JP4679603B2 - 記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、メモリセルへ電流を流すことにより書込みを行う方式の抵抗変化型不揮発メモリを使った記録再生装置に関する。

抵抗変化型不揮発メモリとして、磁気抵抗効果ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）とも云う）、ＰＲＡＭ（Phase change Random Access Memory）、ＲｅＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）などが知られている。これらのメモリは情報の記憶に、磁化方向や結晶性や相転移などの２つの状態間の変化に伴う抵抗変化を利用する。二つの状態に対応してデータ“０”とデータ“１”を定義する。情報の読み出しは、メモリセルに電流を流して抵抗値を検出することで行なう。ＭＲＡＭのうち、書込み原理にスピン・トランスファ・トルクを利用したスピン注入型ＭＲＡＭは微細化に優れたメモリとして注目を集めている。スピン注入型ＭＲＡＭ、ＰＲＡＭ、およびＲｅＲＡＭにおいては、情報の書込みは、メモリセルへ電流を流すことで“０”および“１”の状態の一方から他方へ変化させる。これらのメモリは、少なくとも１個のメモリセルを備え、このメモリセルは通常、電流を流すことにより状態が変化する抵抗変化素子と、この抵抗変化素子を選択するための選択トランジスタとを有している。

このような抵抗変化型不揮発メモリは、応用面を考えると、映像データや音楽データなどのデジタルコンテンツを記憶および再生する記録再生装置に使用すると便利である。ユーザーから見ると、記録再生装置に抵抗変化型不揮発メモリを用いるとデジタルデータをほぼ完全なままかつ長い期間手元に置いておける利点がある。これに対して、アナログで保存した映像データや音楽データの場合は、経年変化や腐食、カビ等に弱い。しかし、抵抗変化型不揮発メモリはこうしたものの影響を受けにくく、保存性が高い。このことは、抵抗変化型不揮発メモリに記憶された劣化の少ないデジタルデータが、非正規ユーザーに対しても自由に何回でも閲覧されるとともに自由にコピーされるという問題、すなわち劣化の少ないデジタルデータが、非正規ユーザーに不正に使用されるという問題がある。

そこで、自由にデジタルコンテンツを閲覧することを防ぐために、読出し回数に制限を設けた記憶装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この記憶装置は、ＭＲＡＭを用いており、ＭＲＡＭからデータを読み出した回数をカウントし、このカウント値が所定の回数を越えると読み出しを規制する。この記憶装置の場合は、デジタルデータを完全に読み出せる、または所定の回数を超えたら全く読出せなくなる、のどちらかの状態しかない。また、ＭＲＡＭに記憶された情報については、完全な形で残っている、或いは完全に消去してしまう、のどちらかの状態しかない。もし、カウンター回避のハッキング、すなわちカウント値が所定の回数を超えても読出し可能となるように、ハッキングをされると、データを完全に盗まれる可能性がある。
特開２００５−１８２７９９号公報

また、後述するように、抵抗変化型不揮発メモリには、読出しの際に流す読出し電流によって、読出しによる誤書き込みが生じるという問題がある。すなわち、正規ユーザーであっても、長年使用するうちにデジタルデータが劣化するという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、正規ユーザーが使用する場合にデジタルデータを可及的に劣化させず、非正規ユーザーの不正使用を可及的に抑制することのできる記録再生装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による記録再生装置は、電流を流して抵抗を変化させることにより書込みが可能な抵抗変化素子を有するメモリセルがマトリクス状に配列されたメモリセルアレイと、ユーザーが正規ユーザーか非正規ユーザーかを認証するユーザー認証回路と、前記ユーザー認証回路によって前記非正規ユーザーであると認証された場合には、正規ユーザーの場合よりも読出し電流を大きくして前記メモリセルに読出し電流を流す読出し電流回路と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、正規ユーザーが使用する場合にデジタルデータを可及的に劣化させず、非正規ユーザーの不正使用を可及的に抑制することの可能な記録再生装置を提供することができる。

発明の実施の形態

まず、本発明の実施形態を説明する前に、抵抗変化型不揮発メモリの例と、本発明の原理を説明する。

一般に、抵抗変化型不揮発メモリは、少なくとも１個のメモリセルを備え、このメモリセルは、図１に示すように、電流を流すことにより状態が変化する抵抗変化素子１０と、この抵抗変化素子１０を選択するための選択トランジスタ２０とを有している。

抵抗変化型不揮発メモリの第１の例であるＭＲＡＭは、情報を記憶するメモリセルの抵抗変化素子として、大きな磁気抵抗効果を持つ強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子を用いたメモリ装置である。書き換え耐性無限大、高速動作、大容量、不揮発性を特徴とする次世代メモリ装置として注目されている。

ＭＲＡＭとしてスピン注入型ＭＲＡＭについて説明する。抵抗変化素子としてのＭＴＪ素子は、二つの強磁性層１２，１６とその間に挟まれたトンネルバリア層１４とを備えている。図２（ａ）、２（ｂ）に示すように、強磁性層の一方は、通電の前後で磁化の向きが不変の参照層１２とし、もう一方は通電によって磁化の向きが可変の記憶層１６とする。参照層１２と記憶層１６の磁化の向きが平行な時にＭＴＪ素子１０が低抵抗状態となり、反平行（ＡＰ）な時にＭＴＪ素子１０が高抵抗状態となる。これらの低抵抗状態および高抵抗状態を、二進情報の“０”および“１”に対応付けることで情報を記憶することができる。書き込みは、ＭＴＪ素子１０に書き込み電流を流すことにより生じるスピン・トランスファ・トルクによって記憶層１６の磁化の向きを反転させることにより行う。例えば図２（ａ）に示すように、書込み電流を流す前に参照層１２と記録層１６の磁化の向きが反平行なときには、参照層１２からトンネルバリア層１４を介して記録層１６に電子を流すことにより、記録層１６の磁化の向きを参照層１２の磁化の向きと平行となるようにする。また、図２（ｂ）に示すように、書込み電流を流す前に参照層１２と記録層１６の磁化の向きが平行なときには、記録層１６からトンネルバリア層１４を介して参照層１２に電子を流すことにより、記録層１６の磁化の向きを参照層１２の磁化の向きと反平行となるようにする。なお、本明細書においては、記録層１６の磁化の向きを参照層１２の磁化の向きと平行な場合をデータ“０”とし、反平行な場合をデータ“１”と定義しているが、逆であってもよい。磁化反転に必要な電流すなわちスイッチング電流は、熱擾乱耐性を確保できる範囲内で小さいほうが好ましい。また、誤書き込みを減らすにはスイッチング電流のビット毎（メモリセル毎）のバラツキが小さいことが望ましい。

記憶情報の読み出しは、図３（ａ）、３（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０に電流を流して低抵抗状態であるか高抵抗状態であるかを検出することにより行う。従ってＭＲＡＭに用いるＭＴＪ素子は、磁気抵抗効果による抵抗変化率（ＭＲ比）が大きいほうが好ましい。読出しを正確に行うには、ＭＴＪ素子の抵抗のバラツキが小さいことが望ましい。記憶された情報は不揮発であり、通常１０年以上の記憶保持特性がある。但し、熱擾乱によって記憶された二進情報の一部が変化してしまう確率が、わずかであるが存在する。更に後述するように読み出す行為によっても二進情報の一部が変化してしまう確率が、わずかであるが存在する。

ＭＲＡＭにおいては、読出しの際に流す読出し電流Ｉ_ｒｅａｄによって情報が変化する現象がある。「読出しによる誤書き込み」と呼ばれる現象である。まず基本的な１ビットの動作を説明する。読出し電流を、“０”（Ｐ）→“１”（ＡＰ）に書込む書込み電流と同じ方向に流す場合を考える。一般に、“０”状態に読出し電流Ｉｒｅａｄを流してｔ秒後に磁化が“１”へ反転する確率ｐは、熱擾乱の考え方から以下の式で表されることが知られている（例えば、M. Pakala, Y. Huai, T. Valet, Y. Ding, and Z. Diao, Journal of Applied Physics, Vol. 98, 056107 (2005)参照）。

ここで

であり、ｆ_０は試行頻度であり、１０^９Ｈｚ〜１０^１０Ｈｚ程度である。ΔＥは磁化反転の際に越えなければならないエネルギーバリア（ｅｒｇ）、Ｋ_ｕは磁気異方性エネルギー密度（ｅｒｇ／ｃｍ^３）、Ｖは記憶層の体積（ｃｍ^３）、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。Ｉ_ｃは電流パルス幅が１／ｆ_０秒の場合の磁化反転電流である。（２）式の右辺の係数
Δ_{ｔｈｅｒｍ}＝Ｋ_ｕＶ／（ｋ_ＢＴ）
を熱擾乱パラメータと呼ぶ。（１）式と（２）式から、大きな電流で読み出すほど、読出しパルスがかかっている時間ｔの間に情報が変化する確率が高くなることが分かる。

そこで、本発明の一実施形態においては、これら僅かなエラーを訂正する回路をＭＲＡＭ内に設けている。この訂正する回路に、「読出しによる誤書き込み」が起きても誤り訂正をする、誤り訂正符号（以下、ＥＣＣ（Error Correction Coding）ともいう）と呼ばれる手法を用いる。例えば、拡大ハミングコード（Extended Hamming code）と呼ばれる誤り訂正の方法では、６４ビットを１ブロックとしてその情報に８ビットの冗長ビットを付加することで、１ブロック中の１ビットの誤りを検出し、その訂正ができる。１ブロック中に２ビットの誤りがあると、誤りがあることを知ることはできるが、訂正はできない。ＭＲＡＭにおけるＥＣＣの使い方は二段階ある。ＥＣＣの第１段階として、読み出したデータを検査し訂正して出力する。この段階では大元のＭＲＡＭ内のデータは訂正していない。ＥＣＣの第２段階として、ＥＣＣで誤りを見つけたら、訂正したデータを大元のＭＲＡＭに再書込みをして正しいデータに訂正する。もし第２段階をやらないと、最初は１ブロック中の１ビットの誤りであったものが、時間が経つといずれは１ブロック中に２ビットの誤りとなり、訂正が出来なくなる。第２段階の再書込みは、データを読むたびに毎回行っても良いし、例えば１０００回などある一定回数読むごとに１回の、検査、訂正、再書込み、をやっても良い。

また、抵抗変化型不揮発メモリの第２の例であるＰＲＡＭは、抵抗体材料にＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅなどのカルコゲナイドガラスを用い、その結晶状態と非晶質状態とで抵抗が異なることを利用する(参考文献：Y. J. Song et al., “Highly Reliable 256Mb PRAM with Advanced Ring Contact Technology and Novel Encapsulating Technology”, 2006 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers (2006))。その書込み原理を、図４を参照して説明する。データ“０”とデータ“１”の書き込みの区別は、電流パルスの与え方を変化させて抵抗体の温度上昇を変えることで行なう。リセットパルスは大きな電流を短い時間で与える。その結果、抵抗体の融点（Ｔｍ）を超えて加熱され、その後急冷されて、抵抗体は非晶質状態の高抵抗状態になる。セットパルスは、リセットパルスよりも小さな電流を長いパルス幅で与える。その結果、抵抗体は結晶化温度（Ｔｘ）を超えて加熱されるが、融点よりも低い温度に保持され、結晶化して低抵抗状態になる。ＰＲＡＭにおいても「読出しによる誤書き込み」の問題がある。ＰＲＡＭにおいては、書き込みよりも小さな電流で読み出すが、読出し電流が大きいと、セル特性のバラツキによって、読出し電流がセット動作と同じ効果を与える場合がある。読出し電流が大きいと、読出し動作によって、高抵抗状態にあったビットが低抵抗状態に変わってしまうという誤書き込みが起きる。

また、抵抗変化型不揮発メモリの第３の例であるＲｅＲＡＭは、抵抗体材料にはＮｉＯやＴｉＯ_２やそれらに不純物を加えたものを使う(参考文献：R. Jung et al., Applied Physics Letters, Vol. 91, 022112 (2007))。抵抗が変化する原理は必ずしも明らかにはなっていないが、例えば、電圧印加でフィラメント状の伝導パスが出来て抵抗状態になり、その後大きな電流印加でその伝導パスが壊されて高抵抗状態になる、ことが考えられている。その書込み原理を図５に示す。セット動作は、例えば図１に示す選択トランジスタ２０のゲート電圧Ｖ_Ｇを小さく制限した状態（例えば０．７Ｖ）にして電流を制限して、抵抗変化素子１０に電圧を与える。その結果、抵抗変化素子は低抵抗状態になる。リセット動作では、ゲート電圧Ｖ_Ｇを大きくして（例えば１．８Ｖ）、抵抗変化素子１０に大きな電流を流す。その結果、抵抗変化素子は高抵抗状態になる。ＲｅＲＡＭにおいても「読出しによる誤書き込み」の問題がある。書き込みよりも小さな電流で読み出すが、読出し電流が大きいと、セル特性のバラツキによって、読出し電流がセット動作と同じ効果を与える場合がある。読出し電流が大きいと、読出し動作によって、高抵抗状態にあったビット（メモリセル）が低抵抗状態に変わってしまう誤書込みが起きる。

ＲｅＲＡＭの他の例では、Ｍｎペロブスカイト酸化物の電界誘起抵抗変化を利用したものがある。抵抗体材料の例は、（Ｓｍ，Ｃａ）ＭｎＯ_３と（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３を接合した積層膜である(参考文献：A. Sawa, T. Fujii, M. Kawasaki, and Y. Tokura, Applied Physics Letters, Vol. 88, 232112 (2006))。この場合は、“０”と“１”の書込みの区別は、電圧印加方向を変えて行なう。接合界面に順方向の電圧を印加すると高抵抗状態から低抵抗状態へ変化し、逆方向に電圧を印加すると低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する。このＲｅＲＡＭにおいても「読出しによる誤書き込み」の問題がある。書込みよりも小さな電流で読み出すが、読出し電流が大きいと、セル特性のバラツキによって、読出し電流が書き込み動作を起こしてしまう誤書込みが起きる。

本発明の一実施形態においては、正規ユーザーに対しては、「読出しによる誤書き込み」が生じても、デジタルデータが劣化するのを可及的に防止し、非正規ユーザーに対しては、積極的に「読出しによる誤書き込み」を生じさせて、不正使用を防止するように構成した。このため、本発明の一実施形態による、メモリセルへの電流を流すことでデータを書き込む方式の抵抗変化型不揮発メモリを用いた記録再生装置においては、正規ユーザーであるか否かを判定し、正規ユーザーであるか非正規ユーザーであるかによって読み出し電流を変えている。例えば、非正規ユーザーの場合は読出し電流を大きくして、「読出しによる誤書き込み」を積極的に起こさせる。その結果、読出し回数に応じてデジタルデータが徐々に劣化する。正規ユーザーの場合は１０^１６回の読み出しを行っても、そのうち磁化反転が起こる確率が１回以下であるように、読出し電流を小さく設定する。その結果、読出しによるデジタルデータ劣化は起きない。

デジタルデータの訂正にＥＣＣを使う場合には、同様の機能を発揮させるために以下の３種の方法がある。
１）非正規ユーザーの場合は読み出し電流を大きくして、ＥＣＣで訂正できないほど「読出しによる誤書き込み」を起こさせる。正規ユーザーの場合は、「読出しによる誤書き込み」が生じる確率をＥＣＣで十分訂正できる範囲内に抑えるよう、読出し電流を小さく設定する。
２）非正規ユーザーの場合は、読み出し電流を大きくすると共に、前述のＥＣＣの第２段階の訂正書込み（再書込み）をしない。ＥＣＣの第２段階を行わないと、最初は１ブロック中の１ビットの誤りであったものが、時間の経過につれて１ブロック中に２ビットの誤りとなり、訂正が出来なくなる。デジタルデータが徐々に劣化する。この場合、非正規ユーザーの場合にＥＣＣの第１段階を行っても良いし、行わなくても良い。非正規ユーザーの場合にＥＣＣの第１段階を行わないほうが、劣化したデータを出力することになる。正規ユーザーの場合は、読出し電流を小さくするとともに第２段階の再書込みを行って正しいデータに訂正することを常に行うので、デジタルデータは劣化しない。
３）非正規ユーザーの場合は、読出し電流を大きくするとともに、ＥＣＣの第１段階の読み出したデータの検査および訂正を行わない。すなわち、データに誤りがあってもそのまま出力される。時間が経つと誤りが蓄積しデジタルデータが徐々に劣化する。この場合、非正規ユーザーの場合にＥＣＣの第２段階を行っても良いし、行わなくても良い。非正規ユーザーの場合、ＥＣＣの第２段階を行わないほうが、データ劣化の進行が早くなる。正規ユーザーの場合は、読出し電流を小さくするとともにＥＣＣの第１段階と第２段階を行うので、デジタルデータは劣化しない。

なお、非正規ユーザーがデータを読出す場合のデータ劣化の程度を注意深く設定する必要があり、そのためには読出し電流を大きく設定した場合の「読出しによる誤書き込み」の確率を注意深く設定する必要がある。

以下では、スピン注入型ＭＲＡＭの場合の「読出しによる誤書き込み」の確率を詳述する。熱擾乱パラメータΔ_{ｔｈｅｒｍ}は、通常Δ_{ｔｈｅｒｍ}＝７０〜１１０に設計する。本発明者らは特に、「読出しによる誤書き込み」の確率の求め方として従来の（２）式ではなく新しい方式を見出した。電流を流すと、実効的なΔ_{ｔｈｅｒｍ}が電流Ｉに依存して低下することを見出した。その効果は近似的に以下の式で表される。

これを使って、「読出しによる誤書き込み」の確率p_rdは以下の式で計算される。

ここで、

である。

電流の効果を表すパラメータβは、記憶層の材料や寸法に依存する。このパラメータは以下のように求めることができる。

である。Δ(Ｉ＝０)とΔ（Ｉ＝Ｉｃ)はそれぞれ実験から求めることが出来る。それを使って、

となる。Δ（Ｉ＝０）は、磁場印加した場合のスイッチング磁界のスイープ速度依存性から求めることができる。また、高温放置した場合の磁化反転確率からも求めることができる。Δ（Ｉ＝Ｉｃ）は、Ｉｃ程度の電流を流してスピン・トランスファ・トルクによる磁化反転をさせた場合の、誤書込み確率と正書込み確率から求めることができる。こうして（３）式を使って従来よりも正確に、「読出しによる誤書き込み」の確率が求められることが判明した。

現在使われている記憶層の典型例では、βは以下のオーダーである。

この場合、電流に依存する実効的なΔ（Ｉ）は以下の式で表される。

このように、スピン注入型ＭＲＡＭでは、その書込み原理から「読出しによる誤書き込み」の確率を正確に計算できる。従って、非正規ユーザーが読み出した場合のデータ劣化の程度を精密に制御して設定できる利点がある。ＰＲＡＭやＲｅＲＡＭでも同様に、「読出しによる誤書き込み」を起こさせることができる。

次に、本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による記録再生装置を図６に示す。本実施形態の記録再生装置は、図６に示すように、抵抗変化型不揮発性メモリ４０と、ユーザー認証回路６０とを備えている。抵抗変化型不揮発メモリ４０は、例えば、スピン注入型ＭＲＡＭであって、Ｓｉ基板上に、駆動回路となるＣＭＯＳ回路（図示せず）を形成し、このＣＭＯＳ回路上に図示しない層間絶縁膜を介して、複数のメモリセルがマトリクス状に配列されたメモリセルアレイが形成されている。各メモリセルは、図１に示すように、抵抗変化素子１０と、この抵抗変化素子１０に直列に接続された選択トランジスタ２０とを備えている。本実施形態においては、抵抗変化素子１０は、図２（ａ）、２（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０である。ＭＴＪ素子１０は、下部電極、下地層、参照層、トンネルバリア層、記録層、上部電極、および配線層、をスパッタ成膜して作製する。なお、参照層に対してトンネルバリア層と反対側に参照層の磁化の向きを通電前後で不変にするために反強磁性層が設けられる場合がある。また、本実施形態においては、抵抗変化型不揮発性メモリ４０には、読出し電流回路４２が設けられている。

ユーザー認証回路６０は、ユーザー情報例えば、パスワードや指紋等で正規ユーザーであるかもしくは非正規ユーザーであるかを判定する。ユーザー情報をＭＲＡＭなどの抵抗変化型不揮発メモリに記憶させると便利である。このユーザー認証回路６０による認証結果に基づいて、読出し電流回路４２から出力されるメモリセルの読出し電流が制御される。例えば、図７に示すように、ユーザー認証回路６０には選択回路６２が設けられる。そして、ユーザー認証回路６０の認証結果に基づいて、選択回路６２によって、読出し電流回路４２の後述する負荷電圧Ｖ_ＬＯＡＤおよびクランプ電圧Ｖ_ＣＬＭＰが選択され、ユーザーが正規ユーザーであるか非正規ユーザーであるかに応じた読出し電流をメモリセルに流す。

読出し電流回路の一具体例を図８に示す。この具体例の読出し電流回路は、ソースが電源電圧Ｖ_ＤＤに接続されゲートに負荷電圧Ｖ_ＬＯＡＤを受ける負荷ｐＭＯＳトランジスタ４３と、ドレインが負荷ｐＭＯＳトランジスタ４３のドレインに接続されゲートにクランプ電圧Ｖ_ＣＬＭＰを受け、ソースがメモリセル４１の一端（ビットラインＢＬ）に接続されるクランプｎＭＯＳトランジスタ４４とを備えている。負荷電圧Ｖ_ＬＯＡＤおよびクランプ電圧Ｖ_ＣＬＭＰを制御することにより、ビットラインＢＬの電圧が制御され、読出し電流値が決まる。言い換えると、負荷電圧Ｖ_ＬＯＡＤおよびクランプ電圧Ｖ_ＣＬＭＰの制御により読出し電流を変えることができる。切り替え回路６２は、ユーザー認証回路６０の認証結果に基づいて、正規ユーザーと非正規ユーザーとで、負荷電圧Ｖ_ＬＯＡＤおよびクランプ電圧Ｖ_ＣＬＭＰの値を異なるように切り替える。例えば、非正規ユーザーの場合は、負荷電圧Ｖ_ＬＯＡＤおよびクランプ電圧Ｖ_ＣＬＭＰを制御することにより、読出し電流を大きくして、「読出しによる誤書き込み」を積極的に起こさせる。その結果、読出し回数に応じてデジタルデータが徐々に劣化する。これに対して正規ユーザーの場合は１０^１６回の読み出しを行っても、そのうち磁化反転が起こる確率が１回以下であるように、読出し電流を小さく設定する。その結果、読出しによるデジタルデータ劣化は起きない。

読出し電流回路４５Ａ、４５Ｂと、センスアンプ４７と含む読出し回路を図９に示す。読出し電流回路４５Ａは、直列に接続された、負荷ｐＭＯＳトランスタＭ１１およびクランプｎＭＯＳトランジスタＭ１３を有し、データを読出すべき選択されたメモリセルに接続されるビットラインＢＬに読出し電流を流す。読出し電流回路４５Ｂは、直列に接続された、負荷ｐＭＯＳトランスタＭ１２およびクランプｎＭＯＳトランジスタＭ１４を有し、参照セルに接続されるビット線に読出し電流を流す。

一方、センスアンプ４７は、ｐＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ５、Ｍ６、Ｍｅｑと、ｎＭＯＳトランジスタＭ３、Ｍ４、Ｍ７、Ｍ９、Ｍ１０と、を有している。ｐＭＯＳトランジスタＭ５、Ｍ６はソースが電源電圧Ｖ_ＤＤに接続され、ゲートが共通に接続され、ドレインが出力端子ｂＯＵＴ、ＯＵＴにそれぞれ接続されている。なお、出力端子ｂＯＵＴからは出力端子ＯＵＴの反転信号が出力される。ｐＭＯＳトランジスタＭｅｑは、ゲートがｐＭＯＳトランジスタＭ５、Ｍ６のゲートに接続され、ソースおよびドレインの一方が出力端子ｂＯＵＴに、他方が出力端子ＯＵＴに接続される。ｐＭＯＳトランジスタＭ１、ｎＭＯＳトランジスタＭ３、およびｎＭＯＳトランジスタＭ９は直列に接続される。そして、ｐＭＯＳトランジスタＭ１はソースが電源電圧Ｖ_ＤＤに接続され、ドレインが出力端子ｂＯＵＴに接続され、ゲートがｎＭＯＳトランジスタＭ３のゲートおよび出力端子ＯＵＴに接続されている。ｎＭＯＳトランジスタＭ３は、ドレインが出力端子ｂＯＵＴに接続され、ソースがｎＭＯＳトランジスタＭ９のドレインに接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ９はゲートが読出し電流回路４５Ａの負荷ｐＭＯＳトランジスタＭ１１のドレインに接続され、ソースがｎＭＯＳトランジスタＭ７のドレインに接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ７はゲートに、ｐＭＯＳトランジスタＭ５、Ｍ６のゲート電圧ＳＥ１を受け、ソースが接地される。

また、ｐＭＯＳトランジスタＭ２、ｎＭＯＳトランジスタＭ４、およびｎＭＯＳトランジスタＭ１０は直列に接続される。そして、ｐＭＯＳトランジスタＭ２はソースが電源電圧Ｖ_ＤＤに接続され、ドレインが出力端子ＯＵＴに接続され、ゲートがｎＭＯＳトランジスタＭ４のゲートおよび出力端子ｂＯＵＴに接続されている。ｎＭＯＳトランジスタＭ４は、ドレインが出力端子ＯＵＴに接続され、ソースがｎＭＯＳトランジスタＭ１０のドレインに接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ１０はゲートが読出し電流回路４５Ｂの負荷ｐＭＯＳトランジスタＭ１２のドレインに接続され、ソースがｎＭＯＳトランジスタＭ７のドレインに接続される。

このように構成された読出し回路では、抵抗変化型不揮発メモリのメモリセルに記憶されたデータが“０”であるか“１”であるかを読み出すことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、正規ユーザーが使用する場合にデジタルデータを可及的に劣化させず、非正規ユーザーの不正使用を可及的に抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による記録再生装置を図１０に示す。本実施形態の記録再生装置は、図７に示す第１実施形態の記録再生装置において、ユーザー認証回路６０にユーザー情報記憶用抵抗変化型不揮発メモリ６６を設けるとともに、抵抗変化型不揮発メモリ４０にＥＣＣ回路４８および再書込み回路４９を設けた構成となっている。

本実施形態においては、選択回路６２は、ユーザー認証回路６０によって認証された認証結果に基づいて、読出し電流回路４２のパラメータ（負荷電圧Ｖ_ＬＯＡＤおよびクランプ電圧Ｖ_ＣＬＭＰ）を選択するとともに、ＥＣＣの第１段階と第２段階を行なうか否かも選択する。なお、再書込み回路４９は、ＥＣＣ回路４８のエラー訂正に基づいてメモリセルアレイに訂正のための再書込みを行う。

以下に、スピン注入ＭＲＡＭの場合の読出し電流の設定方法について詳述する。正規ユーザーの場合は、通常は、１０^１６回読み出してもそのうち磁化反転が起こる確率が１回以下であるように、読出し電流を小さく設定する。言い換えると、読出しパルス幅が１０ｎｓｅｃの場合、ｔ＝１０ｎｓｅｃ×１０^１６＝１０^８ｓｅｃでｐ＜１０^−１６ になるように、読出し電流Ｉ_readや熱擾乱パラメータΔ_thermを設計する。

読出し電流の大きさに応じて、「読出しによる誤書き込み」による磁化反転の確率は変化する。図１１に、その磁化反転確率の読出し回数依存性を示した。本発明者らが見出した新しい「読出しによる誤書き込み」の確率の求め方である式（３）〜（１０）に良く合っている。ここで示したのは、Ｋ_ｕＶ／ｋ_ＢＴ＝８０、ｆ_０＝１０^９Ｈｚ、読出しパルス幅＝１０ｎｓｅｃの場合である。Ｉ_read／Ｉ_ｃを０．１６７８と小さく設定すると、１０年間読出し続けても「読出しによる誤書き込み」が起きる確率は、図１１の実線に示すように、１Ｇビットに１ビット以下である。すなわち実質的にはデータ劣化はない。このメモリ動作状態を正規ユーザーに提供する。

一方、Ｉ_read／Ｉ_ｃを０．７と大きく設定すると、図１１の破線に示すように、３回から１０回の読出しで音質や画質が劣化する。非正規ユーザーにはこの動作状態を提供する。すなわち、最初は完全に近い情報が得られるが、繰り返し楽しもうと思うと急速に質が落ちる。質の良いデジタルコンテンツを繰り返し楽しみたい場合は、正規ユーザーになる必要がある。

本実施形態の利点は、デジタルコンテンツ供給側が、何回の読出しでデータが劣化するかを自由に設定できることである。例えば、非正規ユーザーに１回だけの試し視聴を許したい場合がしばしばある。この場合は、１回の読み出しで１０％のデータが失われるように設定することが望ましい。このときＥＣＣなしの場合は、Ｉ_read／Ｉ_ｃ’＝０．７９８に設定するとちょうど良い。ここで、Ｉ_ｃ’は磁化反転を生じさせる電流である。また、非正規ユーザーにお気に入りの音楽を１０００回まで聴くことを許す場合がある。この場合でＥＣＣなしの場合は、１０００回の読み出しで１０％のデータが失われるように設定することが望ましい。この場合はＩ_read/Ｉ_ｃ’＝０．６２９６に設定するとちょうど良い。実用上はこの両者の間、すなわち１回の読み出しで１０％のデータが失われるケースから、１０００回の読み出しで１０％のデータが失われるケースの間で使うことになるので、非正規ユーザーのＩ_read／Ｉ_ｃ’は０．６３以上かつ０．８以下に設定することが望ましい。ここでＩ_ｃ’は磁化反転電流であるが、メモリ内のビット間で磁化反転電流のバラツキが十分小さい場合、例えば標準偏差が平均値の１％以下の場合は、ビット間の平均磁化反転電流Ｉ_ｃ ^{ａｖｅｒａｇｅ}を用いれば良い。磁化反転電流のバラツキが無視できない場合は、データの典型的な容量からＩ_ｃ’を以下のように設定すれば良い。データの典型的な容量がｘビットであるとする。メモリのｙ＝０．９×ｘビット分を考える。ｙビットのうち磁化反転電流がもっとも小さいビットはｚ×σだけ平均磁化反転電流Ｉ_ｃ ^{ａｖｅｒａｇｅ}から離れている。ここでσは標準偏差で電流の単位である。この場合は、Ｉｃ’＝Ｉ_ｃ ^{ａｖｅｒａｇｅ} ― ｚ×σと設定すれば良い。例えば音楽の場合、６分の曲のデータ容量はｘ＝５０Ｍビット程度である。この場合ｙ＝４５Ｍビットであり、ｚ＝５．４９になる。

さらには、スピン注入ＭＲＡＭを使った本実施形態では、デジタルコンテンツ供給側から見て正規ユーザーと非正規ユーザーの２種類だけに分けるのではなく、もっと多くの階層に分けて、きめ細かくＩ_read／Ｉ_ｃ’を設定することも可能である。１回だけ試し視聴を許すユーザー、小さな金額を払って１０回まで視聴を許すユーザー、大きな金額を払って永久的に視聴を許すユーザー、と分けることができる。

一方、従来言われていた式（１）〜式（２）で「読出しによる誤書き込み」の確率を計算で求めたものを図１２に示す。図１１とはかなり磁化反転確率が異なる。従来方法では正しく「読出しによる誤書き込み」の確率を評価することが出来ないこと、非正規ユーザーに合った動作状態を提供できないこと、が分かる。

次に、実際にこの記録再生装置がどのように使われるかの実施例を述べる。

ネットワークから楽曲や映像番組を有償でダウンロードして、個人のパソコンや携帯電話で視聴することが良く行なわれる。この場合に本発明の一実施形態による記録再生装置が非常に有用である。図１０に示す第２実施形態を例にとって説明する。デジタルコンテンツは、ダウンロードされて抵抗変化型不揮発メモリに記憶される。そのデジタルコンテンツ内には正規ユーザーと非正規ユーザーを区別するパスワード情報が入っている。正規に使用料を支払った正規ユーザーの場合は、同時にパスワードが配布され、ユーザー情報記憶用抵抗変化型メモリ６６に格納される。配布されたパスワード情報と、デジタルコンテンツ内のパスワード情報が一致したら、正規ユーザーと認められ、選択回路６２が正規ユーザー用のパラメータを選択し、読み出し電流回路４２から小さな読出し電流を流し、「読出しによる誤書き込み」によるデータ劣化なしでデジタルコンテンツを何度でも楽しむことができる。

一方、正規に使用料を払わず、試し視聴だけしたいユーザーの場合は、パスワード情報が配布されない。その結果、ユーザー認証回路６０で非正規ユーザーと判定され、選択回路６２が非正規ユーザー用のパラメータを選択し、読み出し電流回路４２から大きな読出し電流が流れ、「読出しによる誤書き込み」によって読むたびにデータ劣化が起きる。

他の例は、本発明の一実施形態の記録再生装置をレンタル店で使う場合である。レンタル店ではあらかじめ抵抗変化型不揮発メモリ４０に音楽や映像番組を記憶させておく。レンタルする場合に、大きな金額を払って永久的に視聴を許すユーザーになった場合には、別途正規のパスワードを教える。自宅に記録再生装置を持ち帰って、視聴装置にセットして、正規のパスワードを入力すれば「読出しによる誤書き込み」によるデータ劣化なしでデジタルコンテンツを何度でも楽しむことができる。パスワードの代わりに、指紋情報などをユーザー情報記憶用抵抗変化型不揮発メモリ６６に格納しても良い。小さな金額を払って１回までの視聴を許すユーザーに対しては、パスワードを教えないか、別のパスワードを教える。その結果、読出し時には、読み出し電流回路４２によって大きな読出し電流が流れ、「読出しによる誤書き込み」によって読むたびにデータ劣化が起きる。

正規ユーザーに対しては、「読出しによる誤書き込み」によるデータ劣化を起こさないように、保護回路や安全装置を設けることが有効である。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、正規ユーザーが使用する場合にデジタルデータを可及的に劣化させず、非正規ユーザーの不正使用を可及的に抑制することの可能な記録再生装置を提供することができる。

抵抗変化型不揮発メモリのセルの模式図 スピン注入磁気抵抗効果ランダムアクセルメモリの書込み原理を説明する図。 スピン注入磁気抵抗効果ランダムアクセルメモリの読出し原理を説明する図。 ＰＲＡＭの書込み原理を説明する図。 ＲｅＲＡＭの書込み原理を説明する図。 本発明の第１実施形態による記録再生装置を示すブロック図。 第１実施形態の記録再生装置の具体的な構成を示すブロック図。 読み出し電流回路の一具体例を示す回路図。 読み出し回路の一具体例を示す回路図。 本発明の第２実施形態による記録再生装置を示すブロック図。 本発明の一実施形態による記録再生装置における、読出し回数に依存した磁化反転確率を示す図。 読出し回数に依存した磁化反転確率を、従来方法で評価した図。

符号の説明

１０ 抵抗変化型素子（ＭＴＪ素子）
１２ 参照層
１４ トンネルバリア層
１６ 記録層
２０ 選択トランジスタ
４０ 抵抗変化型不揮発メモリ
４１ メモリセル
４２ 読出し電流回路
４３ 負荷ｐＭＯＳトランジスタ
４４ クランプｎＭＯＳトランジスタ
４８ ＥＣＣ回路
６０ ユーザー認証回路
６２ 選択回路
６６ ユーザー情報記憶用抵抗変化型不揮発メモリ

Claims (4)

1. 電流を流して抵抗を変化させることにより書込みが可能な抵抗変化素子を有するメモリセルがマトリクス状に配列されたメモリセルアレイを備えた抵抗変化型不揮発メモリと、
   ユーザーが正規ユーザーか非正規ユーザーかを認証するユーザー認証回路と、
   前記ユーザー認証回路によって前記非正規ユーザーであると認証された場合には、正規ユーザーの場合よりも読出し電流を大きくして前記メモリセルに読出し電流を流す読出し電流回路と、
   を備えていることを特徴とする記録再生装置。
2. 前記読出し電流回路は、前記ユーザー認証回路によって正規ユーザーであると認証された場合は、１０^１６回の読み出しを行っても、磁化反転が起こる確率が１回以下であるように、読出し電流を流すことを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
3. 読出し情報のエラー訂正を行うエラー訂正回路と、
   前記エラー訂正回路のエラー訂正に基づいて前記メモリセルアレイに訂正のための再書込みを行う再書込み回路と、
   を更に備え、
   前記ユーザー認証回路によって正規ユーザーであると認証された場合には、前記エラー訂正回路によって前記読出し情報のエラー訂正を行うとともに、前記再書込み回路によって前記エラー訂正に基づく訂正のための再書込みを行い、
   前記ユーザー認証回路によって非正規ユーザーであると認証された場合には前記読出し情報のエラー訂正および訂正のための再書込みの少なくとも一方を行わないことを特徴とする請求項１または２記載の記録再生装置。
4. 前記抵抗変化素子は、強磁性トンネル接合を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の記録再生装置。

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