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JP6386231B2 - Memory device with magnetic tunnel junction element - Google Patents

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JP6386231B2 JP2014018949A JP2014018949A JP6386231B2 JP 6386231 B2 JP6386231 B2 JP 6386231B2 JP 2014018949 A JP2014018949 A JP 2014018949A JP 2014018949 A JP2014018949 A JP 2014018949A JP 6386231 B2 JP6386231 B2 JP 6386231B2
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貴弘 羽生
望月 明
明 望月
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Description

本発明は、磁気トンネル接合素子を備えた記憶装置に関する。   The present invention relates to a storage device including a magnetic tunnel junction element.

不揮発性、高速応答性、書き換え耐性、高集積性等を兼ね備えた磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunneling Junction)素子が注目され、種々の研究開発がなされている。   A magnetic tunnel junction (MTJ) element having non-volatility, high-speed response, rewrite endurance, high integration, etc. has attracted attention, and various research and development have been made.

MTJ素子は、論理回路内のフリップフロップ、大容量記憶回路、キャッシュ回路等、様々な記憶回路に利用されている(特許文献1,2参照)。MTJ素子への書き込みは、低電流スピン注入磁化反転書き込み(電流書き込み)が可能となったことから、磁界書き込みは、ほとんど使用されない状態となっている。   The MTJ element is used in various storage circuits such as a flip-flop, a large capacity storage circuit, and a cache circuit in a logic circuit (see Patent Documents 1 and 2). Since writing to the MTJ element enables low current spin injection magnetization reversal writing (current writing), magnetic field writing is hardly used.

特開2013−229721号公報JP 2013-229721 A 特開2013−191873号公報JP 2013-191873 A

MTJ素子は、不揮発性記憶素子であり、電源供給が停止してもMTJ素子に記憶されたデータは失われない。そのため、複数のMTJ素子を備えた記憶装置に記憶されているデータを全て消去するには全てのMTJ素子に初期化するためのデータを書き込む必要がある。MTJ素子の書き込み方式が電流書き込みである場合、記憶装置に記憶されているデータを全て消去するための手法として、MTJ素子を一つずつ選択し、選択したMTJ素子に所定の電流を流す処理を順番に行う手法があるが、この手法では初期化処理に時間と手間がかかるという問題がある。   The MTJ element is a non-volatile storage element, and data stored in the MTJ element is not lost even when power supply is stopped. Therefore, in order to erase all data stored in a storage device having a plurality of MTJ elements, it is necessary to write data for initialization in all MTJ elements. When the writing method of the MTJ element is current writing, as a method for erasing all the data stored in the storage device, a process of selecting one MTJ element one by one and flowing a predetermined current through the selected MTJ element is performed. Although there are methods that are performed sequentially, this method has a problem that initialization processing takes time and effort.

また、フリップフロップには、信号発生回路によって発生されたリセット信号やプリセット信号を入力し、記憶されているデータを初期化(リセット、プリセット)するための入力端子を備えたものがある。この入力端子は、信号発生回路と結線されており、フリップフロップと信号発生回路とを接続する配線の数は、フリップフロップの数が多いほど増加する。さらに、複数のフリップフロップを備えた装置全体で同時に初期化を行うには、ファンアウト用バッファや遅延バッファ等を配置しなければならず、さらに回路構成が複雑化する。   Some flip-flops have an input terminal for inputting a reset signal or a preset signal generated by a signal generating circuit and initializing (reset or preset) stored data. This input terminal is connected to the signal generation circuit, and the number of wirings connecting the flip-flop and the signal generation circuit increases as the number of flip-flops increases. Furthermore, in order to perform initialization simultaneously with the entire apparatus including a plurality of flip-flops, it is necessary to arrange a fan-out buffer, a delay buffer, and the like, which further complicates the circuit configuration.

MTJ素子を利用した大容量記憶回路を初期化する場合も、通常はメモリセルを順次選択・指定して、所定のデータを順次書き込む必要があるため、初期化処理に時間がかかる。   Even when initializing a mass storage circuit using an MTJ element, it is usually necessary to sequentially select and designate memory cells and sequentially write predetermined data, so that the initialization process takes time.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、書き込み方式が電流書き込みである場合のMTJ素子を、単純な回路構成により簡単に初期化できる記憶装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a storage device that can easily initialize an MTJ element when a writing method is current writing with a simple circuit configuration. .

本発明に係る記憶装置は、
それぞれが、一対の磁気トンネル接合素子を備える複数の記憶素子と、
複数の前記記憶素子に、個別に、データを書き込む書込手段と、
複数の前記記憶素子に磁界を印加することにより、共通のデータを、書き込む磁界書込手段と、を備え、
前記磁気トンネル接合素子は、磁化の方向が固定された第1の層と磁化の方向が固定されていない第2の層とを備え、前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行なときに低抵抗となり、反平行のときに高抵抗となり、
各記憶素子を構成する前記一対の磁気トンネル接合素子は、いずれか一方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行となり、いずれか他方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに反平行となるように相補的に設定され、
前記磁界書込手段は、電流を流す電流ラインを備え、
各記憶素子を構成する一対の磁気トンネル接合素子のうちの第1の磁気トンネル接合素子と第2の磁気トンネル接合素子は、前記電流ラインを流れる1つの電流により発生する1つの磁界により、前記第1の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向は互いに平行となり、前記第2の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向は互いに反平行となる位置、に配置されている。
The storage device according to the present invention includes:
A plurality of storage elements each comprising a pair of magnetic tunnel junction elements;
Writing means for individually writing data to the plurality of storage elements;
Magnetic field writing means for writing common data by applying a magnetic field to the plurality of storage elements,
The magnetic tunnel junction element includes a first layer in which the magnetization direction is fixed and a second layer in which the magnetization direction is not fixed, and the magnetization direction of the first layer and the second layer When the magnetization directions are parallel to each other, the resistance is low, and when the magnetization directions are antiparallel, the resistance is high.
The pair of magnetic tunnel junction elements constituting each storage element has either one of the magnetic tunnel junction elements in which the magnetization direction of the first layer and the magnetization direction of the second layer are parallel to each other. The direction of magnetization of the first layer and the direction of magnetization of the second layer of the other magnetic tunnel junction element are set to be complementary to each other,
The magnetic field writing means includes a current line through which a current flows.
Of the pair of magnetic tunnel junction elements constituting each storage element, the first magnetic tunnel junction element and the second magnetic tunnel junction element have the first magnetic tunnel junction element generated by one magnetic field generated by one current flowing through the current line. The direction of magnetization of the first layer of one magnetic tunnel junction element is parallel to the direction of magnetization of the second layer, and the direction of magnetization of the first layer of the second magnetic tunnel junction element is The magnetization directions of the second layer are arranged at positions where they are antiparallel to each other.

例えば、各前記一対の磁気トンネル接合素子の第1の層の磁化の向きは互いに同一方向に設定されており、各前記一対の磁気トンネル接合素子は、前記電流ラインを流れる電流により発生する磁界によって、前記第2の層の磁化の向きが互いに反対方向になる位置に配置されている。 For example, the magnetization directions of the first layers of each of the pair of magnetic tunnel junction elements are set in the same direction, and each of the pair of magnetic tunnel junction elements is caused by a magnetic field generated by a current flowing through the current line. The second layers are arranged at positions where the magnetization directions are opposite to each other.

例えば、各前記一対の磁気トンネル接合素子の第1の層の磁化の向きは互いに反対方向に設定されており、各前記一対の磁気トンネル接合素子は、前記電流ラインを流れる電流により発生する磁界によって、前記第2の層の磁化の向きが互いに同一方向になる位置に配置されている。For example, the magnetization directions of the first layers of each pair of magnetic tunnel junction elements are set in opposite directions, and each pair of magnetic tunnel junction elements is caused by a magnetic field generated by a current flowing through the current line. The magnetization directions of the second layers are arranged at the same direction.

また、記憶装置は、例えば、
一対の磁気トンネル接合素子を備える複数の記憶素子と、
書き込み対象のデータに対応する電流を書き込み対象の前記記憶素子を構成する磁気トンネル接合素子に流すことにより、複数の前記記憶素子に、個別に、データを書き込む書込手段と、
磁界を発生する電流を流す電流ラインを備え、複数の前記記憶素子に磁界を印加することにより、共通のデータを記憶させる磁界書込手段と、を備え、
各前記磁気トンネル接合素子は、磁化の方向が固定された第1の層と磁化の方向が固定されていない第2の層とを備え、前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行なときに低抵抗となり、反平行のときに高抵抗となり、
各前記記憶素子を構成する前記一対の磁気トンネル接合素子は、何れか一方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行となり、何れか他方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに反平行となるように相補的に設定され、
前記記憶素子を構成する一対の磁気トンネル接合素子は、前記磁界書込手段が発生した磁界により、一方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行となり、他方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層と前記第2の層の磁化の方向が互いに反平行となるように配置される。
The storage device is, for example,
A plurality of storage elements comprising a pair of magnetic tunnel junction elements;
Writing means for individually writing data to the plurality of storage elements by causing a current corresponding to the data to be written to flow through a magnetic tunnel junction element constituting the storage element to be written;
A magnetic line writing unit that includes a current line for flowing a current that generates a magnetic field, and stores common data by applying a magnetic field to the plurality of storage elements;
Each of the magnetic tunnel junction elements includes a first layer whose magnetization direction is fixed and a second layer whose magnetization direction is not fixed, and the magnetization direction of the first layer and the second layer Low resistance when the magnetization directions of the layers are parallel to each other, high resistance when the layers are antiparallel,
The pair of magnetic tunnel junction elements constituting each of the memory elements is configured such that the direction of magnetization of the first layer and the direction of magnetization of the second layer of any one of the magnetic tunnel junction elements are parallel to each other. The direction of magnetization of the first layer and the direction of magnetization of the second layer of the other magnetic tunnel junction element are set to be complementary to each other,
In the pair of magnetic tunnel junction elements constituting the memory element, the magnetization directions of the first layer and the second layer of one of the magnetic tunnel junction elements are parallel to each other due to the magnetic field generated by the magnetic field writing unit. And the magnetization directions of the first layer and the second layer of the other magnetic tunnel junction element are arranged to be antiparallel to each other.

前記電流ラインは、例えば、ワードライン、ビットライン、ビットラインバー、電源ライン又は接地ラインの何れかから構成される。The current line includes, for example, a word line, a bit line, a bit line bar, a power supply line, or a ground line.

また、記憶装置は、例えば、
それぞれが磁気トンネル接合素子を備える複数の記憶素子と、
前記記憶素子にデータを個別に記憶させる書込手段と、
電源ラインと接地ラインとの少なくとも1つを含み、複数の前記記憶素子を取り囲んで配置されたラインと、
前記電源ラインと接地ラインの少なくとも一方に電源電圧又は接地電圧を印加し、又は、前記ラインに電流を流すことにより、前記ラインにより取り囲まれた複数の前記記憶素子に同一方向の磁界を印加することにより、共通のデータを記憶させる電源制御装置と、
を備える。
The storage device is, for example,
A plurality of storage elements each comprising a magnetic tunnel junction element;
Writing means for individually storing data in the storage element;
A line including at least one of a power supply line and a ground line and arranged to surround a plurality of the storage elements ;
The power supply voltage or a ground voltage is applied to at least one power supply line and a ground line, or by supplying a current to the line, applies a magnetic field in the same direction in a plurality of said storage elements enclosed taken by the line A power supply control device for storing common data ;
Is provided.

例えば、前記記憶素子は、それぞれ、一対の磁気トンネル接合素子を備え、
前記磁気トンネル接合素子は、磁化の方向が固定された第1の層と磁化の方向が固定されていない第2の層とを備え、
前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行なときに低抵抗となり、反平行のときに高抵抗となり、
前記記憶素子を構成する一対の磁気トンネル接合素子の第1の層の磁化の向きは互いに反平行に設定されている。
また、例えば、前記記憶装置は、電源ラインと接地ラインとを両方備え、
電源ラインと接地ラインとは、それぞれ複数の前記記憶素子を取り囲んで配置され、
前記電源制御装置は、電源ラインと接地ラインの少なくとも一方に電流を流す。
For example, each of the storage elements includes a pair of magnetic tunnel junction elements,
The magnetic tunnel junction element includes a first layer whose magnetization direction is fixed and a second layer whose magnetization direction is not fixed,
When the magnetization direction of the first layer and the magnetization direction of the second layer are parallel to each other, the resistance is low, and when the magnetization direction is antiparallel, the resistance is high.
The magnetization directions of the first layers of the pair of magnetic tunnel junction elements constituting the memory element are set to be antiparallel to each other.
Further, for example, the storage device includes both a power line and a ground line,
Each of the power supply line and the ground line is disposed so as to surround the plurality of storage elements,
The power supply control device passes a current through at least one of a power supply line and a ground line.

本発明によれば、磁気トンネル接合素子を備える複数の記憶素子を、単純な回路構成により簡単に初期化等できる。 According to the present invention, it is possible to easily initialize a plurality of storage elements including a magnetic tunnel junction element with a simple circuit configuration.

本発明の実施形態1に係る記憶装置の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the memory | storage device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示した回路モジュールの構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the circuit module shown in FIG. 図2に示したフリップフロップの構成を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the flip-flop illustrated in FIG. 2. (a)は低抵抗状態のMTJ素子を示す図、(b)は高抵抗状態のMTJ素子を示した図である。(A) is a diagram showing an MTJ element in a low resistance state, and (b) is a diagram showing an MTJ element in a high resistance state. (a)は実施形態1に係る初期化用の磁界を発生させるための構成を示す図、(b)初期化電流(パルス)の一例を示した図である。(A) is a figure which shows the structure for generating the magnetic field for initialization based on Embodiment 1, (b) It is the figure which showed an example of the initialization electric current (pulse). MTJ素子の第1の配置例を示した図である。It is the figure which showed the 1st example of arrangement | positioning of an MTJ element. MTJ素子の第2の配置例を示した図である。It is the figure which showed the 2nd example of arrangement | positioning of an MTJ element. (a)は低抵抗状態のMTJ素子を示す図、(b)は高抵抗状態のMTJ素子を示す図、(c)は、1つのMTJ素子を初期化する様子を示す図、(d)は一対のMTJ素子を初期化する様子を示す図である。(A) is a diagram showing an MTJ element in a low resistance state, (b) is a diagram showing an MTJ element in a high resistance state, (c) is a diagram showing how one MTJ element is initialized, and (d) is a diagram showing how the MTJ element is initialized. It is a figure which shows a mode that a pair of MTJ element is initialized. 本発明の実施形態2に係る記憶装置の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the memory | storage device which concerns on Embodiment 2 of this invention. (a)は図9に示したメモリセルの構造を示す断面図、(b)はメモリセルに初期化用の磁界を印加した状態を示した図である。(A) is a cross-sectional view showing the structure of the memory cell shown in FIG. 9, and (b) is a diagram showing a state in which a magnetic field for initialization is applied to the memory cell. 本発明の実施形態2に係る初期化用の磁界を発生させるための構成を示す図である。It is a figure which shows the structure for generating the magnetic field for initialization which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3に係るメモリセルの構成を示した回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a memory cell according to Embodiment 3 of the present invention. (a)は一対のMTJ素子の配置例を示した図、(b)は一対のMTJ素子に初期化用の磁界を印加した状態を示した図である。(A) is the figure which showed the example of arrangement | positioning of a pair of MTJ element, (b) is the figure which showed the state which applied the magnetic field for initialization to a pair of MTJ element. (a)は本発明の実施形態4に係る二つのMTJ素子の配置を説明する図、(b)と(c)は異なる方向と大きさの磁界を順次印加することにより、フリー層の磁化方向を変化させて、メモリセルを初期化する手順を示した図である。(A) is a figure explaining arrangement | positioning of two MTJ elements based on Embodiment 4 of this invention, (b) and (c) are the magnetization directions of a free layer by applying the magnetic field of a different direction and magnitude | size sequentially. FIG. 5 is a diagram showing a procedure for initializing a memory cell by changing. 本発明の実施形態5に係る記憶装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the memory | storage device which concerns on Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施形態6に係る記憶装置の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the memory | storage device which concerns on Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施形態7に係る記憶装置の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the memory | storage device which concerns on Embodiment 7 of this invention. 初期化電流により近傍のMTJを初期化する機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function which initializes neighboring MTJ with the initialization electric current. 初期化電流により近傍の一対のMTJを初期化する機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function which initializes a pair of nearby MTJ with the initialization electric current. 初期化電流により近傍の一対のMTJを初期化する機能を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the function which initializes a pair of nearby MTJ with the initialization electric current.

(実施形態1)
以下、本発明の実施形態1に係る記憶装置を、MTJ(Magnetic Tunneling Junction:磁気トンネル接合)素子を記憶素子として含むフリップフロップを備えるLSI(Large Scale Integration)チップ100を例に、図面を参照して説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the memory device according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings, taking an LSI (Large Scale Integration) chip 100 including a flip-flop including an MTJ (Magnetic Tunneling Junction) element as a memory element as an example. I will explain.

LSIチップ100は、図1に示すように、複数の回路モジュール10A,10B,10C・・・と、電源制御回路31と、クロック生成回路40と、電源ライン33と、接地ライン35と、定電流源39a,39b,・・・とを備える。   As shown in FIG. 1, the LSI chip 100 includes a plurality of circuit modules 10A, 10B, 10C..., A power supply control circuit 31, a clock generation circuit 40, a power supply line 33, a ground line 35, a constant current. Sources 39a, 39b,...

なお、以下の説明では、回路モジュール10A,10B,10C・・・を区別しない場合は回路モジュール10と総称する。   In the following description, the circuit modules 10A, 10B, 10C,.

回路モジュール10は、図2に示すように、各種論理ゲート15と記憶回路であるフリップフロップFFとが接続された回路構成を備え、図1に示すように、電源ライン33と接地ライン35に接続され、電源制御回路31から供給される電力により動作し、論理演算・記憶などの処理を行う。なお、各回路モジュール10の回路構成自体は任意である。   As shown in FIG. 2, the circuit module 10 has a circuit configuration in which various logic gates 15 and a flip-flop FF as a storage circuit are connected, and is connected to a power supply line 33 and a ground line 35 as shown in FIG. Then, it operates with power supplied from the power supply control circuit 31, and performs processing such as logical operation and storage. The circuit configuration itself of each circuit module 10 is arbitrary.

回路モジュール10に含まれているフリップフリップFFは、例えば、図3に示すD型のフリップフロップから構成され、データ入力端子Dと、データ出力端子Qと、クロック端子CLKと、MTJ素子12を含んだ内部回路とを備える。なお、フリップフロップFFには、データを初期化するためのリセット端子(クリア端子)やプリセット端子は備えられていない。そのため、リセット信号やプリセット信号を発生する信号発生回路とフリップフロップFFとを接続する配線は不要である。LSIチップ100は、回路モジュール10内に配置されたフリップフロップFFに記憶されたデータを初期化する機能を備える。以下の説明において、データを初期化するとは、データをリセットまたはプリセットすることをいう。データをリセットするとはデータを「0」にすることをいい、データをプリセットするとはデータを「1」にすることをいう。   The flip-flop FF included in the circuit module 10 is constituted by, for example, a D-type flip-flop shown in FIG. 3, and includes a data input terminal D, a data output terminal Q, a clock terminal CLK, and an MTJ element 12. With internal circuitry. Note that the flip-flop FF is not provided with a reset terminal (clear terminal) or a preset terminal for initializing data. Therefore, wiring for connecting the signal generation circuit for generating the reset signal and the preset signal and the flip-flop FF is unnecessary. The LSI chip 100 has a function of initializing data stored in a flip-flop FF arranged in the circuit module 10. In the following description, “initializing data” means resetting or presetting data. To reset the data means to set the data to “0”, and to preset the data means to set the data to “1”.

フリップフロップFFのデータ入力端子Dには、データ「0」(本実施形態では、ロウレベルの信号とする)又は「1」(本実施形態ではハイレベルの信号とする)が入力される。クロック端子CLKには、クロック生成回路40によって生成されたクロック信号が供給される。フリップフロップFFは、クロック端子CLKに入力されたクロック信号の立ち上がりエッジ(クロック信号がロウレベルからハイレベルになるタイミング)に応答して、データ入力端子Dに入力されているデータを記憶素子であるMTJ素子12に記憶させると共に記憶データを読み出してデータ出力端子Qから出力する。なお、図2に示したフリップフロップFFのクロック端子CLKには、クロック生成回路40によって生成されたクロック信号が直接的に入力されているが、フリップフロップFFのクロック端子CLKとクロック生成回路40との間には、例えばANDゲートから構成されるクロックゲーティング回路が配置されても良い。   Data “0” (in this embodiment, a low level signal) or “1” (in this embodiment, a high level signal) is input to the data input terminal D of the flip-flop FF. The clock signal generated by the clock generation circuit 40 is supplied to the clock terminal CLK. The flip-flop FF responds to the rising edge of the clock signal input to the clock terminal CLK (the timing at which the clock signal changes from low level to high level) and transfers the data input to the data input terminal D to the MTJ that is a storage element. The data is stored in the element 12 and the stored data is read out and output from the data output terminal Q. Note that the clock signal generated by the clock generation circuit 40 is directly input to the clock terminal CLK of the flip-flop FF shown in FIG. A clock gating circuit made up of, for example, AND gates may be arranged between the two.

MTJ素子12は不揮発性であり、フリップフロップFFは、電源の供給が停止された場合でも、その記憶データを失わない。   The MTJ element 12 is non-volatile, and the flip-flop FF does not lose its stored data even when the supply of power is stopped.

MTJ素子12は、図4(a),(b)に示すように、ピン(固定)層12a、絶縁層12b、フリー(可動)層12cの3層から構成されている。MTJ素子12は、ピン層12aとフリー層12cの磁化の方向が積層方向と垂直であり、ピン層12aを最下層に配置したボトムピン構造から構成されている。なお、MTJ素子12は、ピン層12aとフリー層12cの磁化の方向が積層方向と平行でも良いし、ピン層12aを最上層に配置したトップピン構造から構成されても良い。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the MTJ element 12 includes three layers of a pin (fixed) layer 12a, an insulating layer 12b, and a free (movable) layer 12c. The MTJ element 12 has a bottom pin structure in which the magnetization directions of the pinned layer 12a and the free layer 12c are perpendicular to the stacking direction, and the pinned layer 12a is disposed in the lowest layer. The MTJ element 12 may have a magnetization direction of the pinned layer 12a and the free layer 12c that is parallel to the stacking direction, or may have a top pin structure in which the pinned layer 12a is arranged as the uppermost layer.

ピン層12aとフリー層12cは強磁性体、例えば、鉄(Fe)、コバルト−鉄合金(Co)、強磁性ホイスラー合金(例えばCo2FeAl、Co2MnSi、CoFeB)等の材料から構成される。   The pinned layer 12a and the free layer 12c are made of a ferromagnetic material such as iron (Fe), a cobalt-iron alloy (Co), or a ferromagnetic Heusler alloy (eg, Co2FeAl, Co2MnSi, CoFeB).

ピン層12aは、磁化の方向が固定されており、層内を電流が流れたり、磁界MFが印加されても磁化の方向は変わらない性質を有する。一方、フリー層12cは、磁化の方向が固定されておらず、層内を流れる電流の方向と大きさ又は磁界MFの方向と大きさに従って磁化の方向が変化する性質を有する。   The pinned layer 12a has a fixed magnetization direction, and has the property that the magnetization direction does not change even when a current flows in the layer or the magnetic field MF is applied. On the other hand, the direction of magnetization of the free layer 12c is not fixed, and the direction of magnetization changes according to the direction and magnitude of the current flowing in the layer or the direction and magnitude of the magnetic field MF.

絶縁層12bは、ピン層12aとフリー層12cとの間に設けられた薄膜であり、例えば、マグネシア(MgO)、アルミナ(Al2O3)、スピネル単結晶(MgAl2O4)等の材料から形成される。   The insulating layer 12b is a thin film provided between the pinned layer 12a and the free layer 12c, and is formed of a material such as magnesia (MgO), alumina (Al2O3), spinel single crystal (MgAl2O4), for example.

MTJ素子12は、ピン層12aとフリー層12cの磁化の方向が相対的に変化することにより抵抗値が変化する。図4(a)に示すように、ピン層12aとフリー層12cの矢印で示す磁化の方向が揃っている平行状態にあるときはMTJ素子12の抵抗値は小さく(以下、低抵抗状態という)、図4(b)に示すように、ピン層12aとフリー層12cの矢印で示す磁化の方向が反対である反平行状態にあるときはMTJ素子12の抵抗値は大きい(以下、高抵抗状態という)。   The resistance value of the MTJ element 12 changes as the magnetization directions of the pinned layer 12a and the free layer 12c change relatively. As shown in FIG. 4A, the resistance value of the MTJ element 12 is small (hereinafter referred to as a low resistance state) when the magnetization directions indicated by the arrows of the pinned layer 12a and the free layer 12c are aligned. As shown in FIG. 4B, when the magnetization directions indicated by the arrows of the pinned layer 12a and the free layer 12c are in the antiparallel state, the MTJ element 12 has a large resistance value (hereinafter referred to as a high resistance state). Called).

図4(a)に示す低抵抗状態にあるMTJ素子12に、ピン層12aからフリー層12cに向かって閾値以上の電流を流すと、又は、ピン層12aの磁化と同方向の磁界MFが印加されると、図4(b)に示すように、フリー層12cの磁化の方向がピン層12aの磁化と逆方向(左方向)に変化し、MTJ素子12は高抵抗状態となる。一方、図4(b)に示す高抵抗状態にあるMTJ素子12に、フリー層12cからピン層12aに閾値以上の電流を流すと、又は、ピン層12aの磁化と逆方向の磁界MFが印加されると、図4(a)に示すように、フリー層12cの磁化の方向がピン層12aの磁化と同方向(右方向)に変化し、MTJ素子12は低抵抗状態となる。   When a current equal to or greater than the threshold value flows from the pinned layer 12a to the free layer 12c, or a magnetic field MF in the same direction as the magnetization of the pinned layer 12a is applied to the MTJ element 12 in the low resistance state shown in FIG. Then, as shown in FIG. 4B, the magnetization direction of the free layer 12c changes in the opposite direction (left direction) to the magnetization of the pinned layer 12a, and the MTJ element 12 enters a high resistance state. On the other hand, when a current equal to or greater than the threshold value is passed from the free layer 12c to the pinned layer 12a to the MTJ element 12 in the high resistance state shown in FIG. Then, as shown in FIG. 4A, the magnetization direction of the free layer 12c changes in the same direction (right direction) as the magnetization of the pinned layer 12a, and the MTJ element 12 enters a low resistance state.

フリップフロップFFの内部回路は、クロック信号の立ち上がり時にデータ端子Dに供給されているデータが「1」であるか「0」であるかによって、MTJ素子12の高抵抗状態と低抵抗状態を切り替える回路(書き込み手段)と、MTJ素子12の記憶データを読み出して、即ち、MTJ素子12の高抵抗状態と低抵抗状態に応じて、出力端Qに対応するデータ「1」又は「0」を出力する回路(読み出し手段)とから構成される。
フリップフロップFFの回路構成自体は、既知の任意のものを使用可能である。
The internal circuit of the flip-flop FF switches between the high resistance state and the low resistance state of the MTJ element 12 depending on whether the data supplied to the data terminal D is “1” or “0” when the clock signal rises. Data stored in the MTJ element 12 is read from the circuit (writing means), that is, data “1” or “0” corresponding to the output terminal Q is output according to the high resistance state and low resistance state of the MTJ element 12 Circuit (reading means).
Any known circuit configuration of the flip-flop FF can be used.

電源制御回路31は、例えばPMU(Power Management Unit)等から構成される。電源制御回路31は、通常時は、電源ライン33に電源電圧VDDを印加し、接地ライン35に接地電圧Vssを印加する。これにより、LSIチップ100内の各回路には動作用の電力が供給される。また、電源制御回路31は、回路モジュール10内に配置されたフリップフロップFFを一括して初期化(リセット又はプリセット)するタイミングで定電流源39に動作制御信号と動作電力を供給する。動作制御信号には、フリップフロップFFの内部回路の記憶データをリセットする(「0」にする:MTJ素子12を低抵抗状態に設定する)ためのリセット制御信号と、フリップフロップFFの内部回路の記憶データをプリセットする(「1」にする:MTJ素子12を高抵抗状態に設定する)ためのプリセット制御信号と、がある。   The power supply control circuit 31 is composed of, for example, a PMU (Power Management Unit). The power supply control circuit 31 normally applies the power supply voltage VDD to the power supply line 33 and applies the ground voltage Vss to the ground line 35. Thereby, power for operation is supplied to each circuit in the LSI chip 100. In addition, the power supply control circuit 31 supplies an operation control signal and operating power to the constant current source 39 at a timing of collectively initializing (resetting or presetting) the flip-flops FF arranged in the circuit module 10. The operation control signal includes a reset control signal for resetting data stored in the internal circuit of the flip-flop FF (set to “0”: setting the MTJ element 12 to a low resistance state), and an internal control circuit of the flip-flop FF. There is a preset control signal for presetting stored data (set to “1”: set MTJ element 12 to a high resistance state).

電源ライン33は、導体から構成され、電源制御回路31から出力される電源電圧VDDをLSIチップ100内の回路に供給するラインである。本実施形態においては、電源ライン33は、絶縁層を介して、回路部品の上層に配置されている。電源ライン33のうち、回路モジュール10の上に配置されている部分33a,33b,・・・(以下、ループ状部という)は、ループ状に形成されている。   The power supply line 33 is a line that is made of a conductor and supplies the power supply voltage VDD output from the power supply control circuit 31 to the circuits in the LSI chip 100. In the present embodiment, the power supply line 33 is disposed in an upper layer of the circuit component via an insulating layer. Of the power supply line 33, portions 33a, 33b,... (Hereinafter referred to as loop-shaped portions) disposed on the circuit module 10 are formed in a loop shape.

接地ライン35は、全ての内部回路に接地電圧VSSを供給する。   The ground line 35 supplies the ground voltage VSS to all internal circuits.

定電流源39a、39b・・・は、各ループ状部33a、33b・・・と共に定電流回路を構成する。定電流源39a,39b,・・・は、電源制御回路31から専用ラインを介して供給される動作電力を用いて、制御信号に従って動作し、それぞれ、ループ状部33a,33bにフリップフロップFFを一括して初期化するための定電流(リセット電流又はプリセット電流:以下、初期化電流IRと総称する)を流す。なお、以下の説明では、定電流源39a,39b・・・を区別しない場合は定電流源39と総称する。   The constant current sources 39a, 39b,... Constitute a constant current circuit together with the loop portions 33a, 33b,. The constant current sources 39a, 39b,... Operate according to the control signal using the operating power supplied from the power supply control circuit 31 via the dedicated line, and the flip-flops FF are provided in the loop-like portions 33a, 33b, respectively. A constant current (reset current or preset current: hereinafter, collectively referred to as initialization current IR) for initializing all at once is applied. In the following description, the constant current sources 39a, 39b,.

定電流源39a、39b・・・が動作する際は、電源制御回路31は、電源ライン33に電源電圧VDDを印加せず、定電流源39a,39b・・・に専用線を介して個別に電力を供給する。   When the constant current sources 39a, 39b,... Operate, the power supply control circuit 31 does not apply the power supply voltage VDD to the power supply line 33, but separately to the constant current sources 39a, 39b,. Supply power.

回路モジュール10内のフリップフロップFFは、図5及び図6に示すように、ループ状部33a、33b・・・を構成する導体の直下に、ピン層12aの磁化の方向が電源ライン33内を流れる電流の方向と直交するように、該導体の近傍に配置されている。   As shown in FIGS. 5 and 6, the flip-flop FF in the circuit module 10 has a magnetization direction of the pinned layer 12a in the power supply line 33 immediately below the conductors constituting the loop-shaped portions 33a, 33b. It arrange | positions in the vicinity of this conductor so that it may orthogonally cross with the direction of the electric current which flows.

定電流源39は、電源制御回路31から制御信号を受け取ると、定電流回路内のループ状部33a,33bに初期化電流IRを流す。定電流源39は、制御信号に従って、ループ状部33a,33bに流す電流の方向を設定する。ループ状部33a,33bには、データがリセット(「0」)される場合とプリセット(「1」)される場合とで逆方向の初期化電流IR(それぞれリセット電流、プリセット電流)が流れる。ループ状部33a,33bに初期化電流IRが流れると、その周辺には磁界が発生する。例えば図5(a)に示すように、ループ状部33aに初期化電流IRaが流れると、その導体の周辺には磁界MFaが発生し、ループ状部33bに初期化電流IRbが流れると、その導体の周辺には磁界MFbが発生する。なお、電源ライン33(ループ状部33a,33b)の周辺には、データがリセット(「0」)される場合とプリセット(「1」)される場合とで逆方向の磁界が発生する。なお、初期化電流IRは、図5(b)に示すように所定の書き込み時間を有するパルス電流であり、大きさ(振幅)はミリアンペアオーダ以上である。   When the constant current source 39 receives a control signal from the power supply control circuit 31, the constant current source 39 supplies an initialization current IR to the loop-shaped portions 33a and 33b in the constant current circuit. The constant current source 39 sets the direction of current flowing through the loop-shaped portions 33a and 33b according to the control signal. An initialization current IR (reset current and preset current) in the reverse direction flows in the loop-shaped portions 33a and 33b depending on whether data is reset (“0”) or preset (“1”). When the initialization current IR flows through the loop portions 33a and 33b, a magnetic field is generated in the vicinity thereof. For example, as shown in FIG. 5A, when the initialization current IRa flows through the loop-shaped portion 33a, a magnetic field MFa is generated around the conductor, and when the initialization current IRb flows through the loop-shaped portion 33b, A magnetic field MFb is generated around the conductor. A magnetic field in the opposite direction is generated around the power supply line 33 (loop-like portions 33a and 33b) depending on whether the data is reset (“0”) or preset (“1”). Note that the initialization current IR is a pulse current having a predetermined writing time as shown in FIG. 5B, and the magnitude (amplitude) is equal to or greater than the milliampere.

電源ライン33(ループ状部33a,33b)周辺に発生する磁界の強さは、電源ライン33からの距離(電源ライン33と垂直方向の距離)に反比例し、MTJ素子12は電源ライン33に近いほど大きな磁界を受ける。そのため、電源ライン33周辺に発生する磁界MFが印加されるよう、初期化対象のMTJ素子12は、電源ライン33に近接した位置に配置されている。具体的には、初期化対象のMTJ素子12は、図6に示すように、電源ライン33の真下で電源ライン33に近接した位置に配置されている。これにより、MTJ素子12には電源ライン33周辺に発生した磁界MFが印加され、MTJ素子12のフリー層12cの磁化は、磁界の方向とは逆方向に変化する。   The strength of the magnetic field generated around the power supply line 33 (loop-like portions 33a and 33b) is inversely proportional to the distance from the power supply line 33 (distance in the direction perpendicular to the power supply line 33), and the MTJ element 12 is close to the power supply line 33. It receives a large magnetic field. Therefore, the MTJ element 12 to be initialized is disposed at a position close to the power line 33 so that the magnetic field MF generated around the power line 33 is applied. Specifically, as shown in FIG. 6, the MTJ element 12 to be initialized is arranged at a position immediately below the power supply line 33 and close to the power supply line 33. As a result, the magnetic field MF generated around the power supply line 33 is applied to the MTJ element 12, and the magnetization of the free layer 12c of the MTJ element 12 changes in the direction opposite to the direction of the magnetic field.

また、MTJ素子12のピン層12aの磁化は、リセット時にフリー層12cの磁化の方向と平行になり、プリセット時にフリー層12cの磁化の方向と反平行になるように設定されている。これにより、MTJ素子12は、リセットするための初期化電流IR(リセット電流)が電源ライン33に流れたときに低抵抗状態となり、プリセットするための初期化電流IR(プリセット電流)が電源ライン33に流れたときに高抵抗状態となる。   The magnetization of the pinned layer 12a of the MTJ element 12 is set to be parallel to the magnetization direction of the free layer 12c at the time of resetting and to be antiparallel to the magnetization direction of the free layer 12c at the time of presetting. As a result, the MTJ element 12 enters a low resistance state when an initialization current IR (reset current) for resetting flows through the power supply line 33, and the initialization current IR (preset current) for presetting is set to the power supply line 33. When it flows into the high resistance state.

また、図5(a)、図6に示すように並列に配置された複数の電源ライン33(ループ状部33a,33b)に同じ方向の初期化電流IRが流れた場合、各電源ライン33の間には互いに逆方向の磁界が発生する(磁界が相殺される)。初期化対象のMTJ素子12は、何れか一つの電源ライン33周辺に発生する磁界のみによってフリー層12cの磁化の方向が変化するよう、他の電源ライン33と間隔をおいて配置される。なお図6中のバツ印は、電源ライン33に流れる初期化電流IRの方向が紙面の表面から裏面に向かう方向であることを示している。   Further, when the initialization current IR in the same direction flows through the plurality of power supply lines 33 (loop-like portions 33a and 33b) arranged in parallel as shown in FIGS. In the meantime, magnetic fields in opposite directions are generated (the magnetic fields are canceled). The MTJ element 12 to be initialized is arranged at intervals from the other power supply lines 33 so that the magnetization direction of the free layer 12c is changed only by the magnetic field generated around any one of the power supply lines 33. The crosses in FIG. 6 indicate that the direction of the initialization current IR flowing through the power supply line 33 is the direction from the front surface to the back surface.

次に、上記構成を備えたLSIチップ100の動作を説明する。   Next, the operation of the LSI chip 100 having the above configuration will be described.

(通常時)
通常状態では、電源制御回路31は、電源ライン33に電源電圧VDDを印加し、接地ライン35に接地電圧Vssを印加する。これにより、LSIチップ100内の回路モジュール10、電源制御回路31、クロック生成回路40等の各種回路には動作用の電力が供給される。
(Normal time)
In the normal state, the power supply control circuit 31 applies the power supply voltage VDD to the power supply line 33 and applies the ground voltage Vss to the ground line 35. Thereby, power for operation is supplied to various circuits such as the circuit module 10, the power supply control circuit 31, and the clock generation circuit 40 in the LSI chip 100.

回路モジュール10内のフリップフロップFFのデータ入力端子Dには、前段にある論理ゲート15や他のフリップフロップFF等からデータ「0」(ロウレベルの信号)又は「1」(ハイレベルの信号)が入力される。フリップフロップFFは、クロック端子CLKに供給されたクロック信号の立ち上がりに応答し、入力端子Dに入力されたデータに対応する電流をMTJ素子12に流すことにより、MTJ素子12に入力データを書き込んで記憶すると共にMTJ素子12の抵抗状態に対応するデータ(記憶データ)を読み出してデータ出力端子Qから出力する。   The data input terminal D of the flip-flop FF in the circuit module 10 receives data “0” (low level signal) or “1” (high level signal) from the logic gate 15 and other flip-flops FF in the previous stage. Entered. The flip-flop FF writes input data to the MTJ element 12 by flowing a current corresponding to the data input to the input terminal D to the MTJ element 12 in response to the rising edge of the clock signal supplied to the clock terminal CLK. The data (memory data) corresponding to the resistance state of the MTJ element 12 is read out and output from the data output terminal Q.

ここで、MTJ素子12は不揮発性記憶素子であり、電源制御回路31から回路モジュール10への電力の供給が停止したとしても、MTJ素子12の記憶データは保持される。そして、電源電圧VDDの供給が再開されると、フリップフロップFFの内部回路は、MTJ素子12の抵抗状態に対応するデータを読み出してデータ出力端子Qから再出力する。   Here, the MTJ element 12 is a non-volatile storage element, and even if the supply of power from the power supply control circuit 31 to the circuit module 10 is stopped, the storage data of the MTJ element 12 is retained. When the supply of the power supply voltage VDD is resumed, the internal circuit of the flip-flop FF reads out data corresponding to the resistance state of the MTJ element 12 and re-outputs it from the data output terminal Q.

(初期化動作)
つづいて各回路モジュール10に備えられたフリップフロップFFの記憶データを一括して消去する動作(リセット処理)を説明する。
外部よりリセット指示信号が供給されるなどして、電源制御回路31に、回路モジュール10のリセットが指示されたとする。すると、電源制御回路31は、電源電圧VDDを電源ライン33に供給する動作を停止する。その一方で、電源制御回路31は、定電流源39に動作電力とリセット制御信号を供給する。
(Initialization operation)
Next, an operation (reset process) for collectively erasing data stored in the flip-flops FF provided in each circuit module 10 will be described.
It is assumed that a reset instruction signal is supplied from the outside and the power supply control circuit 31 is instructed to reset the circuit module 10. Then, the power supply control circuit 31 stops the operation for supplying the power supply voltage VDD to the power supply line 33. On the other hand, the power supply control circuit 31 supplies operating power and a reset control signal to the constant current source 39.

これにより、各定電流源39は、電源ライン33のループ状部33a,33b,・・・には、図5(a),(b)に示したリセットするための初期化電流IR(リセット電流)を一定期間流す。電源ライン33に初期化電流IRが流れると、電源ライン33の周囲には磁界MFが発生する。フリップフロップFFは、ループ状部33a、33b・・・を構成する配線の直下に配置されているため、発生した磁界MFは、図6に示すように、各フリップフロップFF内の各MTJ素子12に印加される。これにより、各MTJ素子12のフリー層12cの磁化の方向はピン層12aの磁化と同方向になり、低抵抗状態となる。これにより、全てのフリップフロップFFはデータ「0」を記憶し、リセットされる。   As a result, each constant current source 39 has an initialization current IR (reset current) for the reset shown in FIGS. 5A and 5B in the loop-like portions 33a, 33b,. ) For a certain period. When the initialization current IR flows through the power supply line 33, a magnetic field MF is generated around the power supply line 33. Since the flip-flop FF is disposed immediately below the wirings constituting the loop-shaped portions 33a, 33b,..., The generated magnetic field MF is generated in each MTJ element 12 in each flip-flop FF as shown in FIG. To be applied. As a result, the magnetization direction of the free layer 12c of each MTJ element 12 is the same as the magnetization direction of the pinned layer 12a, resulting in a low resistance state. As a result, all flip-flops FF store data “0” and are reset.

その後、電源制御回路31は、定電流源39へのリセット制御信号と動作電力の供給を停止し、定電流源39の動作を停止させる。続いて、電源制御回路31は、電源ライン33に電源電圧VDDの供給を再開する。回路モジュール10が動作を再開したとき、各フリップフロップFFの内部回路は、MTJ素子12の抵抗状態に対応するデータ「0」を読み出し、データ出力端子Qから出力する。
以上により一連のリセット処理は完了し、以後は上述した通常の動作に移行する。
Thereafter, the power supply control circuit 31 stops the supply of the reset control signal and the operating power to the constant current source 39, and stops the operation of the constant current source 39. Subsequently, the power supply control circuit 31 resumes the supply of the power supply voltage VDD to the power supply line 33. When the circuit module 10 resumes operation, the internal circuit of each flip-flop FF reads data “0” corresponding to the resistance state of the MTJ element 12 and outputs it from the data output terminal Q.
Thus, a series of reset processing is completed, and thereafter, the normal operation described above is performed.

(プリセット動作)
つづいて各回路モジュール10に備えられたフリップフロップFFの記憶データを一括して「1」にセットする動作(プリセット処理)を説明する。
(Preset operation)
Next, an operation (preset process) for collectively setting the stored data of the flip-flops FF provided in each circuit module 10 to “1” will be described.

外部よりプリセット指示信号が供給されるなどして、電源制御回路31に、回路モジュール10のプリセットが指示されたとする。すると、電源制御回路31は、電源電圧VDDを電源ライン33に供給する動作を停止し、定電流源39に動作電力とプリセット制御信号を供給する。各定電流源39は、電源ライン33のループ状部33a,33b,・・・にプリセット電流(図5(a)に示したリセット電流とは逆方向の定電流)を一定期間流す。電源ライン33の周囲にはリセット時に発生する磁界MFとは逆方向のプリセット用の磁界が発生し、これが各MTJ素子12に印加される。これにより、各MTJ素子12のフリー層12cの磁化の方向はピン層12aの磁化と逆方向になり、高抵抗状態となる。これにより、全てのフリップフロップFFはデータ「1」を記憶し、プリセットされる。   Assume that a preset instruction signal is supplied from the outside, and the power supply control circuit 31 is instructed to preset the circuit module 10. Then, the power supply control circuit 31 stops the operation of supplying the power supply voltage VDD to the power supply line 33 and supplies the operation power and the preset control signal to the constant current source 39. Each constant current source 39 allows a preset current (a constant current in the direction opposite to the reset current shown in FIG. 5A) to flow through the loop-shaped portions 33a, 33b,. A preset magnetic field is generated around the power supply line 33 in the direction opposite to the magnetic field MF generated at the time of resetting, and this is applied to each MTJ element 12. As a result, the magnetization direction of the free layer 12c of each MTJ element 12 is opposite to the magnetization direction of the pinned layer 12a, resulting in a high resistance state. As a result, all flip-flops FF store data “1” and are preset.

その後、電源制御回路31は、定電流源39へのプリセット制御信号と動作電力の供給を停止し、定電流源39の動作を停止させる。続いて、電源制御回路31は、電源ライン33に電源電圧VDDの供給を再開する。回路モジュール10が動作を再開したとき、各フリップフロップFFの内部回路は、MTJ素子12の抵抗状態に対応するデータ「1」を読み出し、データ出力端子Qから出力する。
以上により一連のプリセット処理は完了し、以後は上述した通常の動作に移行する。
Thereafter, the power supply control circuit 31 stops the supply of the preset control signal and the operating power to the constant current source 39 and stops the operation of the constant current source 39. Subsequently, the power supply control circuit 31 resumes the supply of the power supply voltage VDD to the power supply line 33. When the circuit module 10 resumes operation, the internal circuit of each flip-flop FF reads data “1” corresponding to the resistance state of the MTJ element 12 and outputs it from the data output terminal Q.
As described above, a series of preset processing is completed, and thereafter, the normal operation described above is performed.

以上説明したように、本実施形態1に係るLSIチップ100によれば、各回路モジュール10が接続された電源ライン33の周囲に磁界MFを発生させ、各回路モジュール10に備えられたMTJ素子12を一括して所定の抵抗状態に設定できる。このため、リセット信号やプリセット信号を発生する信号発生回路、及び、信号発生回路と各フリップフロップFFとを接続する配線が不要となり、フリップフロップFF(MTJ素子12)を単純な回路構成により簡単に初期化できる。   As described above, according to the LSI chip 100 according to the first embodiment, the magnetic field MF is generated around the power supply line 33 to which each circuit module 10 is connected, and the MTJ element 12 provided in each circuit module 10. Can be collectively set to a predetermined resistance state. This eliminates the need for a signal generation circuit for generating a reset signal and a preset signal, and wiring for connecting the signal generation circuit and each flip-flop FF, and the flip-flop FF (MTJ element 12) can be easily configured with a simple circuit configuration. It can be initialized.

なお、上記実施形態1においては、フリップフロップFFの内部回路が、クロック端子CLKに入力されたクロック信号の立ち上がりエッジのタイミング毎に、データ入力端子Dに入力されているデータをMTJ素子12に記憶させる例を説明したが、回路モジュール10への電源供給が遮断される直前に、データ入力端子Dに入力されているデータを記憶させても良い。また、上記実施形態1においては、フリップフロップFFの内部回路が、クロック端子CLKに入力されたクロック信号の立ち上がりエッジのタイミング毎にMTJ素子12に記憶されたデータをデータ出力端子Qに出力する(読み出す)例を説明したが、MTJ素子12に記憶されたデータの読み出しは、回路モジュール10への電源の供給が再開されたときにのみ行い、回路モジュール10への電源が供給されている間は、クロック端子CLKに入力されたクロック信号の立ち上がりエッジのタイミング毎に、データ入力端子Dに入力されているデータをデータ出力端子Qに出力しても良い。   In the first embodiment, the internal circuit of the flip-flop FF stores the data input to the data input terminal D in the MTJ element 12 at each rising edge timing of the clock signal input to the clock terminal CLK. Although the example to perform is demonstrated, you may memorize | store the data input into the data input terminal D immediately before the power supply to the circuit module 10 is interrupted | blocked. In the first embodiment, the internal circuit of the flip-flop FF outputs the data stored in the MTJ element 12 to the data output terminal Q at every rising edge timing of the clock signal input to the clock terminal CLK ( In the example described above, the data stored in the MTJ element 12 is read only when the supply of power to the circuit module 10 is resumed, while the power to the circuit module 10 is being supplied. The data input to the data input terminal D may be output to the data output terminal Q at every rising edge timing of the clock signal input to the clock terminal CLK.

また、電源ライン33とループ状部33a、33b・・・との間にスイッチを配置し、初期化電流IR又はプリセット電流をループ状部33a、33b・・・に流す時に、スイッチを開くように構成してもよい。このような構成であれば、電源制御回路31が電源ライン33に電源電圧VDDを印加した状態で、回路モジュール10内のフリップフロップFFを一括して初期化(リセット又はプリセット)することが可能となる。   Further, a switch is arranged between the power supply line 33 and the loop-shaped portions 33a, 33b... So that the switch is opened when the initialization current IR or the preset current flows through the loop-shaped portions 33a, 33b. It may be configured. With such a configuration, it is possible to collectively initialize (reset or preset) the flip-flops FF in the circuit module 10 with the power supply control circuit 31 applying the power supply voltage VDD to the power supply line 33. Become.

また、電源制御回路31は、一部のループ状部33a・・・にのみ初期化電流IRを流し、当該ループ状部の近傍に配置されたフリップフロップのみを一括して初期化しても良い。例えば、図1に示した回路モジュール10C内のフリップフロップFFを初期化対象とした場合、電源制御回路31は、定電流源39aには初期化制御信号と動作電力を供給せず、定電流源39bにのみ初期化制御信号と動作電力を供給すればよい。これにより、フリップフロップFF(MTJ素子12)の初期化を定電流回路毎(回路モジュール10単位又は複数の回路モジュール10を備えたブロック単位)で行うこともできる。   Further, the power supply control circuit 31 may flow the initialization current IR only through a part of the loop-shaped portions 33a... To initialize only the flip-flops arranged in the vicinity of the loop-shaped portions. For example, when the flip-flop FF in the circuit module 10C shown in FIG. 1 is to be initialized, the power supply control circuit 31 does not supply an initialization control signal and operating power to the constant current source 39a. Only the initialization control signal and the operating power need be supplied to 39b. Thereby, the initialization of the flip-flop FF (MTJ element 12) can be performed for each constant current circuit (unit of circuit module 10 or block unit including a plurality of circuit modules 10).

また、本実施形態1では、電源ライン33の一部(ループ状部33a,33b)に定電流回路が設けられた態様を説明したが、定電流回路は、回路モジュール10が接続された接地ライン35の一部に設けられても良い。この場合、初期化電流IRは接地ライン35の一部を流れ、各回路モジュール10に備えられたMTJ素子12は、接地ライン35の周囲に発生する磁界によって、一括して所定の抵抗状態(低抵抗状態、高抵抗状態)に設定される。   In the first embodiment, the aspect in which the constant current circuit is provided in a part of the power supply line 33 (the loop-shaped portions 33a and 33b) has been described. However, the constant current circuit is a ground line to which the circuit module 10 is connected. 35 may be provided in part. In this case, the initialization current IR flows through a part of the ground line 35, and the MTJ elements 12 provided in each circuit module 10 are collectively brought into a predetermined resistance state (low level) by the magnetic field generated around the ground line 35. Resistance state, high resistance state).

また、定電流回路は、初期化対象のMTJ素子12を備えた回路モジュール10が接続された電源ライン33又は接地ライン35に初期化電流IRを流すことができれば良く、LSIチップ100において定電流回路が設置される位置や数量は適宜に変更できる。   The constant current circuit only needs to allow the initialization current IR to flow through the power supply line 33 or the ground line 35 to which the circuit module 10 including the MTJ element 12 to be initialized is connected. The position and quantity at which can be installed can be changed as appropriate.

また、本実施形態1では、フリップフロップFF(MTJ素子12)を電源ライン33の真下で電源ライン33に近接した位置に配置する態様を説明したが、図7に示すように、電源ライン33の上下方向に対称的に一対のMTJ素子12,14を配置することにより、電源ライン33の周囲に発生する磁界によってMTJ素子12,14を所定の抵抗状態に設定しても良い。また、一対のMTJ素子12,14を備えたフリップフロップFFを、電源ライン33の真下で電源ライン33に近接した位置に配置しても良い。この場合、MTJ素子12,14のピン層12a,14aの磁化の方向は同一方向となるように設定される。これにより、一対のMTJ素子12,14の抵抗状態は、一方が高抵抗状態、他方が低抵抗状態というように相補的に設定され、一対のMTJ素子12,14の抵抗状態の組み合わせは、データ「1」又は「0」と対応付けられる。これにより、一対のMTJ素子12,14を備えたフリップフロップFFによって1ビットのデータを記憶することができる。   In the first embodiment, the mode in which the flip-flop FF (MTJ element 12) is disposed at a position immediately below the power supply line 33 and close to the power supply line 33 has been described. However, as illustrated in FIG. By arranging a pair of MTJ elements 12 and 14 symmetrically in the vertical direction, the MTJ elements 12 and 14 may be set in a predetermined resistance state by a magnetic field generated around the power supply line 33. Further, the flip-flop FF including the pair of MTJ elements 12 and 14 may be disposed at a position immediately below the power supply line 33 and close to the power supply line 33. In this case, the magnetization directions of the pinned layers 12a and 14a of the MTJ elements 12 and 14 are set to be the same direction. As a result, the resistance states of the pair of MTJ elements 12 and 14 are complementarily set such that one is in the high resistance state and the other is in the low resistance state. The combination of the resistance states of the pair of MTJ elements 12 and 14 is the data Corresponding to “1” or “0”. Thereby, 1-bit data can be stored in the flip-flop FF including the pair of MTJ elements 12 and 14.

また、MTJ素子12は、図8(a),(b)に示すように、ピン層12aとフリー層12cの磁化の方向が積層方向と平行なものでも良く、ピン層12aを最上層に配置したトップピン構造としたものでも良い。この場合、MTJ素子12は、図8(c)に示すように、電源ライン33の真横に配置される。また、図8(d)に示すように、電源ライン33の左右方向に対称的に一対のMTJ素子12,14が配置されても良い。   Further, as shown in FIGS. 8A and 8B, the MTJ element 12 may have the magnetization directions of the pinned layer 12a and the free layer 12c parallel to the stacking direction, and the pinned layer 12a is disposed in the uppermost layer. A top pin structure may be used. In this case, the MTJ element 12 is disposed directly beside the power supply line 33 as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 8D, a pair of MTJ elements 12 and 14 may be arranged symmetrically in the left-right direction of the power supply line 33.

以上の説明では、初期化電流(リセット電流又はプリセット電流)を流す電流路を確保するために、電源ライン33(又は接地ライン35)の一部をループ状に形成したが、磁界による一括書込用の電流路を確保できるならば、その構成自体は任意である。   In the above description, a part of the power supply line 33 (or the ground line 35) is formed in a loop in order to secure a current path through which an initialization current (reset current or preset current) flows. As long as a current path can be secured, the configuration itself is arbitrary.

例えば、電源ライン33と接地ライン35との間に抵抗とスイッチの直列回路を接続しておき、初期化時に、電源制御回路31がスイッチをオンするように構成してもよい。スイッチがオンすると、電源制御回路31→電源ライン33→抵抗とスイッチの直列回路→接地ライン35→電源制御回路31、という電流路が生成される。この電流路の近傍にフリップフロップFFを配置しておけば、流れる電流によって発生する磁界により複数のフリップフロップFF(MTJ素子12)の初期化を並行して行うことが可能となる。   For example, a series circuit of a resistor and a switch may be connected between the power supply line 33 and the ground line 35, and the power supply control circuit 31 may be configured to turn on the switch at the time of initialization. When the switch is turned on, a current path of power supply control circuit 31 → power supply line 33 → resistance and switch series circuit → ground line 35 → power supply control circuit 31 is generated. If the flip-flop FF is disposed in the vicinity of the current path, the initialization of the plurality of flip-flops FF (MTJ elements 12) can be performed in parallel by the magnetic field generated by the flowing current.

(実施形態2)
上記実施形態1では、MTJ素子を記憶素子として用いたフリップフロップFFの記憶データを一括して初期化(リセット又はプリセット)する例を説明したが、一括初期化の対象は、MTJ素子を記憶素子として用いる回路ならば任意である。本実施形態2では、一括初期化の対象が複数のメモリセルを備えた大容量記憶回路である場合について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the example in which the storage data of the flip-flop FF using the MTJ element as the storage element is collectively initialized (reset or preset) has been described. Any circuit can be used as long as it is used as a circuit. In the second embodiment, a case will be described in which a batch initialization target is a mass storage circuit including a plurality of memory cells.

また、実施形態1では、リセット電流を流す配線の周囲に発生する磁界により近傍のMTJ素子を初期化する例を説明したが、本実施形態においては、初期化電流を流すループ状回路の内に配置されている複数のMTJ素子を一括して初期化する例を説明する。   In the first embodiment, the example in which the nearby MTJ element is initialized by the magnetic field generated around the wiring through which the reset current flows is described. However, in the present embodiment, the loop-like circuit in which the initialization current flows is included in the loop circuit. An example of collectively initializing a plurality of arranged MTJ elements will be described.

図9に示すように、記憶装置200は、複数のメモリセル11を備える。各メモリセル11は不揮発性記憶素子としてMTJ素子12を備える。記憶装置200は、各メモリセル11に備えられたMTJ素子12へのデータの書き込みを低電流スピン注入によって行う機能と、MTJ素子12を一括して初期化する機能とを備える。また、記憶装置200は、電源制御回路31を備え、電源制御回路31は閉ループ状に形成された電源ライン33及び接地ライン35と接続されている。また、記憶装置200に備えられた各メモリセル11の周囲には電源ライン33及び接地ライン35が配置されている。   As illustrated in FIG. 9, the storage device 200 includes a plurality of memory cells 11. Each memory cell 11 includes an MTJ element 12 as a nonvolatile storage element. The memory device 200 has a function of writing data to the MTJ element 12 provided in each memory cell 11 by low current spin injection and a function of initializing the MTJ element 12 at once. The storage device 200 also includes a power supply control circuit 31, and the power supply control circuit 31 is connected to a power supply line 33 and a ground line 35 formed in a closed loop shape. A power line 33 and a ground line 35 are arranged around each memory cell 11 provided in the storage device 200.

記憶装置200は、マトリクス状(図9では、3行3列)に配置された複数のメモリセル11と、複数のメモリセル11の行毎に配置されたワードラインWL(図9ではWL1〜WL3)と、複数のメモリセル11の列毎に配置された一対のビットラインBL及びビットラインバー/BL(図9では、BL1〜BL3、/BL1〜/BL3)と、ワードラインWLに接続されたロウデコーダ21と、ビットラインBLとビットラインバー/BLに接続されたリード/ライト回路22と、電源制御回路31と、電源ライン33と、接地ライン35とを備える。   The storage device 200 includes a plurality of memory cells 11 arranged in a matrix (3 rows and 3 columns in FIG. 9), and word lines WL (WL1 to WL3 in FIG. 9) arranged for each row of the plurality of memory cells 11. ), A pair of bit lines BL and bit line bars / BL (BL1 to BL3, / BL1 to / BL3 in FIG. 9) arranged for each column of the plurality of memory cells 11, and a word line WL. The row decoder 21 includes a read / write circuit 22 connected to the bit line BL and the bit line bar / BL, a power supply control circuit 31, a power supply line 33, and a ground line 35.

各メモリセル11は、MTJ素子12と、選択トランジスタとして機能するNMOSFET(NチャネルMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)13とを備える。   Each memory cell 11 includes an MTJ element 12 and an NMOSFET (N-channel metal oxide semiconductor field effect transistor) 13 that functions as a selection transistor.

図9に示したように、MTJ素子12のピン層12aは、同列に配置されたビットラインBLに接続されている。MTJ素子12のフリー層12cは、同一メモリセル11内のNMOSFET13のドレインに接続されている。NMOSFET13のソースは、同列に配置されたビットラインバー/BLに接続されている。NMOSFET13のゲートは、同一行に配置されたワードラインWLに接続されている。   As shown in FIG. 9, the pinned layer 12a of the MTJ element 12 is connected to the bit line BL arranged in the same column. The free layer 12 c of the MTJ element 12 is connected to the drain of the NMOSFET 13 in the same memory cell 11. The source of the NMOSFET 13 is connected to the bit line bar / BL arranged in the same column. The gate of the NMOSFET 13 is connected to the word line WL arranged in the same row.

図10にメモリセル11の立体的構成を模式的に示す。NMOSFET13は、半導体基板101上に形成され、絶縁膜102を介して、その上方に、MTJ素子12、ワードラインWL、ビットラインBL、ビットラインバー/BLが形成されている。   FIG. 10 schematically shows a three-dimensional configuration of the memory cell 11. The NMOSFET 13 is formed on the semiconductor substrate 101, and the MTJ element 12, the word line WL, the bit line BL, and the bit line bar / BL are formed thereon via the insulating film 102.

MTJ素子12は、ここではトップピン構造を有し、半導体基板101に近い下層側にフリー層12cが配置され、半導体基板101から遠い上層側にピン層12aが配置されている。ピン層12aは、ビットラインBLに接続されている。フリー層12cは、プラグ103を介してNMOSFET13のドレイン13Dに接続されている。NMOSFET13のソース13Sは、プラグ104を介してビットラインバー/BLに接続されている。NMOSFET13のゲート13Gは、ワードラインWLに接続されている。   Here, the MTJ element 12 has a top pin structure, in which a free layer 12 c is disposed on the lower layer side close to the semiconductor substrate 101, and a pinned layer 12 a is disposed on the upper layer side far from the semiconductor substrate 101. The pinned layer 12a is connected to the bit line BL. The free layer 12c is connected to the drain 13D of the NMOSFET 13 through the plug 103. The source 13S of the NMOSFET 13 is connected to the bit line bar / BL via the plug 104. The gate 13G of the NMOSFET 13 is connected to the word line WL.

ワードラインWLと、ビットラインBL及びビットラインバー/BLとは、直交する方向に延在している。   The word line WL, the bit line BL, and the bit line bar / BL extend in the orthogonal direction.

図9に示したロウデコーダ21は、外部から受け取ったロウアドレスをデコードし、アクセス対象のロウ(行)を特定する。ロウデコーダ21は、特定したロウのワードラインWLに選択レベルの選択信号を出力する。例えば、ロウデコーダ21は、ワードラインWLにハイレベルの選択信号を出力することにより、ワードラインWLをアクティブにする。   The row decoder 21 shown in FIG. 9 decodes a row address received from the outside and specifies a row (row) to be accessed. The row decoder 21 outputs a selection level selection signal to the word line WL of the specified row. For example, the row decoder 21 activates the word line WL by outputting a high level selection signal to the word line WL.

リード/ライト回路22は、データの読み出し時に、外部から受け取ったカラムアドレスをデコードし、読み出し対象のカラム(列)を特定する。リード/ライト回路22は、特定したカラムのビットラインBLとビットラインバー/BLの間に所定の読み出し電圧を印加する。リード/ライト回路22は、ビットラインBLとビットラインバー/BLとの間に流れる電流を基準値と比較し、MTJ素子12が高抵抗状態にあるか低抵抗状態にあるかを判別することにより、MTJ素子12に記憶されているデータを読み出す。一方、リード/ライト回路22は、データの書き込み時に、外部から受け取ったカラムアドレスをデコードし、書き込み対象のカラム(列)を特定する。リード/ライト回路22は、特定したカラムのビットラインBLとビットラインバー/BLとの間に書き込みデータに対応する電圧を印加する。このとき、書き込み対象のメモリセル11のMTJ素子12には順方向電流又は逆方向電流が流れ、フリー層12cの磁化の方向が設定されることにより、データが書き込まれる。   When reading data, the read / write circuit 22 decodes a column address received from the outside and identifies a column to be read. The read / write circuit 22 applies a predetermined read voltage between the bit line BL and the bit line bar / BL of the specified column. The read / write circuit 22 compares the current flowing between the bit line BL and the bit line bar / BL with a reference value, and determines whether the MTJ element 12 is in a high resistance state or a low resistance state. Then, the data stored in the MTJ element 12 is read. On the other hand, when writing data, the read / write circuit 22 decodes a column address received from the outside, and identifies a column to be written. The read / write circuit 22 applies a voltage corresponding to write data between the bit line BL and the bit line bar / BL of the specified column. At this time, forward current or reverse current flows through the MTJ element 12 of the memory cell 11 to be written, and data is written by setting the magnetization direction of the free layer 12c.

電源制御回路31は、閉ループ状に形成された電源ライン33及び接地ライン35に接続されている。電源制御回路31は、通常時は、電源ライン33に電源電圧VDDを印加し、接地ライン35に接地電圧Vssを印加する。これにより、記憶装置200内の各部(ロウデコーダ21、リード/ライト回路22を含む)には、動作用の電力が供給される。一方、電源制御回路31は、外部より初期化信号が供給されると、電源ライン33又は接地ライン35の少なくとも一方に初期化電流IR(定電流)を流し、初期化用の磁界MFを発生させる。これにより、記憶装置200の全てのメモリセル11に一様な磁界MFが印加され、各メモリセル11に備えられたMTJ素子12のフリー層12cの磁化の方向は全て同じ方向に揃う(磁化される)。これにより、記憶装置200に記憶されているデータを一括して初期化できる。   The power control circuit 31 is connected to a power line 33 and a ground line 35 formed in a closed loop shape. The power supply control circuit 31 normally applies the power supply voltage VDD to the power supply line 33 and applies the ground voltage Vss to the ground line 35. As a result, power for operation is supplied to each unit (including the row decoder 21 and the read / write circuit 22) in the storage device 200. On the other hand, when an initialization signal is supplied from the outside, the power supply control circuit 31 supplies an initialization current IR (constant current) to at least one of the power supply line 33 or the ground line 35 to generate an initialization magnetic field MF. . As a result, a uniform magnetic field MF is applied to all the memory cells 11 of the storage device 200, and the magnetization directions of the free layers 12c of the MTJ elements 12 provided in the memory cells 11 are all aligned (magnetized). ) Thereby, the data memorize | stored in the memory | storage device 200 can be initialized collectively.

具体的には、図11に示すように、電源制御回路31は、制御部37と定電流源39とを備える。制御部37は、外部から初期化信号を受け取ると、定電流源39を電源ライン33に接続し、定電流源39から閉ループ状の電源ライン33に初期化電流IRを流させる。電源ライン33に初期化電流IRが流れると、電源ライン33の周囲には右ネジの法則に従って矢印で示す方向に磁界MFが発生する。これにより、電源ライン33に囲まれた各メモリセル11には磁界MFが印加され、各MTJ素子12のフリー層12cの磁化は、磁界の方向とは逆方向に変化する。また、初期化信号は、MTJ素子12に記憶されたデータをリセットする(「0」にする)ためのリセット信号と、プリセットする(「1」にする)ためのプリセット信号との2種類ある。電源制御回路31は、外部から受け取った初期化信号の種類に従って、電源ライン33に流す初期化電流IRの方向を設定する。電源制御回路31がリセット信号を受け取った場合と、電源制御回路31がプリセット信号を受け取った場合とでは、逆方向の初期化電流IRが電源ライン33に流れ、電源ライン33周囲に逆方向の磁界が発生する。   Specifically, as shown in FIG. 11, the power supply control circuit 31 includes a control unit 37 and a constant current source 39. When receiving the initialization signal from the outside, the control unit 37 connects the constant current source 39 to the power supply line 33 and causes the initialization current IR to flow from the constant current source 39 to the closed loop power supply line 33. When the initialization current IR flows through the power supply line 33, a magnetic field MF is generated around the power supply line 33 in the direction indicated by the arrow in accordance with the right-hand rule. Thereby, the magnetic field MF is applied to each memory cell 11 surrounded by the power supply line 33, and the magnetization of the free layer 12c of each MTJ element 12 changes in the direction opposite to the direction of the magnetic field. There are two types of initialization signals: a reset signal for resetting data stored in the MTJ element 12 (set to “0”) and a preset signal for presetting (setting “1”). The power supply control circuit 31 sets the direction of the initialization current IR that flows through the power supply line 33 according to the type of the initialization signal received from the outside. When the power supply control circuit 31 receives a reset signal and when the power supply control circuit 31 receives a preset signal, a reverse initialization current IR flows through the power supply line 33 and a reverse magnetic field around the power supply line 33. Will occur.

各メモリセル11に備えられたMTJ素子12は、電源ライン33で発生する磁界MFに従って、所定の抵抗状態になるように配置されている。つまり、MTJ素子12のピン層12aの磁化は、リセット時にフリー層12cの磁化の方向と平行になり、プリセット時にフリー層12cの磁化の方向と反平行になるように配置されている。これにより、MTJ素子12は、リセットするための初期化電流IR(リセット電流)が電源ライン33に流れたときに低抵抗状態となり、プリセットするための初期化電流IR(プリセット電流)が電源ライン33に流れたときに高抵抗状態となる。   The MTJ element 12 provided in each memory cell 11 is arranged so as to be in a predetermined resistance state according to the magnetic field MF generated in the power supply line 33. That is, the magnetization of the pinned layer 12a of the MTJ element 12 is arranged to be parallel to the magnetization direction of the free layer 12c at the time of resetting and to be antiparallel to the magnetization direction of the free layer 12c at the time of presetting. As a result, the MTJ element 12 enters a low resistance state when an initialization current IR (reset current) for resetting flows through the power supply line 33, and the initialization current IR (preset current) for presetting is set to the power supply line 33. When it flows into the high resistance state.

なお、初期化電流IRの大きさと、初期化電流IRを流す期間は、電源ライン33の周囲に発生する磁界MFによってフリー層12cの磁化が所定の抵抗状態になるために必要な値(閾値以上)が設定される。また、フリー層12cの磁化を所定の抵抗状態にするために、電源ライン33にはミリアンペアオーダの初期化電流IRを流す。また、電源制御回路31は、電源ライン33の代わりに接地ライン35に初期化電流IRを流しても良いし、電源ライン33と接地ライン35の両方に初期化電流IRを流しても良い。その他、電源制御回路31は、電源ライン33や接地ライン35以外の専用ラインに初期化電流IRを流しても良い。なお、この場合も、専用ラインにはミリアンペアオーダの電流を流す。   Note that the magnitude of the initialization current IR and the period during which the initialization current IR flows are values necessary for the magnetization of the free layer 12c to be in a predetermined resistance state by the magnetic field MF generated around the power supply line 33 (above a threshold value). ) Is set. Further, in order to bring the magnetization of the free layer 12c into a predetermined resistance state, an initialization current IR of milliampere order is passed through the power supply line 33. The power supply control circuit 31 may flow the initialization current IR through the ground line 35 instead of the power supply line 33, or may flow the initialization current IR through both the power supply line 33 and the ground line 35. In addition, the power supply control circuit 31 may flow the initialization current IR to a dedicated line other than the power supply line 33 and the ground line 35. In this case as well, a current in the order of milliamperes is passed through the dedicated line.

次に、上記構成を備えた記憶装置200の動作を説明する。   Next, the operation of the storage device 200 having the above configuration will be described.

(データ読み出し動作)
まず、メモリセル11に記憶されているデータを読み出す処理を説明する。
この動作状態では、電源制御回路31は、電源ライン33に電源電圧VDDを印加し、接地ライン35に接地電圧Vssを印加する。電源制御回路31は、電源ライン33と接地ライン35を介して、ロウデコーダ21、リード/ライト回路22とを含む回路群に動作電力を供給する。
(Data read operation)
First, a process for reading data stored in the memory cell 11 will be described.
In this operating state, the power supply control circuit 31 applies the power supply voltage VDD to the power supply line 33 and applies the ground voltage Vss to the ground line 35. The power supply control circuit 31 supplies operating power to a circuit group including the row decoder 21 and the read / write circuit 22 via the power supply line 33 and the ground line 35.

ロウデコーダ21にはロウアドレスが供給され、リード/ライト回路22にはカラムアドレスが供給される。   A row address is supplied to the row decoder 21 and a column address is supplied to the read / write circuit 22.

ロウデコーダ21は、ロウアドレスをデコードすることにより特定されたワードラインWLにハイレベルの選択信号を出力することにより、ワードラインWLをアクティブにする。アクティブになったワードラインWLに接続されたNMOSFET13はオン状態となる。一方、リード/ライト回路22は、カラムアドレスをデコードし、カラムアドレスで指定されたカラムのビットラインBLとビットラインバー/BLとの間に所定の読み出し電圧を印加する。   The row decoder 21 activates the word line WL by outputting a high level selection signal to the word line WL specified by decoding the row address. The NMOSFET 13 connected to the activated word line WL is turned on. On the other hand, the read / write circuit 22 decodes the column address and applies a predetermined read voltage between the bit line BL and the bit line bar / BL of the column designated by the column address.

ビットラインBLとビットラインバー/BLとの間には、オン状態のNMOSFET13を介して、MTJ素子12の抵抗値に対応する大きさの電流が流れる。リード/ライト回路22は、流れる電流と基準値とを比較し、MTJ素子12の抵抗状態(高抵抗状態又は低抵抗状態)を特定することにより、MTJ素子12に記憶されているデータを読み出す。   A current having a magnitude corresponding to the resistance value of the MTJ element 12 flows between the bit line BL and the bit line bar / BL via the ON-state NMOSFET 13. The read / write circuit 22 compares the flowing current with a reference value and specifies the resistance state (high resistance state or low resistance state) of the MTJ element 12 to read data stored in the MTJ element 12.

(データ書き込み動作)
次に、メモリセル11にデータを書き込む処理を説明する。
この動作状態では、電源制御回路31は、電源ライン33に電源電圧VDDを印加し、接地ライン35に接地電圧Vssを印加する。電源制御回路31は、電源ライン33と接地ライン35を介して、ロウデコーダ21、リード/ライト回路22を含む回路群に動作電力を供給する。
(Data write operation)
Next, a process for writing data to the memory cell 11 will be described.
In this operating state, the power supply control circuit 31 applies the power supply voltage VDD to the power supply line 33 and applies the ground voltage Vss to the ground line 35. The power supply control circuit 31 supplies operating power to a circuit group including the row decoder 21 and the read / write circuit 22 via the power supply line 33 and the ground line 35.

ロウデコーダ21にはロウアドレスが供給され、リード/ライト回路22にはカラムアドレスと書き込み対象のデータが供給される。   A row address is supplied to the row decoder 21, and a column address and data to be written are supplied to the read / write circuit 22.

ロウデコーダ21は、ロウアドレスをデコードして、指定されたワードラインWLをアクティブ(ハイレベル)にする。アクティブになったワードラインWLに接続されたNMOSFET13はオンする。一方、リード/ライト回路22は、カラムアドレスをデコードし、カラムアドレスで指定されたカラムのビットラインBLとビットラインバー/BLとの間に、書き込みデータに対応する電圧を印加する。例えば、データ「1」を書き込む場合、リード/ライト回路22は、ビットラインBLに電源電圧VDD、ビットラインバー/BLに接地電圧Vssを印加する。データ「0」を書き込む場合、リード/ライト回路22は、ビットラインBLに接地電圧Vss、ビットラインバー/BLに電源電圧VDDを印加する。   The row decoder 21 decodes the row address and activates the designated word line WL (high level). The NMOSFET 13 connected to the activated word line WL is turned on. On the other hand, the read / write circuit 22 decodes the column address and applies a voltage corresponding to the write data between the bit line BL and the bit line bar / BL of the column designated by the column address. For example, when writing data “1”, the read / write circuit 22 applies the power supply voltage VDD to the bit line BL and the ground voltage Vss to the bit line bar / BL. When writing data “0”, the read / write circuit 22 applies the ground voltage Vss to the bit line BL and the power supply voltage VDD to the bit line bar / BL.

このとき、MTJ素子12には、オン状態のNMOSFET13を介して電流が流れ、ビットラインBLとビットラインバー/BLとの間の電位差により、高抵抗状態(反平行状態)又は低抵抗状態(平行状態)に設定される。即ち、データがMTJ素子12に書き込まれる。   At this time, a current flows through the MTJ element 12 via the ON-state NMOSFET 13, and a high resistance state (anti-parallel state) or a low resistance state (parallel) due to a potential difference between the bit line BL and the bit line bar / BL. Status). That is, data is written to the MTJ element 12.

(初期化時)
記憶装置200に記憶されているデータを一括して消去し、所定のデータ(例えばデータ「0」)を書き込む処理(初期化)を説明する。電源制御回路31の制御部37は、外部から初期化信号を受け取ると、定電流源39から電源ライン33に予め設定されている大きさの初期化電流IRを、予め設定されている期間だけ流す。
(At initialization)
A process (initialization) in which data stored in the storage device 200 is collectively erased and predetermined data (for example, data “0”) is written will be described. When the control unit 37 of the power supply control circuit 31 receives an initialization signal from the outside, it sends an initialization current IR having a preset magnitude from the constant current source 39 to the power supply line 33 for a preset period. .

図11(a)に示すように、電源ライン33に初期化電流IRが流れると、電源ライン33の周囲に磁界MFが発生し、電源ライン33によって形成された閉ループには、右ネジの法則に従って矢印で示す方向に磁界MFが発生する。これにより電源ライン33の全周にわたって磁界MFが発生し、電源ライン33の閉ループ内には、ほぼ均一な磁界MFが発生し、磁界MFは各MTJ素子12に印加される。磁界MFの方向は、MTJ素子12のピン層12aの磁化の方向とは逆方向であり、フリー層12cの磁化の方向を変更しうる閾値以上の大きさを有する。これによりMTJ素子12のフリー層12cの磁化の方向は、図8(a)に示すようにピン層12aの磁化と同方向になる。一方、ピン層12aは、磁界MFの影響を受けず、磁化の方向は変わらない。このため、各MTJ素子12は平行状態(低抵抗状態)となり、データ「0」が書き込まれる。即ち、磁界MFによって、複数のMTJ素子12には一括してデータ「0」が書き込まれ、リセット状態に設定できる。   As shown in FIG. 11A, when an initialization current IR flows through the power supply line 33, a magnetic field MF is generated around the power supply line 33, and the closed loop formed by the power supply line 33 has a right-handed screw law. A magnetic field MF is generated in the direction indicated by the arrow. As a result, a magnetic field MF is generated over the entire circumference of the power supply line 33, a substantially uniform magnetic field MF is generated in the closed loop of the power supply line 33, and the magnetic field MF is applied to each MTJ element 12. The direction of the magnetic field MF is opposite to the magnetization direction of the pinned layer 12a of the MTJ element 12, and has a magnitude equal to or larger than a threshold that can change the magnetization direction of the free layer 12c. As a result, the magnetization direction of the free layer 12c of the MTJ element 12 is the same as the magnetization direction of the pinned layer 12a as shown in FIG. On the other hand, the pinned layer 12a is not affected by the magnetic field MF, and the magnetization direction does not change. Therefore, each MTJ element 12 is in a parallel state (low resistance state), and data “0” is written. That is, the data “0” is collectively written to the plurality of MTJ elements 12 by the magnetic field MF, and can be set to the reset state.

なお、各MTJ素子12に記憶されているデータは、上記初期化電流IRを接地ライン35に流した場合でも、一括してリセット状態に設定できる。また、上記初期化電流IRとは逆方向の電流を電源ライン33又は接地ライン35に流すことにより、記憶装置200に備えられた各MTJ素子12に記憶されているデータを一括して「1」にするプリセット処理を行っても良い。   The data stored in each MTJ element 12 can be collectively set to the reset state even when the initialization current IR is passed through the ground line 35. The current stored in each MTJ element 12 provided in the storage device 200 is collectively “1” by causing a current in the direction opposite to the initialization current IR to flow through the power supply line 33 or the ground line 35. Preset processing may be performed.

以上説明したように、本実施形態2に係る記憶装置200によれば、メモリセル11等への電源の供給を必要としないときに、メモリセル11等への電源の供給に使用される電源ライン33又は接地ライン35の周囲に磁界を発生させ、記憶装置200に備えられた各MTJ素子12を一括して所定の抵抗状態に設定できる。これにより、記憶装置200に備えられたMTJ素子12を、単純な回路構成により簡単に初期化できる。   As described above, according to the storage device 200 according to the second embodiment, when it is not necessary to supply power to the memory cell 11 or the like, the power supply line used for supplying power to the memory cell 11 or the like. 33 or the ground line 35 can generate a magnetic field, and the MTJ elements 12 provided in the storage device 200 can be collectively set to a predetermined resistance state. Thus, the MTJ element 12 provided in the storage device 200 can be easily initialized with a simple circuit configuration.

なお、電源制御回路31は、メモリセル11等への電源の供給を行っているときでも、電源ライン33又は接地ライン35の周囲に磁界を発生させ、記憶装置200に備えられたMTJ素子12を一括して所定の抵抗状態に設定し、初期化しても良い。   Note that the power supply control circuit 31 generates a magnetic field around the power supply line 33 or the ground line 35 and supplies the MTJ element 12 included in the storage device 200 even when power is supplied to the memory cell 11 or the like. A predetermined resistance state may be set collectively and initialized.

上記実施形態1で示したフリップフロップFFの初期化に、本実施形態2で示した手法を採用してもよい。また、本実施形態2で示した大容量記憶回路の初期化に、実施形態1で示した手法を採用してもよい。   For initialization of the flip-flop FF shown in the first embodiment, the method shown in the second embodiment may be adopted. Further, the method shown in the first embodiment may be adopted for the initialization of the mass storage circuit shown in the second embodiment.

(実施形態3)
上記実施形態2では、メモリセル11を一つのMTJ素子12と一つの選択トランジスタ(NMOSFET)13とから構成したが、メモリセルの構成は任意である。本実施形態3では、図12に示すように、一対のMTJ素子112,114を備えたメモリセル111を初期化する例を説明する。メモリセル111は、一対のMTJ素子112,114と、一対の選択トランジスタであるNMOSFET113,115と、クロスカップルされてインバータを構成するNMOSFET116,117とから構成される。
(Embodiment 3)
In the second embodiment, the memory cell 11 is composed of one MTJ element 12 and one select transistor (NMOSFET) 13, but the configuration of the memory cell is arbitrary. In the third embodiment, an example in which a memory cell 111 including a pair of MTJ elements 112 and 114 is initialized as illustrated in FIG. 12 will be described. The memory cell 111 includes a pair of MTJ elements 112 and 114, a pair of selection transistors NMOSFETs 113 and 115, and NMOSFETs 116 and 117 that are cross-coupled to form an inverter.

MTJ素子112,114は、一方が高抵抗状態に、他方が低抵抗状態となるよう、相補的に設定され、MTJ素子112,114の抵抗状態の組み合わせによって、データ「1」又は「0」が対応付けられる。例えば高抵抗状態にあるMTJ素子112と低抵抗状態にあるMTJ素子114との組み合わせをデータ「1」と対応付け、低抵抗状態にあるMTJ素子112と高抵抗状態にあるMTJ素子114との組み合わせをデータ「0」と対応付ける。これにより、メモリセル111は、一対のMTJ素子112,114によって1ビットのデータを記憶することができる。   The MTJ elements 112 and 114 are complementarily set so that one is in a high resistance state and the other is in a low resistance state. Depending on the combination of the resistance states of the MTJ elements 112 and 114, data “1” or “0” is set. It is associated. For example, the combination of the MTJ element 112 in the high resistance state and the MTJ element 114 in the low resistance state is associated with data “1”, and the combination of the MTJ element 112 in the low resistance state and the MTJ element 114 in the high resistance state Is associated with data “0”. Thereby, the memory cell 111 can store 1-bit data by the pair of MTJ elements 112 and 114.

MTJ素子112,114のピン層112a,114aは、メモリセル111がパワーゲーティング制御されるため、仮想電源線VVDDLに接続されている。MTJ素子112のフリー層112cは、選択トランジスタ113のソース・ドレインパスを介して、ビットラインBLに接続されている。また、MTJ素子114のフリー層114cは、NMOSFET115のソース・ドレインパスを介して、ビットラインバー/BLに接続されている。   The pin layers 112a and 114a of the MTJ elements 112 and 114 are connected to the virtual power supply line VVDDL because the memory cell 111 is subjected to power gating control. The free layer 112 c of the MTJ element 112 is connected to the bit line BL via the source / drain path of the selection transistor 113. The free layer 114c of the MTJ element 114 is connected to the bit line bar / BL via the source / drain path of the NMOSFET 115.

NMOSFET116,117は、クロスカップルされ、MTJ素子112,114との接続ノードSN,/SNの電圧を増幅する。   The NMOSFETs 116 and 117 are cross-coupled to amplify the voltages at the connection nodes SN and / SN with the MTJ elements 112 and 114.

なお、メモリセル111の構成とパワーゲーティング制御を行う構成以外は、図9に示した記憶装置200の構成と同一である。   Note that the configuration is the same as that of the storage device 200 shown in FIG. 9 except for the configuration of the memory cell 111 and the configuration for performing power gating control.

MTJ素子112,114は、図13(a)に示すように配置され、初期化時に一方が高抵抗状態、他方が低抵抗状態というように相補的に抵抗状態が設定される。また、MTJ素子112,114はトップピン構造を有し、ピン層112a,114aの磁化の方向は互いに反対である。この構成において、電源ライン33及び/又は接地ライン35にMTJ素子112,114をリセットするための初期化電流IRを流し、磁界MFを発生させると、図13(b)に示すように、フリー層112c,114cの磁化の方向は同一方向に揃う(磁化される)。これにより、MTJ素子112は低抵抗状態、MTJ素子114は高抵抗状態となり(データ「0」)、メモリセル111はリセットされる(初期化される)。   The MTJ elements 112 and 114 are arranged as shown in FIG. 13A, and their resistance states are set complementarily such that one is in a high resistance state and the other is in a low resistance state during initialization. The MTJ elements 112 and 114 have a top pin structure, and the magnetization directions of the pinned layers 112a and 114a are opposite to each other. In this configuration, when the initialization current IR for resetting the MTJ elements 112 and 114 is supplied to the power supply line 33 and / or the ground line 35 to generate the magnetic field MF, as shown in FIG. The magnetization directions of 112c and 114c are aligned (magnetized) in the same direction. As a result, the MTJ element 112 is in a low resistance state, the MTJ element 114 is in a high resistance state (data “0”), and the memory cell 111 is reset (initialized).

このように本実施形態3に係る記憶装置によれば、簡単な構成及び処理で一対のMTJ素子112,114を相補的な抵抗状態に一括して設定でき、メモリセル111を初期化できる。   As described above, according to the memory device according to the third embodiment, the pair of MTJ elements 112 and 114 can be collectively set to complementary resistance states with a simple configuration and processing, and the memory cell 111 can be initialized.

なお、プリセットするための初期化電流IR(リセット時とは逆向きの定電流)を流した場合には、MTJ素子112は高抵抗状態、MTJ素子114は低抵抗状態となり(データ「1」)、メモリセル111はプリセットされる。   When an initialization current IR for presetting (a constant current in a direction opposite to that at the time of resetting) is passed, the MTJ element 112 is in a high resistance state and the MTJ element 114 is in a low resistance state (data “1”). The memory cell 111 is preset.

また、MTJ素子112,114は、ピン層112a,114aとフリー層112c,114cの磁化の方向が積層方向と垂直でも良いし、ピン層112a,114aを最下層に配置したボトムピン構造から構成されても良い。   Further, the MTJ elements 112 and 114 may be configured such that the magnetization directions of the pinned layers 112a and 114a and the free layers 112c and 114c may be perpendicular to the stacking direction, or have a bottom pin structure in which the pinned layers 112a and 114a are arranged in the lowest layer. Also good.

また、上記実施形態1で示したフリップフロップFFに一対のMTJ素子を備え、本実施形態3で示した手法を採用することによりフリップフロップFFを初期化してもよい。また、本実施形態3で示した大容量記憶回路の初期化に、実施形態1で示した手法を採用してもよい。   Further, the flip-flop FF shown in the first embodiment may be provided with a pair of MTJ elements, and the flip-flop FF may be initialized by adopting the method shown in the third embodiment. Further, the method shown in the first embodiment may be adopted for the initialization of the mass storage circuit shown in the third embodiment.

(実施形態4)
実施形態3では、一対のMTJ素子112,114のピン層112a,114aの磁化の方向を予め逆方向にして、MTJ素子112,114の各抵抗状態を相補的に設定したが、この設定は他の手法によって行うこともできる。本実施形態4では、磁化の方向が反転する閾値が異なるフリー層112c,114cを備えた場合の一対のMTJ素子112,114の各抵抗状態を相補的に設定する例を説明する。
(Embodiment 4)
In the third embodiment, the magnetization directions of the pin layers 112a and 114a of the pair of MTJ elements 112 and 114 are set in reverse directions in advance, and the resistance states of the MTJ elements 112 and 114 are set in a complementary manner. It can also be performed by the method. In the fourth embodiment, an example will be described in which the resistance states of the pair of MTJ elements 112 and 114 are complementarily set when the free layers 112c and 114c having different thresholds for reversing the magnetization direction are provided.

図14(a)に示すように、MTJ素子112,114のピン層112a,114aの磁化の方向は同方向である。   As shown in FIG. 14A, the magnetization directions of the pinned layers 112a and 114a of the MTJ elements 112 and 114 are the same direction.

また、MTJ素子112のフリー層112cの磁化の方向を反転させるために印加しなければならない磁界の強度(Fth112という)は、MTJ素子114のフリー層114cの磁化の方向を反転させるために印加しなければならない磁界の強度(Fth114という)よりも大きい。即ち、Fth112>Fth114である。   Also, the magnetic field strength (referred to as Fth112) that must be applied to reverse the magnetization direction of the free layer 112c of the MTJ element 112 is applied to reverse the magnetization direction of the free layer 114c of the MTJ element 114. It is larger than the intensity of the magnetic field that must be (referred to as Fth114). That is, Fth112> Fth114.

また、MTJ素子112,114に所定の強度の磁界MFが印加される場合において、MTJ素子112のフリー層112cの磁化の方向を反転させるために印加し続けなければならない時間の閾値(Tth112という)は、MTJ素子114のフリー層114cの磁化の方向を反転させるために印加し続けなければならない時間の閾値(Tth114という)よりも大きい。即ち、Tth112>Tth114である。   In addition, when a magnetic field MF having a predetermined strength is applied to the MTJ elements 112 and 114, a threshold of time (referred to as Tth112) that must be continuously applied in order to reverse the magnetization direction of the free layer 112c of the MTJ element 112. Is larger than a threshold of time (referred to as Tth114) that must be applied to reverse the magnetization direction of the free layer 114c of the MTJ element 114. That is, Tth112> Tth114.

このような構成において、定電流源39は、制御部37の制御のもと、比較的大きな初期化電流IR1を流す。これにより、図14(b)に示すように、比較的大きな磁界MF1が発生し、図面下向き(第1の方向)に比較的長い時間T1の間、MTJ素子112,114に印加される。これにより、MTJ素子112のフリー層112cとMTJ素子114のフリー層114cの磁化の方向は、同一方向に揃う(磁化される)。これにより、MTJ素子112,114は、何れも同じ抵抗状態となる(図14(b)では低抵抗状態)。   In such a configuration, the constant current source 39 supplies a relatively large initialization current IR1 under the control of the control unit 37. As a result, as shown in FIG. 14B, a relatively large magnetic field MF1 is generated and applied to the MTJ elements 112 and 114 in the downward direction (first direction) for a relatively long time T1. Thereby, the magnetization directions of the free layer 112c of the MTJ element 112 and the free layer 114c of the MTJ element 114 are aligned (magnetized) in the same direction. As a result, the MTJ elements 112 and 114 both have the same resistance state (the low resistance state in FIG. 14B).

つづいて、定電流源39は、制御部37の制御のもと、初期化電流IR1とは反対方向で初期化電流IR1よりも小さい電流を初期化電流IR2として流す。これにより、図14(c)に示すように、磁界MF2が発生し、図面上向き(第1の方向と反対方向)に時間T2の間、MTJ素子112,114に印加される。   Subsequently, under the control of the control unit 37, the constant current source 39 allows a current smaller than the initialization current IR1 to flow as the initialization current IR2 in the direction opposite to the initialization current IR1. As a result, as shown in FIG. 14C, a magnetic field MF2 is generated and applied to the MTJ elements 112 and 114 in the upward direction (opposite direction to the first direction) for a time T2.

ここで、磁界MF2と時間T2は、MTJ素子114のフリー層114cの磁化の方向は変更するが、MTJ素子112のフリー層112cの磁化の方向は変更しない程度の値に設定される。例えば、初期化磁界MF2の強度F2はFth112>F2>Fth114に、初期化磁界MF2の印加時間T2は、Tth112>T2>Tth114に設定される。これにより、MTJ素子112を低抵抗状態、MTJ素子114を高抵抗状態、というように相補的に各抵抗状態を設定することができる。   Here, the magnetic field MF2 and the time T2 are set to values that change the magnetization direction of the free layer 114c of the MTJ element 114 but do not change the magnetization direction of the free layer 112c of the MTJ element 112. For example, the strength F2 of the initialization magnetic field MF2 is set to Fth112> F2> Fth114, and the application time T2 of the initialization magnetic field MF2 is set to Tth112> T2> Tth114. Thereby, each resistance state can be complementarily set such that the MTJ element 112 is in a low resistance state and the MTJ element 114 is in a high resistance state.

このように本実施形態4に係る記憶装置200によれば、一対のMTJ素子112,114に、磁化の方向を反転させる閾値が異なるフリー層112c,114cを備え、初期化電流の方向と強さを制御することにより、MTJ素子112,114を相補的な抵抗状態に設定できる。   As described above, according to the storage device 200 according to the fourth embodiment, the pair of MTJ elements 112 and 114 includes the free layers 112c and 114c having different thresholds for reversing the magnetization direction, and the direction and strength of the initialization current. By controlling this, the MTJ elements 112 and 114 can be set to complementary resistance states.

また、上記実施形態1で示したフリップフロップFFに一対のMTJ素子を備え、本実施形態4で示した手法を採用することによりフリップフロップFFを初期化してもよい。   Further, the flip-flop FF shown in the first embodiment may be provided with a pair of MTJ elements, and the flip-flop FF may be initialized by adopting the technique shown in the fourth embodiment.

(実施形態5)
実施形態2〜4においては、記憶装置200に備えられた全てのメモリセルを初期化の対象としたが、一部のメモリセルを初期化の対象としても良い。例えば、図9に示した記憶装置200において、第1行と第2行に配置されたメモリセル11を初期化の対象とし、第3行に配置されたメモリセル11を初期化の対象から除外しても良い。
(Embodiment 5)
In the second to fourth embodiments, all memory cells provided in the storage device 200 are targeted for initialization, but some memory cells may be targeted for initialization. For example, in the memory device 200 shown in FIG. 9, the memory cells 11 arranged in the first row and the second row are targeted for initialization, and the memory cells 11 arranged in the third row are excluded from the objects for initialization. You may do it.

この場合、例えば、図15に示すように、第1行及び第2行に配置されたメモリセル11のみを取り囲むように専用のループ回路41を設置し、このループ回路41に電源制御回路31から初期化電流IRを流す。   In this case, for example, as shown in FIG. 15, a dedicated loop circuit 41 is installed so as to surround only the memory cells 11 arranged in the first row and the second row, and the power supply control circuit 31 is connected to the loop circuit 41. An initialization current IR is supplied.

ループ回路41に囲まれた第1行と第2行の各メモリセル11には、初期化電流IRにより発生した第1の方向(図面表から裏に向かう方向)の磁界MFが印加され、メモリセル11が初期化される。一方、ループ回路41の外に位置する(囲まれていない)第3行のメモリセル11には、初期化電流IRにより、第1の方向とは逆方向(図面裏から表に向かう方向)の磁界が印加される。従って、この逆方向の磁界の影響を受けないように、メモリセル11(又はMTJ素子12)を構成するか、又は、ループ回路41から離してMTJ素子12を配置することが望ましい。また、この逆方向の磁界で初期化されるように、第3行のメモリセル11のMTJ素子12を配置してもよい。   The memory cells 11 in the first row and the second row surrounded by the loop circuit 41 are applied with the magnetic field MF in the first direction (the direction from the drawing to the back) generated by the initialization current IR. Cell 11 is initialized. On the other hand, the memory cells 11 in the third row located outside (not surrounded by) the loop circuit 41 are in the direction opposite to the first direction (the direction from the back to the front) due to the initialization current IR. A magnetic field is applied. Therefore, it is desirable to configure the memory cell 11 (or MTJ element 12) or to dispose the MTJ element 12 away from the loop circuit 41 so as not to be affected by the magnetic field in the reverse direction. Further, the MTJ elements 12 of the memory cells 11 in the third row may be arranged so as to be initialized by the magnetic field in the reverse direction.

(実施形態6)
実施形態5においては、初期化専用のループ回路41を配置したが、通常動作に使用される他の回路を流用して初期化に使用することも可能である。
(Embodiment 6)
In the fifth embodiment, the loop circuit 41 dedicated to initialization is arranged. However, other circuits used for normal operation can be used for initialization.

例えば、図16の構成では、ワードラインWL、ビットラインBL,ビットラインバー/BLの先端部は、NMOSFET42を介して接地ライン35に接続されている。   For example, in the configuration of FIG. 16, the tips of the word line WL, the bit line BL, and the bit line bar / BL are connected to the ground line 35 via the NMOSFET 42.

電源制御回路31は、図示せぬ制御ラインを介して、これらのNMOSFETのゲートに印加する電圧を制御し、これらのNMOSFET42のオン・オフを個別に制御する。電源制御回路31は、通常動作時には、リード/ライト動作に影響を与えないように、NMOSFET42を全てオフしておく。一方、電源制御回路31は、メモリセル11を初期化する際には、初期化対象のメモリセル11を含むように、ワードラインWL、ビットラインBL、ビットラインバー/BL、接地ライン35によるループ回路(閉ループでなくてもよい)を形成するように、NMOSFET42を選択してオンする。例えば、第3列のメモリセル11だけを初期化したい場合には、ビットラインBL3、接地ライン35,ビットラインバー/BL3でループを構成するように、ビットラインBL3と接地ライン35とを接続するNMOSFET42と、ビットラインバー/BL3と接地ライン35とを接続するNMOSFET42とをオンし、他のNMOSFET42のオフ状態を維持する。   The power supply control circuit 31 controls the voltage applied to the gates of these NMOSFETs via a control line (not shown), and individually controls on / off of these NMOSFETs 42. In the normal operation, the power supply control circuit 31 turns off all the NMOSFETs 42 so as not to affect the read / write operation. On the other hand, when initializing the memory cell 11, the power supply control circuit 31 loops with the word line WL, the bit line BL, the bit line bar / BL, and the ground line 35 so as to include the memory cell 11 to be initialized. NMOSFET 42 is selected and turned on to form a circuit (not necessarily closed loop). For example, when it is desired to initialize only the memory cell 11 in the third column, the bit line BL3 and the ground line 35 are connected so as to form a loop with the bit line BL3, the ground line 35, and the bit line bar / BL3. The NMOSFET 42 and the NMOSFET 42 that connects the bit line bar / BL3 and the ground line 35 are turned on, and the other NMOSFETs 42 are kept off.

つづいて、電源制御回路31は、リード/ライト回路22に、ビットラインBL3とビットラインバー/BL3の間に初期化電流IRを流すように指示する。ここでは、ロウデコーダ21とリード/ライト回路22とは、それぞれ、初期化用の定電流源を備えており、リード/ライト回路22は、指示に従って、ビットラインBL3→接地ライン35→ビットラインバー/BL3というルートで定電流を流すことにより、第3列のメモリセル11に初期化用の磁界MFを印加し、これらを初期化する。このような構成によれば、通常動作用の回路を用いて、初期化対象のメモリセル11(MTJ素子12)を初期化することが可能となる。   Subsequently, the power supply control circuit 31 instructs the read / write circuit 22 to pass the initialization current IR between the bit line BL3 and the bit line bar / BL3. Here, each of the row decoder 21 and the read / write circuit 22 includes a constant current source for initialization, and the read / write circuit 22 follows the instruction from the bit line BL3 → the ground line 35 → the bit line bar. By applying a constant current through the route / BL3, the initialization magnetic field MF is applied to the memory cells 11 in the third column, and these are initialized. According to such a configuration, it is possible to initialize the memory cell 11 (MTJ element 12) to be initialized using a circuit for normal operation.

なお、ワードラインWLと、ビットラインBL、ビットラインバー/BLとの交差部にNMOSFET等のスイッチング素子を配置し、これらのラインを適宜接続して、ループ回路を形成するようにしてもよい。   Note that a switching circuit such as an NMOSFET may be disposed at an intersection of the word line WL, the bit line BL, and the bit line bar / BL, and these lines may be appropriately connected to form a loop circuit.

(実施形態7)
実施形態2〜6においては、初期化電流を流すループ回路を構成し、ループ内のメモリセルを一括して初期化する例を示したが、実施形態1と同様に、初期化電流を流す配線の近傍のメモリセルのみを初期化する構成としてもよい。以下、このような構成の初期化方式について説明する。
(Embodiment 7)
In the second to sixth embodiments, an example in which a loop circuit for flowing an initialization current is configured and the memory cells in the loop are initialized collectively has been described. It is also possible to initialize only the memory cells in the vicinity of. Hereinafter, an initialization method having such a configuration will be described.

図9に示した記憶装置200において、一括初期化を望むメモリセル11が、第1行と第2行のメモリセル11のみであり、第3行のメモリセル11は、初期化の対象外であるとする。この場合には、図17に示すように、第1行と第2行のメモリセル11のMTJ素子12の近傍に初期化用の配線43を設置し、この配線43に電源制御回路31から初期化電流IRを流すようにしてもよい。   In the memory device 200 shown in FIG. 9, only the memory cells 11 in the first row and the second row are desired for batch initialization, and the memory cells 11 in the third row are not subject to initialization. Suppose there is. In this case, as shown in FIG. 17, an initialization wiring 43 is provided in the vicinity of the MTJ elements 12 of the memory cells 11 in the first row and the second row, and an initial wiring is supplied to the wiring 43 from the power supply control circuit 31. The activation current IR may flow.

この場合、図18に模式的に示すように、配線43の近傍のMTJ素子12には、配線43を流れる初期化電流IRにより発生する磁界MFが印加される。従って、この磁界MFにより、MTJ素子12のフリー層12cの磁化の方向が所望の方向を向くように、初期化電流IRの方向と大きさと印加時間を調整すればよい。   In this case, as schematically shown in FIG. 18, a magnetic field MF generated by the initialization current IR flowing through the wiring 43 is applied to the MTJ element 12 in the vicinity of the wiring 43. Therefore, the direction and magnitude of the initialization current IR and the application time may be adjusted by the magnetic field MF so that the magnetization direction of the free layer 12c of the MTJ element 12 is in a desired direction.

このような構成によれば、比較的小さな初期化電流IRで複数のメモリセル11を一括して初期化することができる。また、一部のメモリセル11のみを初期化することも可能である。   According to such a configuration, the plurality of memory cells 11 can be initialized collectively with a relatively small initialization current IR. It is also possible to initialize only some of the memory cells 11.

なお、図12に示した一対のMTJ素子112,114を備えたメモリセル111に関しても、図19に示すように、MTJ素子112とMTJ素子114との間に初期化用の配線43を配置し、配線43に初期化電流IRを流すことにより、MTJ素子112,114を相補的な抵抗状態に設定し、初期化できる。   As for the memory cell 111 including the pair of MTJ elements 112 and 114 shown in FIG. 12, an initialization wiring 43 is arranged between the MTJ element 112 and the MTJ element 114 as shown in FIG. By passing the initialization current IR through the wiring 43, the MTJ elements 112 and 114 can be set to complementary resistance states and initialized.

その他、二つ以上のMTJ素子を使用するメモリセルに関しても、同様の仕様で各MTJ素子を初期化することもできる。   In addition, for a memory cell using two or more MTJ elements, each MTJ element can be initialized with the same specifications.

以上の説明では、MTJ素子のピン層及びフリー層の磁化の方向が、MTJ素子を構成する三つの層の積層方向に平行な方向を例示したが、図20に示すように、積層方向に垂直方向でもよい。この場合も、初期化用の配線43と各MTJ素子112,114の配置を調整するだけで、配線43に初期化電流IRを流すことにより、MTJ素子112,114を初期化することもできる。   In the above description, the magnetization direction of the pinned layer and the free layer of the MTJ element is exemplified as the direction parallel to the stacking direction of the three layers constituting the MTJ element. However, as shown in FIG. Direction may be used. Also in this case, the MTJ elements 112 and 114 can be initialized by passing the initialization current IR through the wiring 43 only by adjusting the arrangement of the initialization wiring 43 and the MTJ elements 112 and 114.

(実施形態8)
実施形態7においては初期化用の配線43を配置したが、ワードラインWL,ビットラインBL、ビットラインバー/BL等を配線43として流用しても良い。この場合は、例えば、初期化用の配線として使用するワードラインWL,ビットラインBL,ビットラインバー/BLと各メモリセルのMTJ素子との位置関係を、例えば、図18〜図20に示した位置関係となるように形成する。
(Embodiment 8)
In the seventh embodiment, the initialization wiring 43 is arranged. However, the word line WL, the bit line BL, the bit line bar / BL, or the like may be used as the wiring 43. In this case, for example, the positional relationship between the word line WL, bit line BL, bit line bar / BL used as initialization wiring and the MTJ element of each memory cell is shown in FIGS. It forms so that it may become a positional relationship.

また、図16に示したように、ワードラインWL,ビットラインBL,ビットラインバー/BLの先端を、NMOSFETを介して接地ライン35に接続し、これらのラインに電流を流すことが可能な構成とする。   In addition, as shown in FIG. 16, the tips of the word line WL, bit line BL, and bit line bar / BL are connected to the ground line 35 via the NMOSFET, and a current can flow through these lines. And

電源制御回路31は、通常動作時には、リード/ライト動作に影響を与えないように、NMOSFET42を全てオフしておく。一方、電源制御回路31は、メモリセル11を初期化する際には、初期化電流IRを流す対象のワードラインWL,ビットラインBL,ビットラインバー/BLの先端に接続されているNMOSFET42をオンする。   In the normal operation, the power supply control circuit 31 turns off all the NMOSFETs 42 so as not to affect the read / write operation. On the other hand, when initializing the memory cell 11, the power supply control circuit 31 turns on the NMOSFET 42 connected to the tips of the word line WL, the bit line BL, and the bit line bar / BL through which the initialization current IR flows. To do.

つづいて、電源制御回路31は、ロウデコーダ21及びリード/ライト回路22を制御して、選択した各ラインに初期化電流IRを流す。これにより、図18〜図20に示したように、磁界MFが生成され、各ラインの近傍に配置されているMTJ素子は初期化される。このような構成によれば、通常動作用の回路を用いて、メモリセルを初期化することが可能となる。   Subsequently, the power supply control circuit 31 controls the row decoder 21 and the read / write circuit 22 to flow the initialization current IR to each selected line. Thereby, as shown in FIGS. 18 to 20, the magnetic field MF is generated, and the MTJ elements arranged in the vicinity of each line are initialized. According to such a configuration, the memory cell can be initialized using a circuit for normal operation.

以上説明したように、この発明によれば、書き込み方式が電流書き込みである場合のMTJ素子を、単純な回路構成により簡単に初期化できる。なお、この発明は各実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、記憶回路の構成は、各実施形態に限定されず、MTJ素子を備える限りにおいて任意である。   As described above, according to the present invention, the MTJ element when the writing method is current writing can be easily initialized with a simple circuit configuration. In addition, this invention is not limited to each embodiment, A various deformation | transformation and application are possible. For example, the configuration of the memory circuit is not limited to each embodiment, and is arbitrary as long as the MTJ element is provided.

また、回路構成、回路配置等も適宜変更可能であり、例えば、選択トランジスタ或いはスイッチング素子として、NMOSFETに代えてPMOSFETを使用したり、他のスイッチング素子を使用することも可能である。その他、理解を容易にするため、定電流を初期化電流IRとして説明したが、初期化電流IRは時間的に大きさが変動するものでもかまわない。   Further, the circuit configuration, circuit arrangement, and the like can be changed as appropriate. For example, as the selection transistor or the switching element, a PMOSFET can be used instead of the NMOSFET, or another switching element can be used. In addition, in order to facilitate understanding, the constant current has been described as the initialization current IR. However, the initialization current IR may vary in time.

10,10A,10B,10C 回路モジュール
11 メモリセル
12,14 MTJ素子
12a,14a ピン層
12b,14b 絶縁層
12c,14c フリー層
13 NMOSFET
13D ドレイン(NMOSFET)
13S ソース(NMOSFET)
13G ゲート(NMOSFET)
15 論理ゲート
21 ロウデコーダ
22 リード/ライト回路
31 電源制御回路
33 電源ライン
33a,33b ループ状部(電源ラインの一部)
35 接地ライン
36a,36b スイッチ
37 制御部
39 定電流源
40 クロック生成回路
41 ループ回路
42 NMOSFET
43 配線
100 LSIチップ(記憶装置)
200 記憶装置
101 半導体基板
102 絶縁膜
103,104 プラグ
111 メモリセル
112,114 MTJ素子
112a,114a ピン層
112b,114b 絶縁層
112c,114c フリー層
113,115,116,117 NMOSFET
FF フリップフロップ
D データ入力端子
Q データ出力端子
CLK クロック端子
WL,WL1,WL2,WL3 ワードライン
BL,BL1,BL2,BL3 ビットライン
/BL,/BL1,/BL2,/BL3 ビットラインバー
IR,IR1,IR2 初期化電流(定電流)
10, 10A, 10B, 10C Circuit module 11 Memory cell 12, 14 MTJ element 12a, 14a Pin layer 12b, 14b Insulating layer 12c, 14c Free layer 13 NMOSFET
13D drain (NMOSFET)
13S source (NMOSFET)
13G gate (NMOSFET)
15 Logic Gate 21 Row Decoder 22 Read / Write Circuit 31 Power Supply Control Circuit 33 Power Supply Line 33a, 33b Loop Part (Part of Power Supply Line)
35 Ground line 36a, 36b Switch 37 Control unit 39 Constant current source 40 Clock generation circuit 41 Loop circuit 42 NMOSFET
43 Wiring 100 LSI chip (memory device)
200 Memory device 101 Semiconductor substrate 102 Insulating film 103, 104 Plug 111 Memory cell 112, 114 MTJ element 112a, 114a Pin layer 112b, 114b Insulating layer 112c, 114c Free layer 113, 115, 116, 117 NMOSFET
FF flip-flop D data input terminal Q data output terminal CLK clock terminal WL, WL1, WL2, WL3 word line BL, BL1, BL2, BL3 bit line / BL, / BL1, / BL2, / BL3 bit line bar IR, IR1, IR2 Initialization current (constant current)

Claims (8)

それぞれが、一対の磁気トンネル接合素子を備える複数の記憶素子と、
複数の前記記憶素子に、個別に、データを書き込む書込手段と、
複数の前記記憶素子に磁界を印加することにより、共通のデータを、書き込む磁界書込手段と、を備え、
前記磁気トンネル接合素子は、磁化の方向が固定された第1の層と磁化の方向が固定されていない第2の層とを備え、前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行なときに低抵抗となり、反平行のときに高抵抗となり、
各記憶素子を構成する前記一対の磁気トンネル接合素子は、いずれか一方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行となり、いずれか他方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに反平行となるように相補的に設定され、
前記磁界書込手段は、電流を流す電流ラインを備え、
各記憶素子を構成する一対の磁気トンネル接合素子のうちの第1の磁気トンネル接合素子と第2の磁気トンネル接合素子は、前記電流ラインを流れる1つの電流により発生する1つの磁界により、前記第1の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向は互いに平行となり、前記第2の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向は互いに反平行となる位置、に配置されている、
ことを特徴とする記憶装置。
A plurality of storage elements each comprising a pair of magnetic tunnel junction elements;
Writing means for individually writing data to the plurality of storage elements;
Magnetic field writing means for writing common data by applying a magnetic field to the plurality of storage elements,
The magnetic tunnel junction element includes a first layer in which the magnetization direction is fixed and a second layer in which the magnetization direction is not fixed, and the magnetization direction of the first layer and the second layer When the magnetization directions are parallel to each other, the resistance is low, and when the magnetization directions are antiparallel, the resistance is high.
The pair of magnetic tunnel junction elements constituting each storage element has either one of the magnetic tunnel junction elements in which the magnetization direction of the first layer and the magnetization direction of the second layer are parallel to each other. The direction of magnetization of the first layer and the direction of magnetization of the second layer of the other magnetic tunnel junction element are set to be complementary to each other,
The magnetic field writing means includes a current line through which a current flows.
Of the pair of magnetic tunnel junction elements constituting each storage element, the first magnetic tunnel junction element and the second magnetic tunnel junction element have the first magnetic tunnel junction element generated by one magnetic field generated by one current flowing through the current line. The direction of magnetization of the first layer of one magnetic tunnel junction element is parallel to the direction of magnetization of the second layer, and the direction of magnetization of the first layer of the second magnetic tunnel junction element is The magnetization directions of the second layer are arranged at positions that are antiparallel to each other,
A storage device.
各前記一対の磁気トンネル接合素子の第1の層の磁化の向きは互いに同一方向に設定されており、
各前記一対の磁気トンネル接合素子は、前記電流ラインを流れる電流により発生する磁界によって、前記第2の層の磁化の向きが互いに反対方向になる位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。
The magnetization directions of the first layer of each of the pair of magnetic tunnel junction elements are set in the same direction,
Each of the pair of magnetic tunnel junction elements is disposed at a position where the magnetization directions of the second layer are opposite to each other by a magnetic field generated by a current flowing through the current line.
The storage device according to claim 1.
各前記一対の磁気トンネル接合素子の第1の層の磁化の向きは互いに反対方向に設定されており、
各前記一対の磁気トンネル接合素子は、前記電流ラインを流れる電流により発生する磁界によって、前記第2の層の磁化の向きが互いに同一方向になる位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。
The direction of magnetization of the first layer of each of the pair of magnetic tunnel junction elements is set to be opposite to each other,
Each of the pair of magnetic tunnel junction elements is disposed at a position where the magnetization directions of the second layer are in the same direction by a magnetic field generated by a current flowing through the current line.
The storage device according to claim 1.
一対の磁気トンネル接合素子を備える複数の記憶素子と、
書き込み対象のデータに対応する電流を書き込み対象の前記記憶素子を構成する磁気トンネル接合素子に流すことにより、複数の前記記憶素子に、個別に、データを書き込む書込手段と、
磁界を発生する電流を流す電流ラインを備え、複数の前記記憶素子に磁界を印加することにより、共通のデータを記憶させる磁界書込手段と、を備え、
各前記磁気トンネル接合素子は、磁化の方向が固定された第1の層と磁化の方向が固定されていない第2の層とを備え、前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行なときに低抵抗となり、反平行のときに高抵抗となり、
各前記記憶素子を構成する前記一対の磁気トンネル接合素子は、何れか一方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行となり、何れか他方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに反平行となるように相補的に設定され、
前記記憶素子を構成する一対の磁気トンネル接合素子は、前記磁界書込手段が発生した磁界により、一方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行となり、他方の磁気トンネル接合素子の前記第1の層と前記第2の層の磁化の方向が互いに反平行となるように配置されている、
ことを特徴とする記憶装置。
A plurality of storage elements comprising a pair of magnetic tunnel junction elements;
Writing means for individually writing data to the plurality of storage elements by causing a current corresponding to the data to be written to flow through a magnetic tunnel junction element constituting the storage element to be written;
A magnetic line writing unit that includes a current line for flowing a current that generates a magnetic field, and stores common data by applying a magnetic field to the plurality of storage elements;
Each of the magnetic tunnel junction elements includes a first layer whose magnetization direction is fixed and a second layer whose magnetization direction is not fixed, and the magnetization direction of the first layer and the second layer Low resistance when the magnetization directions of the layers are parallel to each other, high resistance when the layers are antiparallel,
The pair of magnetic tunnel junction elements constituting each of the memory elements is configured such that the direction of magnetization of the first layer and the direction of magnetization of the second layer of any one of the magnetic tunnel junction elements are parallel to each other. The direction of magnetization of the first layer and the direction of magnetization of the second layer of the other magnetic tunnel junction element are set to be complementary to each other,
In the pair of magnetic tunnel junction elements constituting the memory element, the magnetization directions of the first layer and the second layer of one of the magnetic tunnel junction elements are parallel to each other due to the magnetic field generated by the magnetic field writing unit. And the magnetization directions of the first layer and the second layer of the other magnetic tunnel junction element are arranged to be antiparallel to each other.
A storage device.
前記電流ラインは、ワードライン、ビットライン、ビットラインバー、電源ライン又は接地ラインの何れかから構成される、
ことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の記憶装置。
The current line is composed of a word line, a bit line, a bit line bar, a power line or a ground line.
The storage device according to claim 1, wherein the storage device is a storage device.
それぞれが磁気トンネル接合素子を備える複数の記憶素子と、
前記記憶素子にデータを個別に記憶させる書込手段と、
電源ラインと接地ラインとの少なくとも1つを含み、複数の前記記憶素子を取り囲んで配置されたラインと、
前記電源ラインと接地ラインの少なくとも一方に電源電圧又は接地電圧を印加し、又は、前記ラインに電流を流すことにより、前記ラインにより取り囲まれた複数の前記記憶素子に同一方向の磁界を印加することにより、共通のデータを記憶させる電源制御装置と、
を備える、ことを特徴とする記憶装置。
A plurality of storage elements each comprising a magnetic tunnel junction element;
Writing means for individually storing data in the storage element;
A line including at least one of a power supply line and a ground line and arranged to surround a plurality of the storage elements ;
The power supply voltage or a ground voltage is applied to at least one power supply line and a ground line, or by supplying a current to the line, applies a magnetic field in the same direction in a plurality of said storage elements enclosed taken by the line A power supply control device for storing common data ;
A storage device comprising:
前記記憶素子は、それぞれ、一対の磁気トンネル接合素子を備え、
前記磁気トンネル接合素子は、磁化の方向が固定された第1の層と磁化の方向が固定されていない第2の層とを備え、
前記第1の層の磁化の方向と前記第2の層の磁化の方向が互いに平行なときに低抵抗となり、反平行のときに高抵抗となり、
前記記憶素子を構成する一対の磁気トンネル接合素子の第1の層の磁化の向きは互いに反平行に設定されている、
ことを特徴とする請求項6に記載の記憶装置。
Each of the storage elements includes a pair of magnetic tunnel junction elements,
The magnetic tunnel junction element includes a first layer whose magnetization direction is fixed and a second layer whose magnetization direction is not fixed,
When the magnetization direction of the first layer and the magnetization direction of the second layer are parallel to each other, the resistance is low, and when the magnetization direction is antiparallel, the resistance is high.
The magnetization directions of the first layers of the pair of magnetic tunnel junction elements constituting the memory element are set antiparallel to each other;
The storage device according to claim 6.
前記記憶装置は、電源ラインと接地ラインとを両方備え、
電源ラインと接地ラインとは、それぞれ複数の前記記憶素子を取り囲んで配置され、
前記電源制御装置は、電源ラインと接地ラインの少なくとも一方に電流を流す、
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の記憶装置。
The storage device includes both a power line and a ground line,
Each of the power supply line and the ground line is disposed so as to surround the plurality of storage elements,
The power supply control device causes a current to flow through at least one of a power supply line and a ground line.
The storage device according to claim 6, wherein the storage device is a storage device.
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