JPWO2013099536A1 - 集積回路 - Google Patents

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Abstract

従来のＳＴＴ−ＭＴＪ素子等を用いたラッチ回路を高速に動作させる場合に生じた、消費電力の増大ならびにスイッチング確率の低下がない集積回路を提供するもので、集積回路１は、書き込み信号が入力された後一定の期間τの経過後に書き換えが起こる記憶素子１Ｂと、回路を構築する基本素子で構成されるデータ保持機能を有する基本回路１Ａと、を備えていて、基本回路１Ａの情報処理中における第１の動作モードでの動作周波数ｆ1が、τ＞λ1／ｆ1（０＜λ1≰１）なる関係を満たすことを特徴とする。

Description

本発明は、集積回路に関する。さらに詳しくは、本発明は抵抗値変化で記憶させる記憶素子を用いた不揮発性メモリ等に使用できる集積回路に関する。
集積回路は微細化(スケーリング)と共に性能が向上してきたが、同時に集積回路を構成している基本素子であるＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタのオフ時のリーク電流が大きくなり、これによる消費電力の増大が近年スケーリングよる性能向上の足かせになってきている。このような状況において、集積回路が情報処理を行っていない時には、その回路の電源を遮断することで、オフ・リークを削減する試みが活発に行われている。この場合、必要なデータはデータ保持時間が長い記憶素子に蓄えることによって、再び電源が投入された後に、回路状態を電源遮断前のものに復帰させることが必要になる。
上記の記憶素子として、磁気抵抗トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction:ＭＴＪ )、抵抗変化型メモリ(ＲｅＲＡＭ)、相変化メモリ（ＰＣＲＡＭ）等を用いた各種のメモリが考えられている。
電源を供給しなくてもデータを保持できて、高速に書き込みや読み出しが可能な半導体記憶装置は、将来、ロジックＬＳＩにおけるオンチップのキャッシュメモリなどに使われることで、ロジックＬＳＩのパワーが大幅に低減できる技術として注目されている。
特に、記憶素子として抵抗変化型のＭＴＪ素子を用いたメモリは、その書き換え耐性の高さや将来ＭＴＪ素子の微細化に伴い、メモリセルを小型化しても安定にメモリ動作が可能であるので、最も有望視されている。
外部磁場を印加しないで、ＭＴＪ素子に流す電流の向きを変えることで自由層の磁化反転ができるスピン注入型のＭＴＪ素子（ＳＴＴ−ＭＴＪ素子と呼ばれている。）が実現されている。ＭＴＪ素子やＳＴＴ−ＭＴＪ素子とＣＭＯＳ集積回路を混合した、所謂ＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路は、超低電力のＬＳＩの有力な候補の一つである。
しかしながら、上記のようなデータ保持特性が良い、つまりデータの保持時間が長い記憶素子に高速にデータ書き込む、すなわちスイッチングする際には、一般的に以下に述べるような課題があるために、現在のところまだ実用化の域には達していない。
特許文献１及び非特許文献１には、不揮発性ラッチ回路が開示されている。
図１３２は、非特許文献１で報告されている不揮発性ラッチ回路８００の回路図である。この図に示すように、非特許文献１で報告されている不揮発性ラッチ回路８００は、二つのインバータ８０１、８０２がリング状に接続された双安定回路８１０と双安定回路の８１０の入力及び出力のそれぞれに接続されるＭＴＪ素子８０３、８０４等から構成されている。非特許文献１の不揮発性ラッチ回路８００は、ＭＴＪ素子８０３、８０４を反転させて動作させるということが前提になっている。また、この不揮発性ラッチ回路８００は、ＣＭＯＳ回路からなるラッチとＭＴＪ素子８０３、８０４がスイッチ用ＭＯＳＦＥＴを介して接続され、そのオン・オフによりＭＴＪ素子８０３、８０４への書き込み制御を行っている（非特許文献１、Ｆｉｇ．８参照）。
図１３３は、従来例１のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路の構成を示すブロック図である。図に示すように、従来例１のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路では、データを全ての周期でＭＴＪ素子に書き込む。これは、ＭＴＪ素子がＣＭＯＳの動作周波数を持つことを要求する。さらに、ＭＴＪ素子に高速で書き込むためには、書き込み電圧も増加させなければならない。
図１３４は、従来例２のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路の構成を示すブロック図である。この図に示すように、従来例２のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路では、ＣＭＯＳだけを使用する。しかしながら、従来のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路は、電源制御（ＰＧと呼ぶ。）の前にＭＴＪ素子にデータを記憶させることができる。この場合には、低電力動作が可能である。そして、もしも高速で動作したとしても、この回路がＭＴＪ素子のために高速動作を必要としないので、ＭＴＪ素子の記憶エラーを抑制することができる。しかしながら、ＭＴＪ素子に記憶させたり、記憶したデータを再びロードするときに制御するために、周辺回路が必要になる。
しかしながら、報告されているＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路の動作周波数は、ＣＭＯＳＬＳＩに比較して速くない（非特許文献３、４参照）。ＭＴＪ素子では、スイッチング速度が数百ＭＨｚになると、ＭＴＪ素子のエラー速度と書き込み速度の増加が生じる。
図１３５は、非特許文献２で本発明者等により報告された、不揮発性ラッチ８５０の基本構成を示す回路図である。この図１３５に示すように、不揮発性ラッチ８５０は、第１のラッチ８６０と、第１のラッチ８６０に接続されるスピン注入型のＭＴＪ素子８６５、８６６と、上記スピン注入型のＭＴＪ素子８６５、８６６に接続される第２のラッチ８７０とを、含んで構成されている。上記スピン注入型のＭＴＪ素子８６５、８６６は、上記第１及び／又は第２のラッチ８６０、８７０の動作周波数よりも低い動作周波数で書き込みがされる。
国際公開公報、ＷＯ２００９／０２８２９８
S. Yamamoto and S. Sugihara, Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009) 043001 T. Endoh, S. Togashi, F. Iga, Y. Yoshida, T. Ohsawa, H. Koike, S. Fukami, S. Ikeda, N. Kasai, T. Hanyu, and H. Ohno, "A 600MHZ MTJ-Based Nonvolatile Latch Making Use of Incubation Time in MTJ Switching", IEEE, IEDM 2011,4-3 N. Sakimura et al., CICC 2008, p.355 K. Tsuchida et al., ISSCC 2010, p.258
図１３３に示す従来例１のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路は、動作周波数が高くなると劇的に消費電力が増加し、高速動作ではエラーも増加していた。
図１３４に示す従来２のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路は、周辺回路が必要となるので、チップ面積が増大し動作電力を増大させる。このため、ＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路を実現するためにはシステムと回路設計が複雑になるので、高コストとなる。
以上説明したように、従来のＳＴＴ−ＭＴＪ素子を使ったラッチ回路は、高速動作をさせると消費電力が増加すると共に反転確率が低下するという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑み、従来のＳＴＴ−ＭＴＪ素子等を用いたラッチ回路を高速に動作させる場合に生じた、消費電力の増大ならびにスイッチング確率の低下がない集積回路を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の集積回路は、書き込み信号が入力された後ある一定の期間τの経過後に書き換えが起こる記憶素子と、回路を構築する基本素子で構成されるデータ保持機能を有する基本回路と、を備え、基本回路の情報処理中における第１の動作モードでの動作周波数ｆ1が、τ＞λ1/f1（０＜λ1≦１）なる関係を満たす。
ここで、λ1は、基本回路の情報処理中における第１の動作モードの周期（1/f1）中において、前記記憶素子に書き込みが行われている時間の割合を示す。
上記構成において、記憶素子は、好ましくは、τ＜λ2／ｆ2（０＜λ2≦１）の関係を満たすような周波数を持つ第２の動作モードを有している。
ここで、λ2は、基本回路の情報処理中における第２の動作モードの周期（1/f2）中において、前記記憶素子に書き込みが行われている時間の割合を示す。
上記集積回路はさらに制御回路を備えていてもよく、この制御回路は、基本回路の情報処理中における第１の動作モードでの動作周波数ｆ1が、τ＞λ1／ｆ1なる関係を満たし、電源電圧を遮断することを認識させる信号を制御回路へ入力することにより、τ＜λ2／ｆ2の関係を満たすような周波数ｆ2を有している第２の動作モードを起動してもよい。
基本回路は、好ましくは、第２の動作モードを起動する信号により回路構成の変更がされない。
好ましくは、電源を遮断する第３の動作モードと電源を立ち上げる第４の動作モードがあり、第４の動作モードにおいて記憶素子に記憶されていたデータをデータ保持機能へ読み出し、保持する。
好ましくは、第３の動作モードの前には第２の動作モードが実行される。
好ましくは、電源電圧がある一定の値を超えて低下したことを検知して、第２の動作モードを起動する。
好ましくは、前記電源電圧がある一定の値を超えて低下したことを検知して、前記電源電圧を遮断する信号を発生する。
集積回路は、好ましくは、複数のブロックに分かれており、各ブロック毎に専用の電源電圧が供給されていると共に動作モードが独立に制御される。
好ましくは、１個あるいは複数の集積回路を含むシステム集積回路を備え、該システム集積回路は、基本回路とこの基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、集積回路を動作させるための複数の命令は、不揮発性の記憶素子に記憶されていて、この命令の中には各集積回路の電源を遮断する命令と投入する命令が含まれている。
好ましくは、１個あるいは複数の集積回路を含むシステム集積回路を備え、このシステム集積回路は、基本回路とこの基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、各集積回路が一定期間にわたり情報処理を行わないことを検知した場合には、その集積回路の電源を遮断するための第２の動作モードを実行し、電源がオフしている集積回路に対して情報処理を実行する命令が発行された場合には第４の動作モードが実行される。
好ましくは、１個あるいは複数の集積回路を含むシステム集積回路を備え、このシステム集積回路は、基本回路と基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、チップ内の複数の回路ブロック毎に電源を遮断する命令とそれを投入する命令を含む複数の命令が記憶されているメモリと、各ブロック単位で電源供給を制御する機能を有している。
好ましくは、１個あるいは複数の集積回路を含むシステム集積回路を備え、このシステム集積回路は、基本回路とこの基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、チップ内の複数の回路ブロック毎に電源供給を制御する機能を持ち、各ブロックがある一定期間以上にわたり情報処理を行わないことを検知した場合には、その電源を遮断するための第２の動作モードを実行し、電源がオフしているブロックに対して情報処理を実行する命令が発行された場合には第４の動作モードが実行される。
好ましくは、１個あるいは複数の集積回路を含むシステム集積回路を備え、このシステム集積回路は、基本回路とこの基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、電源が一定のあたいを超えて低下したのを検知した場合には、その集積回路の電源を遮断するための第２の動作モードを実行し、電源がオフしている集積回路に対して情報処理を実行する命令が発行された場合には第４の動作モードが実行される。 記憶素子は、好ましくは、抵抗変化型の記憶素子であるか、スピン注入型のＭＴＪ素子である。
スピン注入型の磁化方向は、好ましくは、集積回路が形成されるおおむね面内方向である。または、スピン注入型の磁化方向は、好ましくは、集積回路が形成される面内におおむね垂直方向である。
記憶素子は、好ましくは、相変化型の記憶素子である。
本発明の集積回路によれば、基本回路と基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、高速に動作させても消費電力の増加を抑えることが可能で、記憶素子の反転確率を飛躍的に高めることが可能な集積回路が実現できる。本発明により低消費電力で信頼性が高い集積回路が実現でき、低消費電力の電子機器を実現することが可能になる。
本発明の集積回路の基本構成の情報処理をする間の第１の動作モードを説明する図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は書き込みパルスのタイムチャートである。 本発明の集積回路の基本構成において電源を切るための第２の動作モードを説明する図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は書き込みパルスのタイムチャートである。 本発明の集積回路の第１〜第４のモードを示すタイムチャートである。 ＭＴＪ素子の構造を示す図であり、それぞれ、（ａ）はＭＴＪ素子において固定層と自由層の磁化方向が平行状態の場合、（b）はＭＴＪ素子において固定層と自由層６３の磁化方向が反平行の場合、（c）は等価回路図である。 ＭＴＪ素子の抵抗変化を示すＩＶ特性である。 ＲｅＲＡＭのメモリセルの構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は電流電圧特性である。 ＲｅＲＡＭの別のメモリセルの構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は電流電圧特性である。 ＰＣＲＡＭのメモリセルの構造を示し、（ａ）断面図、（ｂ）は電流電圧特性である。 記憶素子を説明する図であり、（ａ）は印加される電圧と電流の関係を示す図、（ｂ）は状態パラメータとエネルギーの関係を示す図、（ｃ）はスイッチング波形を示すタイムチャートである。 本発明の集積回路の第１のシーケンスを示す図である。 本発明の集積回路の第２のシーケンスを示す図である。 本発明の集積回路の第３のシーケンスを示す図である。 本発明の集積回路の第４のシーケンスを示す図である。 本発明の集積回路の第５のシーケンスを示す図である。 本発明の効果を示す図であり、（ａ）は記憶素子のスイッチング時間と電流の関係、（ｂ）は記憶素子のスイッチング時間とスイッチング確率を示している。 集積回路の消費電力を示す図であり、（ａ）は本発明の集積回路、（ｂ）は従来のＳＴＴ−ＭＴＪ素子を用いた不揮発性ラッチ回路を示している。 本発明の集積回路の第２の実施形態の基本構成としてのラッチを示す回路図である。 図１７で使用している入力制御信号ＷＣＫを発生する制御回路の回路である。 本発明の集積回路の動作を説明するためのタイムチャートである。 本発明の集積回路の動作を模式的に示す図である。 図２０Ａにおいて、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA＋ｔB）と、第１の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ1と、第２の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ2との関係を説明する図である。 本発明の集積回路の動作点と電流の関係を模式的に示す図である。 本発明の集積回路の動作モードを示すタイムチャートである。 図２２Ａにおいて、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA＋ｔB）と、第１の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ1と、第２の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ2との関係を説明する図である。 本発明の半導体記憶装置の高周波における動作を説明する回路図である。 本発明の半導体記憶装置１のＶdd遮断直前のデータのセーブ動作を説明する回路図である。 本発明の半導体記憶装置の電源立ち上げ時における動作を説明する回路図である。 図１７の集積回路のシミュレーションを示し、（ａ）は入力波形、（ｂ）はシミュレーションで得たＭＴＪ素子の抵抗を示す図である。 ｉ-ＭＴＪ素子とｐ-ＭＴＪ素子のスイッチング時間を測定する回路図である。 ＭＴＪ素子のスイッチング特性を示し、（ａ）はp−ＭＴＪ素子、（ｂ）はｉ−ＭＴＪ素子を示す図である。 ＭＴＪ素子のスイッチング特性に対する書き込み電圧Ｖｐ依存性を示し、（ａ）は潜伏時間（ｔA）、（ｂ）は遷移時間（ｔB）を示す図である。 本発明の第２の実施形態の変形例１の集積回路の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例２の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例３の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例４の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例５の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例６の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例７の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例８の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の変形例９に係る集積回路の構成を示す回路図である。 図３８の集積回路の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１０の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１１の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１２の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１３の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１４の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１５の構成を示す回路図である。 図４５の集積回路の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１６の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の変形例１７に係る集積回路の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１８の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１９の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の変形例２０に係る集積回路の構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例２１の構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る集積回路であるフリップフロップ回路のブロック図である。 フリップフロップ回路の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る集積回路の回路図である。 図５５のＮＯＲ型のフリップフロップ回路のシミュレーションに用いる波形を示す図である。 シミュレーション波形の一例を示す図である。 本発明のＮＯＲ型のフリップフロップ回路の変形例を示し、（ａ）は第１の回路、（ｂ）は第２の回路、（ｃ）は第３の回路である。 ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路において電流駆動の記憶素子の潜伏時間を調整できる回路であり、（ａ）は抵抗を用いる回路、（ｂ）はＭＯＳＦＥＴを用いる回路を示している。 ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路において電圧駆動の記憶素子の潜伏時間を調整できる回路であり、（ａ）は抵抗を用いる回路、（ｂ）はＭＯＳＦＥＴを用いる回路、（ｃ）は抵抗とＭＯＳＦＥＴを用いる回路を示している。 ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路において、記憶素子の待機時の貫通電流を防止する回路であり、（ａ）は第１の回路、（ｂ）は第２の回路を示している。 図６１（ｂ）の回路において、記憶素子としてＭＴＪ素子を使用し待機時の貫通電流を防止する回路のシミュレーションに用いる波形を示す図である。 図６２の波形をフリップフロップ回路に入力したときの、データ復帰時のシミュレーション波形を示す図である。 フリップフロップ回路の動作時のシミュレーション波形を示す図である。 ＭＴＪ素子に流れる電流のシミュレーション波形を示す図である。 自動セーブ機能付きＲＳフリップフロップ回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）は駆動波形の一例を示す図である。 ＭＴＪ素子の切り離しが可能なＲＳフリップフロップ回路の回路図である。 図６７のＲＳフリップフロップ回路に自動セーブ機能を設けた回路の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係るＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）は駆動波形の一例を示す図である。 本発明のＮＡＮＤ型のフリップフロップ回路の変形例を示し、（ａ）は第１の回路、（ｂ）は第２の回路、（ｃ）は第３の回路である。 自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路の回路図である。 自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路の機能を説明するブロック図である。 Ｄラッチの回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。 自動セーブ機能付きＤラッチの回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。 Ｄフリップフロップ回路の回路図である。 Ｄフリップフロップ回路の回路図の一例である。 Ｄフリップフロップ回路の別の一例を示す回路図である。 Ｔフリップフロップ回路を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。 Ｔフリップフロップ回路の別の例を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。 自動セーブ機能付きＴフリップフロップ回路の回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。 ＮＯＲ型ＪＫフリップフロップ回路を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。 ＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。 自動セーブ機能付きＪＫフリップフロップ回路の回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第４の実施形態に係るインバータの回路図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第４の実施形態に係るＮＡＮＤの回路図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ＮＡＮＤの変形例を示す回路図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第４の実施形態に係るＮＯＲの回路図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ＮＯＲの変形例を示す回路図である。 本発明の第５の実施形態に係る集積回路としてＳＲＡＭを示し、（ａ）はＳＲＡＭの構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセル、（ｃ）はメモリセルの回路である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明のメモリセルの動作波形の２例を説明する図である。 本発明の第５の実施形態の変形例１に係るＳＲＡＭを示し、（ａ）はＳＲＡＭの構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセル、（ｃ）はメモリセルの回路である。 本発明のメモリセルの動作波形を説明する図である。 本発明の第５の実施形態の変形例２に係るＳＲＡＭの構成を示し、（ａ）はＳＲＡＭの構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセルの回路図である。 本発明のメモリセルの動作波形を説明する図である。 本発明の第５の実施形態の変形例３に係るＳＲＡＭの構成を示し、（ａ）はＳＲＡＭの構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセル、（ｃ）はメモリセルの回路図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明のメモリセルの動作波形を説明する図である。 本発明の第５の実施形態の変形例４に係るＳＲＡＭの構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）はメモリセルの回路図である。 本発明のメモリセルの動作波形を説明する図である。 本発明の第６の実施形態に係る２値のＣＡＭのメモリセルの構成を示し、（ａ）はＮＯＲ型ＣＡＭ、（ｂ）はＮＡＮＤ型ＣＡＭの回路図である。 本発明の２値（バイナリィー）のＣＡＭのメモリセルの変形例の構成を示し、（ａ）はＮＯＲ型ＣＡＭ、（ｂ）はＮＡＮＤ型ＣＡＭの回路図である。 本発明の第６の実施形態に係る３値の不揮発性ＣＡＭのメモリセルの構成を示し、（ａ）はＮＯＲ型ＣＡＭ、（ｂ）はＮＯＲ型ＣＡＭの変形例の回路図である。 本発明の３値の不揮発性ＮＡＮＤ型ＣＡＭの変形例の構成を示す回路図である。 本発明に係る３値の不揮発性ＮＡＮＤ型ＣＡＭの別の変形例の回路図である。 本発明の第７の実施形態に係る集積回路としてＦＰＧＡの構成を示し、（ａ）はＦＰＧＡの構成を示すブロック図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 ＦＰＧＡ内のスイッチの具体的な構成を示し、（ａ）はスイッチの模式図、（ｂ）はスイッチの回路図である。 本発明の第７の実施形態の変形例１に係るスイッチの構成を示す回路図である。 本発明の第７の実施形態の変形例２に係るＦＰＧＡ内のＭＵＸ(マルチプレクサ)の構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）は回路図である。 本発明の第７の実施形態の変形例３に係るＦＰＧＡ内のＭＵＸの構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）は回路図である。 本発明の第７の実施形態の変形例４に係るＦＰＧＡ内の論理ブロック内のスイッチの構成を示し、（ａ）は論理ブロックのブロック図、（ｂ）は論理ブロックの回路図、（ｃ）はスイッチの回路図である。 本発明の第７の実施形態の変形例５に係るＦＰＧＡ内の論理ブロック内のスイッチの構成を示し、（ａ）は論理ブロックのブロック図、（ｂ）は論理ブロックの回路図、（ｃ）はスイッチの回路図である。 本発明の第８の実施形態に係る集積回路としてページバッファの構成を示す回路図である。 本発明の第８の実施形態の変形例に係るページバッファの構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）は行アドレスバッファのメモリセルの回路図である。 本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの構成を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例１の構成を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例２の構成を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例３の構成を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例４の構成を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例５の構成を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例６の構成として、Ｗｒｉｔｅパルス幅の指定のためのフローチャートである。 本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例７の構成を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例８の構成を示す回路図である。 本発明の半導体記憶装置の基本構成を示す回路図である。 ＭＴＪ素子の構造を示す図であり、それぞれ、（ａ）はＭＴＪ素子において固定層と自由層の磁化方向が平行状態の場合、（ｂ）はＭＴＪ素子において固定層と自由層の磁化方向が反平行の場合、（ｃ）は等価回路図である。 ＭＴＪ素子の抵抗変化を示す図である。 本発明の半導体記憶装置の動作を模式的に示す図である。 作製した半導体記憶装置の表面の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ）像の図である。 ｐ−ＭＴＪ素子の断面のＴＥＭ像の図である。 ｉ−ＭＴＪ素子の断面のＴＥＭ像の図である。 作製した半導体記憶装置１の動作をオシロスコープで観測した入力波形図であり、（ａ）は３０ＭＨｚ、（ｂ）は６００ＭＨｚの場合を示している。 作製した半導体記憶装置１に入力するデータを変えたときの動作を示すタイムチャートであり、（ａ）は３０ＭＨｚ、（ｂ）は６００ＭＨｚの場合を示している。 試作した半導体記憶装置のラッチ確率と、スイッチング確率のＶｐ依存性を示す図である。 試作した半導体記憶装置の電力制御に関するタイムチャートを示す図である。 非特許文献１で報告されている不揮発性ラッチ回路の回路図である。 従来例１のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路の構成を示すブロック図である。 従来例２のＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路の構成を示すブロック図である。 非特許文献２で本発明者等により報告された、不揮発性ラッチの基本構成を示す回路図である。
１Ａ、１Ｃ、１Ｄ：集積回路
１Ｂ:記憶素子
２：第１の回路
２ａ：第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
２ｂ：第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ
３：第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
４：第２の回路
４ａ：第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
４ｂ：第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ
５：第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１０：第１のラッチ
１１：第３の回路
１１ａ：第１の駆動用ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１１ｂ：第３のｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１２：第４の回路
１２ａ：第２の駆動用ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１２ｂ：第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１３：第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１４：第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１５：第１のスピン注入型のＭＴＪ素子
１６：第２のスピン注入型のＭＴＪ素子
１７：ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１８、２１：ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
２０：第２のラッチ
２２：ＣＭＯＳラッチ
２３：ｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランスファゲート
２４：インバータ
２５、２６、２７、２８：負荷トランジスタ
３０：ＭＴＪ素子
３０ａ：トンネル障壁層
３０ｂ：固定層
３０ｃ：自由層
３０ｄ：上部電極
３０ｅ：下部電極
３２：ＲｅＲＡＭ
３２ａ：下部電極
３２ｂ：金属酸化物層
３３ｃ：上部電極
３４：ＰＣＲＡＭ
３４ａ:下部電極
３４ｂ：カルコゲナイド層
３４ｃ：上部電極
３８：制御回路
４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、５０、５１、５２、５３、５４、５５、６０、６１、６５、６６、６７、７０、７１：第２の実施形態のラッチ回路
８３、８５、９５：ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路
８６：抵抗
８７：ＭＯＳＦＥＴ
８８：貫通電流を防止する回路
９０：自動セーブ機能付きＲＳフリップフロップ回路
９２：自動セーブ機能を有する回路
９６：ＭＴＪ素子の切り離し回路
９７：スイッチ
９８、１１５：インバータ
９９：２入力ＯＲ
１０１：入力ＯＲ
１０３、１０４、１０７：ＮＡＮＤ型のＲＳフリップフロップ回路
１１０：Ｄラッチ
１１２：ＮＯＲ型Ｄラッチ
１１４：ＮＯＲ
１１６、１１８：ＮＡＮＤ型Ｄラッチ
１１７：ＡＮＤ
１２２、１２４、１２７：不揮発性Ｄフリップフロップ回路
１２５：従来の揮発性Ｄラッチ
１３０、１４０：非同期型のＴフリップフロップ回路
１３２、１４２：同期型のＴフリップフロップ回路
１５０：ＮＯＲ型の自動セーブ機能付きＴフリップフロップ回路
１５２：ＮＡＮＤ型の自動セーブ機能付きＴフリップフロップ回路
１６０：ＮＯＲ型ＪＫフリップフロップ回路
１５４：ＪＫフリップフロップ回路
１５６：非同期型のＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路
１５８：同期型のＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路
１７０：インバータ
１７２：１７３、１８２：ＮＡＮＤ
１８３：ＮＯＲ
１８５：ＮＡＮＤ
２００、２２０、２３０、２４０、２５０：ＳＲＡＭ
２０１、２２１、２３１、２４１、２５１：メモリセル
２０２：複数のメモリセル
２１０：周辺回路
２１２：ＭＵＸ及びセンス回路
２１４：ローデコーダ回路、ワード線（ＷＬ）及びプレート線（ＰＬ）制御回路
２３５：ＷＷＬ信号用の電源変換回路
２３７、２５７：記憶回路
２５５：ＳＬ信号用の電源変換回路
２７０２９０、３２０、３３０：ＮＯＲ型ＣＡＭ
２７１、２８１：メモリセル
２７３：双安定回路
２７４：転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
２８０：ＮＡＮＤ型ＣＡＭ
３００、３５０、３６０：ＮＡＮＤ型ＣＡＭ
３２１、３５１、３６１：メモリセル
４００：ＦＰＧＡ
４１０、４８０、４９０：再構成できる論理ブロック
４２０：スイッチボックス
４３０、４８５、４９５：スイッチ
４３７：インバータ
４３８：双安定回路
４４１、４４２、４４３、４５２：転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
４６０、４７０：ＭＵＸ
５００、５３０：ページバッファ
５１０：双安定回路
５１５：不揮発性のメモリセル５４０：行アドレスバッファ
５４１：メモリセル
６００、６１０、６２０、６３０、６５０、６７０、６８０、６９０：集積回路システム
６０２：中央演算部(ＰＵ)
６０３：ラッチ又はフリップフロップ回路
６０４：書き込み及び読み出し回路
６０５：セーブ/ロード制御部
６０６：Ｘ' ｅｒ ゲート
６６１、６６２、６６３、６６４：ブロック
６８５：電源ダウン検出器
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の集積回路１の基本構成の情報処理をする間の第１の動作モードを説明する図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は書き込みパルスのタイムチャートである。
図２は、本発明の集積回路１の基本構成において電源を切るための第２の動作モードを説明する図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は書き込みパルスのタイムチャートである。図３は、本発明の集積回路１の第１〜第４のモードを示すタイムチャートである。
図１に示すように、本発明の集積回路１は、基本回路素子１Ａと基本回路素子１Ａの揮発性データを記憶することができる記憶素子１Ｂと、を含んで構成されている。基本回路素子１Ａは、揮発性データを情報処理する又は保持する回路であり、ラッチ回路、Ｄラッチ回路、フリップフロップ回路（ＦＦ回路とも呼ぶ。）、ＲＳフリップフロップ回路、ＪＫフリップフロップ回路、Ｄフリップフロップ回路、Ｔフリップフロップ回路、インバータ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ等の論理回路、スタティックメモリ（以下、ＳＲＡＭと呼ぶ。）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡと呼ぶ。）等の集積回路や、これらの集積回路を１個以上又は複数含む集積回路システムが挙げられる。本発明では、集積回路システムとは異なる機能を有する集積回路を少なくとも１個以上含む集積回路である。
記憶素子１Ｂとしては、磁気抵抗トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction: ＭＴＪ素子)、抵抗変化型メモリ(ＲｅＲＡＭ)、相変化メモリ（ＰＣＲＡＭ）等が挙げられる。
図４は、ＭＴＪ素子３０の構造示す図であり、それぞれ、（ａ）はＭＴＪ素子３０において固定層３０ｂと自由層３０ｃの磁化方向が平行状態の場合、（ｂ）はＭＴＪ素子３０において固定層３０ｂと自由層３０ｃの磁化方向が反平行の場合、（ｃ）は等価回路図である。図５は、ＭＴＪ素子の抵抗変化を示すＩＶ特性である。
図４（ａ），（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子３０は、トンネル障壁層３０ａで隔てられた強磁性体からなる固定層３０ｂ及び強磁性体からなる自由層３０ｃよって構成されている。固定層３０ｂは、図の下向き矢印（↓）で示す磁化方向、つまりスピンの向きが固定されている層であり、強磁性固定層とも呼ばれている。自由層３０ｃは磁化の向きが固定されていない層であり、強磁性自由層とも呼ばれている。トンネル障壁層３０ａは、ＭｇＯやＡｌ2Ｏ3の薄膜で形成され、固定層３０ｂ及び自由層３０ｃは、鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）等の強磁性体又はこれらの合金からなる単層や複数の層で形成される。
図４（ａ）に示すように、固定層３０ｂと固定層３０ｃの磁化の向きがそろっている状態を平行状態と呼び、このときのＭＴＪ素子３０の抵抗値が最小となり、Ｒpと表す（図５参照）。
図４（ｂ）に示すように、固定層３０ｂと自由層３０ｃの磁化の向きが逆を向いている状態を反平行状態と呼び、このときのＭＴＪ素子３０の抵抗値が最大となり、ＲAPと表す（図５参照）。自由層３０ｃの磁化の状態を固定層３０ｂに対して平行又は反平行に制御することにより“０”、“１”の記録、つまり、書き込みができる。このように、ＭＴＪ素子３０に流す電流により、自由層３０ｃの磁化を変える方法は、スピン注入方式やスピン注入磁化反転と呼ばれ、自由層３０ｃの磁化を変えるための外部磁場は不要となる。
次に、ＲｅＲＡＭについて説明する。
図６及び７はＲｅＲＡＭのメモリセルの構造を示す断面図である。
図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、ＲｅＲＡＭのメモリセル３２は、下部電極３２ａと、金属酸化物層３２ｂと、上部電極３２ｃと、が順に積層されて構成されている。
図６（ａ）では、金属酸化物層３２ｂとしては、ペロブスカイト系複合酸化物が使用されており、図６（ｂ）に示すような電流電圧特性が得られる。
図７（ａ）では、金属酸化物層３２ｂとしては、ＮｉＯ、ＦｅＯ、ＴｉＯ2等の二元系酸化物を用いており、図７（ｂ）に示すような電流電圧特性が得られる。
図６及び図７に示すように、ＲｅＲＡＭ３２では、下部電極３２ａと上部電極３２ｃとの間に電圧を印加したときの金属酸化物層３２ｂの抵抗値が変わる現象を用いている。ＲｅＲＡＭの金属酸化物層３２ｂにおける高抵抗状態と低抵抗状態とを、"１"と"０"に対応させて記憶させることができる。
次に、ＰＣＲＡＭ（Phase Change Random Access Memory、相変化メモリ）について説明する。
図８は、ＰＣＲＡＭのメモリセル３４の構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は電流電圧特性である。図８（ａ）に示すように、ＰＣＲＡＭのメモリセル３４は、下部電極３４ａと、カルコゲナイド層３４ｂと、上部電極３４ｃと、が順に積層されて構成されている。カルコゲナイド層３４ｂの材料は、例えばＧｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5である。
図８（ｂ）に示すように、ＰＣＲＡＭのメモリセル３４の電流電圧特性は、カルコゲナイド層３４ｂの状態で変化する。つまり、カルコゲナイド層３４ｂが結晶の場合に低抵抗状態になり、カルコゲナイド層３４ｂがアモルファス化している場合に高抵抗状態となる。ＰＣＲＡＭのメモリセル３４では、上記のカルコゲナイド層３４ｂの高抵抗状態と低抵抗状態とを"１"と"０"に対応させて記憶させることができる。
図９は記憶素子１Ｂを説明する図であり、（ａ）は印加される電圧と電流の関係、（ｂ）は、状態パラメータとエネルギーの関係を示す図、（ｃ）はスイッチング波形を示すタイムチャートである。
図９（ａ）に示すように、記憶素子１Ｂは電圧により抵抗が変化し、その状態が高抵抗から低抵抗に変化する。例えば高抵抗を"１"とし、低抵抗を"０"に対応させて記憶させることができる。この場合、記憶素子は、一般に、メモリ素子はエネルギーの低い二つの状態“０”と“１”を持ち、その間にエネルギーＥの障壁(バリヤ)が存在することでデータを安定に保持している。データを書き換えるということは、系にその障壁Ｅを超えるエネルギーを与えて、系を逆の状態にスイッチさせることであるので、エネルギーを与え始めてから状態が切り替わるまでに、図９（ｃ）に示すようにスイッチング時間としてｔA＋ｔBが必要となる。ここで、ｔAを潜伏時間、ｔBを遷移時間と定義する。
図１に示すように、本発明の集積回路１の基本構成の第１の動作モードにおいては、書き込みパルスのパルス幅τ（＝λ1／ｆ1）が、図９（ｃ）の上記したｔA＋ｔBよりも短い場合を示している。第１の動作モードにおいては、基本回路素子の情報処理はされるが、記憶素子１Ｂには、スイッチングが短すぎるので、書き込みはされない。第１の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅をτ1とも呼ぶ。
図２に示すように、本発明の集積回路１の第２の動作モードにおいては、書き込みパルスのパルス幅τ（＝λ2／ｆ2）が、図９（ｃ）の上記したｔA＋ｔBよりも長い場合を示している。第２の動作モードにおいては、基本回路素子１Ａの情報処理されたデータが、記憶素子１Ｂに書き込まれる。第２の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅をτ2とも呼ぶ。
本発明の集積回路１の基本構成の第３の動作モードでは、第２のモードの後で、集積回路に印加される電源が遮断される。この期間は電源を落とすだけであり、特別な動作を必要とはしない。
本発明の集積回路１の第４の動作モードでは、再び電源が印加されるモードである。この第４の動作モードでは、記憶素子１Ｂに記憶されたデータが、集積回路１の基本回路１Ａに書き込まれる。これにより、本発明の基本回路１Ａには、電源を切る前のデータが再度書き込まれる。
以上のことから、本発明の集積回路１では、二つの動作がｔA＋ｔBを、λ1／ｆ1（０＜λ1≦１、ｆ1は第１の動作モードの動作周波数）よりも長くして、ｔA＋ｔBを電源電圧の遮断前の記憶素子１Ｂへの書き込み時間より短くして実現できる。
次に、上記モードの組み合わせについて説明する。
図１０〜１４は、本発明の集積回路１のシーケンスを示す図である。
図１０は、本発明の集積回路１の第１のシーケンスを示す図である。図１０に示すように、第１のシーケンスでは、第１の動作モード、第２の動作モード、第３の動作モード、電源オフ、第４の動作モード、第１の動作モードと変化する。
図１１は、本発明の集積回路１の第２のシーケンスを示す図である。図１１に示すように、第２のシーケンスでは、第１の動作モード、第２の動作モード、第３の動作モード、第４の動作モード、第１の動作モードと変化する。
図１２は、本発明の集積回路１の第３のシーケンスを示す図である。図１２に示すように、第２のシーケンスでは、第１の動作モード、第２の動作モード、第１の動作モードと変化する。
図１３は、本発明の集積回路１の第４のシーケンスを示す図である。図１３に示すように、第４のシーケンスでは、第１の動作モード、第２の動作モード、第１の動作モードと変化する。この場合、第２の動作モードは複数回繰り返されてもよい。
図１４は、本発明の集積回路１の第５のシーケンスを示す図である。図１４に示すように、第５のシーケンスでは、第１の動作モード、第２の動作モード、第３の動作モード、電源オフ、第４の動作モード、第２の動作モード、第１の動作モード、と変化する。
上記第１〜第５のシーケンスから、基本回路１Ａと記憶素子１Ｂへのデータ書き込み等を行う場合には、第３の動作モードの前には、必ず第２の動作モードが必要となる。これ以外にもいろいろなシーケンスが可能であるが、第３の動作モードの前には必ず第２の動作モードが必要になるという点は共通である。
図１５は本発明の効果を示す図であり、（ａ）は記憶素子１Ｂのスイッチング時間と電流の関係、（ｂ）は記憶素子１Ｂのスイッチング時間とスイッチング確率を示している。
図１５（ａ）に示すように、本発明の集積回路１は、電源遮断の前の非常にゆっくりとした書き込み時にだけ記憶素子１Ｂがスイッチングすればよく、動作点をＢとすることができる。従って、記憶素子１Ｂに印加するＶpを下げてｔAを大きな値に設定でき、消費電力の低減が実現できる。
また、図１５（ｂ）に示すように、記憶素子１Ｂには、電源遮断の前の非常にゆっくりとした書き込み時にだけ記憶すればよく、スイッチング確率の低下がなくなる。一方、従来の記憶素子１Ｂを利用した集積回路は、高速動作時に記憶素子１Ｂのスイッチングを行っていたために、図１５（ａ）の動作点Ａを設計ポイントとしており、大きな電力を消費し、図１５（ｂ）の動作点Ａで示すスイッチング確率も低い値となっていた。
図１６は、集積回路の消費電力を示す図であり、（ａ）は本発明の集積回路１、（ｂ）は従来のＳＴＴ−ＭＴＪ素子を用いた不揮発性ラッチ回路を示している。
図１６（ａ）に示すように、本発明の集積回路１では、基本回路１Ａの動作中、つまり稼働中から待機動作に入る前に、一回だけ記憶素子１Ｂに書き込みをするので、記憶素子１Ｂの消費電力は非常に少ない。本発明の集積回路１では、待機電力をゼロとするための書き込み電力を極限まで削減できるので、記憶素子１Ｂの低消費電力化と基本回路１Ａの高速動作化の両立が可能であるという優れた特徴を有している。
一方、図１６（ｂ）に示すように、従来のＳＴＴ−ＭＴＪ素子を用いた不揮発性ラッチ回路では、基本回路１Ａの動作中、つまり稼働中は記憶素子１Ｂに毎回データを書き込みするので、記憶素子１Ｂの消費電力は非常に大きいことがわかる。従来のＳＴＴ−ＭＴＪ素子を用いた不揮発性ラッチ回路では、書き込み電力を下げるためには低速動作させる必要があり、記憶素子１Ｂの低消費電力化と基本回路となる揮発性ラッチ回路の高速動作化の両立が困難である。
（第２の実施形態：ラッチ）
次に、第２の実施形態として、ラッチについて説明する。
図１７は、本発明の集積回路１Ｃの第２の実施形態の基本構成としてのラッチを示す回路図であり、図１８は、図１７で使用している入力制御信号ＷＣＫを発生する制御回路３８の回路である。
図１７に示すように、本発明の集積回路１Ｃは、第１のラッチ１０と、上記第１のラッチ１０に接続されるスピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６と、上記スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６に接続される第２のラッチ２０とを、含んで構成されている。上記スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６は、上記第１のラッチ１０及び／又は第２のラッチ２０の動作周波数よりも低い動作周波数で書き込みがされる。第１のラッチ１０は下段ラッチとも呼ぶ。また、第２のラッチ２０を上段ラッチとも呼ぶ。以下の記載では、スピン注入型のＭＴＪ素子を単にＭＴＪ素子と呼ぶ。
第１のラッチ１０は、第１の回路２と、第１の回路２に接続される第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３と、第２の回路４と、第２の回路４に接続される第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５と、を含んで構成されている。第１の回路２は、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａと第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂから構成されている。第２の回路４は、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａと第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ｂから構成されている。
第２のラッチ２０は、第３の回路１１と、第３の回路１１に接続される第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３と、第４の回路１２と、第４の回路１２に接続される第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１４と、を含んで構成されている。第３の回路１１は、第１の駆動用ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａと第３のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ｂから構成されている。第４の回路１２は、第２の駆動用ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ａと第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂから構成されている。
第１のラッチ１０とグランドとの間には、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７が接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のドレインには、駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ、２ｂのソースに接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のソースはグランドに接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のゲートにはＣＬＫ信号が印加される。
第２のラッチ２０の出力端子ｏｕｔと、ｏｕｔｂとの間には、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８が接続されている。ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインは、出力端子ｏｕｔｂに接続されている。ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のソースは、出力端子ｏｕｔに接続されている。ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のゲートにはＣＬＫ信号が印加される。
第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５は、第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂと第３のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ｂとの間に接続されている。第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の一端となる固定層は、第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂのドレインに接続されている。第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の他端となる自由層は、第３のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ｂのソースに接続されている。
尚、第１及びのスピン注入型ＭＴＪ素子１５において、固定層と自由層との間の層はトンネル障壁層である。
第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６は、第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４bと第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂとの間に接続されている。第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の一端となる固定層は、第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂのドレインに接続されている。第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の他端となる自由層は、第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂのソースに接続されている。
尚、第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６において、固定層と自由層との間の層はトンネル障壁層である。
第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインは、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４b
の入力端子となるゲートに接続されている。第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインは、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａの入力端子となるゲートに接続されている。これらの第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ，４ａのドレインとゲートとの接続は、交差型（クロスカップルとも呼ばれている。）配線或いはたすきがけ配線と呼ばれている。
上記の構成を有している第１の回路２と第２の回路４とから、所謂揮発性ラッチ回路が構成される。
第１の回路２の出力端子は、第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３を介してｉｎ信号が印加される。第２の回路４の出力端子は、第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５を介してｉｎｂ信号が印加される。
第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３のゲートには、ＷＣＫ信号が印加され、ソースにはＡ信号が入力される。第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５のゲートには、ＷＣＫ信号が印加され、ソースにはＡＢ信号が入力される。第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３のゲートには、ＣＬＫＢ信号が印加され、ソースにはＡＢ信号が入力される。第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３のゲートには、ＣＬＫＢ信号が印加され、ソースにはＡ信号が入力される。
（集積回路の動作）
先ず、図１７と図１８に示す集積回路１Ｃの動作について詳細に説明する。
図１９は、本発明の集積回路１Ｃの動作を説明するためのタイムチャート、図２０Ａ及び図２０Ｂは、本発明の集積回路１Ｃの動作を模式的に示す図、図２１は、本発明の集積回路１Ｃの動作点と電流の関係を模式的に示す図、図２２Ａは、本発明の集積回路１Ｃの動作モードを示すタイムチャートである（非特許文献１参照）。図２２Ｂは、図２２Ａにおいて、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）と、第１の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ1と、第２の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ2との関係を説明する図である。
先ず、最初に、ＣＬＫ信号の代わりにＲＤ信号を、ＣＬＫＢ及びＷＣＫ信号の代わりにＷＬ信号を、Ａ信号の代わりにｉｎ信号を、ＡＢ信号の代わりにｉｎｂ信号を用いた場合について説明する。
（１）高周波（書き込み時間がＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間＋遷移時間よりも短い時間での書き込みと読み出し動作(第１の動作モード中)）
図２３は、本発明の半導体記憶装置１の高周波における動作を説明する回路図である。 図１７の回路図において、ＷＬが高レベルでＲＤが低レベルの期間、即ち図１９におけるＷｒｉｔｅの期間では、４つのｎ型ＭＯＳＦＥＴ３、５、１３、１５がオンしており、４つのｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂ、４ｂ、１１ｂ、１２ｂがオフしていると共に、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８がオンすることにより上段ラッチ２０内のノード対のｏｕｔとｏｕｔｂの電位が等しい電位に設定され、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７がオフしているために、下段ラッチ１０は非活性状態になっている。
この状態では、inとinbから入力されたデータがＭＴＪ素子の対１５、１６に入力されるが、書き込みの期間が短く、それが潜伏時間(ｔA)と遷移時間(ｔB)の和（ｔA+ｔB）未満であるので、ＭＴＪ素子１５、１６にデータが書き込まれることはない。また、上述したようにｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂ、４ｂ、１１ｂ、１２ｂはオフしているので、入力データが上段と下段の二つのラッチ１０、２０へ入力されることはない。
図１７の回路図において、ＷＬが低レベルでＲＤが高レベルの期間、即ち図１９におけるＲｅａｄの期間では、４つのｎ型ＭＯＳＦＥＴ３、５、１３、１５がオフすると同時に、４つのｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂ、４ｂ、１１ｂ、１２ｂがオンする。また、同時に、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８がオフするため、上段ラッチ２０のノード対のｏｕｔとｏｕｔｂは分離される。したがって、ｏｕｔとｏｕｔｂにはノードＡとノードＢの寄生容量に蓄えられた電荷が移動することにより、ｏｕｔとｏｕｔｂにはｉｎとｉｎｂと同じ極性の微小データ対が現れ、それらが増幅される。
一方、下段ラッチ１０内のノード対ＥとＦにもｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂとｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ｂを介してノードＣとノードＤに蓄えられていた電荷が移動して、ノードＥとノードＦには微小電位差が生じ、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７がオンすると共にその微小電位差は増幅される。その増幅方向は、上段ラッチ２０の増幅方向と反対方向であるが、上段ラッチ２０の方が僅かながら早期に増幅が実行されているために上段ラッチ２０の方向が下段ラッチ１０の方向を反転し、最終的には上段ラッチ２０で決まる極性に落ち着くことで、ｏｕｔとｏｕｔｂの出力データ極性はｉｎとｉｎｂの入力データ極性と同方向となる。
これにより、Ｗｒｉｔｅサイクルにｉｎとｉｎｂに入力された相補データ対は、次のＲｅａｄサイクルでｏｕｔとｏｕｔｂに同一極性にて出力される。また、このときに書き込み時間は潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）よりも短いためにＭＴＪ素子の対１５、１６へのデータ書き込みは実行されない。
（２）低周波（書き込み時間がＭＴＪ素子の潜伏時間＋遷移時間よりも長い時間での書き込み動作(第２の動作モード中)）
図１９において、Ｗｒｉｔｅの期間がｔA＋ｔBよりも長い場合に対応する。このときの動作は上記と同じであるが、上記の第１の動作モードにおいては、ＭＴＪ素子１５、１６へのデータ書き換えが実行されなかったが、第２の動作モードにおいてはＭＴＪ素子１５、１６への書き込みが実行される点だけが異なる。即ち、たとえば、ｉｎ＝高レベル、ｉｎｂ＝低レベルで第２の動作モードを実行する場合には、図１９において右側のＭＴＪ素子１６は平行状態（低抵抗状態）に、左側のＭＴＪ素子１５は反平行状態（高抵抗状態）に、それぞれ書き込まれることになる。
図２４は、本発明の半導体記憶装置１のＶdd遮断直前のデータのセーブ動作を説明する回路図である。図２４に示すように、入力データは、ＭＴＪ素子１５、１６に書き込まれる。
（３）電源を断ち下げる動作（第３の動作モード中）
この期間では、電源を落とすだけであり、特別な動作を必要とはしない。
（４）電源立ち上げ時におけるＭＴＪ素子対１５、１６からＣＭＯＳラッチ回路へのデータ・ロード(第４の動作モード中)
図２５は、本発明の半導体記憶装置１１の電源立ち上げ時における動作を説明する回路図である。
この期間では図１９のＲｅａｄモードで電源を立ち上げるものとする。即ち、ＲＤが高レベルでＷＬが低レベルを保ったまま電源を立ち上げるものとする。このとき、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８はオフ、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７はオン、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂ、４ｂ、１１ｂ、１２ｂはオン、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３、５、１３、１５はオフであり、入力端子ｉｎとｉｎｂからのデータは遮断されていると共に、下段と上段の二つのラッチ１０、２０は活性状態において電源が徐々に立ち上がってくることになる。
ところで、ＭＴＪ素子対１５、１６に記憶されているデータによって、これらは一方が高抵抗状態であり、他方が低抵抗状態になっている。従って、電源を立ち上げる途上において、左右のＭＴＪ素子１５、１６を貫通する電流パスに流れる電流は、それらの抵抗値のアンバランスに基づいて、異なっており、より多くの電流が流れるパスに対応する出力ノードが逆の出力ノードよりも電位が高くなる。
従って、ｏｕｔとｏｕｔｂは電源遮断前の方向に増幅される。例えば、電源遮断前にｉｎ＝高レベル、ｉｎｂ＝低レベルでＭＴＪ素子１５、１６への書き込みが実行されたと仮定すると、図２４において右側のＭＴＪ素子１６は平行状態（低抵抗状態）で左側のＭＴＪ素子１５が反平行状態（高抵抗状態）になって電源が落ちる。
その後の第４の動作モードでは、上記のように、図２５の右側の電流パスに左側の電流パスよりも多くの電流が流れ、ｏｕｔがｏｕｔｂよりも電位が上昇し、ｏｕｔ＝高レベル、ｏｕｔｂ＝低レベルとして電源が立ち上がる。従って、この状態は電源遮断前の書き込み状態とデータの極性が一致している。
図２２Ａに示すように、本発明の集積回路１Ｃでは、二つの動作がｔA＋ｔBを（λ1／ｆ1）よりも長くして、ｔA＋ｔBをＰＧモード中の記憶時間（λ2／ｆ2）より短くして実現できる。
次に、集積回路１Ｃの動作について説明する。
図１７の集積回路１Ｃと図１３５の半導体記憶装置８５０は、回路を構成するトランジスタは同じであるが、以下に示すＭＯＳＦＥＴに印加される信号が異なっている。
ＭＯＳＦＥＴ１７のゲートには、ＲＤ信号の代わりにＣＬＫ信号が印加される。インバータのｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂ、４ｂのゲートには、ＷＬ信号の代わりにＣＬＫＢ信号が印加される。左側ＭＯＳＦＥＴ３のゲートには、ＷＬ信号の代わりにＷＣＫ信号が印加され、ソースには、ｉｎ信号の代わりにＡ信号が印加される。右側ＭＯＳＦＥＴ５のゲートには、ＷＬ信号の代わりにＷＣＫ信号が印加され、ソースには、ｉｎ信号の代わりにＡＢ信号が印加される。左側ＭＯＳＦＥＴ１３のゲートには、ＷＬ信号の代わりにＣＬＫＢ信号が印加され、ソースには、ｉｎｂ信号の代わりにＡＢ信号が印加される。右側ＭＯＳＦＥＴ１４のゲートには、ＷＬ信号の代わりにＣＬＫＢ信号が印加され、ソースには、ｉｎ信号の代わりにＡ信号が印加される。上段ラッチ２０のp型ＭＯＳＦＥＴ１８には、ＲＤ信号の代わりにＣＬＫ信号が印加される。
図２６は、図１７の集積回路１Ｃのシミュレーションを示し、（ａ）は入力波形、（ｂ）はシミュレーションで得たＭＴＪ素子の抵抗を示す図である。
図１８に示す制御回路３８では、ＷＣＫＢが図中の点線で囲んだ抵抗Ｒ及びコンデンサＣの時定数であるＲＣの時間以上にわたり高レベルを保った場合に、ＷＣＫが立ち上がり、ＭＴＪ素子１５、１６へ電流を流すことでＭＴＪ素子１５、１６を書き換えるという動作をする。
図１７の集積回路１Ｃは、等価回路としては図１３５の半導体記憶装置８５０と同じであるが、制御回路３８を挿入することによりデータ入力を制御する信号ＷＣＫの動作が図１９のＷＬとは異なり、高速動作中にＭＴＪ素子１５、１６に貫通電流が流れるのを禁止しているもので、図１３５の半導体記憶装置８５０よりも低消費電力となる。
（本発明のラッチの特徴）
本発明の集積回路１Ｃでは、上段及び下段のラッチ１０、２０の動作周波数（ｆ）を例えば１００ＭＨｚ以上に増加させるために、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングの潜伏時間を利用し、ＣＭＯＳからなる集積回路１ＣとＭＴＪ素子１５、１６との間にローパスフィルター機能を自然な形で持ち新しい構成を有している。図２０Ａに示すように、集積回路１Ｃは、入力したデータが動作中にＣＭＯＳ集積回路にラッチされ、ＰＧモードにおいてラッチされたデータがＭＴＪ素子１５、１６に書き込まれる。この集積回路１Ｃは、二つのモードの間にスイッチン制御回路を必要としない。図２０Ｂは、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）と、第１の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ1と、第２の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ2との関係を説明する図である。第１の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ1は、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）よりも短い。第２の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ2は、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）よりも長い。
さらに、図２２Ｂに示すように、第１の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ1は、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）よりも短い、つまりτ1＜（ｔA+ｔB）である。第２の動作モードにおける書き込みパルスのパルス幅τ2は、潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）よりも長い、つまりτ2＞（ｔA+ｔB）である。
書き込み時間τ2が潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）よりも長い場合に、データがＭＴＪ素子に書き込まれる。逆に、書き込み時間τ1が潜伏時間と遷移時間の和（ｔA+ｔB）よりも短い場合に、データがＭＴＪ素子に書き込まれない。
本発明者等は、垂直磁気記録するｐ−ＭＴＪ素子１５、１６の遷移時間は、水平磁気記録するｉ−ＭＴＪ素子１５、１６よりも長いことを見出した。本発明の半導体記憶装置１は、ＣＭＯＳ集積回路と同様に、動作電力のオーバーヘッド無しで高速で動作し、そしてＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングエラーは無視できる。
本発明の集積回路１Ｃは、従来例１（図１３２参照）及び従来例２（図１３４参照）の回路と比較して以下の優れた特性を有している。
（１）ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング速度に制限されること無しにＣＭＯＳ集積回路と同じ動作周波数で動作する。
（２）回路を起動させるときの立ち上げ時間（Wake-up time）と電源をオフする時間（Power-off time）を小さくして、高速にモード切り換えをすることが可能になる。
（３）低消費電力である。理由は、動作モード（ワーキングモード）において、入力データに同期した動作においてＭＴＪ素子１５、１６の高速書き込みがないからである。
（４）電源遮断前のＭＴＪ素子１５、１６の書き込みが低速であるので、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングエラーを劇的に抑圧できる。
（５）ＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間（ｔA）と遷移時間（ｔB）を利用することにより、ワーキングモードと電源遮断前のＭＴＪ素子１５、１６への書き込みモードとの間のスイッチ制御無しに簡単な回路ができる。
上記の特徴を纏めて、表１に示す。表１では、動作周波数等の対比する項目で良好な状態を１として、それ以外の状態の半定量的な数値を括弧内に示している。
Figure 2013099536
本発明の集積回路１Ｃによれば、高速動作、低電力、無視できるエラー（誤り）、低コストな所謂ＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路を実現できる。
（製造方法）
次に、本発明の集積回路１Ｃの製造方法について説明する。
最初に、Ｓｉ等の半導体からなる基板上に集積回路１ＣのＭＴＪ素子１５、１６以外の回路をＣＭＯＳプロセスで形成し、その後で、スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６を形成する。
具体的には、スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６の形成は、以下のように行う。
ＣＭＯＳ工程でラッチ回路等を形成した後、ラッチ回路のノードＣとノードＤを露出させ、ノードＣとノードＤの電極上にＭＴＪ素子１５、１６となる固定層とトンネル障壁層と自由層との順に形成する。ＭＴＪ素子１５、１６の最上層は自由層である。自由層は強磁性層を複数層積層した層としてもよい。
次に、基板の全面に層間絶縁層を堆積し、ＭＴＪ素子１５、１６の自由層と半導体記憶装置１のノードＡとノードＢとを、フォトリソグラフィーと層間絶縁層のエッチングとによって開孔する。
次に、層間絶縁層上に所定の厚さの金属膜をスパッタ法などにより堆積し、ＭＴＪ素子１５、１６の自由層と半導体記憶装置１のノードＡとノードＢとを接続する金属膜以外は選択エッチングによって除去する。この工程で、ＭＴＪ素子１５、１６が集積回路１Ｃ１のノードＡとノードＢに接続される。
図１７のメモリセル１に対応する集積回路１Ｃを製造する方法も上記の方法に準ずるが、ＭＴＪ素子１５、１６の最上層を固定層とするか、あるいは、ＭＴＪ素子１５、１６の最上層が自由層の場合には、電源ラインＶddを、ＭＴＪ素子下側の電極（固定層）に下部配線を用いて供給することで実現できる。
最後に保護膜（パッシベーション）を形成する。
上記の各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法以外には、蒸着法、ＭＢＥ法、レーザアブレーション法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
次に、集積回路１Ｃに使用するＭＴＪ素子について説明する。
ＭＴＪ素子６，８の書き込み電流は素子の微細化と共に縮小可能であり、Ｓｉ基板などの上に形成されるＣＭＯＳ集積回路と共に同一基板上に製作できるという利点を有している。
（ＳＴＴ−ＭＴＪ素子のスイッチング速度）
ｉ-ＭＴＪ素子(面内磁化型ＭＴＪ素子)とｐ-ＭＴＪ素子(垂直磁化型ＭＴＪ素子)の時分解のスイッチング特性を測定した例について説明する（非特許文献２参照）。
図２７は、ｉ-ＭＴＪ素子とｐ-ＭＴＪ素子のスイッチング時間を測定する回路図である。スイッチング時間の測定には２０ＧＨｚのサンプリングオシロスコープを使用した。ここで、自由層にはＭＴＪ素子１５を反平行から平行にスイッチさせるために正の電圧パルスが印加される。そして、ＭＴＪ素子１５を逆方向にスイッチさせるために負の電圧パルスが印加される。
図２８は、ＭＴＪ素子１５のスイッチング特性を示し、（ａ）はp−ＭＴＪ素子、（ｂ
）はｉ−ＭＴＪ素子を示す図である。
図２８（ａ）及び（ｂ）に示すように、潜伏時間（ｔA）と遷移時間（ｔB）に注目した。潜伏時間（ｔA）は、パルスの立ち上がりから、スイッチングの開始迄と定義される。
遷移時間（ｔB）は、スイッチングの開始から終了迄と定義される。
図２９は、ＭＴＪ素子１５のスイッチング特性に対する書き込み電圧Ｖｐ依存性を示し、（ａ）は潜伏時間（ｔA）、（ｂ）は遷移時間（ｔB）を示す図である。
図２９（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｐ-ＭＴＪ素子のｔAは、０．９Ｖを超える書き込み電圧（Ｖｐ）に対して１ｎｓよりも短くでき、そして全てのＶｐでｉ-ＭＴＪ素子よりも２桁以上短い。しかしながら、ｐ-ＭＴＪ素子のｔBは一定であり約１０ｎｓで、Ｖｐが増加しても減少しない。一方、ｉ-ＭＴＪのｔBは一定であり、約１ｎｓである。
このように、この１００ｎｍのＭＴＪ素子１５は、ｐ-ＭＴＪ素子のｔBである１０ｎｓよりは短くならない。これは、このＭＴＪ素子１５の動作周波数が１００ＭＨｚに制限されることを意味している。
（第２の実施形態の変形例１）
図３０は、本発明の第２の実施形態の変形例１の集積回路４０の構成を示す回路図である。
図に示すように、第２の実施形態の変形例１に係る集積回路４０は、図１７の集積回路１から、第１のラッチ１０内のＭＴＪ素子１５、１６に接続されたｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂ，４ｂと、第２のラッチ２０内のＭＴＪ素子１５、１６に接続されたｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ｂ，１２ｂを、省略した構成を有している。他の構成は、図１の集積回路１と同じであるので説明は省略する。第２の実施形態に係る集積回路４０は、ｐ型ＭＯＳＦＥＴが４個減るので、素子数が減少し、より低消費電力で動作する。
集積回路に印加される信号としては、図１７の場合とは異なり、ＣＬＫ信号の代わりにＲＤ信号を、ＣＬＫＢ及びＷＣＫ信号の代わりにＷＬ信号を、Ａ信号の代わりにｉｎ信号を、ＡＢ信号の代わりにｉｎｂ信号を用いている。
（第２の実施形態の変形例２）
図３１は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例２の構成を示す回路図である。図３１に示すように、本発明の第２の実施形態の変形例２に係る集積回路４１は、図３０の集積回路４０と比較して、上段ラッチ２０のゲートの接続が異なっている。具体的には、第２のラッチ２０内の左側のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａのゲートは、第１のラッチ１０内の左側のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのゲートに接続される。第２のラッチ２０内の右側のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ａのゲートは、第１のラッチ１０内の右側のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのゲートに接続される。
また、これらの変更に伴い、入力端子対ｉｎ、ｉｎｂを入れ替え、出力端子対out、outbを第１のラッチ１０から第２のラッチ２０の出力端子対へ変更する。この形態にすることによって、第１及び第２のラッチ１０、２０の状態が拮抗することなく、入力信号が安定して増幅される集積回路４１を提供することができる。
（第２の実施形態の変形例３）
図３２は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例３の構成を示す回路図である。この第２の実施形態の変形例３に係る集積回路４２は、図３０の集積回路４０と比較して、上段ラッチ２０及び下段ラッチ１０のゲートの接続が異なっている。具体的には、第２のラッチ２０内の左側のｎ型ＭＯＳＦＥＴのゲート１１ａは、第１のラッチ１０内の左側のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのゲートに接続される。第２のラッチ２０内の右側のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２ａのゲートは、第１のラッチ１０内の右側のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのゲートに接続される。さらに、下段ラッチ１０のドレインとゲートとの接続は、交差型ではない構成としている。この形態にすることによる効果は、図２４の集積回路４１と同じである。
（第２の実施形態の変形例４）
図３３は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例４の構成を示す回路図である。変形例４に係る集積回路４３は、図３０の集積回路４０と比較して、図３０の集積回路４０のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７が、上段ラッチ２０の電源側に接続されるｐ型ＭＯＳＦＥＴ２１に置き換えられている。また、これらの変更に伴い、入力端子対ｉｎ、ｉｎｂを入れ替え、出力端子対ｏｕｔ、ｏｕｔｂを第１のラッチ１０から第２のラッチ２０の出力端子対へ変更する。
（第２の実施形態の変形例５）
図３４は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例５の構成を示す回路図である。変形例５に係る集積回路４４は、図３１の集積回路４１と比較して、図３１の集積回路４１のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７が、上段ラッチ２０の電源側に接続されるｐ型ＭＯＳＦＥＴ２１に置き換えられている。また、これらの変更に伴い、入力端子対ｉｎ、ｉｎｂを入れ替え、出力端子対ｏｕｔ、ｏｕｔｂを第１のラッチ１０から第２のラッチ２０の出力端子対へ変更する。
（第２の実施形態の変形例６）
図３５は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例６の構成を示す回路図である。変形例６に係る集積回路４５は、図３２の集積回路４２と比較して、図３２の集積回路４２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７が、上段ラッチ２０の電源側に接続されるｐ型ＭＯＳＦＥＴ２１に置き換えられている。
（第２の実施形態の変形例７）
図３６は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例７の構成を示す回路図である。図３６に示すように、集積回路４６では、今までの実施形態においてＭＴＪ素子１５、１６の両側に分離していたｐ型ＭＯＳＦＥＴからなる上段のラッチ２０とｎ型ＭＯＳＦＥＴからなる下段のラッチ１０を上段の方向へＣＭＯＳラッチ２２として統一したものである。ＣＭＯＳラッチ２２のセンスノード対からｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランスファゲート２３を介して出力端子対ｏｕｔ、ｏｕｔｂが出ている。また、これらのｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランスファゲートはｐ型ＭＯＳＦＥＴでもよい。また、ｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランスファゲートは、存在することなくＣＭＯＳセンスノードラッチ対がそのまま出力端子対ｏｕｔ、ｏｕｔｂになってもよい。
（第２の実施形態の変形例８）
図３７は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例８の構成を示す回路図である。図３７に示すように、集積回路４７では、今までの実施形態においてＭＴＪ素子１５，１６の両側に分離していたｐ型ＭＯＳＦＥＴからなる上段のラッチ２０とｎ型ＭＯＳＦＥＴからなる下段のラッチ１０を上段の方向へＣＭＯＳラッチ２２として統一したものである。ＣＭＯＳラッチ２２のセンスノード対からｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランスファゲート２３を介して出力端子対ｏｕｔ、ｏｕｔｂが出ている。また、これらのｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランスファゲートはｐ型ＭＯＳＦＥＴでもよい。また、ｎ型ＭＯＳＦＥＴからなるトランスファゲートは、存在することなくＣＭＯＳセンスノードラッチ対がそのまま出力端子対ｏｕｔ、ｏｕｔｂになってもよい。
（第２の実施形態の変形例９）
図３８は、本発明の第２の実施形態の変形例９に係る集積回路５０の構成を示す回路図であり、図３９は図３８の集積回路５０の動作を示すタイムチャートである。
図３８に示すように、変形例９に係る集積回路５０は、図３０に示す第２の実施形態の集積回路４０の第１のラッチ１０内のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ、４ａにさらに負荷トランジスタとしてｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５、２６が接続されている。
具体的には、左側の負荷トランジスタ２５のドレインはｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインに接続され、負荷トランジスタ２５のソースは接地され、ゲートには、ＰＷＯＮ信号が印加される。右側の負荷トランジスタ２６のドレインはｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインに接続され、負荷トランジスタのソースは接地され、ゲートには、ＰＷＯＮ信号が印加される。
これら追加された２個のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５、２６の役割は、第１の実施形態において電源投入時において、上段ラッチ２０と下段ラッチ１０の増幅方向が拮抗していたものを避けるために、電源等投入においては、下段ラッチ１０を非活性にしておき、上段ラッチ２０と追加されたｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５、２６の負荷トランジスタ対でＭＴＪ素子１５、１６のデータを上段ラッチ２０へデータ復帰させるものである。パワーオン後はＰＷＯＮ信号が低レベルになると共にＲＤが立ち上がって、そのデータを下段ラッチ１０でも増幅ラッチして安定化させるものである。
図３９に示すように、集積回路５０においては、電源が再度投入される時に、電源が投入前に集積回路５０に最後に書き込まれたデータが読み出される。
第２の実施形態の変形例９に係る集積回路５０によれば、集積回路５０の電源が遮断され、再び電源が投入されたときに、ＭＴＪ素子１５、１６のデータが再びラッチ回路に記憶、つまり復帰させることができる。これにより、集積回路５０では、待機中は、集積回路５０に印加される電源を切る、つまりオフにできるので、待機時電力の著しい低減が可能となる。
（第２の実施形態の変形例１０）
図４０は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１０の構成を示す回路図である。図４０に示すように、集積回路５１は、図３１のものと比べて、ＰＷＯＮ信号がゲート入力されている２個のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５、２６が下段ラッチ１０の２個のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ、４ａに並列に追加されている点が異なっているだけである。この２個の追加されたｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ、４ａの役割は、電源投入時において、ＲＤ信号を低レベルにしておくことで下段ラッチ１０を非活性にしておき、ＰＷＯＮ信号が高レベルで上段ラッチ２０に対する負荷トランジスタとなることである。これによって安定してＭＴＪ素子１５、１６に記憶されていたデータを、上段ラッチ２０へ読み出すことができる。その後、ＰＷＯＮが低レベルになり、ＲＤが高レベルになることで下段ラッチ１０へそのデータがラッチされる。
（第２の実施形態の変形例１１）
図４１は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１１の構成を示す回路図である。図４１に示すように、集積回路５２は、図３２のものと比べて、ＰＷＯＮ信号がゲート入力されている２個のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５、２６が下段ラッチ１０の２個のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ、４ａに並列に追加されている点が異なっているだけである。この２個の追加されたｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ、４ａの役割は、電源投入時において、ＲＤ信号を低レベルにしておくことで下段ラッチ１０を非活性にしておき、ＰＷＯＮ信号が高レベルで上段ラッチ２０に対する負荷トランジスタとなることである。これによって安定してＭＴＪ素子１５、１６に記憶されていたデータを、上段ラッチ２０へ読み出すことができる。その後、ＰＷＯＮが低レベルになり、ＲＤが高レベルになることで下段ラッチ１０へそのデータがラッチされる。
（第２の実施形態の変形例１２）
図４２は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１２の構成を示す回路図である。図４２に示すように、集積回路５３は、図３３のものと比べて、ＰＷＯＮｂ信号がゲート入力されている２個のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２７、２８が上段ラッチ２０の２個のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａ、１２ａに並列に追加されている点が異なっているだけである。この２個の追加されたｐ型ＭＯＳＦＥＴ２７、２８の役割は、電源投入時において、ＲＤｂ信号を高レベルにしておくことで上段ラッチ２０を非活性にしておきＰＷＯＮｂ信号が低レベルで下段ラッチ１０に対する負荷トランジスタとなることである。これによって安定してＭＴＪ素子１５、１６に記憶されていたデータを下段ラッチ１０へ読み出すことができる。その後、ＰＷＯＮｂが高レベルになり、ＲＤｂが低レベルになることで上段ラッチ２０へそのデータがラッチされる。
（第２の実施形態の変形例１３）
図４３は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１３の構成を示す回路図である。図４３に示すように、集積回路５４は、図３４のものと比べて、ＰＷＯＮｂ信号がゲート入力されている２個のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２７、２８が上段ラッチ２０の２個のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａ、１２ａに並列に追加されている点が異なっているだけである。この２個の追加されたｐ型ＭＯＳＦＥＴ２７、２８の役割は、電源投入時において、ＲＤｂ信号を高レベルにしておくことで上段ラッチ２０を非活性にしておきＰＷＯＮｂ信号が低レベルで下段ラッチ１０に対する負荷トランジスタとなることである。これによって安定してＭＴＪ素子１５、１６に記憶されていたデータを下段ラッチ１０へ読み出すことができる。その後、ＰＷＯＮｂが高レベルになり、ＲＤｂが低レベルになることで上段ラッチ２０へそのデータがラッチされる。
（第２の実施形態の変形例１４）
図４４は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１４の構成を示す回路図である。図４４に示すように、集積回路５５は、図３５のものと比べて、ＰＷＯＮｂ信号がゲート入力されている２個のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２７、２８が上段ラッチ２０の２個のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａ、１２ａに並列に追加されている点が異なっているだけである。この２個の追加されたｐ型ＭＯＳＦＥＴ２７、２８の役割は、電源投入時において、ＲＤｂ信号を高レベルにしておくことで上段ラッチ２０を非活性にしておきＰＷＯＮｂ信号が低レベルで下段ラッチ１０に対する負荷トランジスタとなることである。これによって安定してＭＴＪ素子１５、１６に記憶されていたデータを下段ラッチ１０へ読み出すことができる。その後、ＰＷＯＮｂが高レベルになり、ＲＤｂが低レベルになることで上段ラッチ２０へそのデータがラッチされる。
（第２の実施形態の変形例１５）
図４５は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路６０の変形例１５の構成を示す回路図であり、図４６は図４５の集積回路６０の動作を示すタイムチャートである。
図４５に示すように、第２の実施形態の変形例１５に係る集積回路６０は、図３８に示す第３の実施形態の集積回路５０の構成を並列型に変更した構成を有している。
具体的には、左側のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインに接続されていたＭＴＪ素子１５の自由層が、負荷トランジスタ２５のドレインに接続されている。負荷トランジスタ２５のソースは接地され、ゲートには、ＰＷＯＮ信号が印加される。右側のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインに接続されていたＭＴＪ素子１６の自由層が、負荷トランジスタ２６のドレインに接続されている。負荷トランジスタ２６のソースは接地され、ゲートには、ＰＷＯＮ信号が印加される。
ここで、ＭＴＪ素子１５、１６の固定層を電源Ｖdd側に接続する、つまり、スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６の固定層を自由層に対して電位が高いノードに接続することにより、ＭＴＪ素子１５、１６内に生じる障害電流を回避することができる。障害電流は、ディスターブ電流とも呼ばれている。
図４６に示すように、集積回路６０に電源が再度投入される時に、電源が投入前に集積回路６０に最後に書き込まれたデータが読み出される。
第４の実施形態に係る集積回路６０によれば、上記した並列型の配置により、下段のｎ型ラッチ１０と上段のｐ型ラッチ２０と拮抗が起こらず、実施形態３の集積回路５０の動作がさらに、安定するという利点が生じる。
（第２の実施形態の変形例１６）
図４７は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１６の構成を示す回路図である。図４７に示すように、本発明の第４の実施形態の変形例１６に係る集積回路６１は、図４５の集積回路６０と比較して、図４５の集積回路６０のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７、二つの負荷トランジスタ２５、２６が、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ２１、２７、２８に置き換えられている。
（第２の実施形態の変形例１７：スタティック直列型）
図４８は、本発明の第２の実施形態の変形例１７に係る集積回路６５の構成を示す回路図である。図４８に示すように、本発明の第５の実施形態に係る集積回路６５は、第３の実施形態の集積回路４０と比較して、下段ラッチ１０の構成が異なっている。具体的には、図３０に示す第２の実施形態の集積回路４０において、第１のラッチ１０内のグランド側に接続されていたｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７を省略した所謂のスタティック直列型の集積回路である。
本発明の集積回路６５によれば、制御信号が不要となり回路素子数も少なく面積、パワー共に小さくなるという効果がある。
（第２の実施形態の変形例１８）
図４９は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１８の構成を示す回路図である。図４９に示すように、本発明の集積回路６６は、図３１又は図３４におけるグランドあるいは電源電圧との間に存在するｎ型ＭＯＳＦＥＴ又はｐ型ＭＯＳＦＥＴを無くして、スタティックラッチ型にしたものである。本発明の第５の実施形態の変形例１に係る集積回路６５によれば、制御信号が不要となり回路素子数も少なく面積、パワー共に小さくなるという効果がある。
（第２の実施形態の変形例１９）
図５０は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例１９の構成を示す回路図である。図５０に示すように、本発明の集積回路６７は、図３２又は図３５におけるグランドあるいは電源電圧との間に存在するｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７又はｐ型ＭＯＳＦＥＴ２１を無くして、スタティックラッチ型にしたものである。本発明の第２の実施形態の変形例１７に係る集積回路６７によれば、制御信号が不要となり回路素子数も少なく、面積、パワー共に小さくなるという効果がある。
（第２の実施形態の変形例２０）
図５１は、本発明の第２の実施形態の変形例２０に係る集積回路の構成を示す回路図である。図５１に示すように、本発明の第２の実施形態の変形例２０に係る集積回路７０は、図４５に示す集積回路６０と比較して、下段ラッチ１０の構成が異なっている。具体的には、図４５に示す第４の実施形態の集積回路６０において、第１のラッチ１０内のグランド側に接続されていたｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７を省略した、所謂のスタティック並列型の集積回路である。
本発明の第６の実施形態に係る集積回路７０によれば、制御信号が不要となり回路素子数も少なく面積、パワー共に小さくなるという効果がある。
（第２の実施形態の変形例２１）
図５２は、本発明の第２の実施形態に係る集積回路の変形例２１の構成を示す回路図である。図５２に示すように、本発明の第２の実施形態の変形例２１に係る集積回路７１は、図５１に示す第２の実施形態の変形例２０の集積回路７０と比較して、二つの負荷トランジスタ２５，２６が、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ３１、３２に置き換えられている。
以下、本発明の集積回路としてフリップフロップ回路について説明する。
（第３の実施形態：フリップフロップ回路）
図５３は、本発明の第３の実施形態に係る集積回路であるフリップフロップ回路８０のブロック図であり、図５４は、フリップフロップ回路８０の回路図である。
図５３に示すように、本発明の第２の実施形態に係るフリップフロップ回路８０は、並列型のラッチ回路８１を用いている。１段目、２段目の何れか一方、若しくは１段目と２段目の両方が記憶素子と、基本回路となるフリップフロップ回路から構成されている。
図５４に示すように、集積回路８０は、１段目が本発明の集積回路８１により構成され、２段目のラッチ回路は従来の揮発性のラッチ回路から構成されるフリップフロップ回路である。
図５４に示すように、本発明の１段目の集積回路８１は、第１のラッチ１０と、上記第１のラッチ１０に接続されるスピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６と、上記スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６に接続される第２のラッチ２０とを、含んで構成されている。上記スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６は、上記第１のラッチ１０及び／又は第２のラッチ２０の動作周波数よりも低い動作周波数で書き込みがされる。
第１のラッチ１０は、交差型に配線される２個のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ，４ａからなる。第２のラッチ２０は、第１のラッチ１０の上部に配設され、交差型に配線される２個のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａ、１２ａからなる。
第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の固定層は、第１のラッチ１０のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインに接続され、第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の自由層は、負荷トランジスタとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５のドレインに接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５のソースは設置されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２５のゲートは、ＰＥＯＮ信号が印加される。
第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の固定層には、トランスファゲートとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３が接続され、このｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３にはインバータ２４の出力が接続され、このインバータ２４の入力には、ｉｎ信号が印加される。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３のゲートには、Ｇ信号が印加される。第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の自由層には、トランスファゲートとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３が接続され、このｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３にはインバータ２４の出力が接続され、このインバータ２４の入力には、ｉｎ信号が印加される。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３のゲートには、Ｇ信号が印加される。
第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の固定層は、第１のラッチ１０のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインに接続され、第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の自由層は、負荷トランジスタとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２６のドレインに接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２６のソースは設置されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２６のゲートは、ＰＷＯＮ信号が印加される。
第２のスピン注入型ＭＴＪ素子の固定層１６には、トランスファゲートとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３が接続され、このｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３にはインバータ２４の入力が接続され、このインバータ２４の入力には、ｉｎ信号が印加される。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３のゲートには、Ｇ信号が印加される。第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の自由層には、トランスファゲートとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３が接続され、このｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３にはインバータ２４の出力が接続され、このインバータ２４の入力には、ｉｎ信号が印加される。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２４のゲートには、Ｇ信号が印加される。
第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６は、第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ａと第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１４ｂとの間に接続されている。
第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の一端となる固定層は、第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂのドレインに接続されている。第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の他端となる自由層は、第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ｂのソースに接続されている。つまり、第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の固定層は、第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１４ｂを介して、電源ラインに接続されている。このように、第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の固定層は、自由層に対して電位が高いノードに接続される。
尚、第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６において、固定層と自由層との間の層はトンネル障壁層である。
第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインは、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａの入力端子となるゲートに接続されている。第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインは、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａの入力端子となるゲートに接続されている。これらの第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ，４ａのドレインとゲートとの接続は、交差型（クロスカップルとも呼ばれている。）配線や、たすきがけ配線とも呼ばれている。
上記の構成を有している第１のラッチ１０と第２のラッチ２０とから所謂揮発性ラッチ回路が構成される。
第１のラッチ１０の出力端子は、トランスファゲートとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３を介してｉｎ信号が印加される。第２のラッチ２０の出力端子は、トランスファゲートとなるｎ型ＭＯＳＦＥＴ２３を介してｉｎ信号が印加される。
（ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ）
図５５は、本発明の第３の実施形態に係る集積回路８３の回路図である。
図５５に示すように、本発明の第３の実施形態に係る集積回路８３は、ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路である。ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路８３は、従来のＲＳフリップフロップ回路のＲ端子及びＱ端子に第１のＭＴＪ素子１５が並列接続され、ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路８３のＳ端子及びＢＱ端子に第２のＭＴＪ素子１６が並列接続されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の何れも、固定層が出力側に接続されている。
図５６は、図５５のＮＯＲ型のフリップフロップ回路８３のシミュレーションに用いる波形を示す図であり、図５７はシミュレーション波形の一例を示す図である。
シミュレーションの結果、フリップフロップ回路は例えば２０ｎｓで動作した。また、図５７に示すように、フリップフロップ回路８３のデータ復帰時のシミュレーション波形から、フリップフロップ回路８３では電源を遮断してもデータを復帰できるので、フリップフロップ回路８３の待機中は電源を落とすことが可能となり、待機時パワーが０（零）にできる。
（ＮＯＲ型のフリップフロップ回路の変形例）
図５８は、本発明のＮＯＲ型のフリップフロップ回路８５の変形例を示し、（ａ）は第１の回路、（ｂ）は第２の回路、（ｃ）は第３の回路である。
図５８（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＮＯＲ型のフリップフロップ回路の変形例では、図５５のＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路と比較すると、何れもＱ端子に第１のＭＴＪ素子１５が直列接続され、ＱＢ端子に第２のＭＴＪ素子１６が直列接続されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の何れも、固定層が出力側に接続されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の自由層は何れも、ＰＬ信号に接続されている。
（潜伏時間の調整方法）
記憶素子の消費電力を低減化するためには、記憶素子に印加する電圧を調整して、潜伏時間を長くすればよい。
図５９は、ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路８３において電流駆動の記憶素子１Ｂの潜伏時間を調整できる回路であり、（ａ）は抵抗８６を用いる回路、（ｂ）はＭＯＳＦＥＴ８７を用いる回路を示している。
図６０は、ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路８３において電圧駆動の記憶素子１Ｂの潜伏時間を調整できる回路であり、（ａ）は抵抗８６を用いる回路、（ｂ）はＭＯＳＦＥＴ８７を用いる回路、（ｃ）は抵抗８６とＭＯＳＦＥＴ８７を用いる回路を示している。（ｃ）では、抵抗８６とＭＯＳＦＥＴ８７を入れ替えても構わない。
（待機時の貫通電流を防止する回路）
図６１は、ＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路８３において、記憶素子１Ｂの待機時の貫通電流を防止する回路であり、（ａ）は第１の回路、（ｂ）は第２の回路を示している。図６１は、何れも、図５５のＮＯＲ型のＲＳフリップフロップ回路８３のＲ，Ｓ端子に貫通電流を防止する回路８８を設けている。
（シミュレーション）
図６２は、図６１（ｂ）の回路において、記憶素子としてＭＴＪ素子１５、１６を使用し待機時の貫通電流を防止する回路のシミュレーションに用いる波形を示す図であり、図６３〜６５は、シミュレーション波形を示す図である。
図６３は、図６２の波形をフリップフロップ回路（図６１（ｂ））の回路に入力したときの、データ復帰時のシミュレーション波形を示す図である。図６３に示すように、フリップフロップ回路８３では電源を遮断してもデータを復帰できるので、フリップフロップ回路８３の待機中は電源を落とすことが可能となり、待機時パワーが０（零）にできる。
図６４は、フリップフロップ回路の動作時のシミュレーション波形を示す図である。図６４に示すように、フリップフロップ回路の動作時では、正常動作をしていることがわかる。
図６５は、ＭＴＪ素子１５、１６に流れる電流のシミュレーション波形を示す図である。図６５に示すように、ＭＴＪ素１５、１６子が正しくスイッチングしていると共に、Ｒ又はＳが低レベルになり、ＭＴＪ素子１５、１６へ書き込みを行っていない期間には、ＭＴＪ素子１５、１６を通過する電流、つまり、待機時の貫通電流が０になっていることが分かる。
（自動セーブ機能付きＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路）
図６６は、自動セーブ機能付きＲＳフリップフロップ回路９０を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）は駆動波形の一例を示す図である。
図６６に示すように、図５５のＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３の入力側に自動セーブ機能を有する回路９２が付加されている。この回路により、第２の動作モード中に自動的にＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ８３に揮発的に記憶されているデータがＭＴＪ素子対１５、１６に書き込まれる。具体的には、電源遮断前にＳＡＶＥＢ信号にｔA＋ｔBより長い負のパルスを図６６（ｂ）に示されているように与えることで、ＢＱの信号がフィードバックされてＭＴＪ素子対へ書き込まれることになる。
（動作時にＭＴＪ素子を切り離すＲＳフリップフロップ回路）
図６７は、ＭＴＪ素子の切り離しが可能なＲＳフリップフロップ回路９５の回路図である。図６７に示すように、ＭＴＪ素子の切り離し回路９６は、図５５のＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３に付加されている。ＭＴＪ素子の切り離し回路９６は、ＭＴＪ素子１５、１６に接続されるスイッチ９７と、このスイッチ９７に接続されるインバータ９８と、このインバータ９８に接続される２入力ＯＲ９９と、この２入力ＯＲ９９に接続される３入力ＯＲ１０１とから構成されている。２入力ＯＲ９９の入力には、ＢＳＬ信号が印加される。３入力ＯＲ１０１の入力には、Ｒ信号、Ｓ信号及びＰＷＯＮ信号が印加される。
次に、上記回路の動作を説明する。
（１）通常モード時
通常モード時は、ＰＷＯＮ信号は低レベル、ＢＳＬ信号は高レベルである。この場合、ＭＴＪ素子１５、１６は入力端子R,Ｓから切り離されているので、ＭＴＪ素子１５、１６への書き込みは禁止され、ＣＭＯＳからなるＲＳフリップフロップ回路８３としてのみ動作する。
（２）パワーオフ直前
通常モード時は、ＰＷＯＮ信号は低レベル、ＢＳＬ信号は低レベルである。この場合、Ｒ，Ｓの何れかの正のパルスでＭＴＪ素子１５、１６が入力端子Ｒ，Ｓに接続され、ＭＴＪ素子１５、１６に書き込みが行われる。そして電源遮断前には、ＢＳＬ＝Lowとなると共に、ＲあるいはＳの正のパルスはＭＴＪ素子１５、１６に書き込める十分長いものが入力されることなる。
（３）パワーオン時
パワーオン時は、ＰＷＯＮ信号は高レベル、ＢＳＬ信号は低レベルである。この場合、Ｒ，Ｓは何れも低レベルであるが、ＰＷＯＮ信号が高レベルであるので、ＭＴＪ素子１５、１６はＲとＳに接続され、ＭＴＪ素子１５、１６に記憶されていた状態はＲＳフリップフロップ回路へロードされる。
図６８は、図６７のＲＳフリップフロップ回路９５に自動セーブ機能を設けた回路の回路図である。図６８に示すように、図６７の不揮発性ＲＳフリップフロップ回路９５に図６６と同様にＲＳフリップフロップ回路の入力側に自動セーブ機能を有する回路９２が付加されている。
図６９は、本発明の第３の実施形態に係るＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）駆動波形の一例を示す図である。
図６９に示すように、ＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０３は、従来のＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０４のＲ端子及びＱ端子に第１のＭＴＪ素子１５が並列接続され、ＮＡＮＤ型のＲＳフリップフロップ回路のＳ端子及びＢＱ端子に第２のＭＴＪ素子１６が並列接続されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の何れも、固定層が入力側に接続されている。この接続は、ＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３とは逆である。この接続により、電源の再投入時に正しいデータがＮＡＮＤ型フリップフロップ回路１０３に再ロードされる。
（ＮＡＮＤ型のフリップフロップ回路の変形例）
図７０は、本発明のＮＡＮＤ型のフリップフロップ回路の変形例を示し、（ａ）は第１の回路、（ｂ）は第２の回路、（ｃ）は第３の回路である。
図７０（ａ）〜（ｃ）の何れの場合も、ＮＡＮＤ型のフリップフロップ回路１０５は、図６９に示すＮＡＮＤ型のＲＳフリップフロップ回路１０３に対して、Ｑ端子に第１のＭＴＪ素子１５が直列接続され、ＱＢ端子に第２のＭＴＪ素子１６が直列接続されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の何れも、固定層が出力側に接続されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の自由層は何れも、ＰＬ信号に接続されている。
（自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路）
図７１Ａは、自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０７の回路図であり、図７１Ｂは、自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０７の機能を説明するブロック図である。図７１Ａに示すように、図６９のＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０３の入力側に、図６６と同様に自動セーブ機能を有する回路９２が付加されている。図７１Ｂに示すように、自動セーブ機能を有する回路９２は、制御回路であり、ｉｎｐｕｔ ｄａｔａとセーブをするためのＳａｖｅ信号が入力され、基本回路とＭＴＪ素子１５、１６とからなるＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路にｉｎｐｕｔ ｄａｔａを出力する。自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０７では、Ｓａｖｅ信号により基本回路とＭＴＪ素子に係る構成の変更は不要であり、制御回路の回路規模も小さいので制御回路の消費電力も著しく小さい。このため、本発明の自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０７は、図１３４に示す集積回路と比較すると、制御回路の回路規模及び消費電力を著しく低下させることが可能となる。
（Ｄラッチ）
図７２は、Ｄラッチの回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。
図７２（ａ）に示すように、ＮＯＲ型Ｄラッチ１１２は、図５５のＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３の入力側に、二つのＮＯＲ１１４とインバータ１１５とが付加されている。図７２（ｂ）に示すように、ＮＡＮＤ型Ｄラッチ１１６は、図６９のＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０３の入力側に、二つのＡＮＤ１１７とインバータ１１５とが付加されている。
（自動セーブ機能付きＤラッチ）
図７３は、自動セーブ機能付きＤラッチの回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。
図７３（ａ）に示すように、自動セーブ機能付きＮＯＲ型Ｄラッチ１１８は、図７２（ａ）のＮＯＲ型Ｄラッチ１１２の入力側に、図６６の自動セーブ機能を有する回路９２が付加されている。図７３（ｂ）に示すように、自動セーブ機能付きＮＡＮＤ型Ｄラッチ１２０は、図７２（ｂ）のＮＡＮＤ型Ｄラッチ１１６の入力側に、図６６の自動セーブ機能を有する回路９２が付加されている。
（Ｄフリップフロップ回路）
図７４は、Ｄフリップフロップ回路１２２の回路図である。図７４に示すように、Ｄフリップフロップ回路は、Ｄラッチ１１０を二つ縦続接続した構成を有している。Ｄラッチ１１０の何れか又は両方に図示しない記憶素子１Ｂを設けて、不揮発性Ｄフリップフロップ回路１２２が構成される。
（Ｄフリップフロップ回路の変形例）
図７５は、Ｄフリップフロップ回路１２４の回路図の一例である。図７５に示すように、Ｄフリップフロップ回路は、左側をＤラッチ８３とし、右側を従来の揮発性Ｄラッチ１２５とした構成を有している。この回路は、ＣＬＫ信号が高レベルで電力がオンになる集積回路や集積回路システムに適している。
（Ｄフリップフロップ回路の変形例）
図７６は、Ｄフリップフロップ回路１２７の別の一例を示す回路図である。図７６に示すように、Ｄフリップフロップ回路１２７は、左側を従来の揮発性Ｄラッチ１２５とし、右側をＤラッチ８３とした構成を有している。この回路は、ＣＬＫ信号が低レベルで電力がオンになる集積回路や集積回路システムに適している。
（Ｔフリップフロップ回路）
図７７は、Ｔフリップフロップ回路を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。
図７７（ａ）に示すように、非同期型のＴフリップフロップ回路１３０は、図５５のＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３の入力のそれぞれに２入力のＡＮＤ１１７が挿入されて、非同期型のＴフリップフロップ回路１３０が構成されている。入力は、Ｔ信号となる。図７７（ｂ）に示すように、同期型のＴフリップフロップ回路１３２は、図５５のＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３の入力のそれぞれに３入力のＡＮＤ１３５が挿入されて、同期型のＴフリップフロップ回路１３２が構成されている。入力は、Ｔ信号及びＣＬＫ信号となる。
（Ｔフリップフロップ回路の変形例）
図７８は、Ｔフリップフロップ回路の別の例を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。
図７８（ａ）に示すように、非同期型のＴフリップフロップ回路１４０は、図６９のＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０３の入力のそれぞれに２入力のＯＲ１１４が挿入されて、非同期型のＴフリップフロップ回路１４０が構成されている。入力は、ＴＢ信号となる。図７８（ｂ）に示すように、同期型のＴフリップフロップ回路１４２は、図６９のＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路１０３の入力のそれぞれに３入力のＯＲ１４３が挿入されて、同期型のＴフリップフロップ回路が構成されている。入力は、ＴＢ信号及びＣＬＫ信号となる。
（自動セーブ機能付きＴフリップフロップ回路）
上記の不揮発性Ｔフリップフロップ回路の何れにも、自動セーブ機能を付加することができる。
図７９は、自動セーブ機能付きＴフリップフロップ回路の回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。
図７９（ａ）に示すように、ＮＯＲ型の自動セーブ機能付きＴフリップフロップ回路１５０は、図７７（ａ）のＴフリップフロップ回路１３０の入力側に、図６６の自動セーブ機能を有する回路９２と同様の回路が付加されている。図７９（ｂ）に示すように、ＮＡＮＤ型の自動セーブ機能付きＴフリップフロップ回路１５５は、図７７（ｂ）のＴフリップフロップ回路の入力側に、図６６の自動セーブ機能を有する回路９２と同様の回路が付加されている。これらの回路は共に非同期型であるが、同期型のＴフリップフロップ回路にも自動セーブ機能を有する回路を付加することができる。
（ＮＯＲ型ＪＫフリップフロップ回路）
図８０は、ＮＯＲ型ＪＫフリップフロップ回路を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。
図８０（ａ）に示すように、非同期型のＮＯＲ型ＪＫフリップフロップ回路１５２は、図５５のＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３の入力のそれぞれに２入力のＡＮＤ１１７が挿入されて、非同期型のＪＫフリップフロップ回路１５２が構成されている。入力は、J信号及びＫ信号となる。図８０（ｂ）に示すように、ＮＯＲ型ＪＫフリップフロップ
回路１５４は、図５５のＮＯＲ型ＲＳフリップフロップ回路８３の入力のそれぞれに３入力のＡＮＤ１３５が挿入されて、同期型のＪＫフリップフロップ回路１５４が構成されている。入力は、J信号、Ｋ信号及びＣＬＫ信号となる。
（ＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路）
図８１は、ＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路を示し、（ａ）は非同期型、（ｂ）は同期型の回路図である。
図８１（ａ）に示すように、非同期型のＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路１５６は、図６９のＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路の入力１０３のそれぞれに２入力のＯＲ１１４が挿入されて、非同期型のＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路１５６が構成されている。入力は、ＪＢ信号及びＫＢ信号となる。図８１（ｂ）に示すように、同期型のＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路１５８は、図６９のＮＡＮＤ型ＲＳフリップフロップ回路の入力のそれぞれに３入力のＯＲ１４３が挿入されて、同期型のＮＡＮＤ型ＪＫフリップフロップ回路１５８が構成されている。入力は、JＢ信号、ＫＢ信号及びＣＬＫ信号となる。
（自動セーブ機能付きＪＫフリップフロップ回路）
上記ＪＫフリップフロップ回路の何れにも、自動セーブ機能を付加することができる。
図８２は、自動セーブ機能付きＪＫフリップフロップ回路の回路を示し、（ａ）はＮＯＲ型、（ｂ）はＮＡＮＤ型の回路図である。
図８２（ａ）に示すように、ＮＯＲ型の自動セーブ機能付きＪＫフリップフロップ回路１６０は、図８０のＮＯＲ型ＪＫフリップフロップ回路１５２の入力側に、図６６と同様の自動セーブ機能を有する回路９２が付加されている。図８２（ｂ）に示すように、ＮＡＮＤ型自動セーブ機能付きＪＫフリップフロップ回路１６２は、図８０（ｂ）のＪＫフリップフロップ回路１５４の入力側に、図７１と同様の自動セーブ機能を有する回路９２が付加されている。これらの回路は共に非同期型であるが、同期型のＴフリップフロップ回路にも自動セーブ機能を有する回路を付加することができる。
（第４の実施形態）
上記で説明した、ラッチ、フリップフロップ回路以外の論理回路にも記憶素子１Ｂを付加することができる。論理回路の例として、インバータ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲに記憶素子１Ｂが付加された回路について説明する。
（インバータ）
図８３（ａ）〜（ｄ）は、第４の実施形態に係るインバータ１７０の回路図である。図８３（ａ）〜（ｄ）において、ＣＭＯＳインバータ１７２の出力接点Ｂ（出力ノードＢ、又はノードＢとも呼ぶ。）に記憶素子１ＢとしてＭＴＪ素子１５の固定層が接続されている。ＭＴＪ素子１５の自由層には、ＰＬ信号が印加される。上記のインバータ１７０は出力に記憶素子１Ｂが１個付加された構造を有している。基本的にはラッチ回路であるが、上記した第２及び第３の実施形態の集積回路がＭＴＪ素子１５、１６を対、つまり２個使用しているのに比較すると、ＭＴＪ素子１５を１個使用している点で異なっている。
２個のＣＭＯＳインバータ１７２（図８３（ａ）参照）、又はＣＭＯＳインバータ１７２とＮＡＮＤ１７３（図８３（ｃ）参照）、ＣＭＯＳインバータ１７２とＮＯＲ１７４（図８３（ｄ）参照）とは完全にバランスされていない。ノードＡの立ち上がりの強さ、即ち、電源を立ち上げたときに電源からノードＡに供給される電流の大きさは、ノードＢに接続された反平行（ＡＰ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さと、ノードＢに平行（Ｐ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さの間にあるものとする。
（ＮＡＮＤ）
図８４（ａ）〜（ｃ）は、第４の実施形態に係るＮＡＮＤ１８０の回路図である。
図８４（ａ）〜（ｃ）において、は出力ノードＡに記憶素子１Ｂが１個付加された構造を有している。基本的にはラッチ回路であるが、上記した実施形態２等ではＭＴＪ素子１５、１６を対、つまり２個使用しているのに比較すると、ＭＴＪ素子１５を１個使用している点で異なっている。
インバータ２４とＮＡＮＤ１８２（図８４（ａ）参照）、ＮＡＮＤ１８２同士（図８３（ｂ）参照）、あるいはＮＡＮＤ１８２とＮＯＲ１８３（図８３（ｃ）参照）とは完全にバランスされていない。ノードＡの立ち上がりの強さは、ノードＢに接続された反平行（ＡＰ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さと、ノードＢに平行（Ｐ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢ立ち上がりの強さの間にあるものとする。
（ＮＡＮＤの変形例）
図８５はＮＡＮＤの変形例を示す回路図であり、ＰＬ信号が不要となる。インバータ２４とＮＡＮＤ１８２（図８５（ａ）参照）、ＮＡＮＤ１８２同士（図８５（ｂ）参照）、あるいはＮＡＮＤ１８２とＮＯＲ１８３（図８５（ｃ）参照）とは完全にバランスされていない。ノードＡの立ち上がりの強さは、ノードに接続された反平行（ＡＰ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さと、ノードに平行（Ｐ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さの間にあるものとする。この変形例では、ＰＬ信号が不要となるために、図８４に示すＮＡＮＤ１８０に比べて回路面積が小さくできパワーが低減できる、というメリットがある。
（ＮＯＲ）
図８６は第４の実施形態に係るＮＯＲ１９０の回路図であり出力ノードＡに記憶素子１５が１個付加された構造を有している。基本的にはラッチ回路であるが、上記した実施形態２ではＭＴＪ素子１５、１６を対、つまり２個使用しているのに比較すると、ＭＴＪ素子１５を１個使用している点で異なっている。
ＭＴＪ素子１５が接続されるインバータ２４とＮＯＲ１８３（図８６（ａ）参照）、又はＮＡＮＤ１８２とＮＯＲ１８３（図８６（ｂ）参照）とＮＯＲ１８３同士（図８６（ｃ）参照）、とは完全にバランスされていない。ノードＡの立ち上がりの強さは、ノードに接続された反平行（ＡＰ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さと、ノードに平行（Ｐ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合の立ち上がりのノードＢの強さの間にあるものとする。
（ＮＯＲの変形例）
図８７は、ＮＯＲの変形例１９５を示す回路図であり、出力ノードＢに記憶素子１Ｂが１個付加された構造を有している。インバータ２４とＮＯＲ１８３（図８７（ａ）参照）、ＮＡＮＤ１８２とＮＯＲ１８３（図８７（ｂ）参照）、あるいはＮＯＲ同士（図８７（ｃ）参照）とは完全にバランスされていない。ノードＡの立ち上がりの強さは、ノードに接続された反平行（ＡＰ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さと、ノードに平行（Ｐ）状態のＭＴＪ素子１５がついた場合のノードＢの立ち上がりの強さの間にあるものとする。この変形例では、ＰＬ信号が不要となるために、図８６のＮＯＲ１９０に比べて回路面積が小さくできる、パワーが低減できる、というメリットがある。
（第５の実施形態：ＳＲＡＭ）
図８８は、本発明の第５の実施形態に係る集積回路としてＳＲＡＭ２００を示し、（ａ）はＳＲＡＭ２００の構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセル２０１、（ｃ）はメモリセル２０１の回路である。
図８８（ａ）、（ｂ）に示すように、ＳＲＡＭ２００のメモリセル２０１は、ｍ行×ｎ列のマトリクス状に配列される複数のメモリセル２０２と、周辺回路２１０から構成されている。周辺回路２１０は、マトリクスの上部側に配設されるＭＵＸ及びセンス回路２１２と、マトリクスの右側に配設されるローデコーダ回路、ワード線（ＷＬ）、プレート線（ＰＬ）制御回路等２１４から構成されている。
図８８（ｃ）に示すように、メモリセル２０１は、基本回路となる従来のフリップフロップ回路と、記憶素子１Ｂとなる二つのＭＴＪ素子１５、１６とから構成されている。
メモリセル２０１は、第１のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａと該第１のｎ型ＭＯＳＦＥＴに４ａ接続される第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａと、該第１のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａと第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ａの接続点（ノード）に接続される第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３及び第１のＭＴＪ素子１５と、第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａと該第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａに接続される第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ａと、該第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａと第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａの接続点（ノード）に接続される第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５及び第２のＭＴＪ素子１６と、から構成されている。
第１のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインは、第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａの入力端子となるゲートに接続されている。第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインは、第１のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのゲートに接続されている。これらの二つのｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ，４ａのゲートとドレインとの接続は、交差型（クロスカップルとも呼ばれている。）配線や、たすきがけ配線とも呼ばれている。
同様に第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａと第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ａのゲートとドレインも交差型配線を有している。
第１及び第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ，４ａのソースは接地されている。第１及び第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ，４ａのソースは、接地電位（グランド電位と称する。）として０Ｖ又は０Ｖ以外の一定電圧が印加されてもよい。
第１のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインは、記憶ノードとなり、第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３を介してＢＬ信号に接続されている。
第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインは、記憶ノードとなり、第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５を介してＢＢＬ信号に接続されている。
第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３のゲートと第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５のゲートとは、同一のワードライン、つまりＷＬ信号に接続される。
第１のＭＴＪ素子１５の固定層は、第１のｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインに接続されている。第２のＭＴＪ素子１６の固定層は、第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインに接続されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の自由層には、ＰＬ信号が印加される。
次に、本発明のメモリセル２０１の動作について説明する。
図８９（ａ）及び（ｂ）は本発明のメモリセル２０１の動作波形の２例を説明する図である。
図８９（ａ）に示すように、ＰＬ信号として、グランドと電源電圧を順番に印加して、書き込み時間がτ（λ2／ｆ2）＞ｔA＋ｔBのセーブ（ｓａｖｅ）時にＳＲＡＭ２００のメモリセル２０１のデータがＭＴＪ素子１５、１６に書き込まれる。このとき書き込み時のＷＬ信号は低レベルであり、ＢＬ及びＢＢＬ信号は高レベルである。この方式では、二つのＭＴＪ素子１５、１６に別々のタイミングで書き込む方式で、ＰＬがグランドレベルである前半では、平行状態のＭＴＪ素子１５、１６を反平行状態へスイッチさせ、ＰＬが電源電圧である後半では、反平行のＭＴＪ素子１５、１６を平行状態へスイッチさせるものである。
図８９（ｂ）は本発明のメモリセル２０１の別の書き込み方法を説明するタイムチャートであり、メモリセル２０１の書き込み時に、ＰＬ信号の電圧を電源電圧Ｖddとグランド電圧の中間電位に設定しても行うことができる。図では、中間電位をＶdd／２としている。この方式では、二つのＭＴＪ素子１５、１６を同時にスイッチングさせることができる。
本発明のメモリセル２０１によれば、ＳＲＡＭ２００の動作時には、ＭＴＪ素子１５、１６には書き込みがされず、電源を切る前の第２の動作モードにおいてＳＲＡＭ２００に保持されているデータの書き込みがされる。ＳＲＡＭ２００に保持されたデータは、記憶素子であるＭＴＪ素子１５、１６に記憶される。この記憶されたデータが、ＳＲＡＭ２００の再起動時にＳＲＡＭ２００の各メモリセル２０１のフリップフロップ回路に再ロードされる。
（第５の実施形態の変形例１）
図９０は、本発明の第５の実施形態の変形例１に係るＳＲＡＭ２２０を示し、（ａ）はＳＲＡＭ２２０の構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセル２２１、（ｃ）メモリセル２２１の回路である。
図９０（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＳＲＡＭ２２０のメモリセル２２１は、図８８のＰＬ信号の代わりにＷＷＬ信号が印加される構成となっている。図９０（ｃ）に示すように、メモリセル２２１は、図８８（ｃ）のメモリセル２０１にさらに、第３及び第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３、１４が追加された構成を有している。
第１のＭＴＪ素子１５の自由層は第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３を介してＢＢＬ信号に接続されている。第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３のゲートには、ＷＷＬ信号が印加される。同様に、第２のＭＴＪ素子１６の自由層は第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１４を介してＢＬ信号に接続されている。第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１４のゲートには、ＷＷＬ信号が印加される。
次に、本発明のメモリセルの動作について説明する。
図９１は本発明のメモリセル２２１の動作波形を説明する図である。
図９１に示すように、ＷＷＬ信号として、グランドに対して電源電圧（Ｖdd）を印加して、書き込み時間がτ（λ2／ｆ2）＞ｔA＋ｔBのセーブ（ｓａｖｅ）時にＳＲＡＭ２２０のメモリセル２２１のデータがＭＴＪ素子１５、１６に書き込まれる。セーブ時のＷＬ信号は高レベルであり、ＢＬ及びＢＢＬ信号は高レベルである。
（第５の実施形態の変形例２）
図９２は、本発明の第５の実施形態の変形例２に係るＳＲＡＭ２３０の構成を示し、（ａ）はＳＲＡＭ２３０の構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセル２３１の回路図である。
図９２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＳＲＡＭ２３０は、図８８のＳＲＡＭ２００に、さらに、ＷＷＬ信号用の電源変換回路２３５と電源変換回路２３５に接続される記憶回路２３７とを追加した構成を有している。この構成によれば、ＷＬＬ信号を駆動する電源ＶWLLを電源変換回路２３５で調整することができる。例えば、電源電圧Ｖddから降圧し、メモリセル内のＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間を調整することができる。この電源ＶWLLの電圧は、ＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間の測定結果に基づいてプログラムしておけばよい。この測定結果は、電源変換回路２３５に接続される記憶回路２３７に収容されている。
次に、本発明のメモリセルの動作について説明する。
図９３は本発明のメモリセル２３１の動作波形を説明する図である。図９３に示すように、ＷＷＬ信号として、グランド（ＧＮＤとも呼ぶ）に対して電源電圧（Ｖdd）が降圧されたＶWLLが印加される以外は、図８８と同様である。これにより、ＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間を調整して、ＭＴＪ素子１５、１６の書き込みの消費電力を低減することができる。
（第５の実施形態の変形例３）
図９４は、本発明の第５の実施形態の変形例３に係るＳＲＡＭ２４０の構成を示し、（ａ）はＳＲＡＭ２４０の構成を示すブロック図、（ｂ）はメモリセル２４１、（ｃ）はメモリセル２４１の回路図である。
図９４に示すように、ＳＲＡＭ２４０は、図８８のＳＲＡＭ２００のメモリセル２０１に、さらに、第３及び第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３、１４と、ＳＬ信号が追加された構成を有している。第１のＭＴＪ素子１５の自由層は第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３を介してＰＬ信号に接続されている。第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３のゲートには、ＳＬ信号が印加される。同様に、第２のＭＴＪ素子１６の自由層は第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１４を介してＰＬ信号に接続されている。第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１４のゲートには、ＳＬ信号が印加される。
次に、本発明のメモリセル２４１の動作について説明する。
図９５（ａ）〜（ｄ）は本発明のメモリセル２４１の動作波形を説明する図である。
図９５（ａ）と（ｂ）は、ＳＲＡＭ２４０のメモリセル２４１にデータを書き込む際にＭＴＪ素子１５、１６との間のスイッチング・トランジスタ(ｎ型ＭＯＳＦＥＴ)のゲート信号ＳＬを立ち上げて、毎サイクルＭＴＪ素子１５、１６へ電流を流す方式である。（ａ）と（ｂ）の違いは、書き込み時にＰＬをＧＮＤレベルと電源電圧レベルに遷移させて２サイクルで２個のＭＴＪ素子１５、１６に順番に書き込む方式が（ａ）であり、（ｂ）はＰＬレベルをＧＮＤと電源電圧の間の値に設定して、１サイクルで２個のＭＴＪ素子１５、１６へ同時に書き込む方式である違いである。
図９５（ｃ）と（ｄ）はＳＲＡＭ２４０のメモリセル２４１にデータを書き込む際にＭＴＪ素子１５、１６との間のスイッチング・トランジスタ(ｎ型ＭＯＳＦＥＴ)のゲート信号ＳＬをＧＮＤレベルのままにしておいて、ＭＴＪ素子１５、１６には電流を流さない方式である。この方式の方がパワーを低減させることが可能である。(ｃ)と(ｄ)の違いは、書き込み時にＰＬをＧＮＤ（グランド）レベルと電源電圧レベルに遷移させて２サイクルで２個のＭＴＪ素子１５、１６に順番に書き込む方式が(ｃ)であり、これに対して(ｄ)はＰＬレベルをＧＮＤと電源電圧の間の値に設定して、１サイクルで２個のＭＴＪ素子１５、１６へ同時に書き込む方式である。
（第５の実施形態の変形例４）
図９６は、本発明の第５の実施形態の変形例４に係るＳＲＡＭ２５０の構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）はメモリセル２５１の回路図である。
図９６に示すように、ＳＲＡＭ２５０は、図９４のＳＲＡＭ２４０に、さらに、ＳＬ信号用の電源変換回路２５５と電源変換回路２５５に接続される記憶回路２５７とを追加した構成を有している。この構成によれば、ＳＬ信号を駆動する電源ＶSLを電源変換回路２５５で調整することができる。例えば、電源電圧Ｖddから降圧し、メモリセル２５１内のＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間を調整することができる。この電源ＶSLの電圧は、ＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間の測定結果に基づいてプログラムしておけばよい。この測定結果は、電源変換回路２５５に接続される記憶回路２５７に収容されている。
次に、本発明のメモリセルの動作について説明する。
図９７は本発明のメモリセル２５１の動作波形を説明する図である。
図○に示すように、ＳＬ信号として、グランドに対して電源電圧（Ｖdd）が降圧されたＶSLが印加される以外は、図９５と同様である。これにより、ＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間を調整して、ＭＴＪ素子１５、１６の書き込みの消費電力を低減することができる。
（第６の実施形態）
（２値のＣＡＭ）
次に、第６の実施形態として、コンテント・アドレサブル・メモリ（Content Addressable Memory、以下ＣＡＭと呼ぶ）等の検索に使用される２値のコンテント・アドレサブル・メモリメモリについて説明する。
図９８は、本発明の第６の実施形態に係る２値のＣＡＭのメモリセルの構成を示し、（ａ）はＮＯＲ型ＣＡＭ２７０、（ｂ）はＮＡＮＤ型ＣＡＭ２８０の回路図である。
図９８（ａ）の第５の実施形態に係る２値のＮＯＲ型ＣＡＭ２７０のメモリセル２７１は、二つのインバータ２７２がリング接続された双安定回路２７３と、この双安定回路２７３の接続点となる各ノードに接続される第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６と、双安定回路２７３の接続点となる各ノードに接続される第１〜第６の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２７４とから構成されている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の自由層は、ＰＬ信号に接続されている。メモリセル２７１には、パターンＷＬ信号、ＭＬ信号、ＳＬ信号及びＳＬ信号が印加される。
図９８（ｂ）の第４の実施形態に係る２値のＮＡＮＤ型ＣＡＭ２８０のメモリセル２８１は、二つのインバータ２８２がリング接続された双安定回路２８３と、この双安定回路２８３の接続点となる各ノードに接続される第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６と、双安定回路２８３の接続点となる各ノードに接続される第１〜第５の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２８４とから構成されている。第１及び第２のＭＴＪ素子の自由層１５、１６は、ＰＬ信号に接続されている。メモリセル２８１には、ＭＬn信号、ＭＬn+1信号、ＳＬ信号及びＢＳ信号が印加される。
（２値のＣＡＭの変形例）
図９９は、本発明の２値（バイナリィー）のＣＡＭのメモリセルの変形例の構成を示し、（ａ）はＮＯＲ型ＣＡＭ２９０、（ｂ）はＮＡＮＤ型ＣＡＭ３００の回路図である。
図９９（ａ）及び（ｂ）に示すように、２値のＣＡＭの２９０、３００メモリセルの変形例は、サーチライン（ＳＬ）とビットライン（ＢＬ）とが分離した構成となっている。
（３値の不揮発性ＣＡＭ）
図１００は、本発明の第６の実施形態に係る３値の不揮発性ＣＡＭのメモリセルの構成を示し、（ａ）はＮＯＲ型ＣＡＭ３２０、（ｂ）はＮＯＲ型ＣＡＭ３３０の変形例の回路図である。３値のＣＡＭ（Ternary Content Addressable Memory、以下TＣＡＭと呼ばれている。）３２０、３３０は、「０」、「１」、「Ｘ」というように３つの状態を扱う。
図１００（ａ）に示すように、３値の不揮発性ＮＯＲ型ＣＡＭ３２０のメモリセル３２１の構成は、２値のＣＡＭのメモリセルを２つ並べた構成を有している。左側のメモリセル３２１ａはパターンＷＬ１信号に接続され、右側のメモリセル３２１ｂはパターンＷＬ２信号に接続されている。図１００（ａ）に示すように、３値の不揮発性ＮＯＲ型ＣＡＭ３２０のメモリセル３２１の構成は、ＳＬとＢＳＬが印加される構成となっている。図１００（ｂ）に示すように、３値の不揮発性ＮＯＲ型ＣＡＭ３３０のメモリセル３３１の構成は、図１００（ａ）のＳＬ及びＢＳＬに、さらに、ＢＬ信号とＢＢ信号が印加され、サーチラインとビットラインが分離される構成となっている。
（３値の不揮発性ＣＡＭの変形例）
図１０１は、本発明の３値の不揮発性ＮＡＮＤ型ＣＡＭ３４０の変形例の構成を示す回路図であり、図１０２は、本発明の３値の不揮発性ＣＡＭのＮＡＮＤ型ＣＡＭ３５０の変形例の回路図である。
図１０１に示すように、３値の不揮発性ＮＡＮＤ型ＣＡＭ３４０のメモリセル３４１の構成は、２値のＣＡＭのメモリセルを２つ直列にした構成を有している。上段のＭＴＪ素子１５、１６が接続されていないメモリセル３４１ａはパターンＷＬ０信号に接続されている。下段側のメモリセル３４１ｂはパターンＷＬ１信号に接続されている。
図１０２に示すように、３値の不揮発性ＮＯＲ型ＣＡＭ３５０のメモリセル３５１は、図１０１のメモリセルと同じであるが、サーチライン（ＳＬ）とビットライン（ＢＬ）とが分離した構成となっている。
（第７の実施形態：ＦＰＧＡ）
図１０３は、本発明の第７の実施形態に係る集積回路としてＦＰＧＡ４００の構成を示し、（ａ）はＦＰＧＡ４００の構成を示すブロック図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
図１０３（ａ）に示すように、ＦＰＧＡ４００は、再構成できる論理ブロック４１０、所謂ゲートアレイ間がスイッチボックス４２０を介して接続されている。図１０３（ｂ）は、論理ブロック４１０とその周辺回路のスイッチ４３０の拡大図である。
図１０４は、ＦＰＧＡ４００内のスイッチ４３０の具体的な構成を示し、（ａ）はスイッチ４３０の模式図、（ｂ）はスイッチ４３０の回路図である。
図１０４（ｂ）に示すように、図１０４（ａ）に丸印（○）で示す各スイッチ４３０は基本回路となるラッチ４３５とこのラッチ４３５に接続されるＭＴＪ素子１５、１６のような記憶素子１Ｂとから構成されている。
スイッチ４３０は、二つのインバータ４３７がリング接続された双安定回路４３８と、この双安定回路４３８の接続点となる各ノードに接続される第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６と、双安定回路４３８の接続点となる各ノードに接続される第１〜第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４４１〜４４３とから構成されている。
第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４４１は、ＢＬ信号に接続されている。第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４４１は、／ＢＬ信号に接続されている。第１及び第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４４１、４４２のゲートは、ＷＬ信号に接続されている。第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４４２は、このスイッチ４３５のスイッチ用ＭＯＳＦＥＴそのものとなっている。第１及び第２のＭＴＪ素子１５、１６の自由層は、ＰＬ信号に接続されている。
（第７の実施形態の変形例１）
図１０５は、本発明の第７の実施形態の変形例１に係るスイッチ４５０の構成を示す回路図である。図１０５に示すように、スイッチ４５０は図１０４の構成にさらに、転送用のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４５２が追加され、ＰＬ信号を使用しない構成となっている。
（第７の実施形態の変形例２）
図１０６は、本発明の第７の実施形態の変形例２に係るＦＰＧＡ内のＭＵＸ(マルチプレクサ)４６０の構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）は回路図である。
図１０６に示すように、ＭＵＸ４６０は、ＭＴＪ素子１５、１６を用いた不揮発性スイッチ４７０を含んで構成されている。
（第７の実施形態の変形例３）
図１０７は、本発明の第７の実施形態の変形例３に係るＦＰＧＡ内のＭＵＸ４７０の構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）は回路図である。図１０７に示すように、ＭＵＸ４７０は、ＭＴＪ素子１５、１６を用いた不揮発性スイッチ４７５を含んで構成されている。また、ＰＬ信号を使用しない構成となっている。
（第７の実施形態の変形例４）
図１０８は、本発明の第７の実施形態の変形例４に係るＦＰＧＡ内の論理ブロック４８０内のスイッチ４８５の構成を示し、（ａ）は論理ブロック４８０のブロック図、（ｂ）は論理ブロック４８０の回路図で、（ｃ）はスイッチ４８５の回路である。
図１０８に示すように、論理ブロック中のスイッチ４８０として、ＭＴＪ素子１５、１６を用いたスイッチ４８５を含んで構成されている。これは、いわゆるテーブル・ルックアップ（ＴＬＵ）型の論理ブロックを構成するものである。
（第７の実施形態の変形例５）
図１０９は、本発明の第７の実施形態の変形例５に係るＦＰＧＡ内の論理ブロック４９０内のスイッチ４９５の構成を示し、（ａ）は論理ブロック４９０のブロック図、（ｂ）は論理ブロック４９０の回路図、（ｃ）はスイッチ４９５の回路図である。
図１０９に示すように、論理ブロック中のスイッチ４９５として、ＭＴＪ素子１５、１６を用いたスイッチを含んで構成されている。図１０８との違いは、ＭＴＪ素子１５、１６への書き込み方法の違いだけである。
（第８の実施形態：ページバッファ）
ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ等の書き込み耐性が弱いセルをデータ・ストレージ・メモリとして使う場合、デジカメ、ＭＰ３プレーヤー、ビデオなどの応用では書き込みデータ単位が１ＭＢ以上であるが、パーソナルコンピュ−タ（ＰＣ）やデータセンター応用ではＯＳの最小書き込み単位(セクター)は５１２Ｂである。このため、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリにおいては、ページ長よりも小さな単位でデータを書き込む場合に、毎回セルへ書き込んでいると、セルの劣化が起こるので、ページが一杯になるまでデータはページバッファに蓄えておき、一杯になったときにセルへまとめて書き込むことが行われている。
図１１０は、本発明の第８の実施形態に係る集積回路としてページバッファ５００の構成を示す回路図である。図１１０に示すように、ページバッファ５００は、本発明の双安定回路５１０に二つのＭＴＪ素子１５、１６を接続した不揮発性のメモリセル５１５を含んで構成されている。このページバッファ５００によれば、電源が落ちてもデータを失わないために、ページバッファ５００にＭＴＪ素子１５、１６等の記憶素子１Ｂを付加して、電源が落ちる前に、データをセーブすることができる。
（第８の実施形態の変形例）
図１１１は、本発明の第８の実施形態の変形例に係るページバッファ５３０の構成を示し、（ａ）はブロック図、（ｂ）は行アドレスバッファ５４０のメモリセル５４１の回路図である。
図１１１（ｂ）に示すように、ページバッファ５３０は、行アドレスバッファ５４０のメモリセル５４１にもＭＴＪ素子１５、１６が使用されている。これにより、ページバッファ５３０では、電源が落ちる前の行アドレスをＭＴＪ素子１５、１６等の記憶素子１Ｂに記憶し、電源再投入の後に、行アドレスを復帰して、それに対応するワード線を立ち上げ、データをページバッファ５３０のメモリセル５４１に記憶させることができる。
（第９の実施形態：システム）
次に、本発明の集積回路を用いた集積回路システムについて説明する。
図１１２は、本発明の第９の実施形態に係る集積回路システム６００の構成を示す回路図である。この集積回路システム６００は、中央演算部(ＰＵ)６０２と、ラッチ又はフリップフロップ回路６０３と、書き込み及び読み出し回路６０４と、データのセーブ/ロード制御部となるＳＬ制御回路６０５と、Ｘ'ｆｅｒゲート６０６等を含んで構成されている。電源オフや電源オンの制御はＯＳやアプリケーション・ソフトウェアで記述されている。
集積回路システムでは、中央演算部(ＰＵ)６０２とデータのセーブ/ロード制御部６０
５（S/L controlと呼ばれる。）を持つチップ内に、不揮発性ラッチあるいはフリップフロップ(ＦＦ)６０３が存在し、電源オフ直前の書き込みは時にはＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング時間（ｔA＋ｔB）より長い書き込みをラッチの出力データをフィードバックしてＭＴＪ素子１５、１６に行うように制御し、電源オンの時にはＭＴＪ素子１５、１６からデータをロードするように、中央演算部(ＰＵ)６０２とデータのセーブ/ロード制御部６０５が制御される。セーブ／ロード制御部６０では、電源の電圧がある一定の値を超えて低下したことを検知して、電源を遮断する信号を発生してもよい。
（第９の実施形態の変形例１）
図１１３は、本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例１の構成を示す回路図である。
集積回路システム６１０では、中央演算部(ＰＵ)６０２とデータのセーブ/ロード制御部６０５を持つチップ内に、不揮発性ラッチあるいはフリップフロップ(ＦＦ)６０３が存在し、電源オフ直前の書き込みは時にはＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング時間（ｔA＋ｔB）より長い書き込みを中央演算部(ＰＵ)６０２からＭＴＪ素子１５、１６へ行うように制御し、電源オン時にはＭＴＪ素子１５、１６からデータをロードするように中央演算部(ＰＵ)６０２とデータのセーブ/ロード制御部６０５が制御される。
（第９の実施形態の変形例２）
図１１４は、本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例２の構成を示す回路図である。
集積回路システム６２０では、中央演算部(ＰＵ)６０２とデータのセーブ/ロード制御部６０５を持つチップ内に、不揮発性ラッチあるいは不揮発性フリップフロップ(ＮＶＦＦ)６０３が存在し、電源オフ直前にはＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング時間（ｔA＋ｔB）より長いセーブ又はセーブＢ信号をセーブ/ロード制御部６０５から不揮発性ラッチあるいは不揮発性フリップフロップ(ＮＶＦＦ)６０３へ送信するように中央演算部(ＰＵ)６０２とデータのセーブ/ロード制御部６０５が制御される。
（第９の実施形態の変形例３）
図１１５は、本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例３の構成を示す回路図である。
集積回路システム６３０では、チップ内が複数のブロック６４１〜６４４に別れ、それぞれ独立に、図６８、図１１２、図１１３に示す電源オンと電源オフの制御を実行してもよい。
（第８の実施形態の変形例４）
図１１６は、本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例５の構成を示す回路図である。
集積回路システム６５０では、チップ内が複数のブロック６６１〜６６４に別れ、それぞれ独立に図６８、図１１２、あるいは図１１３のように中央演算部(ＰＵ)６０２とデータのセーブ/ロード制御部６０５が制御されてもよい。
（第９の実施形態の変形例５）
図１１７は、本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例５の構成を示す回路図である。
集積回路システム６７０では、Writeパルス幅は、チップ内に設けた不揮発記憶領域（ＮＶ ｍｅｍｏｒｙ (Ｗ Ｐｕｌｓｅ)）６７５にプログラムされた値により決定される。ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング時間のロット間／ウェハ間／チップ間ばらつきが安定している場合には、ＭＴＪ素子１５、１６への書き込み時間は予め決まった値を使えばよい。つまり、書き込み時間をチップに記憶しておけばよい。
（第９の実施形態の変形例６）
図１１８は、本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例６の構成として、Ｗｒｉｔｅパルス幅の指定のためのフローチャートである。
集積回路システムでは、ウェハーテスト時もしくはパッケージテスト時に、チップごとに、図１１８のフローチャートに従ってオンチップのＭＴＪ素子１５、１６に対してWriteパルス幅が測定され、その結果が専用の不揮発記憶領域（NVmemory (W Pulse)）６７５に記憶（ストア）される。被測定ＭＴＪ素子１５、１６は、実回路内のＭＴＪ素子１５、１６あるいはチップ上に設けたレプリカＭＴＪ素子１５、１６のどちらでもよい。
集積回路システムには、本フローチャートの書き込み時間測定を、オンチップで実現する回路を搭載してもよい。集積回路システムがマイコンやプロセッサの場合は、図１１８のフローチャートの手順を、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）にプログラムし、命令に従って上記のフローチャートの手順を起動してもよい。
ＭＴＪ素子のスイッチング時間のロット間、ウェハ間、チップ間のばらつきが大きい場合には、チップごとにスイッチング時間を測定して書き込み時間を決め、チップに記憶してもよい。
ＭＴＪ素子のスイッチング時間経時変動が大きい場合には、オンチップの測定回路で随時、例えば１日１回とかシステムリブート時とかに書き込み時間を測定して、チップに記憶してもよい。
（第９の実施形態の変形例７）
図１１９は、本発明の第９の実施形態の係る集積回路システムの変形例７の構成を示す回路図である。
集積回路システム６８０では、プログラム電圧・電流と潜伏時間の関係の測定結果をもとに、設定する潜伏時間を決め、それに対応する抵抗を選択する記憶回路にプログラムしてもよい。このプログラムに基づいて、図５９や図６０に示す潜伏時間の調整方法に示す抵抗値８６又はＭＯＳＦＥＴ８７の大きさ、ゲート電圧などを調整することができる。
（第９の実施形態の変形例８）
図１２０は、本発明の第９の実施形態に係る集積回路システムの変形例８の構成を示す回路図である。図１２０に示すように、集積回路システム６９０は、電源電圧の低下を自動で認識して、ある予め決められた電圧を超えて低下した場合には、第２の動作モードにエントリーし、図示しないＭＴＪ素子１５、１６にｔA＋ｔB以上の時間をかけてデータをセーブするというシステムの例である。この集積回路システム６９０では、電源電圧Ｖddの低下を検知するための回路ブロックとして、電源ダウン検出器６８５（Power Down Detector）がＶddの予め決められた値を超えた低下を検知したならば信号ＰＤを中央演算部(ＰＵ)６０２へ伝えることで、中央演算部(ＰＵ)６０２は第２の動作モードを実行することでＭＴＪ素子１５、１６へデータをセーブするという働きがある。
以下、本発明のラッチに係る実施例を具体的に説明する。
（実施例）
図１２１は、本発明のラッチに係る半導体記憶装置１Ｄの基本構成を示す回路図である。
図１２１に示すように、本発明の半導体記憶装１Ｄは、第１のラッチ１０と、上記第１のラッチ１０に接続されるスピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６と、上記スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６に接続される第２のラッチ２０とを、含んで構成されている。上記スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６は、上記第１のラッチ１０及び／又は第２のラッチ２０の動作周波数よりも低い動作周波数で書き込みがされる。第１のラッチ１０は下段ラッチとも呼ぶ。また、第２のラッチ２０を上段ラッチとも呼ぶ。
第１のラッチ１０は、第１の回路２と、第１の回路２に接続される第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３と、第２の回路４と、第２の回路４に接続される第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５と、を含んで構成されている。第１の回路２は、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａと第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂから構成されている。第２の回路４は、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａと第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ｂから構成されている。
第２のラッチ２０は、第３の回路１１と、第３の回路１１に接続される第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３と、第４の回路１２と、第４の回路１２に接続される第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１４と、を含んで構成されている。第３の回路１１は、第１の駆動用ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ａと第３のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ｂから構成されている。第４の回路１２は、第２の駆動用ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ａと第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂから構成されている。
第１のラッチ１０とグランドとの間には、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７が接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のドレインは、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａ及び第２のｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのソースに接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のソースはグランドに接続されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のゲートにはＲＤ信号が印加される。
第２のラッチ２０の出力端子ｏｕｔとｏｕｔｂとの間には、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８が接続されている。ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインは、出力端子ｏｕｔｂに接続されている。ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のソースは、出力端子ｏｕｔに接続されている。ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のゲートにはＲＤ信号が印加される。
第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５は、第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂと第３のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ｂとの間に接続されている。第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の一端となる固定層は、第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ２ｂのドレインに接続されている。第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５の他端となる自由層は、第３のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１ｂのソースに接続されている。
尚、第１のスピン注入型ＭＴＪ素子１５において、固定層と自由層との間の層はトンネル障壁層である。
第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６は、第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ４ｂと第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂとの間に接続されている。第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の一端となる固定層は、第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂのドレインに接続されている。第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６の他端となる自由層は、第４のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１２ｂのソースに接続されている。
尚、第２のスピン注入型ＭＴＪ素子１６において、固定層と自由層との間の層はトンネル障壁層である。
第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａのドレインは、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ｂの入力端子となるゲートに接続されている。第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａのドレインは、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａの入力端子となるゲートに接続されている。これらの第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２ａと第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ４ａの各ドレインと各ゲートとの接続は、交差型（クロスカップルとも呼ばれている。）配線やたすきがけ配線とも呼ばれている。
上記の構成を有している第１の回路２と第２の回路４とから、所謂揮発性ラッチ回路が構成される。
第１の回路２の出力端子は、第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３を介してｉｎ信号が印加される。第２の回路４の出力端子は、第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５を介してｉｎｂ信号が印加される。
第１、第２、第３及び第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３，５，１３，１４のゲートは、同一のＷＬ信号に接続される。第１及び第４の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ３、１４のソースには、ｉｎ信号が印加される。第２及び第３の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５、１３のソースには、ｉｎｂ信号が印加される。
次に、半導体記憶装置１Ｄに使用するＭＴＪ素子について説明する。
ＭＴＪ素子１５，１６の書き込み電流は素子の微細化と共に縮小可能であり、Ｓｉ基板などの上に形成されるＣＭＯＳ集積回路と共に同一基板上に製作できるという利点を有している。
図１２２はＭＴＪ素子３０の構造を示す図であり、それぞれ、（ａ）はＭＴＪ素子３０において固定層３０ｂと自由層３０ｃの磁化方向が平行状態の場合、（ｂ）はＭＴＪ素子３０において固定層３０ｂと自由層３０ｃの磁化方向が反平行の場合、（ｃ）は等価回路図である。図１２３はＭＴＪ素子３０の抵抗変化を示す図である。
図１２２（ａ）、（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子３０は、トンネル障壁層３０ａで隔てられた強磁性体からなる固定層３０ｂ及び強磁性体からなる自由層３０ｃによって構成されている。固定層３０ｂは、図の下向き矢印（↓）で示す磁化方向、つまりスピンの向きが固定されている層であり、強磁性固定層とも呼ばれている。自由層３０ｃは磁化の向きが固定されていない層であり、強磁性自由層とも呼ばれている。トンネル障壁層３０ａは、ＭｇＯやＡｌ2Ｏ3の薄膜で形成され、固定層３０ｂ及び自由層３０ｃは、鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）等の強磁性体又はこれらの合金からなる単層や複数の層で形成される。さらに、図１２２に示すように、自由層３０ｃには上部電極３０ｄが、固定層３０ｂには下部電極３０ｅが形成されている。
ＭＴＪ素子３０の抵抗値は、固定層３０ｂ及び自由層３０ｃの磁化方向の相対的向きによって変化する。この抵抗変化は、トンネル磁気抵抗効果と呼ばれている。この抵抗変化を評価するパラメータとして、トンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）はＭＴＪ素子３０の重要なパラメータである。
図１２２（ａ）に示すように、固定層３０ｂと自由層３０ｃの磁化の向きがそろっている状態を平行状態と呼び、このときのＭＴＪ素子３０の抵抗値が最小となり、ＲPと表す。
図１２２（ｂ）に示すように、固定層３０ｂと自由層３０ｃの磁化の向きが逆を向いている状態を反平行状態と呼び、このときのＭＴＪ素子３０の抵抗値が最大となり、ＲAPと表す。自由層３０ｃの磁化の状態を、固定層３０ｂに対して平行又は反平行に制御することにより、"０"、"１"の記録、つまり、書き込みができる。
ＴＭＲ比は、下記（１）式で表される。
ＴＭＲ比（％）＝（ＲAP−ＲP）／ＲP×１００（％） （１）
次に、ＭＴＪ素子３０の動作原理について述べる。
図１２２（ｃ）に示すように、反平行状態から平行状態に書き込むためには、自由層ｖから固定層３０ｂの向きで電流（Ｉ）を印加する。このとき、電子は電流と逆向きに流れる。これにより、固定層３０ｂから自由層３０ｃへ多数スピンの注入が起きる。スピン分極された電流が自由層３０ｃの磁化に作用し、自由層３０ｃの磁化が固定層３０ｂと同じ向きに反転し、平行状態になる。
逆に、平行状態から反平行状態に書き込むためには、固定層３０ｂから自由層３０ｃへの向きで電流を流す。注入されたスピンは、自由層３０ｃで相殺されるが、トンネル障壁層３０ａで反射した電子は、自由層３０ｃと逆向きの磁化を持つ。トンネル障壁層３０ａで反射したスピンは自由層３０ｃの磁化を反転させ、反平行状態になる。このように、スピン注入方式では、ＭＴＪ素子３０に流す電流の向きを反転することで自由層３０ｃの磁化方向を反転させるので、スピン注入磁化反転とも呼ばれている。
図１２３に示すように、ＭＴＪ素子３０は流す電流の向きによって、自由層３０ｃの磁化方向を固定層３０ｂの磁化方向に対して反転させ、磁化の向きが互いに平行の場合には、磁気抵抗（ＲP）が小さくなる。
一方、自由層３０ｃの磁化方向が固定層３０ｂの磁化方向に対して互いに反平行状態になると、磁気抵抗（ＲAP）が大きくなる。このように、ＭＴＪ素子３０は、自由層３０ｃの磁化の状態によって異なる２値の抵抗を持つ可変抵抗素子である。
スピン注入方式以外に自由層３０ｃの磁化を反転させる方法として、従来の磁界書き込み方式がある。磁界の印加は、ＭＴＪ素子３０の近傍に外部磁界を発生させる電流配線を配置して、この配線に電流を流して行うことができる。スピン注入方式は、ＭＴＪ素子３０に流す電流で自由層３０ｃの磁化反転ができるので、外部磁場が不要である。このため、外部磁場を発生させる電流配線が不要となる。さらに、ＭＴＪ素子３０の面積を微細化すると、スピン注入による磁化反転に必要な電流も低下する。
（ＳＴＴ−ＭＴＪのスイッチング速度）
図１２１の半導体記憶装置の面内磁化型ＭＴＪ素子(ｉ−ＭＴＪ素子)１５、１６と垂直磁化型ＭＴＪ素子(ｐ−ＭＴＪ素子)１５、１６の時分解のスイッチング特性を測定した。ここで、ｉ−ＭＴＪ素子１５、１６は、ＭＴＪ素子に流れる電流に垂直の面内に磁化されている。ｐ−ＭＴＪ素子１５、１６は、ＭＴＪ素子に流れる電流の方向あるいはその逆の方向に磁化されている。
図２７は、ｉ−ＭＴＪ素子及びｐ−ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング測定の回路図を示している。スイッチング測定には、２０ＧＨｚのサンプリングオシロスコープを使用した。ここで、自由層にはＭＴＪ素子１５、１６を反平行から平行にスイッチさせるために正の電圧パルスが印加される。そして、ＭＴＪ素子１５、１６を逆方向にスイッチさせるために負の電圧パルスが印加される。
図２８は、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング特性を示し、（ａ）はｐ−ＭＴＪ素子、（ｂ）はｉ−ＭＴＪ素子を示す図である。
図２８（ａ）及び（ｂ）に示すように、潜伏時間（ｔA）と遷移時間（ｔB）に注目した。潜伏時間（ｔA）は、パルスの立ち上がりから、スイッチングの開始迄と定義される。遷移時間（ｔB）は、スイッチングの開始から終了迄と定義される。
図２９は、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング特性に対する書き込み電圧Ｖｐ依存性を示し、（ａ）は潜伏時間（ｔA）、（ｂ）は遷移時間（ｔB）を示す図である。
図２９（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｐ−ＭＴＪ素子１５、１６のｔAは、０．９Ｖを超える書き込み電圧（Ｖｐ）に対して１ｎｓよりも短くでき、そして全てのＶｐでｉ−ＭＴＪ素子１５、１６よりも２桁以上短い。しかしながら、ｐ−ＭＴＪ素子１５、１６のｔBは一定であり約１０ｎｓで、Ｖｐが増加しても減少しない。一方、ｉＭＴＪのｔBは一定であり、約１ｎｓである。
このように、１００ｎｍのｐ−ＭＴＪ素子１５、１６のｔBは１０ｎｓよりは短くならない。これは、ｐ−ＭＴＪ素子１５、１６の動作周波数が１００ＭＨｚに制限されることを意味している。従って、半導体記憶装置１Ｄを１００ＭＨｚで動作させるためには、ＣＭＯＳ集積回路とＭＴＪ素子１５、１６との相互作用技術が必要である。
これは、図２９（ａ）に示すように、ｔAはＶｐに対して対数的に変化するので、このｔAの設定は、書き込み電圧を減少させることにより実現できる。
しかしながら、ｐ−ＭＴＪ素子１５、１６の動作周波数は上で説明したように１００ＭＨｚに制限されている。さらに、ＭＴＪ素子１５、１６に高速で書き込むためには、書き込み電圧も増加させなければならない。これにより、劇的に消費電力が増加する。また、高速動作では、エラーも増加する。
次に、本発明の半導体記憶装置１Ｄの動作について説明する。
図１９は、本発明の半導体記憶装置１Ｄの動作を説明するためのタイムチャートであり、図１２４は、本発明の半導体記憶装置１Ｄの動作を模式的に示す図、図２１は、本発明の半導体記憶装置１Ｄの動作点と電流の関係を模式的に示す図、図２２は、本発明の半導体記憶装置１Ｄの動作モードを示すタイムチャートである。
（１）高周波（書き込み時間がＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間＋遷移時間よりも短い時間での書き込みと読み出し動作）
図１９に示すように、Ｗｒｉｔｅサイクルにｉｎとｉｎｂに入力された相補データ対は、次のＲｅａｄサイクルでｏｕｔとｏｕｔｂに同一極性にて出力される。また、図１２４に示すように、高周波では、書き込み時間は潜伏時間と遷移時間の和よりも短いためにＭＴＪ素子の対１５、１６へのデータ書き込みは実行されない。
（２）低周波（書き込み時間がＭＴＪ素子の潜伏時間＋遷移時間よりも長い時間での書き込み動作）
図１９において、Ｗｒｉｔｅの期間がｔA＋ｔBよりも長い場合に対応する。このときの動作は上記と同じであるが、上記の第１の動作モードにおいては、ＭＴＪ素子１５、１６へのデータ書き換えが実行されなかったが、第２の動作モードにおいてはＭＴＪ素子１５、１６への書き込みが実行される点だけが異なる（図１２４及び図２１参照）。即ち、たとえば、ｉｎ＝高レベル、ｉｎｂ＝低レベルで第２の動作モードを実行する場合には、図１９において右側のＭＴＪ素子１６は平行状態（低抵抗状態）に、左側のＭＴＪ素子１５は反平行状態（高抵抗状態）に、それぞれ書き込まれることになる。
本発明の半導体記憶装置１Ｄでは、Ｖdd遮断直前のデータがＭＴＪ素子にセーブ、つまり記憶される。
（３）電源を断ち下げる動作（第３の動作モード中）
この期間では、電源を落とすだけであり、特別な動作を必要とはしない。
（４）電源立ち上げ時における動作（第４の動作モード中）
この期間では、ＭＴＪ素子対１５、１６からＣＭＯＳラッチ回路へのデータ・ロードがされる。
図２２に示すように、本発明の半導体記憶装置１Ｄでは、ｔAを１／２ｆよりも長くして電源遮断前にＭＴＪ素子に記憶すること及びＭＴＪ素子に記憶されたデータを電源の再投入時に上段及び下段のラッチ１０、２０へ再ロードするという二つの動作を実現できる。
（本発明の特徴）
本発明の半導体記憶装置１Ｄでは、上段及び下段のラッチ１０、２０の動作周波数（ｆ）を１００ＭＨｚ以上に増加させるために、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングの潜伏時間を利用し、ＣＭＯＳからなる集積回路とＭＴＪ素子１５、１６との間にローパスフィルター機能を自然な形で持ち新しい構成を有している。図１２４に示すように、半導体記憶装置１Ｄは、入力したデータが動作中にＣＭＯＳ集積回路にラッチされ、電源電圧を遮断する前にはラッチされたデータがＭＴＪ素子１５、１６に書き込まれる。この半導体記憶装置１Ｄは、二つのモードの間にスイッチング制御回路を必要としない。
垂直磁気記録するｐ−ＭＴＪ素子１５、１６の遷移時間は、水平磁気記録するｉ−ＭＴＪ素子１５、１６よりも長いことを見出した。本発明の半導体記憶装置１Ｄは、ＣＭＯＳ集積回路と同様に、動作電力のオーバーヘッド無しで高速で動作し、そしてＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングエラーは無視できる。
本発明の半導体記憶装置１Ｄは、従来例１（図１３３参照）及び従来例２（図１３４参照）の回路と比較して以下の優れた特性を有している。
（１）ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング速度に制限されること無しにＣＭＯＳ集積回路と同じ動作周波数で動作する。
（２）低消費電力である。理由は、動作モード（ワーキングモード）において、入力データに同期した動作においてＭＴＪ素子の高速書き込みがないからである。
（３）電源遮断前のＭＴＪ素子１５、１６の書き込みが低速であるので、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングエラーを劇的に抑圧できる。
（４）ＭＴＪ素子１５、１６の潜伏時間（ｔA）を利用することにより、ワーキングモードと電源遮断前のＭＴＪ素子１５、１６への書き込みモードとの間のスイッチング制御無しに簡単な回路が構成できる。上記した特徴は、上記表１に示している。
本発明の半導体記憶装置１Ｄによれば、高速動作、低電力、無視できるエラー（誤り）、低コストで、所謂ＭＴＪ／ＣＭＯＳハイブリッド集積回路を実現できる。
（製造方法）
次に、本発明の半導体記憶装置１Ｄの製造方法について説明する。
最初に、Ｓｉ等の半導体からなる基板上に半導体記憶装置１ＤのＭＴＪ素子１５、１６以外の回路をＣＭＯＳプロセスで形成し、その後で、スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６を形成する。
具体的には、スピン注入型のＭＴＪ素子１５、１６の形成は、以下のように行う。
ＣＭＯＳ工程で回路等を形成した後、回路２、４のノードＣとノードＤを露出させ、ノードＣとノードＤの電極上にＭＴＪ素子１５、１６となる固定層とトンネル障壁層と自由層との順に形成する。ＭＴＪ素子１５、１６の最上層は自由層である。自由層は強磁性層を複数層積層した層としてもよい。
次に、基板の全面に層間絶縁層を堆積し、ＭＴＪ素子１５、１６の自由層と半導体記憶装置１ＤのノードＡとノードＢとを、フォトリソグラフィーと層間絶縁層のエッチングとによって開孔する。
次に、層間絶縁層上に所定の厚さの金属膜をスパッタ法などにより堆積し、ＭＴＪ素子１５、１６の自由層と半導体記憶装置１ＤのノードＡとノードＢとを接続する金属膜以外は選択エッチングによって除去する。この工程で、ＭＴＪ素子１５、１６が半導体記憶装置１ＤのノードＡとノードＢに接続される。
図１７の半導体記憶装置１Ｃ、図３０の集積回路４０を製造する方法も上記の方法に準ずるが、ＭＴＪ素子１５、１６の最上層を固定層とするか、あるいは、ＭＴＪ素子１５、１６の最上層が自由層の場合には、電源ラインＶddを、ＭＴＪ素子下側の電極（固定層）に下部配線を用いて供給することで実現できる。
最後に保護膜（パッシベーション）を形成する。
上記の各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法以外には、蒸着法、ＭＢＥ法、レーザアブレーション法など通常の薄膜成膜法を用い得る。所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
（試作した半導体記憶装置とその特性）
本発明の半導体記憶装置１Ｄを、最小加工寸法を９０ｎｍとして作製した。
図１２５は、作製した半導体記憶装置１のＤ表面の走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ）像を示す。図１２５に示すように、ＭＴＪ素子１５、１６は、半導体記憶装置１ＤのＣＭＯＳ回路の上部に設けられている。
図１２６は、ｐ−ＭＴＪ素子１５の断面のＴＥＭ像である。図１２６に示すように、ｐ−ＭＴＪ素子１５は、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（１０ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）、ＭｇＯ（０．９５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）の順に積層されている。ここで、()内の数値は、各層の厚さである。
図１２７は、ｉ−ＭＴＪ素子１５の断面のＴＥＭ像である。図１２７に示すように、ｉ−ＭＴＪ素子１５は、下からＴａ（５ｎｍ）、Ｐｔ−Ｍｎ（２０ｎｍ）、ＣｏＦｅ（２．６ｎｍ）、Ｒｕ（０．９ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（２．４ｎｍ）、ＭｇＯ（１．０９ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．７ｎｍ）、Ｔａ（１ｎｍ）、Ｒｕ（７ｎｍ）の順に積層されている。
ｉ−ＭＴＪ素子１５とｐ−ＭＴＪ素子１５は、各層の堆積の後、それぞれ、１００×２００ｎｍ2と１００ｎｍφに加工した。
図１２８は、作製した半導体記憶装置１Ｄの動作をオシロスコープで観測した入力波形であり、（ａ）は３０ＭＨｚ、（ｂ）は６００ＭＨｚの場合を示している。図１２８に示すように、書き込みのすぐ後で読み出しを設定することにより、半導体記憶装置１Ｄは、ＭＴＪ素子１５、１６の状態によらずに正常に動作する。これは、読み出し動作においては、入力ノードにおける寄生容量により保持されている入力データが、上段と下段のラッチ回路１０、２０により速やかにラッチされるからである。
図１２８（a）に示すように、「０、１、０」と交互に繰り返す入力パターンに対して、試作した半導体記憶装置１Ｄの不揮発（ＮＶ）ラッチは、３０ＭＨｚの動作に成功した。
ここでは、ＭＴＪは、ｔA＋ｔB＜書き込み周期（ＴW）＝１／２ｆという条件なので、実際にスイッチする。
そして、図１２８（ｂ）に示すように、６００ＭＨｚでは、書き込み電圧（Ｖｐ）を印加してもＭＴＪは動作しない。
図１２９は、作製した半導体記憶装置１Ｄに入力するデータを変えたときの動作を示すタイムチャートであり、（ａ）は３０ＭＨｚ、（ｂ）は６００ＭＨｚの場合を示している。
図１２９に示すように、「１、１、１、１、１、１、１、０」という入力パターンに対する正しいデータを３０ＭＨｚと６００ＭＨｚで観測した。これらのデータは、試作した本発明の半導体記憶装置１ＤのＮＶラッチが、バック・ホッピング等の現象によるＭＴＪの書き込みエラーが発生したとしても、正常に動作することを示している。
図１３０は、試作した半導体記憶装置１Ｄのラッチ確率と、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング確率のＶｐ依存性を示す図である。
図１３０に示すように、試作した半導体記憶装置１Ｄのラッチ確率は、Ｖｐが０．３Ｖに低下しても劣化しないことが明らかである。つまり、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチング確率が劣化したとしても劣化しない。ここで、測定したＭＴＪ素子は、同一ウェハ上に、半導体記憶装置１Ｄに組み込まれたＭＴＪ素子１５、１６と同じ設計ルールで試作している。二つのケースの確率は、５０回の繰り返しスイッチング実験、つまり、書き込み時間１７ｎｓの書き込みパルスで書き込まれることが分かる。この書き込み時間１７ｎｓから、ＭＴＪ素子は、周波数が３０ＭＨｚで動作することが分かる。
図１３１は、試作した半導体記憶装置１Ｄの電源制御に関するタイムチャートを示す図である。左側の拡大図は電源を切る場合、右側の拡大図は電源を再度投入する場合を示している。図１３１は、半導体記憶装置１Ｄのラッチが高速なパワーゲーティング動作することを示している。電源オフに必要な時間は０．８μｓである。立ち上がりに要する時間の１．５μｓ中において、ＭＴＪ素子１５、１６に記憶されたデータを、ラッチ回路に再度ロードすることに成功した。
上記結果から、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングの潜伏時間を利用し、この１０ｎｓのスパンで約１００ＭＨｚに制限されるのを克服するＣＭＯＳラッチとＭＴＪ素子１５、１６が融合した半導体記憶装置１Ｄを実現した。本発明の半導体記憶装置１Ｄによれば、最小加工寸法が９０ｎｍのＣＭＯＳ工程とＭＴＪ素子をＣＭＯＳ工程の後に１００ｎｍのＭＴＪ素子工程で作製し、６００ＭＨｚの動作速度を得た。この速度は、今までに得られなかった値であり、ＣＭＯＳＬＳＩの動作と同期するのに十分な速度である。
さらに、試作した半導体記憶装置１Ｄは、データをパワーゲーティングする前にＭＴＪ素子１５、１６へ記憶し、ＭＴＪ素子１５、１６のスイッチングのエラーが劇的に抑制される安定な動作を達成した。
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims (20)

  1. 書き込み信号が入力された後一定の期間τの経過後に書き換えが起こる記憶素子と、回路を構築する基本素子で構成されデータ保持機能を有する基本回路と、を備え、
    上記基本回路の情報処理中における第１の動作モードでの動作周波数ｆ1が、
    τ＞λ1／ｆ1（０＜λ1≦１）
    なる関係を満たす、集積回路。
    ここで、λ1は、基本回路の情報処理中における第１の動作モードの周期（1/f1）中において、上記記憶素子に書き込みが行われている時間の割合を示す。
  2. 前記記憶素子は、τ＜λ2／ｆ2（０＜λ2≦１）の関係を満たすような周波数ｆ2を持つ第２の動作モードを有している、請求項１に記載の集積回路。
    ここで、λ2は、基本回路の情報処理中における第２の動作モードの周期（1/f2）中において、前記記憶素子に書き込みが行われている時間の割合を示す。
  3. さらに制御回路を備え、
    上記制御回路は、前記基本回路の情報処理中における第１の動作モードでの動作周波数ｆ1が、τ＞λ1／ｆ1なる関係を満たし、
    電源電圧を遮断することを認識させる信号を上記制御回路へ入力することにより、τ＜λ2／ｆ2の関係を満たすような周波数ｆ2を有している第２の動作モードを起動する、請求項１又は２に記載の集積回路。
  4. 前記基本回路は、前記第２の動作モードを起動する信号により回路構成の変更がされない、請求項２又は３に記載の集積回路。
  5. 電源を遮断する第３の動作モードと電源を立ち上げる第４の動作モードを有し、第４の動作モードにおいて前記記憶素子に記憶されていたデータを前記データ保持機能へ読み出して保持する、請求項１〜４の何れかに記載の集積回路。
  6. 前記第３の動作モード前には第２の動作モードが実行される、請求項５に記載の集積回路。
  7. 電源電圧がある一定の値を超えて低下したことを検知して、前記第２の動作モードを起動する、請求項２〜６の何れかに記載の集積回路。
  8. 前記電源電圧がある一定の値を超えて低下したことを検知して、前記電源電圧を遮断する信号を発生する、請求項３〜６の何れかに記載の集積回路。
  9. 前記集積回路は、複数のブロックに分かれており、各ブロック毎に専用の電源電圧が供給されていると共に動作モードが独立に制御される、請求項１〜７の何れかに記載の集積回路。
  10. １個あるいは複数の集積回路を含むシステムからなる集積回路を備え、
    上記システム集積回路は、基本回路と該基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、
    上記システム集積回路を動作させるための複数の命令は、上記不揮発性の記憶素子に記憶されていて、この命令の中には各集積回路の電源を遮断する命令と投入する命令が含まれている、請求項１〜９の何れかに記載の集積回路。
  11. １個あるいは複数の集積回路を含むシステムからなる集積回路を備え、
    上記システム集積回路は、基本回路と該基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、
    上記各集積回路が一定期間にわたり情報処理を行わないことを検知した場合には、その集積回路の電源を遮断するための第２の動作モードを実行し、電源がオフしている集積回路に対して情報処理を実行する命令が発行された場合には第４の動作モードが実行される、請求項５〜９の何れかに記載の集積回路。
  12. 前記電源の電圧がある一定の値を超えて低下したことを検知して、前記電源を遮断する信号を発生する、請求項９に記載の集積回路。
  13. １個あるいは複数の集積回路を含むシステムからなる集積回路を備え、
    上記システム集積回路は、基本回路と該基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、
    チップ内の複数の回路ブロック毎に電源を遮断する命令とそれを投入する命令を含む複数の命令が記憶されているメモリと、各ブロック単位で電源供給を制御する機能を有している、請求項９に記載の集積回路。
  14. １個あるいは複数の集積回路を含むシステムからなる集積回路を備え、
    上記集積回路は、基本回路と該基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、
    チップ内の複数の回路ブロック毎に電源供給を制御する機能を持ち、各ブロックが一定期間以上にわたり情報処理を行わないことを検知した場合には、その電源を遮断するための第２の動作モードを実行し、電源がオフしているブロックに対して情報処理を実行する命令が発行された場合には第４の動作モードが実行される、請求項９に記載の集積回路。
  15. １個あるいは複数の集積回路を含むシステムからなる集積回路を備え、
    上記集積回路は、基本回路と該基本回路のデータを記憶する不揮発性の記憶素子とを含み、
    電源が一定の値を超えて低下したのを検知した場合には、その集積回路の電源を遮断するための第２の動作モードを実行し、電源がオフしている集積回路に対して情報処理を実行する命令が発行された場合には第４の動作モードが実行される、請求項１〜９の何れかに記載の集積回路。
  16. 前記記憶素子は、抵抗変化型の記憶素子である、請求項１〜１５の何れかに記載の集積回路。
  17. 前記記憶素子は、スピン注入型のＭＴＪ素子である、請求項１〜１５の何れかに記載の集積回路。
  18. 前記スピン注入型の磁化方向は、集積回路が形成されるおおむね面内方向である、請求項１７に記載の集積回路。
  19. 前記スピン注入型の磁化方向は、集積回路が形成される面内におおむね垂直方向である、請求項１７に記載の集積回路。
  20. 前記記憶素子は、相変化型の記憶素子である、請求項１〜１５の何れかに記載の集積回路。
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