮発性ラッチ回路
102 不揮発性Dラッチ回路
103 Dラッチ回路
104 不揮発性Dフリップフロップ回路
501 第1電極層
502 第1抵抗変化層
503 第2抵抗変化層
504 第2電極層
505 ゲート酸化膜層を有するゲート
506 ソース/ドレイン領域
507 プラグ層
508 金属配線層
601 センス・ラッチ回路
602 書込電流生成回路
621、623、625、626 p型MOSFET
622、624、627、628、629、630、631、632 n型MOSFET
TMG1、TMG2、TMG3、TMG4、TMG5、TMG6、TMG7、TMG8、TMG9、TMG10 トランスミッションゲート
Claims (10)
- 第1の論理反転回路と、入力端子が前記第1の論理反転回路の出力端子に接続され出力端子が前記第1の論理反転回路の入力端子に接続された第2の論理反転回路とで構成されたラッチ動作部を備える不揮発性ラッチ回路であって、
第1端子と第2端子と第1制御端子とを有し、前記第1制御端子の電圧により前記第1端子と前記第2端子との間の導通状態を制御する第1トランジスタと、
第3端子と第4端子と第2制御端子とを有し、前記第2制御端子の電圧により前記第3端子と前記第4端子との間の導通状態を制御する第2トランジスタと、
金属酸化物で構成された酸化物層を第1および第2の電極で挟んだ構造である抵抗変化素子と、を備え、
前記第1トランジスタの前記第1端子と前記抵抗変化素子の前記第1の電極とが第1のノードを介して接続され、前記第2のトランジスタの前記第4端子と前記抵抗変化素子の前記第2の電極とが第2のノードを介して接続され、
前記第1の論理反転回路の前記出力端子と前記第1のトランジスタの前記第2端子とが第3のノードを介して接続され、前記第2の論理反転回路の前記出力端子と前記第2のトランジスタの前記第3端子とが第4のノードを介して接続され、
前記抵抗変化素子は、前記第1の電極から前記第2の電極へ電流が流れる向きに所定の第1電圧より大きい第1書き込み電圧を前記第1の電極および前記第2の電極間に印加することで第1の抵抗状態に推移し、前記第2の電極から前記第1の電極へ電流が流れる向きに所定の第2電圧より大きな第2書き込み電圧を前記第1の電極および前記第2の電極間に印加することで前記第1の抵抗状態より大きな抵抗値となる第2の抵抗状態に推移し、
さらに、前記不揮発性ラッチ回路は、
前記第1制御端子および前記第2制御端子に、前記第1電圧および前記第2電圧より絶対値の小さな電圧を印加することにより得られる前記第1のノードの電位と前記第2のノードの電位との加算値に基づいて、前記抵抗変化素子の抵抗状態を表すハイレベルの電圧またはローレベルの電圧を前記ラッチ動作部に向けて出力することにより、前記ラッチ動作部の論理状態を復帰せしめる加算増幅回路と、
前記加算増幅回路が前記ハイレベルの電圧またはローレベルの電圧を前記ラッチ動作部に向けて出力していない場合に、前記加算増幅回路の出力と前記第1の論理反転回路または前記第2の論理反転回路の出力との一致度の比較結果に基づいてハイレベルまたはローレベルの電圧を出力する比較回路とを備える
不揮発性ラッチ回路。 - 前記比較回路による前記比較結果が一致することにより、前記ラッチ動作部の現在の論理状態を表すべき前記抵抗変化素子の抵抗状態と、前記加算増幅回路の出力である書き込みを実行した後の前記抵抗変化素子の抵抗変化状態とが等しいことを示す場合は、書き込みを禁止し、
前記比較回路による前記比較結果が不一致であることにより、前記ラッチ動作部の現在の論理状態を表すべき前記抵抗変化素子の抵抗状態と、前記加算増幅回路の出力である書き込みを実行した後の前記抵抗変化素子の抵抗変化状態とが異なることを示す場合には、書き込みを許可する第1リード/ライト制御回路を備える
請求項1に記載の不揮発性ラッチ回路。 - 前記加算増幅回路は、前記加算値を増幅することにより、前記抵抗変化素子の抵抗状態を表すハイレベルの電圧またはローレベルの電圧を出力し、
前記抵抗変化素子から前記ラッチ動作部の論理状態を復帰せしめるために前記抵抗変化素子の抵抗状態を表すハイレベルの電圧またはローレベルの電圧を前記ラッチ動作部に向けて出力する通常リードの場合には、第1の増幅比率により前記加算値を増幅し、
前記抵抗変化素子の抵抗状態を変化させるための書き込み動作の前後で、前記抵抗状態を確認するために前記抵抗変化素子の抵抗状態を表すハイレベルの電圧またはローレベルの電圧を前記比較回路に向けて出力する確認リードの場合には、前記第1の増幅比率と異なる第2の増幅比率により前記加算値を増幅する
請求項1に記載の不揮発性ラッチ回路。 - 前記酸化物層は、第1の金属で構成される第1酸化物層と、第2の金属で構成される第2酸化物層との積層構造を含み、
前記第1酸化物層の酸素不足度は、前記第2酸化物層の酸素不足度より大きく、
前記第2の電極と前記第2酸化物層とが接し、前記第1の電極と前記第1酸化物層とが接している
請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発性ラッチ回路。 - 前記第1酸化物層は、TaOx(但し、0<x<2.5)で表される組成を有する第1タンタル酸化物層である
請求項4に記載の不揮発性ラッチ回路。 - 前記第2酸化物層は、TaOy(但し、x<y)で表される組成を有する第2タンタル酸化物層である
請求項4に記載の不揮発性ラッチ回路。 - 前記第2の電極の材料は、前記第1の電極の材料よりも標準電極電位が高い
請求項1〜6のいずれか1項に記載の不揮発性ラッチ回路。 - さらに、
前記比較回路の出力をラッチするラッチ回路と、
前記ラッチ回路の出力に基づいて、前記第1制御端子および前記第2制御端子に印加される電圧を制御する第2リード/ライト制御回路とを備える
請求項1〜7のいずれか1項に記載の不揮発性ラッチ回路。 - クロックトリガー型の不揮発性フリップフロップ回路であって、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の不揮発性ラッチ回路である第1のラッチ回路と、
前記第1のラッチ回路と直列に接続され、入力信号をラッチする機能と、前記比較回路の出力信号をラッチする機能とを兼用する第2のラッチ回路と、
前記比較回路の出力をラッチしたラッチ信号に基づいて前記第1のラッチ回路の書き込みを制御する第3リード/ライト制御回路とを備える
不揮発性フリップフロップ回路。 - 請求項9に記載のN(Nは2以上の自然数)個の不揮発性フリップフロップ回路と、
前記N個の不揮発性フリップフロップ回路のそれぞれに含まれる前記比較回路の出力信号を統合して、前記N個の不揮発性フリップフロップ回路の有する全ての前記抵抗変化素子への書き込み動作が正常に終了することを監視し、前記N個の不揮発性フリップフロップ回路に対し、前記抵抗変化素子への書き込み動作および前記抵抗変化素子からの読み出し動作の制御を行う制御回路とを備える
不揮発性信号処理装置。
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