JP2009043848A - Magnetic recording device - Google Patents

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裕 芦田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic recording device which is improved in use efficiency as a recording device by improving a data transfer rate with a relatively simple configuration by drastically shortening a readout time of data and preferably further a write time of data, and also securing a sufficient storage area for data. <P>SOLUTION: Two read elements 2 and two write elements 3 each are disposed on a data storage area 1a of a magnetic thin line 1 (illustrated as read elements 2a and 2b and write elements 3a and 3b), and the data storage area 1a is divided into divided areas 1a<SB>1</SB>and 1a<SB>2</SB>. When the two read elements 2 and two write elements 3 are thus arranged, a data readout time and a write time are shortened to halves respectively as compared with arrangement of one read element 2 and one write element 3 because the number (n) of element groups is 2. Similarly, the ratio of occupation by a buffer area 1b needed for the magnetic thin line 1 is 1/3 (≈33%) (the ratio of occupation by a data storage area 1a is 2/3 (≈67%)). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、反転磁化を利用して磁気記憶を行う磁気記憶装置に関する。   The present invention relates to a magnetic storage device that performs magnetic storage using reversal magnetization.

電源を断っても記憶が消失しない不揮発性メモリ素子の一つに、磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic random access memory:MRAM)がある。MRAMは、磁性体のスピンの方向によって抵抗値が変化することを利用したメモリデバイスである。MRAMは、磁気抵抗素子であるTMR及びこのTMRの上下に直交配線(ビット線及び書き込みワード線)を配置した複雑な構成により、データの書き込み及び読み取りを行う方式が主流とされている(例えば、特許文献1,2を参照)。   One of the nonvolatile memory elements whose memory is not lost even when the power is turned off is a magnetic random access memory (MRAM). The MRAM is a memory device that utilizes a change in resistance value depending on the spin direction of a magnetic material. In MRAM, a method of writing and reading data is mainly used due to a complicated configuration in which TMR which is a magnetoresistive element and orthogonal wirings (bit lines and write word lines) are arranged above and below this TMR (for example, (See Patent Documents 1 and 2).

近時では、MRAMの更なる高密度化・大容量(Gbit超)化の要請が高まっており、これを実現するためにTMR膜の微小化が進められている。しかしながら、TMR膜が微小化すると、フリー層の反磁場が増加し、磁化反転に必要な電流が増大して消費電力が増加すること、合成磁場が隣接素子に影響を与えてしまうこと等の解決すべき課題がある。   Recently, there is an increasing demand for higher density and higher capacity (over Gbit) of MRAM, and miniaturization of the TMR film is being promoted. However, if the TMR film is miniaturized, the demagnetizing field of the free layer increases, the current required for magnetization reversal increases and power consumption increases, and the combined magnetic field affects adjacent elements. There are issues to be addressed.

これらの問題を解決する手法として、スピン偏極した電流(スピン電流)を注入する「スピン注入磁化反転方式」の技術が提案されている(非特許文献1を参照)。
しかしながら、当該技術において、現状では磁化反転に必要な電流密度は、例えば107 [A/cm2]程度と大きい。また、磁気メモリにおいても、より高密度なストレージメモリを目指すためには、フラッシュメモリ等で実現されているような多値化記録方式が将来不可欠となる。
As a technique for solving these problems, a technique of “spin injection magnetization reversal method” in which a spin-polarized current (spin current) is injected has been proposed (see Non-Patent Document 1).
However, in the present technology, at present, the current density required for magnetization reversal is as large as about 10 7 [A / cm 2 ], for example. Also, in the magnetic memory, in order to aim for a higher-density storage memory, a multi-value recording method realized by a flash memory or the like will be essential in the future.

そこで、Gbit超の大容量メモリを目指した新しいメモリ方式として、スピントランスファー効果による磁壁の電流駆動現象(非特許文献2を参照)を応用した磁壁移動型ストレージメモリが提案されている(特許文献3を参照)。   Therefore, as a new memory system aiming at a large-capacity memory exceeding Gbit, a domain wall motion storage memory using a domain wall current drive phenomenon (see Non-Patent Document 2) by a spin transfer effect has been proposed (Patent Document 3). See).

特開平11−317071号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-317071 特開2002−246566号公報JP 2002-246666 A 特開2006−237183号公報JP 2006-237183 A スピン注入磁化反転の研究動向,屋上公二郎,鈴木義茂, 日本応用磁気学会Vol.28 No.9, 2004Research Trend of Spin Injection Magnetization Reversal, Kojiro Rooftop, Yoshishige Suzuki, Japan Society of Applied Magnetics Vol.28 No.9, 2004 Yamaguchi, Ono ; Physical Review Letters V92,Number.7 077205-1Yamaguchi, Ono; Physical Review Letters V92, Number.7 077205-1

しかしながら、上記の磁壁移動型ストレージメモリでは、データの読み取りに要する時間が長く、またデータの蓄積領域を十分に確保することができないという問題がある。   However, the domain wall motion type storage memory has a problem that it takes a long time to read data and a sufficient data storage area cannot be secured.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡素な構成により、データの読み取り時間、好ましくは更にデータの書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域を十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁気記録装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. With a relatively simple configuration, the data reading time, preferably further, the data writing time is greatly shortened to improve the data transfer speed, and the data An object of the present invention is to provide a highly reliable magnetic recording apparatus that can secure a sufficient storage area and improve the use efficiency of the recording apparatus.

本発明の磁気記録装置は、水平面に平行に配設された帯形状であり、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、前記磁区を移動させ、所望の前記磁区における磁化方向を検出することにより、当該磁区に記録された前記データを読み取る複数の読取素子とを含み、前記磁性細線は、前記データが記録される第1の領域と、前記データを読み取る際に移動する前記磁区を保持するための第2の領域とを有しており、前記各読取素子は、前記第1の領域上に所定間隔をおいて配設されて前記第1の領域を分割し、対応する分割部分に対する前記データの読み取り処理を行う。   The magnetic recording apparatus of the present invention has a strip shape arranged in parallel to a horizontal plane, and a plurality of magnetic domains can be formed freely. The magnetic fine wire for recording data corresponding to the magnetization direction of the magnetic domain, and the magnetic domain And a plurality of reading elements for reading the data recorded in the magnetic domain by detecting the magnetization direction in the desired magnetic domain, and the magnetic wire includes a first area in which the data is recorded And a second region for holding the magnetic domain that moves when reading the data, and each reading element is disposed on the first region at a predetermined interval. The first area is divided and the data is read from the corresponding divided portion.

本発明によれば、比較的簡素な構成により、データの読み取り時間、好ましくは更にデータの書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域を十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁気記録装置が実現する。   According to the present invention, with a relatively simple configuration, it is possible to significantly reduce the data reading time, preferably further the data writing time, thereby improving the data transfer speed and securing a sufficient data storage area. A highly reliable magnetic recording apparatus that can improve the use efficiency of the recording apparatus as possible is realized.

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

[磁壁移動型ストレージメモリの構成]
本実施形態では、図1に示すようなメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリを提示する。
このメモリセルの基本構成は、不図示の基板の上方に、磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線1と、磁性細線1に記録されたデータを読み出すデータ読出部の一部であり、磁性細線1上に接続された読取素子2と、磁性細線1にデータを書き込むデータ書込部であり、磁性細線1上に接続された書込素子3とを備えている。
[Configuration of domain wall motion storage memory]
In the present embodiment, a multi-value type domain wall motion storage memory having a basic configuration of memory cells as shown in FIG. 1 is presented.
The basic configuration of this memory cell is a magnetic thin wire 1 for recording data corresponding to the magnetization direction of the magnetic domain, and a part of a data reading unit for reading data recorded on the magnetic thin wire 1 above a substrate (not shown). A reading element 2 connected on the magnetic wire 1 and a data writing unit for writing data on the magnetic wire 1 and a writing element 3 connected on the magnetic wire 1 are provided.

磁性細線1は、強磁性材料、例えばNiFe及びCoFeBの積層構造からなり、基板表面(水平面)に平行に配設された例えば幅300nm以下の帯形状とされており、静磁気エネルギーが最小になるように複数の微小磁区11,12が形成自在とされ、磁区11,12の境界には磁壁(Domain Wall:DW)13が形成される。ここで、微小磁区11が矢印Mで示す方向(平行方向)、微小磁区12が矢印Nで示す方向(反平行方向)に磁化されたものである。なお、磁性細線1下に形成される下部電極については、ここでは図示を省略し、後述する製造方法において図示して説明する。   The magnetic wire 1 has a laminated structure of a ferromagnetic material, for example, NiFe and CoFeB, and has a band shape of, for example, a width of 300 nm or less arranged in parallel to the substrate surface (horizontal plane), and the magnetostatic energy is minimized. Thus, a plurality of minute magnetic domains 11 and 12 can be formed freely, and a domain wall (Domain Wall: DW) 13 is formed at the boundary between the magnetic domains 11 and 12. Here, the minute magnetic domain 11 is magnetized in the direction indicated by the arrow M (parallel direction), and the minute magnetic domain 12 is magnetized in the direction indicated by the arrow N (anti-parallel direction). Note that the lower electrode formed under the magnetic wire 1 is not illustrated here, and will be illustrated and described in the manufacturing method described later.

磁性細線1では、磁化困難方向及び磁化容易方向がその形状により制御され、長手方向に単一な微小磁区11,12が形成される。この磁性細線1にパルス電流を印加すると、伝導電子が磁壁13を横切る際に伝導電子のスピンは、s−d相互作用によって磁気モーメントに沿って回転する。この際、角運動量保存によって伝道電子のスピン角運動量は磁気モーメントへ吸収される。その結果、磁気モーメントは回転して磁壁13の移動が生じる。即ち、このスピントルク・トランスファー効果により、電流駆動によって磁壁を移動させることが可能となる。例えば、非特許文献2で示された実験結果によれば、例えばJ=1.2×1012A/cm2、0.5μs〜5μsのパルス電流により、3m/s程度の速度で磁壁13が移動することが、MFM測定から実証されている。このように、磁性細線1では、単一方向の微小磁区11,12の形成が可能であり、磁壁13(磁区11,12)を電流駆動で移動させることができる。この電流駆動を行うための磁壁移動電流であるパルス電流Ivは、不図示の配線から磁性細線1に供給される。 In the magnetic wire 1, the magnetization difficult direction and the magnetization easy direction are controlled by the shape thereof, and single minute magnetic domains 11 and 12 are formed in the longitudinal direction. When a pulse current is applied to the magnetic wire 1, when the conduction electrons cross the domain wall 13, the spins of the conduction electrons rotate along the magnetic moment by the sd interaction. At this time, the spin angular momentum of the mission electrons is absorbed into the magnetic moment by the conservation of angular momentum. As a result, the magnetic moment rotates and the domain wall 13 moves. That is, the domain wall can be moved by current drive by the spin torque transfer effect. For example, according to the experimental results shown in Non-Patent Document 2, for example, J = 1.2 × 10 12 A / cm 2 , and the domain wall 13 is moved at a speed of about 3 m / s by a pulse current of 0.5 μs to 5 μs. Migration is demonstrated from MFM measurements. As described above, in the magnetic wire 1, the tiny magnetic domains 11 and 12 in a single direction can be formed, and the domain wall 13 (magnetic domains 11 and 12) can be moved by current drive. A pulse current Iv, which is a domain wall motion current for performing this current drive, is supplied to the magnetic wire 1 from a wiring (not shown).

磁性細線1では、例えば1つの記録領域に1ビット("0"又は"1")のデータが記録される。ここで、図1の微小磁区11,12は、相異なる磁化方向で隣接して磁壁13が形成されているため、それぞれ1つの記録領域とされている。同一の磁化方向とされた記録領域が隣接する場合、両者間には磁壁13は形成させず、2つの記録領域からなる微小磁区が形成される。この一例として、同一の磁化方向(ここでは平行方向)とされた2つの記録領域からなる微小磁区を11aとして図示する。このようにして、1本の磁性細線1に多値のデータを記録することができる。   In the magnetic wire 1, for example, 1-bit (“0” or “1”) data is recorded in one recording area. Here, since the domain walls 13 are formed adjacent to each other in the different magnetization directions, the minute magnetic domains 11 and 12 in FIG. 1 are set as one recording area. When recording areas having the same magnetization direction are adjacent to each other, a domain wall 13 is not formed between the recording areas, and a minute magnetic domain composed of two recording areas is formed. As an example of this, a minute magnetic domain consisting of two recording areas having the same magnetization direction (parallel direction here) is shown as 11a. In this way, multivalued data can be recorded on one magnetic wire 1.

磁性細線1では、図示の例では読取素子2の右側部分がデータ蓄積領域1aとされており、読取素子2の左側部分は、データ蓄積領域1aにおける所望の記録領域のデータを読み取るために微小磁区11,12を移動させる際に、読取素子2を越えて移動した微小磁区11,12を保持するバッファ領域1b(一部を図示する。)とされている。なお、データの書き込み及び読み出しの効率を考慮すれば、磁性細線1の中央部分にデータ蓄積領域を、両端部分に一対のバッファ領域を配設するように構成することが好適である。   In the illustrated example, the right side portion of the reading element 2 is a data storage area 1a, and the left side portion of the reading element 2 is a minute magnetic domain for reading data in a desired recording area in the data storage area 1a. A buffer region 1b (a part of which is shown) is provided for holding the minute magnetic domains 11 and 12 that have moved beyond the reading element 2 when the 11, 12 is moved. In consideration of the efficiency of data writing and reading, it is preferable that the data storage area is arranged at the center of the magnetic wire 1 and a pair of buffer areas are arranged at both ends.

読取素子2は、磁性細線1の記録領域1aの一端上に形成されており、例えばMgOからなりトンネル絶縁膜として機能する絶縁層14と、例えばCoFeB、Ru、CoFe及びPtMnの積層構造からなり、磁化方向が固定(ここでは例えば平行方向に固定)されてなる固定磁化層15とが順次積層されて構成されている。読取素子2上には、上部電極16が積層されている。上部電極16の上面が読取電極4と接続されている。読取素子2は、磁性細線1と一体となっていわゆるTMR(Tunneling Magneto Resistance)の読取素子として機能する。   The reading element 2 is formed on one end of the recording region 1a of the magnetic wire 1 and has an insulating layer 14 made of, for example, MgO and functioning as a tunnel insulating film, and a laminated structure of, for example, CoFeB, Ru, CoFe, and PtMn. A fixed magnetization layer 15 having a magnetization direction fixed (here, fixed in a parallel direction, for example) is sequentially laminated. An upper electrode 16 is stacked on the reading element 2. The upper surface of the upper electrode 16 is connected to the reading electrode 4. The reading element 2 functions as a so-called TMR (Tunneling Magneto Resistance) reading element integrally with the magnetic wire 1.

書込素子3は、磁性細線1の記録領域1aの他端上に形成されており、例えばMgOからなりトンネル絶縁膜として機能する絶縁層17と、例えばCoFeB、Ru、CoFe及びPtMnの積層構造からなり、磁化方向が固定(ここでは例えば平行方向に固定)されてなる固定磁化層18とが順次積層されて構成されている。書込素子3上には、上部電極19が積層されている。上部電極19の上面が書込電極5と接続されている。書込素子3は、磁性細線1と一体となっていわゆるTMRの書込素子として機能する。   The writing element 3 is formed on the other end of the recording region 1a of the magnetic wire 1 and has an insulating layer 17 made of, for example, MgO and functioning as a tunnel insulating film, and a laminated structure of, for example, CoFeB, Ru, CoFe, and PtMn. Thus, a fixed magnetization layer 18 having a magnetization direction fixed (here, fixed in a parallel direction, for example) is sequentially laminated. An upper electrode 19 is stacked on the write element 3. The upper surface of the upper electrode 19 is connected to the write electrode 5. The write element 3 functions as a so-called TMR write element integrally with the magnetic wire 1.

ここで、読取素子2と書込素子3とでは、絶縁層14,17、固定磁化層15,18、上部電極16,19がそれぞれ同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成されている。
上記のように構成された複数のメモリセルが、例えば複数の磁性細線1を並設するように配されることにより、メモリセルアレイ(不図示)が構成される。
Here, in the reading element 2 and the writing element 3, the insulating layers 14 and 17, the fixed magnetization layers 15 and 18, and the upper electrodes 16 and 19 are formed in the same layer, that is, in the same layer position with the same material.
A memory cell array (not shown) is configured by arranging a plurality of memory cells configured as described above so that, for example, a plurality of magnetic thin wires 1 are arranged in parallel.

記録されたデータを読み取る際には、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ivを不図示のIv供給電極(製造方法において説明する。)から磁性細線1に供給し、所望の記録領域(単一或いは連続した複数の記録領域)を読取素子2の直下まで移動させ、読取電極4により読取素子2に読取電流を供給する。読取素子2の固定磁化層15は例えば平行方向に磁化されており、当該記録領域の磁化方向が平行方向である場合の読取素子2の抵抗値は、当該記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の読取素子2の抵抗値よりも低くなる。このように、記録領域の磁化方向に対応した抵抗値を読取電圧Vspとして検出することにより、当該記録領域に対応した微小磁区の磁化方向をデータとして読み取る。この読み取り動作を経た後のデータ読み出し動作については後述する。   When reading the recorded data, a predetermined pulse current Iv as a domain wall motion current is supplied from an Iv supply electrode (not shown) to the magnetic wire 1 (described in the manufacturing method), and a desired recording area (single or A plurality of continuous recording areas) are moved to a position immediately below the reading element 2, and a reading current is supplied to the reading element 2 by the reading electrode 4. The fixed magnetization layer 15 of the reading element 2 is magnetized in, for example, a parallel direction, and the resistance value of the reading element 2 when the magnetization direction of the recording area is parallel is the anti-parallel direction of the magnetization direction of the recording area. It becomes lower than the resistance value of the reading element 2 in some cases. Thus, by detecting the resistance value corresponding to the magnetization direction of the recording area as the read voltage Vsp, the magnetization direction of the minute magnetic domain corresponding to the recording area is read as data. The data read operation after this read operation will be described later.

一方、データを書き込む際には、書込電極5からスピン電流を書込素子3に供給する。スピン電流の印加方向に対応して、書込素子3の直上に位置する磁性細線1の記録領域が平行方向又は反平行方向の方向に磁化される。磁化された記録領域は、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ivを不図示のIv供給電極(製造方法において説明する。)から磁性細線1に供給することにより移動し、引き続き所望の記録領域が上記のように磁化されてゆく。   On the other hand, when writing data, a spin current is supplied from the write electrode 5 to the write element 3. Corresponding to the direction in which the spin current is applied, the recording region of the magnetic wire 1 positioned immediately above the writing element 3 is magnetized in the parallel direction or antiparallel direction. The magnetized recording area is moved by supplying a predetermined pulse current Iv as a domain wall moving current from an Iv supply electrode (not shown) to the magnetic thin wire 1 (described in the manufacturing method), and the desired recording area continues to be described above. It is magnetized like

ここで、このメモリセルにおける記録容量を試算した結果を示す。
例えば、記録領域の長さを60nm、磁性細線1の長さを1.4mm(メモリ長1.4mm(トラック長))、磁性細線1の幅を50nm(隣接する磁性細線1の離間距離も50nmとする) とし、磁性細線1(読取素子2及び書込素子3が各磁性細線1上に形成された構造とする)を100000本形成した場合、メモリ部サイズを1.4mm×1.1mmで、1.2Gbit程度の大容量が実現される。
Here, the result of trial calculation of the recording capacity in this memory cell is shown.
For example, the length of the recording area is 60 nm, the length of the magnetic wire 1 is 1.4 mm (memory length 1.4 mm (track length)), the width of the magnetic wire 1 is 50 nm (the separation distance between adjacent magnetic wires 1 is also 50 nm). In the case where 100,000 magnetic thin wires 1 (a structure in which the reading element 2 and the writing element 3 are formed on each magnetic thin wire 1) are formed, the memory portion size is 1.4 mm × 1.1 mm. A large capacity of about 1.2 Gbit is realized.

図1に示したメモリセルの基本構成の他の構成例を図2に示す。
このメモリセルでは、図1に示したメモリセルと同様の機能及び作用・効果を有するが、データ書込部の構成が異なる点で相違する。
FIG. 2 shows another configuration example of the basic configuration of the memory cell shown in FIG.
This memory cell has the same functions, operations and effects as the memory cell shown in FIG. 1, but is different in that the configuration of the data writing unit is different.

このメモリセルでは、データ書込部が、磁性細線1に近接配置(絶縁層により電気的に離間されて配置)された書込配線6で構成されている。
データを書き込む際には、書込配線6に電流を印加することにより磁界を発生させ、この磁界により磁性細線1の記録領域を磁化する。当該電流の印加方向に対応して、書込素子3の直上に位置する磁性細線1の記録領域が平行方向又は反平行方向の方向に磁化される。磁化された記録領域は、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ivを不図示の配線から磁性細線1に供給することにより移動し、引き続き所望の記録領域が上記のように磁化されてゆく。
In this memory cell, the data writing section is composed of a write wiring 6 disposed close to the magnetic wire 1 (disposed electrically separated by an insulating layer).
When writing data, a magnetic field is generated by applying a current to the write wiring 6, and the recording area of the magnetic wire 1 is magnetized by this magnetic field. Corresponding to the direction in which the current is applied, the recording region of the magnetic wire 1 positioned immediately above the writing element 3 is magnetized in the parallel or antiparallel direction. The magnetized recording area is moved by supplying a predetermined pulse current Iv as a domain wall motion current from a wiring (not shown) to the magnetic thin wire 1, and the desired recording area is subsequently magnetized as described above.

上記したように、この磁壁移動型ストレージメモリでは、磁性細線1は、データの書き込み及び読み出しの対象となるデータ蓄積領域1aと、データを読み取る際に移動する微小磁区11,12を保持するためのバッファ領域1bとから構成されている。以下に示すように、磁壁移動型ストレージメモリでは、データ蓄積領域1aと共にバッファ領域1bを設けることが必須であり、この点から諸々の問題が生じる。   As described above, in this domain wall motion type storage memory, the magnetic wire 1 is used to hold the data storage region 1a that is the target of data writing and reading and the micro magnetic domains 11 and 12 that move when data is read. And a buffer area 1b. As described below, in the domain wall motion storage memory, it is essential to provide the buffer area 1b together with the data storage area 1a, and various problems arise from this point.

図3は、磁性細線1と読取素子2及び書込素子2との原理的な配置関係を示す模式図である。
図示のように読取素子2及び書込素子3を配設した場合、データ読み取り時間Tr又は書込時間Twは、以下のように、磁性細線1のデータ蓄積領域1aにおける格納データ数(データが記録されている記録領域の数)N、磁壁移動電流であるパルス電流のパルス時間tに依存して長くなる。
Tr=Tw=N×t
FIG. 3 is a schematic diagram showing the basic arrangement relationship between the magnetic wire 1, the reading element 2 and the writing element 2.
When the reading element 2 and the writing element 3 are arranged as shown in the figure, the data reading time Tr or the writing time Tw is the number of stored data in the data storage area 1a of the magnetic wire 1 (data is recorded as follows). The number of recorded areas is increased by N and the pulse time t of the pulse current which is the domain wall motion current becomes longer.
Tr = Tw = N × t

また図示のように、磁性細線1では、格納データ数Nに相当するサイズ、即ちデータ蓄積領域1aと同サイズのバッファ領域1bが必要である。これは、磁性細線1のうちでデータの書き込み及び読み出しの対象とならないバッファ領域1bの占める割合が50%であることを意味しており、記録装置としての使用効率は低いと言わざるを得ない。   Further, as shown in the drawing, the magnetic wire 1 requires a buffer area 1b having a size corresponding to the number N of stored data, that is, the same size as the data storage area 1a. This means that the ratio of the buffer area 1b that is not the target of data writing and reading in the magnetic thin wire 1 is 50%, and it must be said that the usage efficiency as the recording apparatus is low. .

そこで本発明者は、上記の問題を解決すべく鋭意検討し、以下に示すような装置構成に想到した。
本発明では、飽くまで図1(又は図2)に示す磁壁移動型ストレージメモリの基本構成、即ち、水平面に平行に配設された帯形状の磁性細線1と、読取素子2及び書込素子3(又は書込配線6:以下省略)を備えた基本構成を前提として、読取素子2を複数備え、各読取素子2がデータ蓄積領域1a上に所定間隔をおいて配設されてデータ蓄積領域1aを分割し、対応する分割部分に対するデータの読み取り処理を行う。更に好ましくは、書込素子3も各読取素子2に隣接して複数備え、各書込素子3が対応する分割部分に対するデータの書き込み処理を行う構成の磁壁移動型ストレージメモリを提示する。
Therefore, the present inventor has intensively studied to solve the above problems and has come up with an apparatus configuration as shown below.
In the present invention, the basic configuration of the domain wall motion storage memory shown in FIG. 1 (or FIG. 2), that is, the strip-shaped magnetic wire 1 arranged in parallel to the horizontal plane, the reading element 2 and the writing element 3 ( Alternatively, on the premise of a basic configuration provided with a write wiring 6: the following is omitted), a plurality of reading elements 2 are provided, and each reading element 2 is arranged on the data storage area 1a at a predetermined interval so that the data storage area 1a is provided. The data is divided and data reading processing is performed on the corresponding divided portion. More preferably, a domain wall motion storage memory having a configuration in which a plurality of write elements 3 are provided adjacent to each read element 2 and data write processing is performed on the divided portion corresponding to each write element 3 is presented.

各1つの読取素子2及び書込素子3からなる素子群を磁性細線1のデータ蓄積領域1a上に例えば等間隔に複数配設することにより、データ蓄積領域1aが素子群数nで分割(ここでは等分割)される。この場合、少なくとも2つ、例えば全ての素子群について同時に読み出し処理及び書き込み処理を行うことができる。従って、データ読み取り時間Tr又は書込時間Twは、以下のように短縮される。
Tr=Tw=(N/n)×t
By arranging a plurality of element groups each consisting of one read element 2 and one write element 3 on the data storage area 1a of the magnetic wire 1 at equal intervals, for example, the data storage area 1a is divided by the number n of element groups (here Is divided equally). In this case, the reading process and the writing process can be simultaneously performed on at least two, for example, all element groups. Accordingly, the data reading time Tr or the writing time Tw is shortened as follows.
Tr = Tw = (N / n) × t

また、磁性細線1では、当該磁性細線1の全体(データ蓄積領域1aとバッファ領域1bとを合わせた全体)に対する必要とされるバッファ領域1bの占める割合Rも、以下のように短縮される。
R=[1/(n+1)]×100(%)
In the magnetic wire 1, the required ratio R of the buffer region 1b to the entire magnetic wire 1 (the total of the data storage region 1a and the buffer region 1b) is also shortened as follows.
R = [1 / (n + 1)] × 100 (%)

図4は、本発明における磁性細線1と読取素子2及び書込素子2との原理的な配置関係を示す模式図である。
ここでは、読取素子2及び書込素子3をそれぞれ2つずつ磁性細線1のデータ蓄積領域1a上に配設し(読取素子2a,2b及び書込素子3a,3bと図示する。)、データ蓄積領域1aを各分割領域1a1,1a2に分割した場合を例示する。このように各2つの読取素子2及び書込素子3を配設した場合、素子群数n=2であることから、読取素子2及び書込素子3を各1つずつ配設する場合(図3)に比べて、データ読み取り時間及び書き込み時間はそれぞれ半分に短縮される。同様に、磁性細線1で必要とされるバッファ領域1bの占める割合は1/3(≒33%)(データ蓄積領域1aの占める割合は2/3(≒67%))となる。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the basic arrangement relationship between the magnetic wire 1 and the reading element 2 and writing element 2 in the present invention.
Here, two reading elements 2 and two writing elements 3 are provided on the data storage region 1a of the magnetic thin wire 1 (each shown as reading elements 2a, 2b and writing elements 3a, 3b) to store data. The case where the area 1a is divided into the divided areas 1a 1 and 1a 2 will be exemplified. When each of the two reading elements 2 and the writing elements 3 is arranged in this way, the number of element groups is n = 2. Therefore, when the reading elements 2 and the writing elements 3 are arranged one by one (see FIG. Compared with 3), the data reading time and the writing time are each halved. Similarly, the ratio of the buffer area 1b required for the magnetic wire 1 is 1/3 (≈33%) (the ratio of the data storage area 1a is 2/3 (≈67%)).

ここで、特許文献3には、データ領域と蓄積部とを有するU字形状の磁気シフトレジスタを設け、U字形状の底部分に読取要素及び書込要素を備えた磁壁移動型ストレージメモリが開示されており、特許文献3の段落[0031]には、読取要素及び書込要素をそれぞれ2つ以上設けることにより、蓄積部をデータ領域よりも小さくできる旨が記載されている。しかしながら、このU字形状の磁気シフトレジスタでは、読取要素及び書込要素の配設部位としてはU字形状の底部分以外では実現不可能であり、従って蓄積部の縮小効果は殆ど見込めないものと考えられる。この点、特許文献3には、更なる読取要素及び書込要素の設置部位及びその設置(形成)方法については記載・示唆共に皆無である。従って、特許文献3の段落[0031]における上記の記載は、蓄積部の縮小効果を得るには全く不十分であり、発明の構成を開示したものではない。   Here, Patent Document 3 discloses a domain wall motion storage memory provided with a U-shaped magnetic shift register having a data area and a storage unit, and having a reading element and a writing element at the bottom of the U-shape. In paragraph [0031] of Patent Document 3, it is described that the storage unit can be made smaller than the data area by providing two or more reading elements and writing elements. However, with this U-shaped magnetic shift register, it is impossible to realize the reading element and writing element other than the bottom part of the U-shape, and therefore the reduction effect of the storage part is hardly expected. Conceivable. In this regard, Patent Document 3 does not describe or suggest any further reading element and writing element installation sites and installation (formation) methods. Therefore, the above description in paragraph [0031] of Patent Document 3 is not sufficient for obtaining the reduction effect of the storage section, and does not disclose the configuration of the invention.

これに対して本発明では、上記した実施形態のように、バッファ領域1bの縮小効果を容易且つ確実に実現すべく、磁性細線1として、水平面に平行に配設された帯形状のものを用いることを前提とし、この磁性細線1上に例えば等間隔に、各1つの読取素子2及び書込素子3からなる素子群を配設する構成を採る。   On the other hand, in the present invention, as in the above-described embodiment, in order to easily and surely realize the reduction effect of the buffer region 1b, the magnetic thin wire 1 having a strip shape arranged in parallel to the horizontal plane is used. As a premise, an element group composed of one reading element 2 and one writing element 3 is arranged on the magnetic wire 1 at equal intervals, for example.

このように本発明では、素子群数が大きくなるほど、データ読み取り時間及び書き込み時間が短縮し、磁性細線1でデータ蓄積領域1aの占める割合が大きくなる。本発明では、このような比較的簡素な構成により、データの読み取り時間及び書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域1aを十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁壁移動型ストレージメモリが実現する。   As described above, in the present invention, as the number of element groups is increased, the data reading time and the writing time are shortened, and the proportion of the data storage region 1a occupied by the magnetic thin wire 1 is increased. According to the present invention, such a relatively simple configuration greatly reduces the data reading time and writing time, thereby improving the data transfer speed, and recording the data storage area 1a sufficiently. A highly reliable domain wall motion storage memory that improves the usage efficiency of the apparatus is realized.

更に本実施形態では、図5に示すように、上記したメモリセルを複数備えてなるメモリセルアレイを提示する。
メモリセルアレイ10は、上記したメモリセルが複数並設されて構成されている。
即ち、メモリセルアレイ10では、複数の磁性細線1(図示の例では平行に配設された4本の磁性細線1)が並設されており、各磁性細線1には上記のように、複数の読取素子2及び書込素子3がデータ蓄積領域1a上に複数(図示の例では、2つの読取素子2(読取素子2a,2b)と1つの書込素子3)配設されている。各磁性細線1は、磁壁移動電流Iv(パルス電流)が同時に供給されるように構成されている。なお、図示の便宜上、読取素子2a,2b上にそれぞれ配される読取電極4、及び書込素子3上に配される書込電極5については図示を省略する。
Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 5, a memory cell array including a plurality of the above-described memory cells is presented.
The memory cell array 10 includes a plurality of the above-described memory cells arranged in parallel.
That is, in the memory cell array 10, a plurality of magnetic wires 1 (four magnetic wires 1 arranged in parallel in the illustrated example) are arranged in parallel, and each magnetic wire 1 has a plurality of magnetic wires 1 as described above. A plurality of reading elements 2 and writing elements 3 (two reading elements 2 (reading elements 2a and 2b) and one writing element 3 in the illustrated example) are arranged on the data storage region 1a. Each magnetic wire 1 is configured such that a domain wall motion current Iv (pulse current) is supplied simultaneously. For the convenience of illustration, the reading electrode 4 disposed on the reading elements 2a and 2b and the writing electrode 5 disposed on the writing element 3 are not shown.

ここで、各磁性細線1に設けられた読取素子2a,2bからそれぞれ読取素子ブロック31,32が、各磁性細線1に設けられた書込素子3から書込素子ブロック33が構成されている。
メモリセルアレイ10では、読取素子ブロック毎に読取素子の読み取り動作を一斉に行うことができる読取選択器34と、読取素子により読み取られたデータを判定するための基準電圧を発生させるデータ参照部35と、書込素子ブロック33の各書込素子3にスピン電流を適宜供給するための書込選択器36とが更に設けられている。
Here, reading element blocks 31 and 32 are constituted by reading elements 2 a and 2 b provided on each magnetic thin wire 1, and writing element block 33 is constituted by writing element 3 provided on each magnetic thin wire 1.
In the memory cell array 10, a reading selector 34 that can simultaneously perform reading operations of reading elements for each reading element block, and a data reference unit 35 that generates a reference voltage for determining data read by the reading elements, Further, a write selector 36 for appropriately supplying a spin current to each write element 3 of the write element block 33 is further provided.

読取選択器34は、読取素子ブロック31の各読取素子2aと接続された各端子35を有するデータ読取部34aと、読取素子ブロック31の各読取素子2bと接続された各端子34cを有するデータ読取部34bとを備え、データ読み出し時において、データ読取部34a,34bの一方を選択自在に構成されている。   The reading selector 34 has a data reading unit 34 a having terminals 35 connected to the reading elements 2 a of the reading element block 31 and a data reading unit having terminals 34 c connected to the reading elements 2 b of the reading element block 31. 34b, and is configured such that one of the data reading units 34a and 34b can be selected at the time of data reading.

データ参照部35は、各読取素子に対応して、データ読み出し時における基準電圧を発生する基準電圧発生部35aを備えて構成されている。図示の例では、4つの基準電圧発生部35aが設けられている。このように本実施形態では、データ参照部35として、読取素子ブロックを構成する読取素子数(図示の例では4つ)に対応した基準電圧発生部35aのみを設ければ良いため、データ参照部の占有面積を縮小することができる。   The data reference unit 35 includes a reference voltage generation unit 35a that generates a reference voltage at the time of data reading corresponding to each reading element. In the illustrated example, four reference voltage generators 35a are provided. As described above, in this embodiment, as the data reference unit 35, only the reference voltage generation unit 35a corresponding to the number of reading elements (four in the illustrated example) constituting the reading element block may be provided. The area occupied by can be reduced.

基準電圧は、読取素子2a,2bで磁性細線1の記録領域の磁化方向が平行方向である場合の抵抗値に対応した電圧Vlと、読取素子2で磁性細線1の記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の抵抗値Vh(Vl<Vh)との中間の値、例えばVref≒1/2(Vl+Vh)である。   The reference voltage is a voltage Vl corresponding to the resistance value when the magnetization direction of the recording area of the magnetic wire 1 is parallel in the reading elements 2a and 2b, and the magnetization direction of the recording area of the magnetic wire 1 is opposite to that of the reading element 2. A value intermediate between the resistance value Vh (Vl <Vh) in the parallel direction, for example, Vref≈1 / 2 (Vl + Vh).

基準電圧発生部35aとしては、磁性細線1及び読取素子2a,2bとは独立に基準電圧Vrefを発生させる構成としても、或いは、磁性細線1及び読取素子2a,2bを構成する各層と同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成してなる参照素子からなる構成としても良い。   The reference voltage generator 35a may be configured to generate the reference voltage Vref independently of the magnetic wire 1 and the reading elements 2a and 2b, or may be the same layer as each layer constituting the magnetic wire 1 and the reading elements 2a and 2b. That is, it may be configured by reference elements formed of the same material at the same layer position.

参照素子の一例について、図6を用いて説明する。
この場合、各基準電圧発生部35aは、それぞれ一対の参照素子20a,20bを有して構成される。
参照素子20aは、磁化方向が例えば平行方向とされてなる下部磁化層21aと、例えばMgOからなる絶縁層22aと、磁化方向が下部磁化層21aの磁化方向と同一の向き、ここでは平行方向とされてなる上部磁化層23aとが順次積層されて構成されている。
参照素子20bは、磁化方向が例えば平行方向とされてなる下部磁化層21bと、例えばMgOからなる絶縁層22bと、磁化方向が下部磁化層21bの磁化方向と逆向き、ここでは反平行方向とされてなる上部磁化層23bとが順次積層されて構成されている。
An example of the reference element will be described with reference to FIG.
In this case, each reference voltage generator 35a includes a pair of reference elements 20a and 20b.
The reference element 20a includes a lower magnetization layer 21a whose magnetization direction is, for example, a parallel direction, an insulating layer 22a made of, for example, MgO, and a magnetization direction that is the same as the magnetization direction of the lower magnetization layer 21a, here a parallel direction. The upper magnetic layer 23a thus formed is sequentially stacked.
The reference element 20b includes a lower magnetization layer 21b whose magnetization direction is, for example, a parallel direction, an insulating layer 22b made of, for example, MgO, and a magnetization direction that is opposite to the magnetization direction of the lower magnetization layer 21b. The upper magnetic layer 23b thus formed is sequentially stacked.

ここで、下部磁化層21a,21bが磁化方向を自在に変えられる磁化反転層から、上部磁化層23a,23bが磁化方向が固定されてなる磁化固定層からそれぞれ形成されている。   Here, the lower magnetization layers 21a and 21b are each formed from a magnetization switching layer whose magnetization direction can be freely changed, and the upper magnetization layers 23a and 23b are each formed from a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed.

参照素子20aに、読取素子2と同様の読取電流Irを供給した場合における抵抗値は、読取素子2で磁性細線1の記録領域の磁化方向が平行方向である場合の抵抗値と同様である。一方、参照素子20bに、読取素子2と同様の読取電流Irを供給した場合における抵抗値は、読取素子2で磁性細線1の記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の抵抗値と同様である。即ち、前者の抵抗値に対応した電圧はVl、後者の抵抗値に対応した電圧はVh(Vl<Vh)となる。   The resistance value when the read current Ir similar to that of the read element 2 is supplied to the reference element 20a is the same as the resistance value when the magnetization direction of the recording region of the magnetic wire 1 is parallel to the read element 2. On the other hand, the resistance value when the reading current Ir similar to that of the reading element 2 is supplied to the reference element 20b is the same as the resistance value when the magnetization direction of the recording region of the magnetic wire 1 is antiparallel in the reading element 2. It is. That is, the voltage corresponding to the former resistance value is Vl, and the voltage corresponding to the latter resistance value is Vh (Vl <Vh).

本例では、読取電流Irを供給する電流源24と、例えば入力電圧を1/2倍して出力する1/2電圧回路25を設け、参照素子20a,20bを直列接続してなる電圧(Vl+Vh)から参照電圧Vref≒1/2(Vl+Vh)を生成する。   In this example, a current source 24 that supplies the read current Ir and a 1/2 voltage circuit 25 that outputs the input voltage by halving, for example, are provided, and a voltage (Vl + Vh) formed by connecting the reference elements 20a and 20b in series. ) Generates a reference voltage Vref≈1 / 2 (Vl + Vh).

ここで、下部磁化層21a,21bが磁化方向を自在に変えられる磁化反転層から、上部磁化層23a,23bが磁化方向が固定されてなる磁化固定層からそれぞれ形成されており、磁性細線1と下部磁化層21a,21b、絶縁層14と絶縁層22、固定磁化層15と上部磁化層23a,23bがそれぞれ同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成されている。   Here, the lower magnetization layers 21a and 21b are formed from a magnetization switching layer whose magnetization direction can be freely changed, and the upper magnetization layers 23a and 23b are each formed from a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed. The lower magnetic layers 21a and 21b, the insulating layer 14 and the insulating layer 22, the fixed magnetic layer 15 and the upper magnetic layers 23a and 23b are formed in the same layer, that is, in the same layer position with the same material.

本実施形態では、読取選択器34で選択された読取素子ブロック31,32の一方の各読取素子における読取電圧Vspと、データ参照部35の基準電圧Vrefとが比較され、各読取素子に記録されているデータが判定される。即ち、例えば差動アンプ(不図示)を設け、読取電圧Vspと参照電圧Vrefとをそれぞれ差動アンプに入力して、差分値の正負から両者の大小を比較する。Vsp>Vrefであれば、磁性細線1の記録領域の磁化方向は反平行方向であり、Vsp<Vrefであれば、磁性細線1の記録領域の磁化方向は平行方向であると判定される。例えば、磁化方向が平行方向である場合をデータ"0"に、反平行方向である場合をデータ"1"に対応させた場合であれば、前者の場合にはデータ"1"が、後者の場合にはデータ"0"がそれぞれ読み出されることになる。   In the present embodiment, the read voltage Vsp of one of the read element blocks 31 and 32 selected by the read selector 34 is compared with the reference voltage Vref of the data reference unit 35 and recorded in each read element. Data is determined. That is, for example, a differential amplifier (not shown) is provided, and the read voltage Vsp and the reference voltage Vref are respectively input to the differential amplifier, and the magnitudes of both are compared from the positive and negative of the difference value. If Vsp> Vref, the magnetization direction of the recording area of the magnetic wire 1 is antiparallel, and if Vsp <Vref, the magnetization direction of the recording area of the magnetic wire 1 is determined to be parallel. For example, when the magnetization direction is parallel to the data “0” and when the magnetization direction is anti-parallel, the data “1” corresponds to the data “1”. In this case, data “0” is read out.

このように本実施形態では、読取素子ブロック毎にデータ参照部35との参照動作がなされ、当該読取素子ブロックを構成する各読取素子(読取素子ブロック31であれば各読取素子2a、読取素子ブロック32であれば各読取素子2b)について一斉にデータ読み出しが行われる。図示の例では、4本の磁性細線1における4つの読取素子について同時にデータ読み出しが行われるため、1つの読取素子毎にデータ読み出しが行われる場合に比べて読み出し速度は4倍(読み出し時間は1/4)となる。   Thus, in the present embodiment, the reference operation with the data reference unit 35 is performed for each reading element block, and each reading element constituting the reading element block (if the reading element block 31, each reading element 2a, the reading element block). If it is 32, data reading is performed simultaneously for each reading element 2b). In the example shown in the figure, data reading is simultaneously performed on four reading elements in the four magnetic thin wires 1, so that the reading speed is four times faster than when data reading is performed for each reading element (the reading time is 1). / 4).

書込選択器36は、書込素子ブロック33を構成する各書込素子3と接続された各端子36aを有しており、各端子36a毎に、記録するデータに対応した方向のスピン電流Isを供給するように構成されている。
このように本実施形態では、書込素子ブロック33を構成する各書込素子3について一斉にデータ書き込みが行われる。図示の例では、4本の磁性細線1における4つの書込素子3について同時にデータ書き込みが行われるため、1つの書込素子3毎にデータ書き込みが行われる場合に比べて書き込み速度は4倍(書き込み時間は1/4)となる。
The write selector 36 has terminals 36a connected to the write elements 3 constituting the write element block 33. For each terminal 36a, a spin current Is in a direction corresponding to the data to be recorded. Is configured to supply.
As described above, in the present embodiment, data writing is performed on all the write elements 3 constituting the write element block 33 all at once. In the illustrated example, data writing is simultaneously performed on the four write elements 3 in the four magnetic thin wires 1, so that the write speed is four times faster than when data is written for each write element 3 ( The writing time is 1/4).

なお、上記の例ではメモリセルアレイを構成するメモリセルのうち、4つのメモリセルを示したが、本発明は勿論これに限定されるものではない。
例えば、メモリセルアレイを構成するメモリセルをK個(即ち、K本の磁性細線1が並設された構成)、読取素子ブロックを構成する読取素子数をL個(K,Lはそれぞれ2以上の自然数であり、L≦K)とすれば、1つの読取素子毎にデータ読み出しが行われる場合に比べて読み出し速度はL倍(読み出し時間は1/L)となる。
同様に、書込素子ブロックを構成する書込素子数をL個(K,Lはそれぞれ2以上の自然数であり、L≦K)とすれば、1つの書込素子毎にデータ書き込みが行われる場合に比べて書き込み速度はL倍(書き込み時間は1/L)となる。
In the above example, four memory cells are shown among the memory cells constituting the memory cell array, but the present invention is not limited to this.
For example, K memory cells constituting the memory cell array (that is, a configuration in which K magnetic thin wires 1 are arranged in parallel), and the number of reading elements constituting the reading element block is L (K and L are each 2 or more). If it is a natural number and L ≦ K), the reading speed is L times (reading time is 1 / L) compared to the case where data reading is performed for each reading element.
Similarly, if the number of write elements constituting the write element block is L (K and L are natural numbers of 2 or more and L ≦ K), data writing is performed for each write element. Compared to the case, the writing speed is L times (writing time is 1 / L).

[磁壁移動型ストレージメモリの製造方法]
以下、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法について説明する。
図7及び図8は、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
[Method of manufacturing domain wall moving storage memory]
Hereinafter, a manufacturing method of the multi-value type domain wall motion storage memory according to the present embodiment will be described.
7 and 8 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the multi-value domain wall motion storage memory according to this embodiment in the order of steps.

先ず、図7(a)に示すように、シリコン基板51上に、絶縁膜52内に埋め込まれてなる下部電極53を形成する。
詳細には、シリコン基板51上に、例えばCVD法により絶縁膜52、ここではシリコン酸化膜を例えば膜厚200nm程度に堆積形成する。
次に、絶縁膜52をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工して、各電極形成用の溝52aを形成し、各溝52aを埋め込むように、例えばスパッタ法により導電材料、ここではCuを例えば膜厚400nm程度に堆積する。そして、堆積したCuを絶縁膜52の表面が露出するまで化学機械研磨(CMP)法により研磨して平坦化し、各溝52aをCuで充填してなる下部電極53を形成する。
First, as shown in FIG. 7A, a lower electrode 53 embedded in an insulating film 52 is formed on a silicon substrate 51.
Specifically, an insulating film 52, here a silicon oxide film, is deposited on the silicon substrate 51 by, for example, a CVD method to a thickness of about 200 nm, for example.
Next, the insulating film 52 is processed by lithography and dry etching to form a groove 52a for forming each electrode, and in order to embed each groove 52a, a conductive material, for example, Cu here has a film thickness of 400 nm, for example, by sputtering. Deposit to a degree. Then, the deposited Cu is polished and planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method until the surface of the insulating film 52 is exposed, and a lower electrode 53 is formed by filling each groove 52a with Cu.

続いて、図7(b)に示すように、磁性細線1を形成する。
詳細には、下部磁性膜として、例えば膜厚30nm程度のNiFe及び膜厚2nm程度のCoFeBの積層構造を堆積形成する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングにより、この下部磁性膜をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、ストライプ状の複数の磁性細線1を、例えば幅及びピッチが50nm程度のL&S(line and Space)となるように並設形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 7B, the magnetic wire 1 is formed.
Specifically, as the lower magnetic film, for example, a stacked structure of NiFe having a thickness of about 30 nm and CoFeB having a thickness of about 2 nm is deposited. Then, the lower magnetic film is processed by lithography and dry etching by lithography and dry etching, and a plurality of stripe-shaped magnetic thin wires 1 are arranged in parallel so as to be L & S (line and space) having a width and a pitch of about 50 nm, for example. Set up.

続いて、図7(c)に示すように、磁性細線1を覆うように、絶縁膜55、上部磁性膜56、及び導電膜57を順次積層する。
詳細には、絶縁膜55としては例えば膜厚1nm程度のMgOを、上部磁性膜56としては例えば膜厚2.3nm程度のCoFeB、膜厚0.8nm程度のRu、膜厚1.7nm程度のCoFe及び反強磁性層として膜厚100nm程度のPtMnの積層構造を、導電膜57としては例えば膜厚50nm程度のTaを順次形成する。
Subsequently, as illustrated in FIG. 7C, an insulating film 55, an upper magnetic film 56, and a conductive film 57 are sequentially stacked so as to cover the magnetic wire 1.
Specifically, the insulating film 55 is made of MgO having a thickness of about 1 nm, for example, and the upper magnetic film 56 is made of CoFeB having a thickness of about 2.3 nm, Ru having a thickness of about 0.8 nm, and having a thickness of about 1.7 nm. A stacked structure of PtMn having a thickness of about 100 nm is sequentially formed as CoFe and an antiferromagnetic layer, and Ta having a thickness of, for example, about 50 nm is sequentially formed as the conductive film 57.

続いて、図8(a)に示すように、読取素子2a,2b、書込素子3及び各上部電極16,19を形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、上部磁性膜56に要求される形状に、導電膜57、上部磁性膜56、及び絶縁膜55からなる積層体を加工する。このドライエッチングでは、磁性細線1の表面をエッチングストッパーとして行う。即ち、磁性細線1上の各下部電極53の上方に相当する、読取素子2a,2b及び書込素子3の形成部分に積層体を残す。
Subsequently, as shown in FIG. 8A, the reading elements 2a and 2b, the writing element 3 and the upper electrodes 16 and 19 are formed.
Specifically, the laminated body including the conductive film 57, the upper magnetic film 56, and the insulating film 55 is processed into a shape required for the upper magnetic film 56 by lithography and dry etching. In this dry etching, the surface of the magnetic wire 1 is used as an etching stopper. That is, the stacked body is left in the portions where the reading elements 2 a and 2 b and the writing element 3 are formed, corresponding to the upper part of each lower electrode 53 on the magnetic wire 1.

以上により、磁性細線1上の各下部電極53の上方に相当する部分に、絶縁層14及び固定磁化層15が順次積層されてなる読取素子2a,2bと、絶縁層17及び固定磁化層18が順次積層されてなる書込素子3とを備えたメモリ部分(メモリセルの基本構成)が形成される。ここで、読取素子2a,2b上には各上部電極16が、書込素子3上には上部電極19がそれぞれ形成される。   As described above, the reading elements 2a and 2b in which the insulating layer 14 and the fixed magnetic layer 15 are sequentially laminated on the portion corresponding to the upper part of each lower electrode 53 on the magnetic wire 1 and the insulating layer 17 and the fixed magnetic layer 18 are provided. A memory portion (basic configuration of the memory cell) including the write elements 3 sequentially stacked is formed. Here, the upper electrodes 16 are formed on the reading elements 2 a and 2 b, and the upper electrode 19 is formed on the writing element 3.

続いて、図8(b)に示すように、層間絶縁膜58及びコンタクトプラグ59を形成する。
詳細には、例えばCVD法により絶縁膜、ここでは膜厚200nm程度のシリコン酸化膜を全面に形成し、層間絶縁膜58を形成する。
次に、上部電極16,19の各表面が露出するまで層間絶縁膜58をCMP法により研磨して平坦化する。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, an interlayer insulating film 58 and a contact plug 59 are formed.
Specifically, for example, an insulating film, here, a silicon oxide film having a thickness of about 200 nm is formed on the entire surface by CVD, and an interlayer insulating film 58 is formed.
Next, the interlayer insulating film 58 is polished and planarized by the CMP method until the surfaces of the upper electrodes 16 and 19 are exposed.

次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより、磁性細線1の表面の一端を露出するように層間絶縁膜58を加工し、層間絶縁膜58にビア孔58aを形成する。
そして、例えばCVD法により、ビア孔58aの内壁面を覆うようにTiN膜を堆積してバリアメタル膜(不図示)を形成した後、CVD法により、バリアメタル膜を介してビア孔58aを埋め込むようにタングステン(W)膜を堆積する。層間絶縁膜58の表面が露出するまでW膜及びバリアメタル膜をエッチバック又はポリッシュバックし、バリアメタル膜を介してWでビア孔58aを充填し、磁性細線1と一端で電気的に接続されてなるコンタクトプラグ59を形成する。
Next, the interlayer insulating film 58 is processed so as to expose one end of the surface of the magnetic wire 1 by lithography and dry etching, and a via hole 58 a is formed in the interlayer insulating film 58.
Then, for example, a CVD method is used to deposit a TiN film so as to cover the inner wall surface of the via hole 58a to form a barrier metal film (not shown), and then the via hole 58a is embedded via the barrier metal film by the CVD method. A tungsten (W) film is deposited as described above. Etch back or polish back the W film and the barrier metal film until the surface of the interlayer insulating film 58 is exposed, fill the via hole 58a with W through the barrier metal film, and be electrically connected to the magnetic wire 1 at one end. The contact plug 59 is formed.

続いて、図8(c)に示すように、各読取電極4、書込電極5、及びIv供給電極61を形成する。ここで、Iv供給電極61は、磁性細線1に磁壁移動電流を供給するための電極である。
詳細には、コンタクトプラグ59、各上部電極16、及び上部電極19の各表面が露出する層間絶縁膜58上に、導電材料、ここではCuを膜厚200nm程度に堆積する。このCuをリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、露出したコンタクトプラグ59、各上部電極16、及び上部電極19の各表面上にこの順序で、Iv供給電極61、各読取電極4、及び書込電極5を同時形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, each read electrode 4, write electrode 5, and Iv supply electrode 61 are formed. Here, the Iv supply electrode 61 is an electrode for supplying a domain wall motion current to the magnetic wire 1.
Specifically, a conductive material, here Cu, is deposited to a thickness of about 200 nm on the interlayer insulating film 58 from which the surfaces of the contact plug 59, each upper electrode 16, and each upper electrode 19 are exposed. This Cu is processed by lithography and dry etching, and on each surface of the exposed contact plug 59, each upper electrode 16, and the upper electrode 19, in this order, the Iv supply electrode 61, each read electrode 4, and the write electrode 5 Are formed simultaneously.

しかる後、例えばCVD法により、読取電極4、書込電極5、及びIv供給電極61を覆うように全面に絶縁膜、ここではシリコン酸化膜を膜厚400nm程度に堆積し、保護膜62を形成する。
以上の工程を経ることにより、図1に示すようなメモリセルの基本構成を有する、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリを完成させる。
Thereafter, an insulating film, here a silicon oxide film, is deposited to a thickness of about 400 nm so as to cover the read electrode 4, the write electrode 5 and the Iv supply electrode 61 by, for example, a CVD method, and a protective film 62 is formed. To do.
Through the above steps, the multi-value domain wall motion storage memory according to the present embodiment having the basic configuration of the memory cell as shown in FIG. 1 is completed.

なおここでは、図1に示すようなメモリセルの基本構成を有する磁壁移動型ストレージメモリの製造方法について例示したが、図2に示すようなメモリセルの基本構成を有する磁壁移動型ストレージメモリには、書込素子2を形成する代わりに、磁性細線1の上方で下部電極53の上方に位置整合する部位に、層間絶縁膜58内で磁性細線1と所定距離だけ離間するように、例えばCuを材料として書込配線6を形成すれば良い。他の工程は上記と同様である。   Here, the manufacturing method of the domain wall motion type storage memory having the basic configuration of the memory cell as shown in FIG. 1 is illustrated, but the domain wall motion type storage memory having the basic configuration of the memory cell as shown in FIG. Instead of forming the writing element 2, for example, Cu is separated from the magnetic wire 1 by a predetermined distance in the interlayer insulating film 58 at a position aligned above the magnetic wire 1 and above the lower electrode 53. What is necessary is just to form the write wiring 6 as a material. Other steps are the same as above.

また、上記の実施形態では、読取素子2a,2b及び書込素子3として、TMR型のスピン注入素子を用いた場合を例示したが、GMR型の素子としても良い。   In the above-described embodiment, the case where the TMR type spin injection element is used as the reading elements 2a and 2b and the writing element 3 is exemplified, but a GMR type element may be used.

また、上記の実施形態では、磁性細線1として、NiFe及びCoFeBの積層構造により構成する場合を例示したが、これらの強磁性層としては、Co,Ni,Fe等の強磁性材料 又はこれらの合金(CoFe, NiFe, CoFeB等)からなる強磁性材料により構成しても良い。   In the above-described embodiment, the magnetic thin wire 1 is exemplified by a laminated structure of NiFe and CoFeB. However, as these ferromagnetic layers, a ferromagnetic material such as Co, Ni, Fe, or an alloy thereof is used. You may comprise by the ferromagnetic material which consists of (CoFe, NiFe, CoFeB etc.).

また、固定磁化層15,18の反強磁性層として、PtMnにより構成する場合を例示したが、反強磁性層としては、IrMn,PdPtMn等の反強磁性材料により構成しても良い。
固定磁化層15,18の非磁性層をRuにより構成する場合を例示したが、これらの非磁性層としては、Rh,Cu,Al,Au等の非磁性材料により構成しても良い。
Further, the case where the antiferromagnetic layers of the pinned magnetic layers 15 and 18 are made of PtMn has been exemplified, but the antiferromagnetic layer may be made of an antiferromagnetic material such as IrMn or PdPtMn.
Although the case where the nonmagnetic layers of the fixed magnetization layers 15 and 18 are made of Ru has been illustrated, these nonmagnetic layers may be made of a nonmagnetic material such as Rh, Cu, Al, or Au.

また、絶縁層14,17をMgOにより構成する場合を例示したが、トンネル絶縁膜としては、AlOx,HfOx、TiOx、TaOx(1≦x≦2)等の絶縁材料により構成しても良い。   Further, although the case where the insulating layers 14 and 17 are made of MgO has been exemplified, the tunnel insulating film may be made of an insulating material such as AlOx, HfOx, TiOx, TaOx (1 ≦ x ≦ 2).

以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、データの読み取り時間、好ましくは更にデータの書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域を十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁壁移動型ストレージメモリが実現する。   As described above, according to the present embodiment, with a relatively simple configuration, the data reading time, preferably further the data writing time is greatly shortened to improve the data transfer speed, and the data storage area Therefore, a highly-reliable domain wall motion storage memory is realized that can sufficiently ensure the above-mentioned and improve the usage efficiency of the recording apparatus.

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.

(付記1)水平面に平行に配設された帯形状であり、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、
前記磁区を移動させ、所望の前記磁区における磁化方向を検出することにより、当該磁区に記録された前記データを読み取る複数の読取素子と
を含み、
前記磁性細線は、前記データが記録される第1の領域と、前記データを読み取る際に移動する前記磁区を保持するための第2の領域とを有しており、
前記各読取素子は、前記第1の領域上に所定間隔をおいて配設されて前記第1の領域を分割し、対応する分割部分に対する前記データの読み取り処理を行うことを特徴とする磁気記録装置。
(Appendix 1) It is a strip shape arranged in parallel to a horizontal plane, and a plurality of magnetic domains can be freely formed, and a magnetic wire for recording data corresponding to the magnetization direction of the magnetic domain;
A plurality of reading elements that read the data recorded in the magnetic domain by moving the magnetic domain and detecting the magnetization direction in the desired magnetic domain;
The magnetic wire has a first area in which the data is recorded, and a second area for holding the magnetic domain that moves when the data is read.
Each of the reading elements is disposed on the first area at a predetermined interval, divides the first area, and performs the data reading process on a corresponding divided portion. apparatus.

(付記2)複数の前記読取素子のうち、少なくとも2つの前記読取素子は、前記各読取素子の対応する前記分割部分に対する前記データの読み取り処理を一斉に行うことを特徴とする付記1に記載の磁気記録装置。   (Supplementary note 2) The supplementary note 1, wherein at least two of the plurality of reading elements simultaneously perform the data reading process on the divided portions corresponding to the reading elements. Magnetic recording device.

(付記3)複数の前記磁性細線が並設されており、
前記各磁性細線に配設された複数の前記読取素子のうち、少なくとも1つの前記読取素子による前記データの読み取り処理を、少なくとも2本の前記磁性細線について一斉に行うことを特徴とする付記1又は2に記載の磁気記録装置。
(Appendix 3) A plurality of the magnetic thin wires are juxtaposed,
The supplementary note 1 or 2, wherein the data reading process by at least one reading element among the plurality of reading elements arranged on each magnetic thin line is performed simultaneously on at least two of the magnetic thin lines. 2. A magnetic recording apparatus according to 2.

(付記4)前記読取素子により読み取られた前記データを判定するための基準電圧を発生させるデータ参照部を更に含み、
前記データ参照部により発生させた前記基準電圧と、前記各読取素子により一斉に読み取られた電圧とを比較して前記データを判定することを特徴とする付記3に記載の磁気記録装置。
(Additional remark 4) The data reference part which generates the reference voltage for judging the data read by the reading element further is included,
4. The magnetic recording apparatus according to appendix 3, wherein the data is determined by comparing the reference voltage generated by the data reference unit with the voltages read simultaneously by the reading elements.

(付記5)前記磁性細線の前記第1の領域にデータを書き込む書込部を更に含み、
前記書込部は、前記第1の領域上に配設されていることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の磁気記録装置。
(Additional remark 5) It further includes the writing part which writes data in the said 1st area | region of the said magnetic wire,
5. The magnetic recording apparatus according to any one of appendices 1 to 4, wherein the writing unit is disposed on the first region.

(付記6)複数の書込部を含み、
前記第1の領域上に前記各読取素子に隣接して前記書込部が配設されていることを特徴とする付記5に記載の磁気記録装置。
(Appendix 6) including a plurality of writing units,
6. The magnetic recording apparatus according to appendix 5, wherein the writing unit is disposed adjacent to each reading element on the first region.

(付記7)前記書込部は、前記磁性細線に接続された書込素子を有することを特徴とする付記5又は6に記載の磁気記録装置。   (Supplementary note 7) The magnetic recording apparatus according to supplementary note 5 or 6, wherein the writing unit includes a writing element connected to the magnetic wire.

(付記8)前記書込部は、前記磁性細線に近接して設けられた書込配線を有することを特徴とする付記5又は6に記載の磁気記録装置。   (Supplementary note 8) The magnetic recording apparatus according to supplementary note 5 or 6, wherein the writing section includes a write wiring provided in proximity to the magnetic thin wire.

(付記9)複数の前記磁性細線が並設されており、
少なくとも2本の前記磁性細線について、前記各磁性細線に配設された前記データ書込部による前記データの書き込み処理を一斉に行うことを特徴とする付記5〜8のいずれか1項に記載の磁気記録装置。
(Appendix 9) A plurality of the magnetic thin wires are juxtaposed,
9. The data writing process according to any one of appendices 5 to 8, wherein the data writing process by the data writing unit disposed in each of the magnetic thin wires is performed simultaneously for at least two of the magnetic thin wires. Magnetic recording device.

本発明におけるメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリを示す概略斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a multi-value type domain wall motion storage memory having a basic configuration of a memory cell according to the present invention. 本発明におけるメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリの他の例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the other example of the multi-value type domain wall motion type storage memory which has the basic composition of the memory cell in this invention. 磁性細線と読取素子及び書込素子との原理的な配置関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the fundamental arrangement | positioning relationship between a magnetic thin wire | line, a reading element, and a writing element. 本発明における磁性細線と読取素子及び書込素子との原理的な配置関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the fundamental arrangement | positioning relationship between the magnetic wire in this invention, a reading element, and a writing element. 図4の原理を採用したメモリセルを複数備えてなるメモリセルアレイを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a memory cell array including a plurality of memory cells adopting the principle of FIG. 4. 参照素子の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a reference element. 本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional view showing a manufacturing method of a multi-value type domain wall motion type storage memory according to this embodiment in the order of steps. 図7に引き続き、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the multi-value domain wall motion storage memory according to the present embodiment in order of processes following FIG. 7.

符号の説明Explanation of symbols

1 磁性細線
1a データ蓄積領域
1b バッファ領域
2(2a,2b) 読取素子
3(3a,3b) 書込素子
4 読取電極
5 書込電極
6 書込配線
11,11a,12 微小磁区
13 磁壁
14,17,22a,22b 絶縁層
15,18 固定磁化層
16,19 上部電極
21a,21b 下部磁化層
23a,23b 上部磁化層
24 電流源
25 1/2電圧回路
50a メモリ形成領域
50b 参照素子形成領域
51 シリコン基板
52,55 絶縁膜
52a 溝
53 下部電極
56 上部磁性膜
57 導電膜
58 層間絶縁膜
58a ビア孔
59 コンタクトプラグ
61 Iv供給電極
62 保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic thin wire | line 1a Data storage area 1b Buffer area | region 2 (2a, 2b) Read element 3 (3a, 3b) Write element 4 Read electrode 5 Write electrode 6 Write wiring 11, 11a, 12 Micro magnetic domain 13 Domain wall 14, 17 , 22a, 22b Insulating layers 15, 18 Fixed magnetization layers 16, 19 Upper electrodes 21a, 21b Lower magnetization layers 23a, 23b Upper magnetization layer 24 Current source 25 1/2 voltage circuit 50a Memory formation region 50b Reference element formation region 51 Silicon substrate 52, 55 Insulating film 52a Groove 53 Lower electrode 56 Upper magnetic film 57 Conductive film 58 Interlayer insulating film 58a Via hole 59 Contact plug 61 Iv supply electrode 62 Protective film

Claims (5)

水平面に平行に配設された帯形状であり、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、
前記磁区を移動させ、所望の前記磁区における磁化方向を検出することにより、当該磁区に記録された前記データを読み取る複数の読取素子と
を含み、
前記磁性細線は、前記データが記録される第1の領域と、前記データを読み取る際に移動する前記磁区を保持するための第2の領域とを有しており、
前記各読取素子は、前記第1の領域上に所定間隔をおいて配設されて前記第1の領域を分割し、対応する分割部分に対する前記データの読み取り処理を行うことを特徴とする磁気記録装置。
A strip shape arranged parallel to the horizontal plane, and a plurality of magnetic domains can be freely formed, and a magnetic wire for recording data corresponding to the magnetization direction of the magnetic domain;
A plurality of reading elements that read the data recorded in the magnetic domain by moving the magnetic domain and detecting the magnetization direction in the desired magnetic domain;
The magnetic wire has a first area in which the data is recorded, and a second area for holding the magnetic domain that moves when the data is read.
Each of the reading elements is disposed on the first area at a predetermined interval, divides the first area, and performs the data reading process on a corresponding divided portion. apparatus.
複数の前記読取素子のうち、少なくとも2つの前記読取素子は、前記各読取素子の対応する前記分割部分に対する前記データの読み取り処理を一斉に行うことを特徴とする請求項1に記載の磁気記録装置。   2. The magnetic recording apparatus according to claim 1, wherein at least two of the plurality of reading elements simultaneously perform the data reading process on the divided portions corresponding to the reading elements. . 複数の前記磁性細線が並設されており、
前記各磁性細線に配設された複数の前記読取素子のうち、少なくとも1つの前記読取素子による前記データの読み取り処理を、少なくとも2本の前記磁性細線について一斉に行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気記録装置。
A plurality of the magnetic thin wires are juxtaposed,
2. The data reading process by at least one reading element among the plurality of reading elements arranged on each magnetic thin line is performed simultaneously on at least two magnetic thin lines. Or a magnetic recording apparatus according to 2;
前記磁性細線の前記第1の領域にデータを書き込む書込部を更に含み、
前記書込部は、前記第1の領域上に配設されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁気記録装置。
A writing unit for writing data in the first region of the magnetic wire;
The magnetic recording apparatus according to claim 1, wherein the writing unit is disposed on the first region.
複数の前記磁性細線が並設されており、
少なくとも2本の前記磁性細線について、前記各磁性細線に配設された前記データ書込部による前記データの書き込み処理を一斉に行うことを特徴とする請求項4に記載の磁気記録装置。
A plurality of the magnetic thin wires are juxtaposed,
5. The magnetic recording apparatus according to claim 4, wherein the data writing process by the data writing unit disposed in each of the magnetic thin wires is performed simultaneously for at least two of the magnetic thin wires.
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