WO2014104131A1 - 記憶装置、メモリセル及びデータ書き込み方法 - Google Patents

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隆 大澤
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Definitions

  • the present invention relates to a memory device, a memory cell, and a data writing method, and more particularly, to a memory device, a memory cell, and a data writing method using a resistance change type memory element.
  • the leakage current at the time of turning off a transistor such as a MOSFET, which is a basic element such as an SRAM (FIG. 27) constituting the integrated circuit increases, and the power consumption increases. There is a problem of increasing.
  • MTJ magnetoresistive tunnel junction
  • ReRAM resistance change memory
  • PCRAM phase change memory
  • FIG. 28 is a circuit diagram of the nonvolatile memory circuit 110 reported in Non-Patent Document 1.
  • the nonvolatile memory circuit 110 includes a volatile SRAM 102 composed of six transistors and two spin injection type MTJ elements 113 and 114 connected to the storage nodes C and D of the SRAM 102.
  • nonvolatile memory circuit 110 data is written to the SRAM 102 in a normal write operation. Further, data is written to the MTJ elements 113 and 114 immediately before the power is shut off. Since the MTJ elements 113 and 114 are nonvolatile, power supply to the nonvolatile memory circuit 110 can be stopped in the standby state, and the standby power can be reduced to zero.
  • FIG. 30 is a circuit diagram of another nonvolatile memory circuit 115 disclosed in Non-Patent Document 1.
  • the nonvolatile memory element 115 includes n-type MOSFETs 116 and 117 in addition to the SRAM 102 and the spin injection MTJ elements 113 and 114 of the nonvolatile memory element 110 shown in FIG.
  • the n-type MOSFETs 116 and 117 are arranged between the SRAM 102 and the MTJ elements 113 and 114.
  • the n-type MOSFETs 116 and 117 are turned off at the time of writing and reading, and the MTJ elements 113 and 114 are disconnected from the SRAM 102. Therefore, writing and reading operations are performed on the volatile SRAM 102 composed of six transistors. Immediately before the standby state is established, the n-type MOSFETs 116 and 117 are turned on to write the data stored in the SRAM 102 to the MTJ elements 113 and 114, and then the power supply to the nonvolatile memory circuit 115 is stopped. In this way, the standby power is made zero.
  • FIG. 31 is a circuit diagram of the nonvolatile memory circuit 120 disclosed in Non-Patent Document 2.
  • the nonvolatile memory circuit 120 has 32 memory cells 122.
  • Each memory cell 122 includes four transistors 125 and two spin injection type MTJ elements 113 and 114.
  • the 32 memory cells 122 are connected to the PL driver via the power line PL.
  • the PL driver performs power gating for controlling power supply to these 32 memory cells via the power line PL.
  • the PL driver controls so that power is supplied only to the memory cell 122 to be written among the 32 memory cells 122. Therefore, data is written to the MTJ elements 113 and 114 of the memory cell 122 to be written.
  • the PL driver sets all the power supply lines PL to a low level in the standby state. Therefore, the standby power of the nonvolatile memory circuit 120 can be zero.
  • the number of memory cells 122 to be controlled by the PL driver is a small number (32 in this case), it does not take a long time to switch between the standby state and the access state.
  • Non-Patent Document 3 describes an SRAM (8TSRAM) that is an SRAM composed of eight transistors and that separates a read path and a write path by providing a read-only path.
  • 8TSRAM SRAM
  • FIG. 29 is a graph showing the relationship between the writing time (write pulse width) and the current required for writing when writing to the MTJ element (see Non-Patent Document 4). As shown in the figure, in order to shorten the time for writing to the MTJ element, it is necessary to pass a large current through the MTJ element.
  • the transistors constituting the memory circuit (memory cell) (for example, six transistors constituting the SRAM 102 in the circuit configuration shown in FIG. 28). is there. Therefore, the area occupied by the memory circuit is increased.
  • Non-Patent Document 1 the normal high-speed write operation writes to the SRAM 102, and the MTJ elements 113 and 114 are not written.
  • the data is backed up to the MTJs 113 and 114 by raising the control line CL, which is normally at the ground level (0 V), to the power supply voltage in a slow cycle.
  • CL which is normally at the ground level (0 V)
  • data must be backed up to the MTJ or loaded from the MTJ before or after power-off. If you try to back up or load data in many cells at the same time, noise will be applied to the power supply and ground, leading to malfunctions. Therefore, it is necessary to back up or load the data in several steps, which takes time. Also, power consumption increases.
  • the non-volatile memory circuit 120 (Non-Patent Document 2) shown in FIG. 31 is a method of backing up data to the MTJ elements 113 and 114 every write cycle. Therefore, the power shutdown can be executed immediately after the write cycle is completed every 32 bits, and data can be loaded immediately from the MTJ elements 113 and 114 after the power is turned on, so that extra time is required to back up and load the data. And not.
  • the write cycle is limited by the switching time of the MTJ elements 113 and 114. For this reason, in order to perform high-speed writing, a large current according to FIG. 29 is required, so that the exclusive area of the circuit (memory cell 122) is inevitably increased. That is, in the circuit configuration of the nonvolatile circuit 120, high-speed writing cannot be performed if the exclusive area of the memory cell is reduced.
  • Non-patent Document 1 the nonvolatile memory circuit 115 (Non-patent Document 1) shown in FIG. 30, the MTJ elements 113 and 114 are separated from the SRAM 102 at the time of writing and reading, so that the switching time of the MTJ elements 113 and 114 is not affected. High-speed writing is possible.
  • data is written to the MTJ elements 113 and 114 immediately before going into the standby state, and when the memory circuit has a large number of memory cells, the data At the time of writing, data is written to many MTJ elements 113 and 114. Therefore, a large current flows instantaneously in the circuit, noise is generated due to fluctuations in the voltage between V DD and GND, and it takes a long time to enter the standby state. Similarly, immediately before returning from the standby state to the access state, a large current flows instantaneously in the circuit, and it takes a long time to return to the access state due to the occurrence of noise.
  • data backup or data load may be performed in a plurality of times, but in the sense that it takes extra time.
  • Non-Patent Document 3 is not nonvolatile.
  • the number of transistors included in one memory cell increases, and the area occupied by the cell inevitably increases.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a memory device, a memory cell, and a data writing method that are small in size and capable of high-speed writing, and that hardly flow current during standby.
  • the storage device of the present invention provides: A first storage circuit for the data retention time tau 1 at write time t 1, a second storage circuit for the data retention time tau 2 at write time t 2 (t 1 ⁇ t 2 , ⁇ 1 ⁇ 2), the Including a memory cell; A power supply control circuit for controlling power supply to the memory cell; A write data supply circuit for supplying write data to the memory cell; Including A data storage node of the first storage circuit and a data storage node of the second storage circuit are connected to each other; The write data supply circuit is longer than a write time t 1 which is a time required for writing data to the first memory circuit, and is a time required for writing data to the second memory circuit.
  • Write data is supplied to the memory cell over a write time t W that is shorter than the write time t 2, the data is written to the first memory circuit, and when the write time t W elapses, the write data
  • the power supply control circuit supplies power to the memory cell for a time longer than a write time t 2 of the second memory circuit, After the supply of the write data is stopped, the data written in the first memory circuit is written into the second memory circuit, and after the supply of the write data is started, the second memory circuit Stopping the power supply to the memory cell after the write time t 2 has elapsed, It is characterized by that.
  • a source control circuit for controlling the power supply voltage of the second memory circuit may be provided.
  • the first memory circuit may be composed of one or more memory elements.
  • the first memory circuit may include a latch in which a CMOS inverter is cross-coupled.
  • the second memory circuit may be composed of one or more memory elements.
  • the second memory circuit includes two switching elements, and when the two switching elements are switched, the two switching elements are connected in series, and a common current is supplied to perform switching. May be executed.
  • the second memory circuit may be composed of a resistance change type memory element.
  • the second memory circuit may be composed of a spin injection type MTJ element.
  • the magnetization direction of the spin injection type MTJ element may be a substantially in-plane direction in which the integrated circuit is formed or a substantially vertical direction in the plane in which the integrated circuit is formed.
  • the second memory circuit may be composed of a phase change type memory element.
  • a memory cell of the present invention includes: First storage circuit and the data holding time tau 2 at write time t 2 (t 1 ⁇ t 2 , ⁇ 1 ⁇ 2) of the data holding time tau 1 at write time t 1 and a second storage circuit, A memory cell in which a data storage node of the first storage circuit and a data storage node of the second storage circuit are connected to each other; a power supply control circuit for controlling power supply to the memory cell; and the memory cell A memory cell including a write data supply circuit for supplying write data to the memory device, The write data supply circuit is longer than a write time t 1 which is a time required for writing data to the first memory circuit, and is a time required for writing data to the second memory circuit.
  • Write data is supplied to the memory cell over a write time t W that is shorter than the write time t 2, the data is written to the first memory circuit, and when the write time t W elapses, the write data
  • the power supply control circuit supplies power to the memory cell for a time longer than a write time t 2 of the second memory circuit, After the supply of the write data is stopped, the data written in the first memory circuit is written into the second memory circuit, and after the supply of the write data is started, the second memory circuit Stopping the power supply to the memory cell after the write time t 2 has elapsed, It is characterized by that.
  • the second memory circuit includes two switching elements, and when the two switching elements are switched, the two switching elements are connected in series, and a common current is supplied to perform switching. It may be executed.
  • a data writing method of the present invention includes: Comprising a first storage circuit for the data retention time tau 1 at write time t 1, a second storage circuit for the data retention time tau 2 at write time t 2 (t 1 ⁇ t 2 , ⁇ 1 ⁇ 2) A method of writing data to a plurality of memory cells, Select a memory cell to be written, start power supply to the memory cell, More than the write time t 1 which is a time required for writing data to the first memory circuit, and more than the write time t 2 which is a time required for writing data to the second memory circuit Writing data to the first memory circuit and the second memory circuit in parallel over a short write time t W , When the write time t W elapses after the start of data write, the selection of the memory cell is terminated, the data written in the first memory circuit is written into the second memory circuit, and the data The supply of power to the memory cell is stopped after a write time t 2 of the second memory circuit has elapsed since the start of writing
  • a memory device a memory cell, and a data writing method that are small in size and capable of high-speed writing, and that hardly flow current during standby.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a memory cell in a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a semiconductor memory device including a plurality of memory cells shown in FIG. 1.
  • 3 is a timing chart of the semiconductor memory device. It is a block diagram which shows the structure of the memory
  • (A) (b) is a figure which shows the mode of a state change when an electric current is sent through the structure of an MTJ element and an MTJ element.
  • (C) is a figure which shows a mode that a voltage is applied in order to flow an electric current through an MTJ element. It is a figure which shows the voltage-current characteristic of an MTJ element.
  • FIG. 6B is a voltage-current characteristic diagram of a ReRAM memory cell.
  • A) is sectional drawing of the memory cell of another structure of ReRAM.
  • B) is a voltage-current-voltage characteristic diagram of a memory cell having another structure of ReRAM.
  • A) is sectional drawing of the memory cell of PCRAM.
  • FIG. 5B is a voltage-current characteristic diagram of a PCRAM memory cell.
  • A) is a figure which shows the resistance characteristic of the memory element used for a 2nd memory circuit
  • (b) is a figure which shows the relationship between a state parameter and energy
  • (c) is a time chart which shows a switching waveform.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a specific example of a memory cell used in the memory device according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a timing chart of a memory device having the memory cell shown in FIG.
  • FIG. 12 is a block diagram of a semiconductor memory device including a plurality of memory cells shown in FIG. 11.
  • 6 is a circuit diagram of a grained PL / SL driver according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a storage device including an m ⁇ n ⁇ N-bit subarray according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. In a 2nd embodiment it is a timing chart when a plurality of grains are chosen continuously.
  • (A) is a timing chart when WL N is selected, and (b) is a timing chart when WL N ′ is selected.
  • it is a timing chart when the some grain connected to the same WL is selected continuously.
  • (A) is a timing chart when a certain grain is selected, and (b) is a timing chart when another grain is selected.
  • it is a timing chart when the same grain is chosen continuously. It is a figure which shows the relationship between the switching time of a MTJ element, and a switching probability. It is a figure which shows the timing chart of the writing method which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a grained PL / SL driver according to a third embodiment.
  • a 3rd embodiment it is a figure showing a timing chart when a plurality of grains are chosen continuously.
  • (A) is a timing chart when WL N is selected, and (b) is a timing chart when WL N ′ is selected.
  • (B) is a timing chart when the several grain connected to the same WL is selected continuously.
  • (A) is a timing chart when a certain grain is selected, and (b) is a timing chart when another grain is selected.
  • it is a timing chart when the same grain is selected continuously.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a memory cell used in the memory device of the present invention.
  • FIG. 26 is a timing chart of the memory device having the memory cell shown in FIG. 25.
  • FIG. It is a circuit diagram of a conventional static random access memory consisting of six transistors. It is a circuit diagram of the memory cell of the conventional SRAM. It is a figure which shows the characteristic of the threshold current of writing by the spin injection magnetization reversal of an MTJ element. It is a circuit diagram of a memory cell including a conventional nonvolatile memory element. It is a circuit diagram of a conventional nonvolatile memory circuit.
  • FIG. 1 shows a circuit configuration including a memory cell 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the memory cell 1 includes a first memory circuit 2, a second memory circuit 3, a first transfer MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) 5, and a second transfer MOSFET 6.
  • the time required for writing data to the first memory circuit 2 (hereinafter, write time) is t 1
  • the write time of the second memory circuit 3 is t 2 .
  • t 1 ⁇ t 2 . That is, the first memory circuit 2 can write data faster than the second memory circuit 3.
  • the time during which the first memory circuit 2 can hold data (hereinafter, data holding time) is ⁇ 1
  • the data holding time of the second memory circuit 3 is ⁇ 2
  • ⁇ 1 ⁇ 2 the second memory circuit 3 can hold data for a longer period than the first memory circuit 2.
  • the first storage circuit 2 may be a volatile memory capable of high-speed writing such as an SRAM.
  • the second memory circuit 3 may be composed of an MTJ element. Examples of specific configurations of the first memory circuit 2 and the second memory circuit 3 will be described later.
  • a connection point between the first storage circuit 2 and the second storage circuit 3 indicated by reference numerals C and D is called a data storage node.
  • a memory circuit When a memory circuit is configured using the memory cells 1, a plurality of memory cells 1 are arranged in a matrix as shown in FIG.
  • the memory cells 1 in the same row are connected to the row decoder 10 through the same word line WL.
  • the row decoder 10 decodes a row address and selectively drives an arbitrary row based on the decoded address. Accordingly, all the memory cells 1 arranged in the row are selected.
  • the memory cells 1 in the same column are connected to the read / write circuit 11 through a pair of bit lines BL and / BL.
  • the read / write circuit 11 supplies a write signal (write data) to the memory cell 1 via the bit lines BL and / BL and writes data to the memory cell 1 at the time of data writing. That is, the read / write circuit 11 is a write data supply circuit that supplies write data to the memory cell 1.
  • the read / write circuit 11 amplifies and outputs the data transmitted from the memory cell 1 to the bit lines BL and / BL when reading data.
  • the first memory circuit 2 is connected to the PL control circuit 4 through the power supply line PL.
  • the PL control circuit 4 controls the voltage of the power supply line PL connected to the memory cell 1 when accessing the memory cell 1. That is, the PL control circuit 4 controls power supply to the memory cell 1.
  • the power supply line PL and the PL control circuit 4 are omitted.
  • the data storage nodes C and D are connected to the bit line BL and the bit line bar / BL via the first transfer MOSFET 5 and the second transfer MOSFET 6.
  • the gates of the first transfer MOSFET 5 and the second transfer MOSFET 6 are connected to the word line WL.
  • the second memory circuit 3 is connected to the source control circuit 7 through the source line SL.
  • the source line SL is commonly connected to the second memory circuit 3 of the memory cell 1 in the same row.
  • the source control circuit 7 When the source control circuit 7 accesses a certain memory cell 1, the source control circuit 7 puts the row source line SL to which the memory cell 1 belongs into a grounded or floating state. In FIG. 2, the source line SL and the source control circuit 7 are omitted.
  • the row decoder 10 sets the word line WL based on the designated row address to a high level.
  • the PL control circuit 4 sets the power supply line PL to a high level.
  • the SL control circuit 7 sets the source line SL to the ground state (or low level) for a short time after the power supply line PL rises, and then puts it in a floating state. Data stored in the second memory circuit 3 is loaded into the first memory circuit 2 while the source line SL is grounded for such a short time.
  • the first transfer MOSFET 5 and the second transfer MOSFET 6 are turned on. A potential difference appears at the storage nodes C and D in accordance with the data stored in the first storage circuit 2. This is latched by the first memory circuit 2 to which power is supplied from the power supply line PL. Thereafter, the source line SL may be in a floating state.
  • the first storage circuit 2 in which the data is latched makes the voltages of the storage nodes C and D show a clear difference corresponding to the stored data.
  • the voltages at storage nodes C and D are transmitted to bit lines BL and / BL, respectively.
  • the read / write circuit 11 detects the voltage relationship between the data storage nodes C and D via the bit lines BL and / BL. In this way, data stored in the memory cell 1 is read.
  • data is read from the first memory circuit 2 because PL is set to a high level and the source line SL is in a floating state.
  • the data can be read from the second memory circuit 3 by setting the source line SL to the low level.
  • the memory cell 1 has the first memory circuit 2 and the second memory circuit 3 having different writing times. Write data.
  • FIG. 3 shows a timing chart when data is written. This to the memory cell 1 when writing data sets the write time t W of the word line WL to the high level first memory circuit 2 of the write time t 1 from a long way.
  • the difference between the writing times t W and t 1 may be a very short period ( ⁇ t 1 ).
  • the write time t W is described as shorter than the write time t 2 of the second memory circuit 3.
  • the row decoder 10 sets the word line WLi based on the row address to a high level. Almost simultaneously with the row decoder 10 setting the word line WLi to the high level, the PL control circuit 4 sets the power supply line PL to the high level. At the same time, the read / write circuit 11 sets the bit line BL selected based on the column address to the high level or the low level and the bit line bar / BL to the low level or the high level corresponding to the write data. . Further, the source control circuit 7 keeps the source line SL in a floating state after continuing the ground state (or low level) for a short time after the power supply line PL rises.
  • the first transfer MOSFET 5 and the second transfer MOSFET 6 are turned on. Therefore, a bit is applied to each of the first memory circuit 2 and the second memory circuit 3 during the write time t W via the second transfer MOSFET 6, the first memory circuit 2, and the first transfer MOSFET 5. A current corresponding to the potential difference between the line BL and the bit line bar / BL flows, and data is written to the first memory circuit 2 and the second memory circuit 3 in parallel.
  • the word line WL After writing the time t W elapses, the word line WL is returned to low level. Then, the word line WLj connected to the next memory cell 1 to be accessed is set to the high level.
  • the PL control circuit 4 continues to maintain the power line PL at the high level until a predetermined time elapses. At the stage writing time t W has passed, the writing of data into the first memory circuit 2 is completed. On the other hand, data writing to the second memory circuit 3 is not completed. Accordingly, data stored in the first memory circuit 2 is written into the second memory circuit 3.
  • the time tW2 during which the power supply line PL is maintained at the high level is set to be longer than the write time t2 of the second memory circuit 3.
  • the difference between the time t W2 and the writing time t 2 may be a very short period ( ⁇ t 2 ).
  • the PL control circuit 4 After the writing time tW2 elapses, the PL control circuit 4 returns the power line PL to the low level. In parallel, the source control circuit 7 sets the source line SL to ground (or low level). However, the PL control circuit 4 maintains the power supply line PL at a high level when the next memory cell 1 to be accessed is connected to the same power supply line PL.
  • the data writing time tW2 to the second memory circuit 3 is set to be a time (t 2 + ⁇ t 2 ) sufficient for writing to the second memory circuit 3. For this reason, even after the end of the write cycle seen from the outside, writing to the storage circuit 3 is executed using the data stored in the first storage circuit 2 independently of the external write cycle. .
  • the memory cell 1 has a period longer than the data retention period ⁇ 1 of the first memory circuit 2 after writing to the memory circuit 3. Even if the power supply to is stopped, after the power is turned on again, the data stored in the second memory circuit 3 can be used to restore the data in the first memory circuit 2. In this way, a nonvolatile memory can be realized. Further, the standby current can be reduced to almost zero by stopping the power supply to the memory cell 1 after writing to the memory circuit 3.
  • a write time t W is the as the data is written into only one of the memory circuit 2, after it passes the write time t W is, that is, while the word line WLi from being returned to the low level, the power supply line PL is maintained at the high level
  • data may be written only in the first memory circuit 2.
  • the memory device 20 according to the second embodiment uses the memory cell 1 according to the first embodiment.
  • the storage device 20 performs power gating that supplies power to the memory cells 1 in units of groups (hereinafter, grains) including the plurality of memory cells 1.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of the grain 25 included in the storage device 20.
  • the grain 25 includes 2 N (N is an integer) memory cells 1 on the same word line. 2 N is, for example, 16, 32, 64 or the like.
  • the configuration of the memory cell 1 is the same as that of the first embodiment. Further, the reading and writing methods of the memory cell 1 are the same as those in the first embodiment.
  • One PL control circuit 4 is assigned to each grain 25.
  • the PL control circuit 4 and each memory cell 1 are connected via a power supply line PL.
  • the PL control circuit 4 is connected to a control unit (not shown) via a control line GRAIN.
  • the control unit is connected to a plurality of grains 25 (PL control circuit 4) on the same word line via the control line GRAIN.
  • the control unit selects one grain 25 on the word line WL selected by the row decoder 10 from the plurality of grains 25 included in the storage device 20 by the control line GRAIN. Accordingly, the PL control circuit 4 assigned to the grain 25 selected by the control line GRAIN is activated.
  • the data holding time ⁇ 2 of the second memory circuit 3 is set to be longer than the data holding time ⁇ 1 of the first memory circuit 2.
  • a nonvolatile memory can be realized by configuring the data retention time ⁇ 2 of the second memory circuit 3 to be 10 years or longer.
  • the second data storage circuit 3 is configured using a nonvolatile storage element such as a magnetoresistive tunnel junction (MTJ) element, a resistance change memory (ReRAM), a phase change memory (PCRAM), or the like. be able to.
  • MTJ magnetoresistive tunnel junction
  • ReRAM resistance change memory
  • PCRAM phase change memory
  • FIG. 5A and 5B show the structure of the MTJ element 30 and how the resistance changes.
  • (C) is a figure for demonstrating a resistance characteristic.
  • FIG. 6 is a diagram showing current-voltage characteristics showing the resistance change of the MTJ element 30.
  • the MTJ element 30 includes a fixed layer 30b and a free layer 30c separated by a tunnel barrier layer 30a.
  • the fixed layer 30b is a layer in which the magnetization direction indicated by the upward arrow ( ⁇ ) in the figure is fixed.
  • the fixed layer 30b is also called a ferromagnetic fixed layer.
  • the free layer 30c is a layer whose magnetization direction is not fixed.
  • the free layer 30c is also called a ferromagnetic free layer.
  • the tunnel barrier layer 30a is formed of a thin film of MgO or Al 2 O 3 .
  • the fixed layer 30b and the free layer 30c are formed of a single layer or a plurality of layers made of a ferromagnetic material such as iron (Fe) or cobalt (Co) or an alloy thereof.
  • the state where the magnetization directions of the fixed layer 30b and the free layer 30c are opposite to each other is referred to as an antiparallel state.
  • a state where the magnetization directions of the fixed layer 30b and the free layer 30c are aligned is called a parallel state.
  • FIG. 5C when a voltage V is applied to the MTJ element 30, a current I flows.
  • FIG. 6 is a diagram showing current-voltage characteristics showing the resistance change of the MTJ element 30.
  • FIG. 6 when a forward or reverse current is passed through the MTJ element 30, the resistance state of the MTJ element 30 changes.
  • FIGS. 5A and 5B when the MTJ element 30 is in the antiparallel state, a forward current is passed through the MTJ element 30, and when the current I exceeds a predetermined value (I c0 ), The magnetization direction of the free layer 30c is reversed, and the MTJ element 30 transitions to a parallel state.
  • I c0 a predetermined value
  • the resistance value of the MTJ element 30 In parallel state, the resistance value of the MTJ element 30 is low (low-resistance state), representing the resistance value R P. In the anti-parallel state, the resistance value of the MTJ element 30 is high (high resistance state), representing the resistance value R AP.
  • information is stored by passing a forward or reverse current through the MTJ element 30 to change the resistance state and associating each state with “0” or “1”. .
  • a method of changing the magnetization direction of the free layer 30c by flowing a current through the MTJ element 30 is called a spin injection method or spin injection magnetization reversal. This method does not require an external magnetic field for changing the magnetization of the free layer 30c.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view showing the structure of the ReRAM memory cell 32.
  • (B) shows current-voltage characteristics of the memory cell 32.
  • the ReRAM memory cell 32 is configured by sequentially laminating a lower electrode 32a, a metal oxide layer 32b, and an upper electrode 32c.
  • a perovskite complex oxide is used as the metal oxide layer 32b.
  • FIG. 8 shows a ReRAM memory cell having another structure.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing the structure of the ReRAM memory cell 33.
  • (B) shows current-voltage characteristics of the memory cell 33.
  • the memory cell 33 is configured by sequentially stacking a lower electrode 33a, a metal oxide layer 33b, and an upper electrode 33c. The difference from the memory cell 32 is that a binary oxide such as NiO, FeO, or TiO 2 is used as the metal oxide layer 33b as shown in FIG.
  • both the memory cell 32 and the memory cell 33 are metal when a voltage is applied between the lower electrode 32a (or 33a) and the upper electrode 32c (33c).
  • the resistance value of the oxide layer 32b (or 33b) changes.
  • information can be stored by correlating the high resistance state and the low resistance state of the metal oxide layer 32b (or 33b) of ReRAM with "1" and "0".
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing the structure of the memory cell 34 of the PCRAM.
  • (B) is a figure which shows a current-voltage characteristic.
  • the PCRAM memory cell 34 is configured by sequentially laminating a lower electrode 34a, a chalcogenide layer 34b, and an upper electrode 34c.
  • the material of the chalcogenide layer 34b is, for example, Ge 2 Sb 2 Te 5 .
  • the current-voltage characteristic of the memory cell 34 of the PCRAM changes depending on the state of the chalcogenide layer 34b.
  • the chalcogenide layer 34b is a crystal, the low resistance state is obtained, and when the chalcogenide layer 34b is amorphized, the high resistance state is obtained.
  • information can be stored by making the high resistance state and the low resistance state of the chalcogenide layer 34b correspond to “1” and “0”.
  • the MTJ element, ReRAM, and PCRAM store information by switching between the high resistance state and the low resistance state.
  • FIG. 10A is a diagram for explaining resistance characteristics
  • FIG. 10B is a diagram showing a relationship between state parameters and energy
  • FIG. 10C is a time chart showing time taken for switching of the resistance element.
  • a current I flows.
  • the memory element (MTJ element, ReRAM, PCRAM, etc.) used for the second memory circuit 3 described above
  • the current I flowing changes depending on the voltage Vp. That is, the resistance state changes from high resistance to low resistance by application of the voltage Vp.
  • the high resistance can be stored as “1” and the low resistance can be stored as “0”.
  • the memory element has two states “0” and “1” having low energy, and an energy E barrier (barrier) exists between them to stabilize data. It is known to hold. To rewrite data is to give the system energy beyond its barrier E and switch the system to the opposite state.
  • FIG. 10C when the time t A elapses after the voltage Vp is applied, the current I starts to change, and when the time t B elapses, the current I becomes a steady state. Yes.
  • t A is the incubation time
  • t B is the transition time
  • data was written to the second storage circuit 3 using the data written to the first storage circuit 2 for a time (t A + t B ) that is longer than the write time t 2 . It is possible to reduce the standby current to almost zero by turning off the power later. Furthermore, the area occupied by the first memory circuit 2 can be reduced. Even if the standby time is extended to the data holding time ⁇ 2, normal writing and reading are guaranteed. If ⁇ 2 > 10 years, a nonvolatile memory can be realized.
  • FIG. 11 is a circuit diagram of a specific example of the memory cell 1.
  • FIG. 12 is a timing chart.
  • the first memory circuit 2 is composed of a so-called SRAM
  • the second memory circuit is composed of MTJ elements 30 and 31.
  • the first memory circuit 2 is connected to the first inverter 12, the first transfer n-type MOSFET 5 connected to the first inverter 12, the second inverter 14, and the second inverter 14. And a second transfer n-type MOSFET 6.
  • the first inverter 12 is composed of a first p-type MOSFET 16 serving as a load and a first driving n-type MOSFET 17.
  • the drain of the first driving n-type MOSFET 17 is connected to the drain of the first p-type MOSFET 16, and the source of the first driving n-type MOSFET 17 is grounded.
  • the gate of the first driving n-type MOSFET 17 is connected to one end of the main electrode of the second transfer n-type MOSFET 6.
  • the other end of the main electrode of the second transfer n-type MOSFET 6 is connected to the bit line bar / BL, and the gate of the second transfer n-type MOSFET 6 is connected to the word line WL.
  • the second inverter 14 includes a second p-type MOSFET 18 serving as a load and a second driving n-type MOSFET 19.
  • the drain of the second driving n-type MOSFET 19 is connected to the drain of the second p-type MOSFET 18, and the source of the second driving n-type MOSFET 19 is grounded.
  • the gate of the second driving n-type MOSFET 19 is connected to one end of the main electrode of the first transfer n-type MOSFET 5.
  • the other end of the main electrode of the first transfer n-type MOSFET 5 is connected to BL, and the gate of the first transfer n-type MOSFET 5 and the gate of the second transfer n-type MOSFET 6 are connected to the word line WL. .
  • the sources of the first and second p-type MOSFETs 16 and 18 are both connected to the power supply line PL.
  • the sources of the first and second driving n-type MOSFETs 17 and 19 are connected together. In the example shown in FIG. 4, the source is grounded.
  • the drain of the first driving n-type MOSFET 17 is connected to the gate serving as the input terminal of the second driving n-type MOSFET 19.
  • the drain of the second driving n-type MOSFET 19 is connected to the gate serving as the input terminal of the first driving n-type MOSFET 17.
  • the connection between the drain and gate of these first driving n-type MOSFETs 17 and 19 is called a cross-type wiring (also called a cross-coupled wiring) or a brush wiring.
  • the first inverter 12 and the second inverter 14 constitute an SRAM.
  • This SRAM includes a latch in which a CMOS inverter is cross-coupled and is also called a CMOS latch.
  • the second memory circuit 3 includes a first spin injection type MTJ element 30 and a second spin injection type MTJ element 31.
  • first spin injection MTJ element 30 is connected to a connection point C (also referred to as a data storage node or a connection node) between the output terminal of the first inverter 12 and the first transfer n-type MOSFET 5. Yes.
  • connection point D also referred to as a data storage node or a connection node
  • connection point D also referred to as a data storage node or a connection node
  • the other ends of the first and second spin injection MTJ elements 30 and 31 are both connected to the source line SL.
  • the layer between the fixed layer 30b and the free layer 30c is the tunnel barrier layer 30a.
  • FIG. 11 shows signals applied to the source line SL, the word line WL, the power supply line PL, the bit line BL, and the bit line bar / BL.
  • SL, WL, PL, BL, and / BL signals applied to the source line SL, the word line WL, the power supply line PL, the bit line BL, and the bit line bar / BL are abbreviated as SL, WL, PL, BL, and / BL, respectively.
  • FIG. 12 shows voltage waveforms of WL, PL, SL, BL, and / BL from top to bottom.
  • the timing chart shown in FIG. 12 represents a cycle in which data opposite to the data is written immediately after the data is read from the memory cell 1 in FIG.
  • the word line WL and the power supply line PL are simultaneously raised to a high level while keeping SL at a low level. Therefore, the data stored in the first and second spin injection type MTJ elements 30 and 31 is read out to the CMOS latch circuit (first storage circuit 2). Thereafter, when reverse data is input by inversion of BL and / BL, a write operation to the CMOS latch circuit is executed.
  • the word line WL is set to a low level, the write operation from the outside is finished.
  • the SL control circuit 7 controls the SL to be in a floating state. To do. At this time, SL is actually fixed at an intermediate potential between BL and / BL.
  • the potentials BL and / BL are determined by the resistance ratio of the first and second spin injection MTJ elements 30 and 31 (second memory circuit 3).
  • CMOS latch circuit when (the first storage circuit) write time t w is shorter than the writing time of the spin MTJ elements 30 and 31 (second storage circuit 3) of, WL after writing time of t w At the time when becomes low level, new data is not yet written in the spin injection type MTJ elements 30 and 31 (second storage circuit 3).
  • the PL control circuit 4 further controls the PL to be at a high level over the time ⁇ OFF and the SL control circuit 7 controls the SL to be in a floating state. Therefore, a write current flows in series in the first and second spin injection MTJ elements 30 and 31 (see FIG. 11). Therefore, writing to the second memory circuit 3 is correctly executed using the new data written to the first memory circuit 2.
  • the pulse width (time t w ) input to WL becomes the time t 2. Even shorter, the switching of the first and second spin injection MTJ elements 30, 31 is guaranteed. Since the memory cell 1 described above includes six transistors and two spin injection type MTJ elements 30 and 31, the exclusive area of the cell can be made compact. Therefore, the storage device can be reduced in size. Furthermore, by controlling the power supply line PL, the storage state of the MTJ elements 30 and 31 can be maintained for a long time without applying power, so that power consumption can be suppressed.
  • FIG. 13 shows a circuit configuration of a storage device 20 ⁇ / b> A as a specific example of the storage device 20.
  • FIG. 14 is a circuit diagram of the PL / SL driver 27 of the grain 25. As shown in FIG. 13, in the storage device 20 ⁇ / b> A, a plurality of memory cells 1 are arranged in each row, and the plurality of memory cells 1 constitute one grain 25.
  • the PL / SL driver 27 includes a first two-input NAND 41 to which WL and GRAIN are input, a first inverter 42 connected to the output of the first two-input NAND 41, Flip-flop 43 connected to the inverter 42, a second inverter 44 connected to the output of the flip-flop 43, and a first delay circuit 45 connected to the output of the second inverter 44 (delay time is ⁇ ON ), a third inverter 46 connected to the delay circuit 45, and an n-type MOSFET 47 connected to the third inverter 46.
  • the PL / SL driver 27 includes a second 2-input NAND 48 connected to the output of the first 2-input NAND 41, and a second delay circuit 49 (delayed) connected to the input of the second 2-input NAND 48.
  • Time includes ⁇ OFF ) and a fourth inverter 51 connected to the output of the second two-input NAND.
  • WL rises simultaneously with the rise of WL, and the SL that has fallen to GND is brought into a floating state after the delay time ⁇ ON has elapsed.
  • PL falls to GND after the delay time ⁇ OFF has elapsed from the fall of WL.
  • FIG. 15 shows a configuration of a storage device 20B including the m ⁇ n ⁇ N-bit subarray 50 of the present invention.
  • the storage device 20B includes a plurality of grains 25 (grain 0 , grain 1 ,..., Grain m ⁇ 1 ).
  • the grain 25 (grain 0 , grain 1 ,..., Grain m-1 ) is connected to a multiplexer (MUX) 53, a sense amplifier (SA) 54, and a grain select 55 (grain selection circuit).
  • MUX multiplexer
  • SA sense amplifier
  • WL 0 to WL N ⁇ 1 of the N rows are connected to a row decoder 56 (also called a WL decoder) and a WL driver 57 (also called a word line driving circuit).
  • One grain 25 includes n memory cells 1. On one word line, m grains 25 are arranged.
  • FIG. 16 shows a timing chart when a plurality of independent grains 25 (grain m, grain m ′) are continuously selected.
  • the PL / SL driver 27 selected by WL N and GRAIN m is activated. Therefore, the PL / SL driver 27 sets PLm to a high level.
  • the PL / SL driver 27 maintains PL m at a high level for a time ⁇ OFF after WL N and G RAIN m fall. In this way, grain m connected to the PL m are activated.
  • the PL / SL driver 27 selected by WL N ′ and GRAIN m ′ is activated.
  • the PL / SL driver 27 maintains PL m ′ at a high level for a time ⁇ OFF after WL N ′ and GRAIN m ′ fall. In this way, the activated 'grains m connected to the' PL m.
  • FIG. 17 is a timing chart when continuously accessing a plurality of grains 25 connected to the same WL.
  • the PL / SL driver 27 selected by WL N and GRAIN m is activated. Therefore, the PL / SL driver 27 sets PLm to a high level.
  • the PL / SL driver 27 maintains PLm at a high level for a time ⁇ OFF after WL N falls. In this way, grain m connected to the PL m are activated.
  • another PL / SL driver 27 selected by WL N and GRAIN m ′ is activated.
  • the PL / SL driver 27 maintains PL m ′ at a high level for a time ⁇ OFF after WL N and GRAIN m ′ fall. In this way, the activated 'grains m connected to the' PL m.
  • FIG. 18 is a timing chart in the case where the same grain is continuously selected.
  • PL m is controlled to ensure ⁇ OFF from the last falling of WL in order to guarantee the write time in the last access.
  • the MTJ elements 30 and 31 are safely switched by ensuring ⁇ OFF in units of 25 grains. Further, since the PL of each grain 25 is not activated beyond ⁇ OFF , it does not consume useless power.
  • PL is raised simultaneously with the rise of WL.
  • SL is controlled to be in a ground state for a certain short period ( ⁇ ON ) from the start of rising of WL and PL, and then in a floating state.
  • the data stored in the MTJ elements 30 and 31 during this ⁇ ON period is loaded into the CMOS latch circuit (first storage circuit 2). Therefore, the data before PL is turned off in the read operation executed immediately after the WL rises can be correctly read out.
  • PL is lowered over a period of ⁇ OFF after WL is lowered to the low level.
  • switching of the MTJ elements 30 and 31 is performed slowly using data stored in the CMOS latch circuit (first storage circuit 2).
  • the write cycle of the nonvolatile storage device using the MTJ elements 30 and 31 can be made faster than the switching time of the MTJ elements 30 and 31.
  • a high-speed MTJ nonvolatile memory device can be provided.
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the switching time and the switching probability of the MTJ element.
  • the horizontal axis represents the switching time of the MTJ element
  • the vertical axis represents the switching probability of the MTJ element.
  • a small storage device 20 that can improve the writing probability and stably write data.
  • a large write current for example, I SW1
  • the switching current of the MTJ is determined by the cell transistor size, it is necessary to increase the cell transistor size (cell size) in order to pass a large write current.
  • the storage device 10 of the present invention since the external write time t is extended to the internal write time T, data can be written with a current I SW3 smaller than the conventionally required write current I SW1 . Therefore, the cell size can be reduced.
  • the switching probability required for commercialization is P
  • the switching probability can be made larger than p and can be increased to P, so that a high-speed and high-density nonvolatile memory element can be provided.
  • FIG. 20 shows a timing chart.
  • the waveform of SL input to the memory cell 1 shown in FIG. 11 is different from the waveform shown in FIG.
  • the SL level is switched during the writing period of the MTJ element, and the two MTJ elements are sequentially rewritten.
  • the time required to write data to one MTJ element is MTJ write time 1
  • the time required to write data to the other MTJ element is MTJ write time 2.
  • the MTJ writing time 1 and the MTJ writing time 2 are both set to be longer than the switching time t 2 of the MTJ elements 30 and 31.
  • SL is controlled to maintain the low level until time ⁇ B elapses after WL falls to the low level.
  • the MTJ write time 1 is t w + ⁇ B.
  • SL is set to a high level.
  • the MTJ write time 2 which is the time required to write data to the other MTJ element, is ⁇ A - ⁇ B.
  • SL is set to a low level.
  • tau A in response to a write time t w of the MTJ write time 1, MTJ write time 2, CMOS latch circuit (first storage circuit), is a value that varies.
  • the method of sequentially rewriting the MTJ elements 30 and 31 by switching the SL level during the MTJ writing period and dividing the SLJ in two steps can also be applied to the subarray of the first embodiment.
  • the configuration of the subarray including the grain 25 is the same as that shown in FIG. Unlike FIG. 14, the PL / SL driver 27 ⁇ / b > A of the grain 25 has a configuration that generates delay times of ⁇ A and ⁇ B.
  • FIG. 21 is a circuit diagram of the PL / SL driver 27A of the grain 25.
  • the PL / SL driver 27A includes the following configuration in addition to the circuit configuration of FIG. A three-input NAND circuit 63, a fifth inverter 64 connected to the output of the three-input NAND circuit 63, a second flip-flop 65, and a sixth inverter 66 connected to the second flip-flop 65 And the seventh inverter 67, the eighth inverter 68 and the ninth inverter 69 inserted between the input of the first flip-flop 43 and the input of the second flip-flop 65, and the first two inputs A delay circuit 71 of ⁇ A and ⁇ B connected between the output of the NAND 41 and the input of the second two-input NAND 48.
  • FIG. 22 shows a timing chart when a plurality of independent grains 25 are successively selected.
  • signals are input to GRAIN m and GRAIN m ′ at the same timing as WL N and WL N ′ .
  • the PL / SL driver 27 selected by WL N and GRAIN m is activated, and PL m is set to a high level.
  • PL m is maintained at a high level for a time ⁇ A after WL N falls.
  • SL m is set to a high level when time ⁇ B elapses after WL N falls.
  • SL m is maintained at a high level during ⁇ A ⁇ B after the fall of WL N.
  • the grain m is activated by PL m and SL m .
  • the PL / SL driver 27 selected by WL N ′ and GRAIN m ′ is activated.
  • PL m ′ and SL m ′ are maintained at a high level during the time ⁇ A and the time ⁇ A ⁇ B after the fall of WL N ′′. Is done.
  • the grain m ′ is activated by PL m ′ and SL m ′ .
  • FIG. 23 is a timing chart when a plurality of grains 25 connected to the same WL are successively selected. Although not shown in FIG. 23, signals are input to GRAIN m and GRAIN m ′ at the same timing as WL N and WL N ′ .
  • the PL / SL driver 27 selected by WL N and GRAIN m is activated.
  • PL m is set to a high level.
  • the PL / SL driver 27 maintains PL m at a high level for a time ⁇ 1 after WL N falls.
  • SL m is set to a high level when time ⁇ B elapses after WL N falls.
  • SL m is maintained at a high level for a time ⁇ A - ⁇ B after the fall of WL N. In this way, the grain m is activated by PL m and SL m .
  • Another PL / SL driver 27 is activated by WL N and GRAIN m ′ as shown in FIG.
  • the PL / SL driver 27 maintains PL m ′ at a high level for a time ⁇ A after WL N falls. Further, the PL / SL driver 27 sets SL m ′ to the high level when time ⁇ B elapses after WL N falls. SL m ′ is maintained at a high level during the time ⁇ A ⁇ B. In this way, the grain m ′ is activated by PL m ′ and SL m ′ .
  • FIG. 24 is a timing chart when the same grain 25 is continuously selected.
  • PL m ensures ⁇ B and ⁇ A ⁇ B from the last falling of the WL in order to guarantee the write time in the last access. Is controlled to ensure.
  • ⁇ A ( ⁇ B and ⁇ A - ⁇ B ) is secured in units of 25 grains, and the MTJ is safely switched.
  • PL is raised simultaneously with the rise of WL.
  • SL is grounded (or in a floating state) over the first half of the read period and the write period, and is controlled to reach the V dd level after elapse of time ⁇ B from the fall of WL.
  • SL may be set to the first half V dd level and set to the second half GND level.
  • SL needs to be grounded (or in a floating state) from the rise of PL to ⁇ ON period. This is because the data stored in the MTJ elements 30, 31 (second storage circuit 3) is correctly loaded into the CMOS latch circuit (first storage circuit 2) simultaneously with the rise of PL. Therefore, the data before PL is turned off in the read operation executed immediately after the WL rises can be correctly read out.
  • CMOS latch circuit first memory circuit 2
  • PL is over a period of ⁇ A.
  • switching to the MTJ elements 30 and 31 is performed slowly using data stored in the CMOS latch circuit (first storage circuit 2).
  • the write cycle to the CMOS latch circuit (first memory circuit 2) is shortened.
  • extra time is required for the switching. Which method can shorten the write cycle depends on the switching characteristics and voltage of the MTJ elements 30 and 31, and therefore cannot be determined in general.
  • the configuration of the memory cell 1 shown in FIG. 11 is shown, but the configuration of the memory cell is not limited to this. Other configurations of the memory cell are shown below.
  • FIG. 25 is a circuit diagram of the memory cell 1A used in the memory device 20.
  • FIG. 26 is a timing chart.
  • the memory cell 1A used in the memory device of the present invention includes RWL and RBL used exclusively for reading, and two n-type MOSFETs 75 and 76. Have. The first and second read n-type MOSFETs 75 and 76 are connected in series. The source of the first read n-type MOSFET 75 is grounded.
  • the drain of the first read n-type MOSFET 75 and the source of the second read n-type MOSFET 76 are connected, and the drain of the second read n-type MOSFET 76 is connected to RBL.
  • the gate of the first read n-type MOSFET 75 is connected to the data storage node on the right side of the SRAM 2.
  • the gate of the second read n-type MOSFET 76 is connected to RWL.
  • the volatile first memory circuit 2 is provided with a read-only path and separated from the write path, writing and reading can be reliably performed even if miniaturization is performed. A nonvolatile memory element is obtained.
  • RWL is set to high level, and data is read from the volatile first memory circuit 2.
  • PL is set to a high level for a time equal to or longer than t B to activate the MTJ elements 30 and 31 and write data.
  • circuits other than the MTJ elements 30 and 31 of the storage device 20 are formed on a substrate made of a semiconductor such as Si by a CMOS process, and then the spin injection type MTJ elements 30 and 31 are formed.
  • the spin injection type MTJ elements 30 and 31 are formed as follows. After forming the SRAM circuit or the like in the CMOS process, the data storage node C and the data storage node D of the SRAM circuit are exposed, and the fixed layer 30b that becomes the MTJ elements 30 and 31 on the electrodes of the data storage node C and the data storage node D , 31b, tunnel barrier layers 30a, 31a, and free layers 30c, 31c are formed in this order.
  • the uppermost layers of the MTJ elements 30 and 31 are often free layers 30c and 31c.
  • the free layers 30c and 31c may be layers in which a plurality of ferromagnetic layers are stacked.
  • the fixed layers 30b and 31b of the MTJ elements 30 and 31 are connected to the data storage node C and the data storage node D of the storage device.
  • an interlayer insulating layer is deposited on the entire surface of the substrate, and the free layers 30c, 31c and SL of the MTJ elements 30, 31 are opened by photolithography and etching of the interlayer insulating layer.
  • a metal film having a predetermined thickness is deposited on the interlayer insulating layer by sputtering or the like, and the metal film other than the metal film connecting the free layers 30c, 31c of the MTJ elements 30, 31 and SL is removed by selective etching.
  • the free layers 30 c and 31 c of the MTJ elements 30 and 31 are connected to the SL of the storage device 20.
  • the magnetization direction of the spin injection type MTJ element may be in a substantially in-plane direction in which the integrated circuit formed by the CMOS process is formed or in a direction substantially perpendicular to the surface in which the integrated circuit is formed.
  • a protective film (passivation film) is formed.
  • a normal thin film forming method such as a vapor deposition method, an MBE method, or a laser ablation method can be used in addition to the sputtering method and the CVD method.
  • Light exposure, EB exposure, or the like can be used for a mask process for forming electrodes of a predetermined shape or wiring of an integrated circuit.
  • the write current of the spin injection type MTJ elements 30 and 31 can be reduced with the miniaturization of the elements, and has an advantage that it can be manufactured on the same substrate together with a memory device composed of a CMOS integrated circuit formed on a Si substrate or the like. is doing. Further, the MTJ elements 30 and 31 can be formed in an interlayer insulating layer deposited on the data storage node of the storage device. For this reason, in the memory device 20, there is no increase in the occupied area due to the formation and connection of the MTJ elements 30, 31.
  • the memory cell 1 shown in FIG. 11 includes a six-transistor SRAM and MTJ elements 30 and 31. The exclusive area of the memory cell 1 is substantially equal to the exclusive area of the SRAM.
  • the nonvolatile second storage circuit 3 using the MTJ elements 30 and 31 is provided.
  • the write cycle can be made faster than the switching time of the MTJs 30 and 31 determined by the size of the transistor of the cell of the volatile first memory element 2 (which determines the switching current).
  • a high-density and high-speed MTJ nonvolatile memory device can be provided.
  • the exclusive area of one memory cell can be made substantially the same as the cell size of 6TSRAM.
  • the write / read performance of the storage device 20 is equivalent to 6TSARAM which is a conventional volatile storage element. Furthermore, since the storage device 20 includes the MTJ elements 30 and 31, a nonvolatile storage element is realized. For this reason, unlike the conventional 6TSRAM, the standby current can be made zero.
  • the first memory circuit 2 is composed of SRAM
  • the second memory circuit 3 is composed of spin injection type MTJ elements.
  • the first memory circuit 2 and the second memory circuit 3 may be composed of memory circuits having other configurations or one or more memory elements.
  • the second storage circuit 3 may be composed of ReRAM, PCRAM, or another storage element.
  • the present invention can be applied to the field of realizing a storage device, a memory cell, and a data writing method that are small in size and capable of high-speed writing and in which almost no current flows during standby.

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Abstract

　メモリセル（１）は、書き込み時間ｔ1でデータ保持時間τ1の第１の記憶回路（２）と、書き込み時間ｔ2でデータ保持時間τ2（ｔ1＜ｔ2、τ1＜τ2）の第２の記憶回路（３）と、を含む。ローデコーダは、書き込み時間ｔ1より長く、かつ、書き込み時間ｔ2より短い時間である書き込み時間ｔWにわたって、ワードライン（ＷＬ）を介してメモリセル（１）に書き込みデータを供給して、第１の記憶回路（２）にデータを書き込む。ＰＬ制御回路（４）は、メモリセル（１）に書き込みデータが供給されると、書き込み時間ｔ2より長い時間メモリセル（１）に電源を供給し、書き込みデータの供給が停止されてからは、第１の記憶回路（２）に書き込まれたデータを第２の記憶回路（３）に書き込み、書き込みデータの供給が開始されてから書き込み時間ｔ２が経過した後にメモリセル（１）への電源供給を停止する。

Description

記憶装置、メモリセル及びデータ書き込み方法
　本発明は、記憶装置、メモリセル及びデータ書き込み方法に関し、より詳しくは、抵抗変化型の記憶素子を用いた記憶装置、メモリセル及びデータ書き込み方法に関する。
　集積回路が微細化（スケーリング）、大容量化するにつれ、集積回路を構成しているＳＲＡＭ（図２７）等の基本素子である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、消費電力が増大するという問題がある。
　このため、集積回路が情報処理を行っていないときには、その集積回路の電源を遮断して、オフ・リークを削減する試みが行われている。例えば、電源遮断前に、集積回路に含まれる揮発性の記憶回路等が記憶するデータをデータ保持時間が長い記憶素子に蓄え、電源の再投入後、データ保持時間が長い記憶素子に蓄えたデータを、揮発性の記憶回路等に復旧させるようにして、回路状態を電源遮断前の状態に復帰させる方法がある。
　上記の電源遮断期間にデータを保持するための不揮発性記憶素子として、磁気抵抗トンネル接合（ＭＴＪ）素子、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）、相変化メモリ（ＰＣＲＡＭ）等を採用することが考えられている。
　上述のＭＴＪ素子を不揮発性記憶素子として使用した例として、以下のようなものがある。
　図２８は、非特許文献１で報告されている不揮発性記憶回路１１０の回路図である。不揮発性記憶回路１１０は、６個のトランジスタからなる揮発性のＳＲＡＭ１０２と、ＳＲＡＭ１０２の記憶ノードＣ，Ｄに接続される二つのスピン注入型のＭＴＪ素子１１３，１１４とから構成されている。
　この不揮発性記憶回路１１０では、通常の書き込み動作においてＳＲＡＭ１０２にデータを書き込む。更に、電源遮断の直前にＭＴＪ素子１１３、１１４にデータを書き込む。ＭＴＪ素子１１３、１１４は不揮発性であるため、スタンバイ状態では不揮発性記憶回路１１０への電源供給を停止することができ、スタンバイパワーをゼロにすることができる。
　図３０は、非特許文献１に開示された別の不揮発性記憶回路１１５の回路図である。不揮発性記憶素子１１５は、図２８に示す不揮発性記憶素子１１０のＳＲＡＭ１０２とスピン注入型のＭＴＪ素子１１３、１１４に加え、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１１６，１１７を有する。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１１６，１１７は、ＳＲＡＭ１０２とＭＴＪ素子１１３、１１４の間に配置される。
　不揮発性記憶回路１１５では、書き込みと読み出し時はｎ型ＭＯＳＦＥＴ１１６，１１７をオフして、ＳＲＡＭ１０２からＭＴＪ素子１１３、１１４を切り離す。従って、６個のトランジスタからなる揮発性のＳＲＡＭ１０２に対して書き込み、読み出し動作が行われる。スタンバイ状態になる直前に、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１１６，１１７をオンして、ＳＲＡＭ１０２に記憶されているデータをＭＴＪ素子１１３，１１４に書き込み、その後、不揮発性記憶回路１１５への電源供給を停止する。このようにして、スタンバイパワーをゼロにする。
　図３１は、非特許文献２に開示されている不揮発性記憶回路１２０の回路図である。不揮発性記憶回路１２０は、３２個のメモリセル１２２を有する。各メモリセル１２２は４つのトランジスタ１２５と二つのスピン注入型のＭＴＪ素子１１３，１１４から構成される。３２個のメモリセル１２２は、電源線ＰＬを介してＰＬドライバに接続されている。ＰＬドライバは、電源線ＰＬを介してこれら３２個のメモリセルへの電源の供給を制御するパワーゲーティングを行う。
　アクセス状態のとき、ＰＬドライバは、３２個のメモリセル１２２のうち書き込み対象のメモリセル１２２にのみ電源が供給されるよう制御する。よって、書き込み対象のメモリセル１２２のＭＴＪ素子１１３、１１４にデータが書き込まれる。ＰＬドライバは、スタンバイ状態のとき、すべての電源線ＰＬをローレベルにする。よって、不揮発性記憶回路１２０のスタンバイパワーをゼロにできる。また、ＰＬドライバの制御対象となるメモリセル１２２の数は少数（ここでは３２個）であるため、スタンバイ状態とアクセス状態の切り替え時の処理に時間がかからない。
　非特許文献３には、８個のトランジスタから構成されるＳＲＡＭであって、読み出し専用のパスを設けて、読み出しパスと書き込みパスを分離するＳＲＡＭ（８ＴＳＲＡＭ）が記載されている。
S. Yamamoto and S. Sugahara, Jpn. J. Appl. Phys., 48, 043001, 2009 T. Ohsawa et al., 2012 Symp. VLSI Circuits Dig. Tech. Papers, pp. 46-47, June 2012 L. Chang, D. M. Fried, J. Hergenrother, J. W. Sleight, R. H.Dennard, R. K. Montoye, L. Sekaric, S. J. McNab, A. W. Topol, C. D. Adams, K. W. Guarini, and W. Haensch, Symp.VLSI Technology, pp. 128-129, June 2005 M. Hosomi et al., IEDM Tech. Dig., p. 459, 2005
　上述したように、ＭＴＪ素子を不揮発性記憶素子として使用することでスタンバイ時のパワーをゼロにすることができる。しかし、ＭＴＪ素子が持つ特性のため、以下のような問題がある。
　図２９に、ＭＴＪ素子に書き込む際の、書き込み時間（書き込みパルス幅）と書き込みに必要な電流の関係を示すグラフを示す（非特許文献４参照）。図示するように、ＭＴＪ素子に書き込む時間を短くするためには、大きな電流をＭＴＪ素子に流す必要がある。ＭＴＪ素子に大電流を流すためには、記憶回路（メモリセル）を構成するトランジスタ（例えば、図２８に示す回路構成においてはＳＲＡＭ１０２を構成する６個のトランジスタ）のチャンネル幅を大きく設定する必要がある。従って、記憶回路の専有面積が大きくなる。
　図２８に示す不揮発性記憶回路１１０（非特許文献１）では、通常の高速な書き込み動作ではＳＲＡＭ１０２に書き込みを行い、ＭＴＪ素子１１３、１１４への書き込みは実行されない。電源を落とす直前に、通常はグランドレベル（０V）である制御線ＣＬをゆっくりとしたサイクルで電源電圧まで立ち上げることによってＭＴＪ１１３、１１４へデータをバックアップする。不揮発性回路１１０の回路構成では、電源遮断前あるいは電源投入後に多数のセルに対してデータをＭＴＪへバックアップあるいはＭＴＪからロードする必要がある。多くのセルのデータを同時にバックアップしたりロードしようとすると、ノイズが電源やグランドに乗り誤動作につながることから、何回かに分けてデータをバックアップあるいはロードする必要があり、その分の時間がかかり、また消費電力も増加してしまう。
　一方で、図３１に示す不揮発性記憶回路１２０（非特許文献２）は、書き込みのサイクル毎にＭＴＪ素子１１３、１１４へデータをバックアップする方式である。従って、電源遮断は３２ビット毎に書き込みサイクルが終了すれば直ちに実行できるし、電源投入後にはＭＴＪ素子１１３、１１４から直ちにデータをロードできるので、データをバックアップやロードするのに余計な時間を必要としない。しかし、書き込みサイクルがＭＴＪ素子１１３，１１４のスイッチング時間で律速されるという課題がある。このため、高速書き込みを行うためには、図２９に従った大電流が必要となるため、回路（メモリセル１２２）の専有面積が大きくなるのは避けられない。
　つまり、不揮発性回路１２０の回路構成では、メモリセルの専有面積を小さくすると、高速書き込みを行うことができない。
　一方、図３０に示す不揮発性記憶回路１１５（非特許文献１）では、書き込みと読み出し時は、ＭＴＪ素子１１３、１１４をＳＲＡＭ１０２から切り離しておくため、ＭＴＪ素子１１３、１１４のスイッチング時間に影響されず、高速書き込みが可能である。
　しかし、図２８の不揮発性記憶回路１１０と同じように、スタンバイ状態になる直前に、ＭＴＪ素子１１３，１１４へデータを書き込む構成であり、記憶回路が多数のメモリセルを有している場合、データ書き込みの際には多数のＭＴＪ素子１１３、１１４へデータが書き込まれることになる。よって、瞬間的に回路に大電流が流れ、ＶDD－ＧＮＤ間の電圧の変動によりノイズが生じ、スタンバイ状態になるまでに長い時間がかかる。スタンバイ状態からアクセス状態に戻る直前にも、同様に瞬間的に回路に大電流が流れ、ノイズの発生により、アクセス状態に戻るまでに長い時間がかかる。あるいは記憶回路装置１１０と同様に、このノイズを避けるために複数回に分けてデータのバックアップやデータのロードを行ってもよいが、余分な時間がかかるという意味では同じである。
　非特許文献３に記載のＳＲＡＭは、不揮発性ではない。また、読み出し専用のパスを設けるため、１つのメモリセルに含まれるトランジスタの個数が増え、セルの専有面積が必然的に大きくなる。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、小型で高速の書き込みが可能で、スタンバイ時の電流が殆ど流れない記憶装置、メモリセル及びデータ書き込み方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明の記憶装置は、
　書き込み時間ｔ1でデータ保持時間τ1の第１の記憶回路と、書き込み時間ｔ2でデータ保持時間τ2（ｔ1＜ｔ2、τ1＜τ2）の第２の記憶回路と、を含むメモリセルと、
　前記メモリセルへの電源供給を制御する電源制御回路と、
　前記メモリセルに書き込みデータを供給する書き込みデータ供給回路と、
　を含み、
　前記第１の記憶回路のデータ記憶ノードと前記第２の記憶回路のデータ記憶ノードとが互いに接続されており、
　前記書き込みデータ供給回路は、前記第１の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ1より長く、かつ、前記第２の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ2より短い時間である書き込み時間ｔWにわたって、前記メモリセルに書き込みデータを供給して、前記第１の記憶回路にデータを書き込み、前記書き込み時間ｔWが経過したときに前記書き込みデータの供給を停止し、
　前記電源制御回路は、前記書き込みデータ供給回路から前記メモリセルに前記書き込みデータが供給されると、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ2より長い時間にわたって前記メモリセルに電源を供給し、前記書き込みデータの供給が停止されてからは、前記第１の記憶回路に書き込まれたデータを前記第２の記憶回路に書き込み、前記書き込みデータの供給が開始されてから、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ２が経過した後に前記メモリセルへの電源供給を停止する、
　ことを特徴とする。
　さらに、前記第２の記憶回路の電源電圧を制御するソース制御回路を備えていてもよい。
　例えば、前記第１の記憶回路は、１個以上の記憶素子から構成されてもよい。
　前記第１の記憶回路は、ＣＭＯＳインバータをクロスカップルさせたラッチを含んでいてもよい。
　例えば、前記第２の記憶回路は、１個以上の記憶素子から構成されてもよい。
　前記第２の記憶回路は２個のスイッチング素子を含んでおり、前記２個のスイッチング素子をスイッチングさせる場合には、前記２個のスイッチング素子を直列に接続して、共通電流を流してスイッチングを実行してもよい。
　例えば、前記第２の記憶回路は、抵抗変化型の記憶素子から構成されていてもよい。
　さらに例えば、前記第２の記憶回路は、スピン注入型のＭＴＪ素子から構成されていてもよい。
　前記スピン注入型のＭＴＪ素子の磁化方向は、集積回路が形成されるおおむね面内方向であるか又は集積回路が形成される面内におおむね垂直方向であってもよい。
　前記第２の記憶回路は、相変化型の記憶素子から構成されていてもよい。
　上記目的を達成するため、本発明のメモリセルは、
　書き込み時間ｔ1でデータ保持時間τ1の第１の記憶回路と書き込み時間ｔ2でデータ保持時間τ2（ｔ1＜ｔ2、τ1＜τ2）の第２の記憶回路とを含み、前記第１の記憶回路のデータ記憶ノードと前記第２の記憶回路のデータ記憶ノードとが互いに接続されているメモリセルと、前記メモリセルへの電源供給を制御する電源制御回路と、前記メモリセルに書き込みデータを供給する書き込みデータ供給回路と、を含む、記憶装置に含まれるメモリセルであって、
　前記書き込みデータ供給回路は、前記第１の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ1より長く、かつ、前記第２の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ2より短い時間である書き込み時間ｔWにわたって、前記メモリセルに書き込みデータを供給して、前記第１の記憶回路にデータを書き込み、前記書き込み時間ｔWが経過したときに前記書き込みデータの供給を停止し、
　前記電源制御回路は、前記書き込みデータ供給回路から前記メモリセルに前記書き込みデータが供給されると、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ2より長い時間にわたって前記メモリセルに電源を供給し、前記書き込みデータの供給が停止されてからは、前記第１の記憶回路に書き込まれたデータを前記第２の記憶回路に書き込み、前記書き込みデータの供給が開始されてから、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ２が経過した後に前記メモリセルへの電源供給を停止する、
　ことを特徴とする。
　前記第２の記憶回路は２個のスイッチング素子を含んでおり、前記２個のスイッチング素子をスイッチングさせる場合には、前記２個のスイッチング素子を直列に接続して、共通電流を流してスイッチングを実行させてもよい。
　上記目的を達成するため、本発明のデータ書き込み方法は、
　書き込み時間ｔ1でデータ保持時間τ1の第１の記憶回路と、書き込み時間ｔ2でデータ保持時間τ2（ｔ1＜ｔ2、τ1＜τ2）の第２の記憶回路とを含む複数のメモリセルにデータを書き込む方法であって、
　書き込み対象のメモリセルを選択して、前記メモリセルへの電源供給を開始すると共に、
　前記第１の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である前記書き込み時間ｔ1より長く、かつ、前記第２の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である前記書き込み時間ｔ２より短い時間である書き込み時間ｔWにわたって、前記第１の記憶回路と第２の記憶回路にデータを並行して書き込み、
　データの書き込みを開始してから前記書き込み時間ｔWが経過したときに前記メモリセルの選択を終了し、前記第１の記憶回路に書き込まれたデータを前記第２の記憶回路に書き込み、前記データの書き込みを開始してから前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ2が経過した後に前記メモリセルへの電源供給を停止する、
　ことを特徴とする。
　本発明によれば、小型で高速の書き込みが可能で、スタンバイ時の電流が殆ど流れない記憶装置、メモリセル及びデータ書き込み方法を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの基本構成を示す回路図である。 図１に示すメモリセルを複数個備える半導体記憶装置のブロック図である。 半導体記憶装置のタイミングチャートである。 第２の実施形態の記憶装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）、（ｂ）はＭＴＪ素子の構造とＭＴＪ素子に電流を流したときの状態の変化の様子を示す図である。（ｃ）は、ＭＴＪ素子に電流を流すため電圧を印加する様子を示す図である。 ＭＴＪ素子の電圧－電流特性を示す図である。 （ａ）はＲｅＲＡＭのメモリセルの断面図である。（ｂ）はＲｅＲＡＭのメモリセルの電圧－電流特性図である。 （ａ）はＲｅＲＡＭの別の構造のメモリセルの断面図である。（ｂ）はＲｅＲＡＭの別の構造のメモリセルの電圧－電流電圧特性図である。 （ａ）はＰＣＲＡＭのメモリセルの断面図である。（ｂ）はＰＣＲＡＭのメモリセルの電圧－電流特性図である。 （ａ）は、第２の記憶回路に用いる記憶素子の抵抗特性を示す図、（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。 第１の実施形態に係る記憶装置に用いるメモリセルの具体例を示す回路図である。 図１１に示すメモリセルを有する記憶装置のタイミングチャートである。 図１１に示すメモリセルを複数個備える半導体記憶装置のブロック図である。 第２の実施形態に係るグレインのＰＬ／ＳＬドライバの回路図である。 本発明の実施の形態に係るｍ×ｎ×Ｎビットのサブアレーからなる記憶装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態において、複数のグレインが連続して選択された場合のタイミングチャートである。（ａ）はＷＬNが選択された場合、（ｂ）はＷＬN'が選択された場合のタイミングチャートである。 第２の実施形態において、同一のＷＬに接続されている複数のグレインが連続して選択された場合のタイミングチャートである。（ａ）はあるグレインが選択された場合、（ｂ）は別のグレインが選択された場合のタイミングチャートである。 第２の実施形態において、同じグレインが連続して選択された場合のタイミングチャートである。 ＭＴＪ素子のスイッチング時間とスイッチング確率の関係を示す図である。 第３の実施形態に係る書き込み方法のタイミングチャートを示す図である。 第３の実施形態に係るグレインのＰＬ／ＳＬドライバの回路図である。 第３の実施形態において、複数のグレインが連続して選択された場合のタイミングチャートを示す図である。（ａ）はＷＬNが選択された場合、（ｂ）はＷＬN'が選択された場合のタイミングチャートである。 第３の実施形態において、同一のＷＬに接続されている複数のグレインが連続して選択された場合のタイミングチャートである。（ａ）はあるグレインが選択された場合、（ｂ）は他のグレインが選択された場合のタイミングチャートである。 第３の実施形態において、同じグレインが連続して選択された場合のタイミングチャートである。 本発明の記憶装置に用いるメモリセルの一例を示す回路図である。 図２５に示すメモリセルを有する記憶装置のタイミングチャートである。 従来の６トランジスタからなるスタテックランダムアクセスメモリの回路図である。 従来のＳＲＡＭのメモリセルの回路図である。 ＭＴＪ素子のスピン注入磁化反転による書き込みの閾値電流の特性を示す図である。 従来の不揮発性記憶素子を含むメモリセルの回路図である。 従来の不揮発性記憶回路の回路図である。
　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に、本発明の第１の実施形態に係るメモリセル１を含む回路構成を示す。メモリセル１は、第１の記憶回路２と、第２の記憶回路３と、第１の転送用ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）５と、第２の転送用ＭＯＳＦＥＴ６とを含む。
　第１の記憶回路２にデータを書き込むために必要な時間（以下、書き込み時間）はｔ1であり、第２の記憶回路３の書き込み時間はｔ２である。ここでは、ｔ１＜ｔ２である。つまり、第１の記憶回路２の方が第２の記憶回路３よりデータを高速に書き込むことができる。また、第１の記憶回路２がデータを保持することができる時間（以下、データ保持時間）はτ１であり、第２の記憶回路３のデータ保持時間はτ２であり、τ１＜τ２である。つまり、第２の記憶回路３の方が、第１の記憶回路２より長期間にわたりデータを保持することができる。例えば、第１の記憶回路２は、ＳＲＡＭのような高速書き込みが可能な揮発性のメモリであってもよい。また、第２の記憶回路３は、ＭＴＪ素子から構成されてもよい。第１の記憶回路２、第２の記憶回路３の具体的な構成の例は後述する。
　図示するように、第１の記憶回路２と、第２の記憶回路３とは並列に接続されている。符号ＣとＤで示す第１の記憶回路２と第２の記憶回路３との接続点をデータ記憶ノードと呼ぶ。
　なお、メモリセル１を使用して記憶回路を構成する際には、図２に示すように、複数のメモリセル１をマトリクス状に配置する。同一行のメモリセル１は、同じワードラインＷＬを介してローデコーダ１０に接続される。ローデコータ１０は、ローアドレスをデコードし、デコードしたアドレスに基づいて任意の行を選択駆動する。従って、その行に配置されているすべてのメモリセル１が選択される。また、同一列のメモリセル１は、１対のビットラインＢＬ、／ＢＬを介して読み出し／書き込み回路１１に接続される。
　読み出し／書き込み回路１１は、データ書き込み時に、ビットラインＢＬ、／ＢＬを介してメモリセル１に書き込み信号（書き込みデータ）を供給して、メモリセル１にデータを書き込む。つまり、読み出し／書き込み回路１１は、メモリセル１に書き込みデータを供給する書き込みデータ供給回路である。また、読み出し／書き込み回路１１は、データ読み出し時に、メモリセル１からビットラインＢＬ、／ＢＬに伝達されたデータを増幅して出力する。
　図１を参照する。第１の記憶回路２は、電源ラインＰＬを介してＰＬ制御回路４に接続されている。ＰＬ制御回路４は、メモリセル１にアクセスする際に、そのメモリセル１に接続されている電源ラインＰＬの電圧を制御する。つまり、ＰＬ制御回路４は、メモリセル１への電源供給を制御する。なお、図２では、電源ラインＰＬとＰＬ制御回路４は省略している。
　データ記憶ノードＣ、Ｄは、第１の転送用ＭＯＳＦＥＴ５、第２の転送用ＭＯＳＦＥＴ６を介してビットラインＢＬ、ビットラインバー／ＢＬに接続されている。
　第１の転送用ＭＯＳＦＥＴ５及び第２の転送用ＭＯＳＦＥＴ６のゲートはワードラインＷＬに接続されている。
　第２の記憶回路３は、ソースラインＳＬを介してソース制御回路７に接続されている。
　ソースラインＳＬは、例えば、同一ローのメモリセル１の第２の記憶回路３に共通に接続されている。
　ソース制御回路７は、あるメモリセル１にアクセスする際に、そのメモリセル１が属すローのソースラインＳＬを接地又はフローティング状態とする。なお、図２では、ソースラインＳＬとソース制御回路７は省略している。
　データの読み出しの際には、ローデコーダ１０は、指定されたローアドレスに基づいたワードラインＷＬをハイレベルにセットする。また、ＰＬ制御回路４は電源ラインＰＬをハイレベルとする。ＳＬ制御回路７は、電源ラインＰＬが立ち上がった後ごく短時間ソースラインＳＬを接地状態（あるいはローレベル）にしてから、フローティングにする。このごく短時間ソースラインＳＬを接地状態にしている間に、第２の記憶回路３に記憶されているデータが第１の記憶回路２にロードされる。
　ワードラインＷＬがハイレベルにセットされることにより、第１の転送用ＭＯＳＦＥＴ５、第２の転送用ＭＯＳＦＥＴ６がオンする。第１の記憶回路２が記憶するデータに従って、記憶ノードＣ，Ｄに電位差が現れる。これが、電源ラインＰＬから電力が供給されている第１の記憶回路２にラッチされる。その後、ソースラインＳＬをフローティング状態としてもよい。
　データがラッチされた第１の記憶回路２により、記憶ノードＣ，Ｄの電圧が記憶データに対応して明確な差違を示すようになる。記憶ノードＣ，Ｄの電圧が、それぞれ、ビットラインＢＬ、／ＢＬに伝達される。読み出し／書き込み回路１１は、ビットラインＢＬ、／ＢＬを介して、データ記憶ノードＣ、Ｄの電圧関係を検出する。このようにしてメモリセル１に記憶されているデータが読み出される。
　なお、上述のデータの読み出しにおいては、ＰＬをハイレベルにし、ソースラインＳＬをフローティングにしているため、第１の記憶回路２からデータを読み出すことになる。しかし、例えば、ソースラインＳＬをローレベルにしておき、第２の記憶回路３からデータを読み出すことも可能である。
　データの書き込みについては、メモリセル１は、書き込み時間が異なる第１の記憶回路２と第２の記憶回路３を有しているため、以下に説明するような方法で、それぞれの記憶回路へのデータを書き込む。
　図３に、データの書き込みの際のタイミングチャートを示す。
　このメモリセル１へデータを書き込む際には、ワードラインＷＬをハイレベルにする書き込み時間ｔＷを第１の記憶回路２の書き込み時間ｔ１より長くなるよう設定する。ここで、書き込み時間ｔＷとｔ１の差は、ごく短い期間（δｔ１）でよい。ここでは、書き込み時間ｔＷは、第２の記憶回路３の書き込み時間ｔ２より短いものとして説明する。
　ローデコーダ１０は、ローアドレスに基づいたワードラインＷＬｉをハイレベルにセットする。ローデコーダ１０がワードラインＷＬｉをハイレベルにするとほぼ同時に、ＰＬ制御回路４は、電源ラインＰＬをハイレベルにセットする。併行して、読み出し／書き込み回路１１は、書き込みデータに対応して、カラムアドレスに基づいて選択したビットラインＢＬをハイレベル又はローレベルに、ビットラインバー／ＢＬをローレベル又はハイレベルにセットする。また、ソース制御回路７はソースラインＳＬを電源ラインＰＬが立ち上がった後ごく短時間接地状態（あるいはローレベル）を継続してから、フローティングにする。
　ワードラインＷＬｉがハイレベルにされると、第１の転送用ＭＯＳＦＥＴ５、第２の転送用ＭＯＳＦＥＴ６がオンする。従って、第２の転送用ＭＯＳＦＥＴ６、第１の記憶回路２、第１の転送用ＭＯＳＦＥＴ５を介して、書き込み時間ｔＷの間に第１の記憶回路２と第２の記憶回路３のそれぞれにビットラインＢＬとビットラインバー／ＢＬの電位差に応じた電流が流れ、第１の記憶回路２と第２の記憶回路３とに並行してデータが書き込まれる。
　書き込み時間ｔＷ経過後、ワードラインＷＬはローレベルに戻される。そして、次のアクセス対象のメモリセル１に接続されたワードラインＷＬｊがハイレベルにされる。
　ワードラインＷＬｉがローレベルに戻されてからも、所定の時間が経過するまで、ＰＬ制御回路４は電源ラインＰＬをハイレベルに維持し続ける。書き込み時間ｔＷが経過した段階では、第１の記憶回路２へのデータの書き込みは完了している。一方、第２の記憶回路３へのデータの書き込みは完了していない。従って、第１の記憶回路２に記憶されているデータが、第２の記憶回路３に書き込まれる。
　電源ラインＰＬがハイレベルを維持する時間ｔＷ２は、第２の記憶回路３の書き込み時間ｔ２より長くなるよう設定する。ここで、時間ｔＷ２と書き込み時間ｔ２との差は、ごく短い期間（δｔ２）でよい。
　書き込み時間ｔＷ２が経過した後、ＰＬ制御回路４は電源ラインＰＬをローレベルに戻す。併行して、ソース制御回路７はソースラインＳＬを接地（あるいはローレベル）にする。ただし、ＰＬ制御回路４は、次のアクセス対象のメモリセル１が同一の電源ラインＰＬに接続されている場合には、電源ラインＰＬをハイレベルに維持する。
　第２の記憶回路３へのデータの書き込み時間ｔＷ２は、第２の記憶回路３への書き込みに充分な時間（ｔ２＋δｔ２）となるよう設定される。このため、外部から見た書き込みサイクルの終了後でも、外部の書き込みサイクルとは独立して、第１の記憶回路２に記憶されているデータを利用して記憶回路３への書き込みが実行される。
　このような構成により、ワードラインＷＬを不必要に長くハイレベルに維持する必要がなく、第１の記憶回路２よりデータの書き込み時間が長い第２の記憶回路３にデータを記憶させることができる。
　例えば、第２の記憶回路３のデータ保持時間τ２が１０年といった長い時間である場合、記憶回路３への書き込み後、第１の記憶回路２のデータ保持期間τ１より長い期間メモリセル１への電源供給を停止しても、再び電源を投入した後に、第２の記憶回路３が記憶するデータを利用して第１の記憶回路２のデータを復旧することができる。このようにして、不揮発性メモリを実現することができる。また、記憶回路３への書き込み後、メモリセル１への電源供給を停止することでスタンバイ電流をほぼゼロとすることが可能である。
　なお、上述の説明では、書き込み時間ｔＷの間に第１の記憶回路２と第２の記憶回路３とに並行してデータが書き込まれるとしたが、例えば、書き込み時間ｔＷには、第１の記憶回路２のみにデータが書き込まれるようにし、書き込み時間ｔＷが経過してから、つまり、ワードラインＷＬｉがローレベルに戻されてから、電源ラインＰＬがハイレベルを維持している間に、第１の記憶回路２のみにデータが書き込まれるようにしてもよい。
（第２の実施形態）
　次に、上述のメモリセル１を使用した記憶装置の一例について説明する。
　第２の実施形態に係る記憶装置２０は、第１の実施形態に係るメモリセル１を用いている。ここで、記憶装置２０は、複数のメモリセル１を含むグループ（以下、グレイン）単位でメモリセル１に電源を供給するパワーゲーティングを行う。
　図４は、記憶装置２０に含まれるグレイン２５の構成を示すブロック図である。グレイン２５は、同一ワードライン上の２Ｎ個（Ｎは整数）のメモリセル１を含む。２Ｎは、例えば、１６、３２、６４等である。また、メモリセル１の構成は、第１の実施形態と同様である。また、メモリセル１の読み出し、書き込みの方法も第１の実施形態と同様である。
　各グレイン２５には、１個のＰＬ制御回路４が割り当てられている。ＰＬ制御回路４と各メモリセル１は、電源ラインＰＬを介して接続されている。ＰＬ制御回路４は、制御部（図示せず）と制御ラインＧＲＡＩＮを介して接続されている。制御部は、制御ラインＧＲＡＩＮを介して、同一ワードライン上の複数のグレイン２５（ＰＬ制御回路４）に接続されている。制御部は、制御ラインＧＲＡＩＮにより、記憶装置２０に含まれる複数のグレイン２５のうち、ローデコーダ１０が選択するワードラインＷＬ上の１個のグレイン２５を選択する。従って、制御ラインＧＲＡＩＮにより選択されたグレイン２５に割当てられているＰＬ制御回路４が活性化される。
　従って、同一ワードラインＷＬ上のメモリセル１のうち、活性化されたＰＬ制御回路４に接続されているメモリセル１に電源が供給される。このようにして、グレイン単位でデータを書き込むことができる。
　前述したように、第１の実施形態に係るメモリセル１は、第２の記憶回路３のデータ保持時間τ2を第１の記憶回路２のデータ保持時間τ1より長くなるように設定している。例えば、第２の記憶回路３のデータ保持時間τ2を１０年以上として構成することで、不揮発性メモリを実現することができる。
　以下、第２のデータ記憶回路３に使用する記憶素子について述べる。
　例えば、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）等の不揮発性の記憶素子を使用して第２のデータ記憶回路３を構成することができる。
　図５（ａ）、（ｂ）に、ＭＴＪ素子３０の構造と抵抗変化の様子を示す。（ｃ）は抵抗特性を説明するための図である。図６は、ＭＴＪ素子３０の抵抗変化を示す電流－電圧特性を示す図である。
　図５（ａ），（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子３０は、トンネル障壁層３０ａで隔てられた固定層３０ｂ及び自由層３０ｃから構成されている。固定層３０ｂは、図の上向き矢印（↑）で示す磁化方向が固定されている層である。固定層３０ｂは、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る。自由層３０ｃは、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の薄膜で形成されている。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５（ａ）左に示すように、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ぶ。図５（ｂ）左に示すように、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ぶ。
　図５（ｃ）に示すように、ＭＴＪ素子３０に電圧Ｖを印加すると、電流Ｉが流れる。図６に、ＭＴＪ素子３０の抵抗変化を示す電流－電圧特性を示す図を示す。図６に示すように、ＭＴＪ素子３０に、順方向または逆方向の電流を流すと、ＭＴＪ素子３０の抵抗状態が変化する。図５(ａ）、（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子３０が反平行状態であるとき、ＭＴＪ素子３０に順方向電流を流し、その電流Ｉが所定の値（Ｉｃ０）を超えると、自由層３０ｃの磁化方向が反転し、ＭＴＪ素子３０は平行状態に遷移する。また、ＭＴＪ素子３０が平行状態であるとき、ＭＴＪ素子３０に逆方向電流を流し、その電流Ｉが所定の値（Ｉｃ１）を超えると、自由層３０ｃの磁化方向が反転し、ＭＴＪ素子３０は反平行状態に遷移する。
　平行状態では、ＭＴＪ素子３０の抵抗値は低く（低抵抗状態）、その抵抗値をＲＰと表す。反平行状態では、ＭＴＪ素子３０の抵抗値は高く(高抵抗状態）、その抵抗値をＲAPと表す。ＭＴＪ素子３０を使用したメモリにおいては、ＭＴＪ素子３０に順方向又は逆方向の電流を流し、抵抗状態を変化させ、それぞれの状態を"０"、"１"と対応づけることで情報を記憶する。このように、ＭＴＪ素子３０に電流を流すことにより、自由層３０ｃの磁化方向を変える方法は、スピン注入方式やスピン注入磁化反転と呼ばれる。この方法では、自由層３０ｃの磁化を変えるための外部磁場は不要である。
　次に、ＲｅＲＡＭについて説明する。
　図７（ａ）は、ＲｅＲＡＭのメモリセル３２の構造を示す断面図である。（ｂ）はメモリセル３２の電流電圧特性である。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７（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いる。
　図８に、別の構造のＲｅＲＡＭのメモリセルを示す。
　図８（ａ）は、ＲｅＲＡＭのメモリセル３３の構造を示す断面図である。（ｂ）はメモリセル３３の電流電圧特性である。メモリセル３３は、メモリセル３２と同様に下部電極３３ａと、金属酸化物層３３ｂと、上部電極３３ｃと、が順に積層されて構成されている。メモリセル３２との違いは、図８（ａ）に示すように金属酸化物層３３ｂとして、ＮｉＯ、ＦｅＯ、ＴｉＯ2等の二元系酸化物を用いている点である。
　図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、メモリセル３２、メモリセル３３のいずれも、下部電極３２ａ（または３３ａ）と上部電極３２ｃ（３３ｃ）との間に電圧を印加すると金属酸化物層３２ｂ（または３３ｂ）の抵抗値が変わる。この特性を利用して、ＲｅＲＡＭの金属酸化物層３２ｂ（または３３ｂ）の高抵抗状態と低抵抗状態とを、"１"と"０"に対応させて情報を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９（ａ）は、ＰＣＲＡＭのメモリセル３４の構造を示す断面図である。（ｂ）は電流電圧特性を示す図である。図９（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９（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。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"に対応させて情報を記憶させることができる。
　上述したように、ＭＴＪ素子、ＲｅＲＡＭ、ＰＣＲＡＭのいずれも、高抵抗状態と低抵抗状態とを切り替えて情報を記憶する。
　以下、これらの記憶素子の抵抗状態の切り替え（スイッチング）の時間について説明する。図１０（ａ）は抵抗特性を説明するための図、（ｂ）は状態パラメータとエネルギーの関係を示す図、（ｃ）は抵抗素子のスイッチングにかかる時間を示すタイムチャートである。
　図１０（ａ）に示すように、記憶素子に電圧Ｖｐを印加すると、電流Ｉが流れる。上述した第２の記憶回路３に用いる記憶素子（ＭＴＪ素子、ＲｅＲＡＭ、ＰＣＲＡＭ等）は電圧Ｖｐにより流れる電流Ｉが変化する。つまり、電圧Ｖｐの印加によりその抵抗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。一般的に、図１０（ｂ）に示すように記憶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ことが知られている。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。図１０（ｃ）に示すように、電圧Ｖｐを印可して時間ｔAが経過したときに、その電流Ｉが変化し始め、さらに時間ｔBが経過したときに電流Ｉが定常状態となっている。
　つまり、記憶素子がスイッチングするためには、記憶素子にエネルギーを与え始めてから状態が切り替わるまでのｔA＋ｔBの時間が必要である。ここで、ｔAを潜伏時間、ｔBを遷移時間とする。
　本実施形態の記憶装置２０によれば、第１の記憶回路２に書き込まれたデータを使って第２の記憶回路３へ書き込み時間t2以上の時間（ｔA＋ｔB）で書き込みを行った後に電源を落とすことで、スタンバイ電流をほぼゼロ化することが可能である。さらに、第１の記憶回路２の専有面積を小さくできる。スタンバイ時間をデータ保持時間τ2まで延ばしても正常な書き込みと読み出しが保証される。τ2＞１０年とすれば不揮発性メモリを実現できる。
（第１の実施形態の具体例）
　以下、図４に示した記憶装置２０に用いるメモリセル１の具体例を説明する。
　図１１は、メモリセル１の具体例の回路図である。図１２は、タイミングチャートである。
　ここでは、第１の記憶回路２は、いわゆるＳＲＡＭから構成され、第二の記憶回路はＭＴＪ素子３０、３１から構成される。
　第１の記憶回路２は、第１のインバータ１２と、該第１のインバータ１２に接続される第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５と、第２のインバータ１４と、該第２のインバータ１４に接続される第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６と、を含んで構成されている。
　第１のインバータ１２は、負荷となる第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１６と第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７とから構成されている。第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のドレインは第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインに接続され、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のソースは接地されている。第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のゲートは第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６の主電極の一端に接続されている。第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６の主電極の他端はビットラインバー／ＢＬに接続され、第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６のゲートはワードラインＷＬに接続されている。
　第２のインバータ１４は、負荷となる第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８と、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１９とから構成されている。第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１９のドレインは第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のドレインに接続され、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１９のソースは接地されている。第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１９のゲートは第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５の主電極の一端に接続されている。第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５の主電極の他端はＢＬに接続され、第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５のゲート及び第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６のゲートはワードラインＷＬに接続されている。
　第１及び第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ１６及び１８のソースは、共に電源ラインＰＬに接続されている。
　第１及び第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７及び１９のソースは共に接続されている。図４に示す例では、ソースは接地されている。
　第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のドレインは、第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１９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ＭＯＳＦＥＴ１９のドレインは、第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７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ＭＯＳＦＥＴ１７，１９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。
　第１のインバータ１２と第２のインバータ１４は、ＳＲＡＭを構成する。このＳＲＡＭは、ＣＭＯＳインバータをクロスカップルさせたラッチを含み、ＣＭＯＳラッチとも呼ばれる。
　第２の記憶回路３は、第１のスピン注入型ＭＴＪ素子３０、第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３１から構成されている。
　第１のスピン注入型ＭＴＪ素子３０の一端は、第１のインバータ１２の出力端子と第１の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ５との接続点Ｃ（データ記憶ノード又は接続ノードとも呼ぶ。）に接続されている。第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３１の一端は、第２のインバータ１４の出力端子と第２の転送用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６との接続点Ｄ（データ記憶ノード又は接続ノードとも呼ぶ。）に接続されている。第１及び第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１の他端は、共にソースラインＳＬに接続されている。
　なお、第１のスピン注入型ＭＴＪ素子３０において、固定層３０ｂと自由層３０ｃとの間の層はトンネル障壁層３０ａである。
　次に、メモリセル１の動作について説明する。
　以下の説明においては、図１１に示すメモリセル１が、図１に示すのと同様にＰＬ制御回路４、ＳＬ制御回路７等に接続されているものとする。
　また、以下、ソースラインＳＬ、ワードラインＷＬ、電源ラインＰＬ、ビットラインＢＬ、ビットラインバー／ＢＬに印加される信号を、それぞれＳＬ、ＷＬ、ＰＬ、ＢＬ、／ＢＬと略称する。
　図１２に、上から下にＷＬ、ＰＬ、ＳＬ、ＢＬ、／ＢＬの電圧波形を示す。
（第１の記憶回路の書き込み）
　図１２に示すタイミングチャートは、図１１のメモリセル１からデータを読み出した直後にそのデータとは逆のデータを書き込むサイクルを表している。
　時間τONの間、ＳＬをローレベルを保ったまま、ワードラインＷＬと電源ラインＰＬが同時にハイレベルに立ち上げられる。よって、第１及び第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１に記憶されていたデータがＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）へ読み出される。その後、ＢＬと／ＢＬの反転により、逆データが入力されると、ＣＭＯＳラッチ回路への書き込み動作が実行される。時間ｔwが経過すると、ワードラインＷＬはローレベルにセットされ、外部からの書き込み動作が終了する。ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）及びスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１（第２の記憶回路３）にデータを書き込む期間中、ＳＬ制御回路７は、ＳＬをフローティング状態となるように制御する。このとき、実際には、ＳＬはＢＬと／ＢＬの電位の中間の電位に固定されている。なお、ＢＬと／ＢＬの電位は第１及び第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１（第２の記憶回路３）の抵抗比により決まる。
（第２の記憶回路の書き込み）
　ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路）の書き込み時間ｔwがスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１（第２の記憶回路３）の書き込み時間よりも短い場合には、ｔwの書き込み時間経過後にＷＬがローレベルになった時点では、スピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１（第２の記憶回路３）にはまだ新しいデータが書き込まれていない。しかし、ＰＬ制御回路４は、更にτOFFの時間にわたってＰＬがハイレベルとなるよう制御し、かつ、ＳＬ制御回路７がＳＬがフローティング状態となるよう制御する。このため、第１及び第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１に直列に書き込み電流が流れる（図１１参照）。よって、第１の記憶回路２に書き込まれた新しいデータを使って第２の記憶回路３に書き込みが正しく実行される。τOFFとして第１及び第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１のスイッチング時間(書き込み時間ｔ2)以上を設定しておけば、ＷＬに入力されるパルス幅（時間ｔw）が時間ｔ2より短くても、第１及び第２のスピン注入型ＭＴＪ素子３０，３１のスイッチングは保証される。
　上述したメモリセル１は、６個のトランジスタと２個のスピン注入型のＭＴＪ素子３０、３１から構成されるため、セルの専有面積をコンパクトにすることができる。よって、記憶装置を小型化することが可能である。さらに、電源ラインＰＬを制御することで、電力を印加しないでＭＴＪ素子３０、３１の記憶状態を長期間にわたり保持できるので、電力の消費を押さえることができる。
（第２の実施形態の具体例）
　以下、図４に示した第２の実施形態にかかる記憶装置２０の具体例を説明する。
　図１３に、記憶装置２０の具体例として記憶装置２０Ａの回路構成を示す。図１４は、グレイン２５のＰＬ／ＳＬドライバ２７の回路図である。図１３に示すように、記憶装置２０Ａにおいては、各行に複数のメモリセル１が配置され、これらの複数のメモリセル１が１つのグレイン２５を構成する。
　図１４に示すように、ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬとＧＲＡＩＮが入力される第１の２入力ＮＡＮＤ４１と、第１の２入力ＮＡＮＤ４１の出力に接続される第１のインバータ４２と、第１のインバータ４２に接続されるフリップフロップ４３と、フリップフロップ４３の出力に接続される第２のインバータ４４と、第２のインバータ４４の出力に接続される第１の遅延回路４５（遅延時間はτON）と、遅延回路４５に接続される第３のインバータ４６と、第３のインバータ４６に接続されるｎ型ＭＯＳＦＥＴ４７とを含む。さらに、ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、第１の２入力ＮＡＮＤ４１の出力に接続される第２の２入力ＮＡＮＤ４８と、この第２の２入力ＮＡＮＤ４８の入力に接続される第２の遅延回路４９（遅延時間はτOFF）と、第２の２入力ＮＡＮＤの出力に接続される第４のインバータ５１とを含む。
　ＧＲＡＩＮ信号がハイレベルにセットされているグレイン２５では、ＷＬが立ち上がると同時にＰＬが立ち上がり、ＧＮＤに落としていたＳＬを遅延時間τON経過後にフローティング状態にする。ＷＬの立ち下がりから遅延時間τOFF経過後にＰＬがＧＮＤに落ちる。
（ｍ×ｎ×Ｎビットのサブアレー構成）
　次に、上述のグレイン２５をサブアレーとして配置する例を説明する。
　図１５に、本発明のｍ×ｎ×Ｎビットのサブアレー５０からなる記憶装置２０Ｂの構成を示す。記憶装置２０Ｂは、複数のグレイン２５（グレイン0、グレイン1、・・・、グレインm-1）を含む。グレイン２５（グレイン0、グレイン1、・・・、グレインm-1）は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）５３、センスアンプ（ＳＡ）５４、グレインセレクト５５（グレイン選択回路）に接続されている。さらに、Ｎ行のＷＬ0～ＷＬN-1は、ローデコーダ５６（ＷＬデコーダとも呼ばれている。）、ＷＬドライバ５７（ワード線駆動回路とも呼ばれている。）に接続されている。１つのグレイン２５は、ｎ個のメモリセル１を含む。一つのワード線には、ｍ個のグレイン２５が配置されている。
（サブアレー構成における連続アクセスの場合の動作）
　以下、上述したようなサブアレー構成での連続アクセスの動作について説明する。
　図１６に、独立した複数のグレイン２５（グレインｍ、グレインｍ’）が連続して選択された場合のタイミングチャートを示す。（ａ）に示すように、ＷＬNとＧＲＡＩＮmにより選択されたＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされる。よって、ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＰＬmをハイレベルにセットする。ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬNとＧＲＡＩＮmの立ち下がり後、時間τOFFの間ＰＬmをハイレベルに維持する。このようにして、ＰＬmに接続されているグレインｍが活性化される。（ｂ）でも、同様に、ＷＬN'とＧＲＡＩＮm'により選択されたＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされる。ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬN'とＧＲＡＩＮm'の立ち下がり後、時間τOFFの間ＰＬm'をハイレベルに維持する。このようにして、ＰＬm'に接続されているグレインｍ’が活性化される。
　ここでは、独立した複数のグレイン２５へ高速サイクルで連続アクセスする場合を説明した。それぞれのグレイン２５の中のセルの書き込み時間がτOFFとして保証されているため、それぞれのグレイン２５の中のセルの書き込みが正しく実行される。
　図１７は、同一のＷＬに接続されている複数のグレイン２５に連続してアクセスするときのタイミングチャートである。
　（ａ）に示すように、ＷＬNとＧＲＡＩＮmにより選択されたＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされる。よって、ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＰＬmをハイレベルにセットする。ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬNの立ち下がり後、時間τOFFの間ＰＬmをハイレベルに維持する。このようにして、ＰＬmに接続されているグレインｍが活性化される。その後、（ｂ）に示すように、ＷＬNとＧＲＡＩＮm’により選択された別のＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされる。このＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬNとＧＲＡＩＮm’ の立ち下がり後、時間τOFFの間ＰＬm'をハイレベルに維持する。このようにして、ＰＬm'に接続されているグレインｍ’が活性化される。
　ここでは、同一ＷＬに所属するグレインが引き続いて高速にアクセスされた場合を説明した。はじめのグレインｍも次にアクセスされたグレインｍ'もそれぞれτOFFの書き込み時間が確保されているため、それぞれのグレインの中のセルの書き込みが正しく実行される。さらに、はじめのグレインに対するＰＬmが必要以上に長く活性化されるということもない。
　図１８は、同じグレインが連続して選択された場合のタイミングチャートである。
　同じグレインｍが引き続いて高速にアクセスされた場合には、ＰＬmは最後のアクセスにおける書き込み時間を保証するために、最後のＷＬの立下りからτOFFを確保するように制御される。
　上記何れの場合においても、高速書き込みを行う際に、グレイン２５単位でτOFFを確保することで、ＭＴＪ素子３０，３１は安全にスイッチングが実施される。さらに、各グレイン２５のＰＬはτOFF以上には活性化されないために、無駄なパワーを消費しない。
　図１２に示すように、第１の実施形態の具体例においては、ＷＬの立ち上がりと同時にＰＬを立ち上げている。一方、ＳＬはＷＬ、ＰＬの立ち上がり開始から一定の短い期間（τON）接地状態にされ、その後フローティング状態になるように制御される。このτONの期間にＭＴＪ素子３０，３１に記憶されていたデータがＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）へロードされる。よって、ＷＬ立ち上げ直後に実行される読み出し動作においてＰＬがオフしていた以前のデータを正しく外部へ読み出せる。
　その後、ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）に対して書き込み動作が開始し、高速サイクルで書き込み動作が終了しても、ＷＬがローレベルに立ち下げられた後にＰＬはτOFFの期間にわたりハイレベルを保つため、ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）に記憶されているデータを利用してＭＴＪ素子３０，３１のスイッチングがゆっくりと実行される。
　従って、外部からのＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）に対する書き込みサイクルが高速化されても、セル内部においてはＭＴＪ素子３０，３１（第２の記憶回路３）のスイッチング時間より長い時間にわたり書き込みの時間が確保される。このために、ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）からＭＴＪ素子３０，３１へのデータのバックアップが問題なく実施される。このようにしてデータの不揮発記憶が実行される。
　以上説明したように、本実施形態の記憶装置２０では、ＭＴＪ素子３０，３１を使った不揮発性記憶装置の書き込みサイクルを、ＭＴＪ素子３０，３１のスイッチング時間よりも高速化できる。このように、高速なＭＴＪ不揮発性記憶装置を提供できる。
　図１９は、ＭＴＪ素子のスイッチング時間とスイッチング確率の関係を示す図である。図の横軸はＭＴＪ素子のスイッチング時間であり、縦軸はＭＴＪ素子のスイッチング確率である。図１９に示すように、一定電流でＭＴＪ素子をスイッチングさせる場合、スイッチング時間を長くすればするほど、ＭＴＪ素子がスイッチングする確率は大きくなる。スイッチング電流が小さいほど、所定のスイッチング確率を達成するためには長いスイッチング時間が必要となる。
　従って、本発明の別の効果として、書き込み確率を向上させ安定的にデータを書き込める小型の記憶装置２０を提供できる。従来は、書き込み時間tで製品化に必要なスイッチング確率Ｐを実現するためには、大きな書き込み電流（例えば、ＩSW1）が必要であった。ＭＴＪのスイッチング電流は、セルのトランジスタサイズにより決まるため、大きな書き込み電流を流すためには、セルのトランジスタサイズ（セルサイズ）を大きくする必要があった。しかし、本発明の記憶装置１０では、外部書き込み時間ｔを内部書き込み時間Ｔに引き伸ばすため、従来必要とされた書き込み電流ＩSW1よりも小さい電流ＩSW3でデータを書き込むことができる。よって、セルサイズを小さくすることができる。
　製品化するために必要とされるスイッチング確率がＰであるとして、ＩSW3の電流に対応する小さなセルで高速書き込み時間ｔのメモリを設計したい場合、従来技術ではスイッチング確率がｐまで小さくなる。このため、実用化することが困難であった。しかしながら、本発明によれば、スイッチング確率をｐより大きくすることができ、Ｐまで上昇させることが可能となり、高速で高密度な不揮発性の記憶素子を提供することができる。
（第３の実施形態）
　第３の実施形態として、ＭＴＪ素子３０，３１の別の書き込み方法について説明する。
　図２０にタイミングチャートを示す。図１１に示すメモリセル１に入力されるＳＬの波形が図１２に示した波形とは異なる。ここでは、ＭＴＪ素子の書き込み期間の中でＳＬのレベルを切り替え、２個のＭＴＪ素子を順次書き換える。
　ここでは、一方のＭＴＪ素子にデータを書き込むのに必要な時間をＭＴＪ書き込み時間１、他方のＭＴＪ素子にデータを書き込むのに必要な時間をＭＴＪ書き込み時間２とする。また、ＭＴＪ書き込み時間１及びＭＴＪ書き込み時間２は、何れもＭＴＪ素子３０、３１のスイッチング時間ｔ２よりも長くなるよう設定される。
　ＷＬがローレベルに下がってから時間τBが経過するまで、ＳＬはローレベルを維持するよう制御される。外部書き込みが開始してから時間τBが経過するまでの間）、一方のＭＴＪ素子に書き込みが行われる。ＭＴＪ書き込み時間１はｔw＋τBである。時間τB経過後、ＳＬはハイレベルにセットされる。ＷＬがローレベルに下がってから時間τAが経過するまでの期間中には、他方のＭＴＪ素子に書き込みが行われる。他方のＭＴＪ素子にデータを書き込むのに必要な時間であるＭＴＪ書き込み時間２はτA-τBである。時間τA-τB経過後、ＳＬはローレベルにセットされる。
　ＭＴＪ書き込み時間１は、ＳＬはローレベルにセットされているため、一方のＭＴＪ素子３０が平行から反平行（Ｐ→ＡＰ）の状態に書き換えられる。ＭＴＪ書き込み時間２は、ＳＬがハイレベルにセットされているため、他方のＭＴＪ素子３１が反平行から平行（ＡＰ→Ｐ）の状態に書き換えられる。
　ここで、τA、τBは、ＭＴＪ書き込み時間１、ＭＴＪ書き込み時間２、ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路）の書き込み時間ｔwに応じて、変動する値である。
（グレインにおけるＭＴＪの平行、反平行の書き込み）
　ＭＴＪ書き込み期間の中でＳＬのレベルを切り替えて、２回に分けて、ＭＴＪ素子３０，３１を順次書き換える方法は、実施形態１のサブアレーにも適用できる。グレイン２５を含むサブアレーの構成は、図１３と同様である。グレイン２５のＰＬ／ＳＬドライバ２７Ａは、図１４とは異なり、τA及びτBの遅延時間を発生する構成を備える。
　図２１は、グレイン２５のＰＬ／ＳＬドライバ２７Ａの回路図である。ＰＬ／ＳＬドライバ２７Ａは、図１４の回路構成に加えて、次のような構成を含む。３入力のＮＡＮＤ回路６３と、３入力のＮＡＮＤ回路６３の出力に接続される第５のインバータ６４と、第２のフリップフロップ６５と、第２のフリップフロップ６５に接続される第６のインバータ６６及び第７のインバータ６７と、第１のフリップフロップ４３の入力と第２のフリップフロップ６５の入力との間に挿入される第８のインバータ６８及び第９のインバータ６９と、第１の２入力ＮＡＮＤ４１の出力と第２の２入力ＮＡＮＤ４８の入力との間に接続されるτA及びτBの遅延回路７１である。
　図２２に、独立した複数のグレイン２５が連続して選択された場合のタイミングチャートを示す。なお、図２２において図示していないが、ＧＲＡＩＮm、ＧＲＡＩＮm'には、ＷＬN、ＷＬN'と同じタイミングで信号が入力される。（ａ）に示すように、ＷＬNとＧＲＡＩＮmにより選択されたＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされ、ＰＬmがハイレベルにセットされる。ＰＬmは、ＷＬNの立ち下がり後、時間τAの間、ハイレベルとなるよう維持される。ＷＬNの立ち下がり後、時間τBが経過するとＳＬmがハイレベルにセットされる。ＳＬmは、ＷＬNの立ち下がり後、τA－τBの間、ハイレベルとなるよう維持される。このようにして、ＰＬm、ＳＬmによってグレインｍが活性化される。
　図２２（ｂ）では、ＷＬN'とＧＲＡＩＮm'により選択されたＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされる。ＰＬm'、ＳＬm'は、図２２（ａ）に示した場合と同様に、ＷＬN''の立ち下がり後、時間τA、時間τA－τBの間、ハイレベルとなるよう維持される。このようにして、ＰＬm'、、ＳＬm'によってグレインｍ'が活性化される。
　ここでは、独立の複数のグレインへ高速サイクルで連続アクセスする場合を説明した。それぞれのグレインの中のセルの書き込み時間がτA（τB及びτA-τB）として保証されているため、それぞれのグレイン２５の中のセルの書き込みが正しく実行される。
　図２３は、同一のＷＬに接続されている複数のグレイン２５が引き続いて選択された場合のタイミングチャートである。なお、図２３において図示していないが、ＧＲＡＩＮm、ＧＲＡＩＮm'には、ＷＬN、ＷＬN'と同じタイミングで信号が入力される。
　図２３（ａ）に示すように、ＷＬNとＧＲＡＩＮmにより選択されたＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされる。よって、ＰＬmがハイレベルにセットされる。ＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬNの立ち下がり後、時間τ1の間、ＰＬmをハイレベルに維持する。ＷＬNの立ち下がり後、時間τBが経過するとＳＬmがハイレベルにセットされる。ＳＬmは、ＷＬNの立ち下がり後、時間τA－τBの間、ハイレベルとなるよう維持される。このようにして、ＰＬm、ＳＬmによってグレインｍが活性化される。
　その後、ＷＬNとＧＲＡＩＮm’により、図２３（ｂ）に示すように、別のＰＬ／ＳＬドライバ２７がアクティブにされる。このＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬNの立ち下がり後、時間τAの間ＰＬm'をハイレベルに維持する。また、このＰＬ／ＳＬドライバ２７は、ＷＬNの立ち下がり後、時間τBが経過するとＳＬm'をハイレベルにする。ＳＬm'は、時間τA－τBの間、ハイレベルとなるよう維持される。このようにして、ＰＬm'、ＳＬm'によってグレインｍ'が活性化される。
　ここでは、同一ＷＬに所属するグレインが引き続いて高速にアクセスされた場合を説明した。はじめのグレインｍも次にアクセスされたグレインｍ'もそれぞれτA（τB及びτA-τB）の書き込み時間が確保されため、それぞれのグレインの中のセルの書き込みが正しく実行される。例えば、はじめのグレインに対するＰＬmが必要以上に長く活性化されるということもない。
　図２４は、同じグレイン２５が連続して選択された場合のタイミングチャートである。このように、同じグレインｍが連続して高速にアクセスされた場合には、ＰＬmは最後のアクセスにおける書き込み時間を保証するために、最後のＷＬの立下りからτB及びτA-τBを確保するように制御される。
　上記の図２２～２４の何れの場合においても、高速書き込みを行うために、グレイン２５単位でτA（τB及びτA-τB）を確保しており、ＭＴＪに安全にスイッチングが実施される。さらに、各グレイン２５のＰＬはＷＬの活性化時間＋τA以上には活性化されないために、無駄なパワーを消費しない。
　図２０に示すように、第３の実施形態においては、ＷＬの立ち上がりと同時にＰＬを立ち上げる。ＳＬは読み出し期間及び書き込み期間の前半部分にわたり接地状態（あるいはフローティング状態）にされ、ＷＬが立ち下がってから時間τB経過後にＶddレベルになるように制御される。あるいは、ＳＬを、前半Ｖddレベルにセットし、後半ＧＮＤレベルにセットしてもよい。この場合は実施例１（図１２）と同様に、ＰＬの立ち上がりからτON期間にわたりＳＬを接地状態（あるいはフローティング状態）にする必要がある。これは、ＰＬが立ち上がると同時にＭＴＪ素子３０，３１（第２の記憶回路３）に記憶されていたデータをＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）へ正しくロードするためである。よって、ＷＬ立ち上げ直後に実行される読み出し動作においてＰＬがオフしていた以前のデータを正しく外部へ読み出せる。
　その後、ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）に対して書き込み動作が開始し、高速サイクルで書き込みが終了しても、ＷＬがローレベルに立ち下げられた後に、ＰＬはτAの期間にわたりハイレベルを維持するため、ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）に記憶されているデータを利用してＭＴＪ素子３０，３１へゆっくりとスイッチングが実行される。
　従って、外部からＣＭＯＳラッチ回路回路（第１の記憶回路２）に対しての書き込みサイクルが高速化した場合であっても、セル内部においてはＭＴＪ素子３０，３１のスイッチング時間より長い時間にわたり書き込みの時間が確保されるために、データの不揮発記憶（ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）からＭＴＪ素子３０，３１へのデータバックアップ）は問題なく実施される。
　第３の実施形態は第１の実施形態と比べて、ＭＴＪ素子３０，３１のスイッチング時に高い電圧がＭＴＪ素子３０，３１の両端子間に印加される。このため、ＣＭＯＳラッチ回路（第１の記憶回路２）への書き込みサイクルは短くなる。しかし、２対のＭＴＪ素子３０，３１を前半と後半の２回に分けてスイッチングさせるために、そのスイッチングのために余分の時間を必要とする。どちらの方式が書き込みサイクルを短縮できるかは、ＭＴＪ素子３０，３１のスイッチング特性と電圧によるので一概には判断できない。
　第１の実施形態では図１１に示すメモリセル１の構成を示したが、メモリセルの構成はこれに限られない。以下にメモリセルの他の構成を示す。
（第４の実施形態）
　図２５は、記憶装置２０に用いるメモリセル１Ａの回路図である。図２６は、タイミングチャートである。
　図２５に示すように、本発明の記憶装置に用いるメモリセル１Ａは、図１１に示すメモリセル１の構成に加えて、読み出し専用に用いるＲＷＬと、ＲＢＬと、２つのｎ型ＭＯＳＦＥＴ７５，７６を有する。第１及び第２の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ７５，７６は、直列接続されている。第１の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ７５のソースは接地されている。第１の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ７５のドレインと、第２の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ７６のソースとが接続され、第２の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ７６のドレインがＲＢＬに接続されている。第１の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ７５のゲートは、ＳＲＡＭ２の右側のデータ記憶ノードに接続されている。第２の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ７６のゲートは、ＲＷＬに接続されている。
　上記構成によれば、揮発性の第１の記憶回路２に読み出し専用のパスを設けて、書き込みパスから分離しているので、微細化をしても、書き込みと読み出しが確実に行われると共に、不揮発性の記憶素子となる。
　図２６に示すように、ＲＷＬをハイレベルにして揮発性の第１の記憶回路２からデータを読み出す。不揮発性記憶素子のＭＴＪ素子３０，３１の書き込み時には、ＰＬをｔB以上の時間にわたりハイレベルにして、ＭＴＪ素子３０、３１を活性化させてデータを書き込む。
（製造方法）
　次に、本発明の記憶装置２０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記憶装置２０のＭＴＪ素子３０，３１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３０，３１を形成する。
　具体的には、スピン注入型のＭＴＪ素子３０，３１の形成は、以下のように行う。
　ＣＭＯＳ工程でＳＲＡＭ回路等を形成した後、ＳＲＡＭ回路のデータ記憶ノードＣとデータ記憶ノードＤを露出させ、データ記憶ノードＣとデータ記憶ノードＤの電極上にＭＴＪ素子３０，３１となる固定層３０ｂ，３１ｂとトンネル障壁層３０ａ，３１ａと自由層３０ｃ，３１ｃとの順に形成する。ＭＴＪ素子３０，３１の最上層は自由層３０ｃ，３１ｃである場合が多い。自由層３０ｃ，３１ｃは強磁性層を複数層積層した層としてもよい。この工程で、ＭＴＪ素子３０，３１の固定層３０ｂ，３１ｂが記憶装置のデータ記憶ノードＣとデータ記憶ノードＤに接続される。
　次に、基板の全面に層間絶縁層を堆積し、ＭＴＪ素子３０，３１の自由層３０ｃ，３１ｃとＳＬ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３０，３１の自由層３０ｃ，３１ｃとＳＬ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３０，３１の自由層３０ｃ，３１ｃが記憶装置２０のＳＬに接続される。スピン注入型のＭＴＪ素子の磁化方向は、ＣＭＯＳプロセスで形成される集積回路が形成されるおおむね面内方向であるか又はこの集積回路が形成される面内におおむね垂直方向であればよい。
　最後に保護膜（パッシベーション膜）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、記憶装置に使用するＭＴＪ素子３０，３１について説明する。
　スピン注入型のＭＴＪ素子３０，３１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集積回路からなる記憶装置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。さらに、ＭＴＪ素子３０，３１は、記憶装置のデータ記憶ノード上に堆積される層間絶縁層内に形成できる。このため、記憶装置２０ではＭＴＪ素子３０，３１の形成や接続による占有面積の増加はない。例えば、図１１に示すメモリセル１は、６トランジスタからなるＳＲＡＭとＭＴＪ素子３０，３１とを含むが、このメモリセル１の専有面積は、ＳＲＡＭの専有面積とほぼ等しい。
　以上のメモリセル１や記憶装置２０のアレー構成及びその動作説明から明らかなように、本発明の記憶装置２０によれば、ＭＴＪ素子３０，３１を使った不揮発性の第２の記憶回路３の書き込みサイクルを、揮発性の第１の記憶素子２のセルのトランジスタの大きさ（これによってスイッチング電流が決まる）で決まるＭＴＪ３０，３１のスイッチング時間よりも高速化できる。換言すれば、本発明によれば、高密度かつ高速なＭＴＪ不揮発性記憶装置を提供することができる。
　記憶装置２０では、ＭＴＪ素子３０，３１を６ＴＳＲＡＭのデータ記憶ノード上に形成できるので、一つメモリセルの専有面積を、６ＴＳＲＡＭのセルサイズとほぼ同じにできる。
　また、記憶装置２０のｗｒｉｔｅ／ｒｅａｄ性能は、従来の揮発性記憶素子である６ＴＳＡＲＡＭと同等である。さらに、記憶装置２０では、ＭＴＪ素子３０，３１を備えているので、不揮発性の記憶素子が実現される。このため、従来の６ＴＳＲＡＭとは異なり、スタンバイ電流をゼロにすることができる。
　本発明は上記実施例に限定されることなく、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。
　図１１に示す第１の実施形態、図１３に示す第２の実施形態の具体例では、第１の記憶回路２がＳＲＡＭから構成され、第２の記憶回路３がスピン注入型ＭＴＪ素子から構成されることを説明した。しかし、第１の記憶回路２、第２の記憶回路３は、他の構成の記憶回路、あるいは、１以上の記憶素子、から構成されてもよい。例えば、第２の記憶回路３は、ＲｅＲＡＭ、あるいはＰＣＲＡＭあるいは他の記憶素子から構成されてもよい。
　本出願は、２０１２年１２月２８日に出願された日本国特許出願２０１２－２８８５６７号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２０１２－２８８５６７号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
　この発明は、小型で高速の書き込みが可能で、スタンバイ時の電流が殆ど流れない記憶装置、メモリセル及びデータ書き込み方法を実現するといった分野に応用することができる。
１，１Ａ：メモリセル
２：第１の記憶回路
３：第２の記憶回路
４：ＰＬ制御回路
５：第１の転送用ＭＯＳＦＥＴ
６：第２の転送用ＭＯＳＦＥＴ
７：ＳＬ制御回路
１１：読み出し／書き込み回路
１２：第１のインバータ
１４：第２のインバータ
１６：第１のｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１７：第１の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１８：第２のｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１９：第２の駆動用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
２０，２０Ａ：記憶装置
２５：グレイン
２７，２７Ａ：ＰＬ／ＳＬドライバ
３０，３１；ＭＴＪ素子
３０ａ，３１ａ：トンネル障壁層
３０ｂ，３１ｂ：固定層
３０ｃ，３１ｃ：自由層
３２：ＲｅＲＡＭのメモリセル
３２ａ：下部電極
３２ｂ：金属酸化物層
３２ｃ：上部電極
３４：ＰＣＲＡＭのメモリセル
３４ａ：下部電極
３４ｂ：カルコゲナイド層
３４ｃ：上部電極
４１：第１の２入力ＮＡＮＤ
４２：第１のインバータ
４３：フリップフロップ
４４：第２のインバータ
４５：第１の遅延回路
４６：第３のインバータ
４７：ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
４８：第２の２入力ＮＡＮＤ
４９：第２の遅延回路
５１：第４のインバータ
５３：マルチプレクサ
５４：センスアンプ
５５：グレインセレクト
５６：ローデコーダ
５７：ＷＬドライバ
６３：３入力のＮＡＮＤ回路
６４：第５のインバータ
６５：第２のフリップフロップ
６６：第６のインバータ
６７：第７のインバータ
６８：第８のインバータ
６９：第９のインバータ
７１：τ１及びτ２の遅延回路
７５：第１の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
７６：第２の読み出し用ｎ型ＭＯＳＦＥＴ

Claims (13)

  1. 　書き込み時間ｔ1でデータ保持時間τ1の第１の記憶回路と、書き込み時間ｔ2でデータ保持時間τ2（ｔ1＜ｔ2、τ1＜τ2）の第２の記憶回路と、を含むメモリセルと、
    　前記メモリセルへの電源供給を制御する電源制御回路と、
    　前記メモリセルに書き込みデータを供給する書き込みデータ供給回路と、
    　を含み、
    　前記第１の記憶回路のデータ記憶ノードと前記第２の記憶回路のデータ記憶ノードとが互いに接続されており、
    　前記書き込みデータ供給回路は、前記第１の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ1より長く、かつ、前記第２の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ2より短い時間である書き込み時間ｔWにわたって、前記メモリセルに書き込みデータを供給して、前記第１の記憶回路にデータを書き込み、前記書き込み時間ｔWが経過したときに前記書き込みデータの供給を停止し、
    　前記電源制御回路は、前記書き込みデータ供給回路から前記メモリセルに前記書き込みデータが供給されると、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ2より長い時間にわたって前記メモリセルに電源を供給し、前記書き込みデータの供給が停止されてからは、前記第１の記憶回路に書き込まれたデータを前記第２の記憶回路に書き込み、前記書き込みデータの供給が開始されてから、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ２が経過した後に前記メモリセルへの電源供給を停止する、
    　ことを特徴とする記憶装置。
  2. 　前記第２の記憶回路の電源電圧を制御するソース制御回路を備えている、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の記憶装置。
  3. 　前記第１の記憶回路は、１個以上の記憶素子から構成される、
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の記憶装置。
  4. 　前記第１の記憶回路は、ＣＭＯＳインバータをクロスカップルさせたラッチを含む、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の記憶装置。
  5. 　前記第２の記憶回路は、１個以上の記憶素子から構成される、
    　ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の記憶装置。
  6. 　前記第２の記憶回路は２個のスイッチング素子を含んでおり、前記２個のスイッチング素子をスイッチングさせる場合には、前記２個のスイッチング素子を直列に接続して、共通電流を流してスイッチングを実行する、
    　ことを特徴とする請求項５に記載の記憶装置。
  7. 　前記第２の記憶回路は、抵抗変化型の記憶素子から構成される、
    　ことを特徴とする請求項５又は６に記載の記憶装置。
  8. 　前記第２の記憶回路は、スピン注入型のＭＴＪ素子から構成される、
    　ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の記憶装置。
  9. 　前記スピン注入型のＭＴＪ素子の磁化方向は、集積回路が形成されるおおむね面内方向であるか又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、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の記憶装置。
  10. 　前記第２の記憶回路は、相変化型の記憶素子から構成される、
    　ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の記憶装置。
  11. 　書き込み時間ｔ1でデータ保持時間τ1の第１の記憶回路と書き込み時間ｔ2でデータ保持時間τ2（ｔ1＜ｔ2、τ1＜τ2）の第２の記憶回路とを含み、前記第１の記憶回路のデータ記憶ノードと前記第２の記憶回路のデータ記憶ノードとが互いに接続されているメモリセルと、前記メモリセルへの電源供給を制御する電源制御回路と、前記メモリセルに書き込みデータを供給する書き込みデータ供給回路と、を含む、記憶装置に含まれるメモリセルであって、
    　前記書き込みデータ供給回路は、前記第１の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ1より長く、かつ、前記第２の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である書き込み時間ｔ2より短い時間である書き込み時間ｔWにわたって、前記メモリセルに書き込みデータを供給して、前記第１の記憶回路にデータを書き込み、前記書き込み時間ｔWが経過したときに前記書き込みデータの供給を停止し、
    　前記電源制御回路は、前記書き込みデータ供給回路から前記メモリセルに前記書き込みデータが供給されると、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ2より長い時間にわたって前記メモリセルに電源を供給し、前記書き込みデータの供給が停止されてからは、前記第１の記憶回路に書き込まれたデータを前記第２の記憶回路に書き込み、前記書き込みデータの供給が開始されてから、前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ２が経過した後に前記メモリセルへの電源供給を停止する、
    　ことを特徴とするメモリセル。
  12. 　前記第２の記憶回路は２個のスイッチング素子を含んでおり、前記２個のスイッチング素子をスイッチングさせる場合には、前記２個のスイッチング素子を直列に接続して、共通電流を流してスイッチングを実行させる、
    　ことを特徴とする、請求項１１に記載のメモリセル。
  13. 　書き込み時間ｔ1でデータ保持時間τ1の第１の記憶回路と、書き込み時間ｔ2でデータ保持時間τ2（ｔ1＜ｔ2、τ1＜τ2）の第２の記憶回路とを含む複数のメモリセルにデータを書き込む方法であって、
    　書き込み対象のメモリセルを選択して、前記メモリセルへの電源供給を開始すると共に、
    　前記第１の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である前記書き込み時間ｔ1より長く、かつ、前記第２の記憶回路にデータを書き込むために必要な時間である前記書き込み時間ｔ２より短い時間である書き込み時間ｔWにわたって、前記第１の記憶回路と第２の記憶回路にデータを並行して書き込み、
    　データの書き込みを開始してから前記書き込み時間ｔWが経過したときに前記メモリセルの選択を終了し、前記第１の記憶回路に書き込まれたデータを前記第２の記憶回路に書き込み、前記データの書き込みを開始してから前記第２の記憶回路の書き込み時間ｔ2が経過した後に前記メモリセルへの電源供給を停止する、
    　ことを特徴とするデータ書き込み方法。
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