JP2010016060A - 磁壁移動型ストレージデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 本件は、強磁性材料からなり、磁壁の有無による情報を記憶するとともに移動電流の供給を受けて磁壁を移動させるメモリ線を備えた磁壁移動型ストレージデバイスに関し、低コストの読出方式を採用する。
【解決手段】 メモリ線上の情報読出点でメモリ線と交差する読出線を形成し、メモリ線に形成されている磁壁が情報読出点を通過する際に生じる誘導起電力をピックアップすることにより、メモリ線の、磁壁の有無による情報を読み出す。
【選択図】 図３

Description

本件は、強磁性材料からなり、磁壁の形成を受けて磁壁の有無による情報を記憶するとともに移動電流の供給を受けて磁壁を移動させるメモリ線を備えた磁壁移動型ストレージデバイスに関する。

現行のＤＲＡＭ、あるいはＦＬＡＳＨに代わる次世代の超大容量不揮発性メモリの研究開発が近年活発に行われている。その候補として、誘電体を利用したＦｅＲＡＭ、メモリを構成する絶縁体の相変化を利用したＰＲＡＭ、ＴＭＲ効果を利用したＭＲＡＭ、原理はまだ明確ではないがパルス電流の印加方向によって生じる巨大な抵抗変化を利用したＲＲＡＭなどが挙げられる。しかし、これらのメモリデバイスはいずれもその性能が一長一短であり、現行のメモリを置き換えるには至っていない。

最近になってスピン注入による磁壁移動現象とＴＭＲ効果を利用して大容量ストレージ（メモリ）を実現しようとするレーストラックメモリと呼ばれるアイデアが発表されており（特許文献１）、それを受けて、それに関連した様々な技術の提案が続いている（特許文献２〜８）
ＵＳＰ６８３４００５号公報 特開２００６−７３９３０号公報 特開２００６−２７００６９号公報 特開２００７−２７３４９５号公報 特開２００７−３１７８９５号公報 特開２００７−３２４１７２号公報 特開２００７−３２４２６９号公報 特開２００７−３２４２７６号公報

これまでの磁壁移動型ストレージデバイスの読み出し方式としては、ＣＰＰ−ＧＭＲあるいはＴＭＲ素子を細線の読み出し部に配置する方法が提案されている。しかし、製造工程を考えると、ＧＭＲあるいはＴＭＲ多層膜の成膜、素子加工など製造工程が大幅に増えてしまう。また、ＧＭＲ，ＴＭＲ多層膜では例えばＩｒＭｎなど希少元素を利用するため、デバイスとして高コストになってしまうという問題がある。

本件開示の磁壁移動型ストレージデバイスの課題は、低コストの読出方式を採用することにある。

本件開示の磁壁移動型ストレージデバイスは、
強磁性材料からなり、近接した同極の極磁どうしの間に形成される磁壁の形成を受けて磁壁の有無による情報を記憶し、移動電流の供給を受けて磁壁を移動させるメモリ線と、
メモリ線上の情報書込点でメモリ線と交差し書込情報に応じた向きの書込電流の供給を受けて、メモリ線の該情報書込点を該書込電流に応じた向きに磁化する書込線と、
メモリ線上の情報読出点でメモリ線と交差しメモリ線に形成されている磁壁が情報読出点を通過する際に生じる誘導起電力をピックアップすることにより、メモリ線の、磁壁の有無による情報を読み出すための読出線とを有する。

本件開示の磁壁移動型ストレージデバイスは、メモリ線からの情報の読出しに誘導起電力を利用したものであり、読出素子の機能は実質的にＡｌもしくはＣｕ配線が担うことになるため、ＧＭＲあるいはＴＭＲ素子を利用するより大幅に低コスト化できる。また、素子加工が不要になるので製造工程も大幅に短縮できる。更に、原理的には読み出しの際の電力が不要になるので消費電力の削減も可能となる。

本件開示の磁壁移動型ストレージデバイスによれば、低コストの読出方式が採用され、磁壁移動型ストレージデバイス全体のコスト低減に寄与する。

以下、本件開示の磁壁移動型ストレージデバイスの実施形態について説明する。

磁壁移動型ストレージデバイスの原理は、既に広く知られているところであるが、ここでは、後の説明につなげるため、その概要について説明する。

図１は、磁壁移動型ストレージデバイスの原理説明図である。

ここには、左右に強磁性材料、例えばＮｉＦｅからなるメモリ細線１０が延びている。このメモリ細線１０には、等間隔のノッチ１９が形成され、そのノッチ１９の部分ではメモリ細線１０の幅が狭くなっている。

また、ここには、メモリ細線１０に交差するように書込線２０が形成されている。この書込線２０に書込電流Ｉ_１が流れると、メモリ細線１０の、書込線２０と交差した部分が磁化される。この磁化の方向は書込線２０に流れる電流Ｉ_１の向きにより定まり、隣接する磁区が逆向きに磁化されるとそれらの磁区の間に磁壁が形成され、メモリ細線１０に移動電流Ｉ_２が流れると、その移動電流Ｉ_２の流れる向きとは逆向きにその磁壁が移動する。この図１では、メモリ細線１０内に示した矢印１２の向きに磁化されているものとし、逆向きの磁化の境界領域に磁壁１３が形成されている。

ここで、この図１に示す例では、上述のとおり、メモリ細線１０には、一定間隔でノッチ１９が形成されて、そのノッチ１９が形成された部分の線幅が狭まっている。移動電流Ｉ_２により移動した磁壁１３はそのノッチ１９が形成された部分でトラップされ易いという性質がある。このため、移動電流Ｉ_２を、磁壁１３を１つのノッチ１９から隣接するノッチ１９へと移動させる強さのパルス電流とすることにより、磁壁１３を次のノッチ１９へと順次移動させることができる。このメモリ細線１０には、この磁壁１３の有無による情報が記憶される。ここには、このメモリ細線１０に磁壁１３の有無により記憶された情報の読出し手段については示されていないが、従来は、ＧＭＲ素子あるいはＴＭＲ素子を利用した読出し方法が採用され、コスト高となっている。本実施形態における読出し方法については後述する。

図２は、磁壁をトラップさせるための各種の構造を示した図である。

図２（Ａ）は、図１にも示したとおりの、ノッチを形成してそのノッチの部分を狭幅に形成したメモリ細線を示している。

また図２（Ｂ）は、メモリ細線をジグザグに形成した例を示している。図２（Ｃ）は、メモリ細線の断面図であり、メモリ細線の厚み方向に段差を繰り返す構造を示している。

これら図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、メモリ細線に周期的な不連続点を形成することにより、磁壁の周期的なトラップ構造を形成することができる。

尚、この図２には、メモリ細線の機械的な周期構造により磁壁の周期的なトラップ構造を形成した例を示したが、その他にも、メモリ細線の長手方向に沿って飽和磁化の異なる強磁性材料を周期的に埋め込むなど、材料の工夫により磁壁のトラップ構造を形成することも考えられている。

尚、本実施形態ではメモリ細線１０として、ＮｉＦｅ合金を採用しているが、メモリ細線１０の材料としては、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの中から選択された１種類以上の金属又は合金からなる強磁性金属、又は、その強磁性金属に加えて、さらに、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｒｂ，Ｓｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｔの中から選択された１種類以上を含む合金を採用することができる。

本実施形態では、どのような構造で磁壁をトラップさせるかを問題としておらず、どのような構造でトラップさせてもよく、以下の各図やその説明では、トラップの構造については図示および説明は省略する。

図３は、磁壁移動前後の状態を示した図である。ここで、図３（Ａ），（Ｂ）は磁壁移動前の状態を示す、それぞれ平面図および断面図、図３（Ｃ），（Ｄ）は、磁壁移動後の状態を示す、それぞれ平面図および断面図である。

また図４は、磁壁通過時に発生する誘導起電力を示す図である。

ここには、メモリ細線１０と、そのメモリ細線１０と交差する読出線３０が表示されている。この読出線３０は、金や銅等の通常の良導体からなり、図３（Ｂ），（Ｄ）に示すようにメモリ細線１０に近接して交差している。

ここで、メモリ細線１０には、図３（Ａ）に示すように読出線３０の左側に磁壁１３が形成されており、図３（Ｂ）に示すように、メモリ細線１０に、図の右側から左側に向けて電流パルスが流れるとその電流パルスとは逆向き（図３に示す矢印Ａの向き）に磁壁１３が移動して読出線３０との交差点を通過する。磁壁１３からは磁場が洩れており、磁壁１３が読出線３０との交差点を通過すると、その磁場により読出線３０に図４に示すような誘導起電力が発生する。図３（Ａ），図３（Ｃ）には、読出線３０に発生する誘導起電力を検出する起電力検出器３１も示されており、この起電力検出器３１で読出線３０に発生した誘導起電力が検出され、これにより磁壁１３が読出線３０との交差点を通過したことが検出される。すなわち、磁壁１３の有無による情報の読出しが行なわれる。

次に、本実施形態の配線工程について説明する。

図５は、読出線配線工程を示す平面図、図６は、図５の矢印Ｘ−Ｘに沿う断面図である。

図６に示すように、基板４０上に金あるいは銅等の良導体で読出線３０が形成され、その読出線３０が絶縁膜４１で埋められる。図５に示すように、ここでは３本の読出線３０が形成されている。

図７は、メモリ細線配線工程を示す平面図、図８は図７の矢印Ｙ−Ｙに沿う断面図である。

ここでは、読出線３０を覆う絶縁膜４１の上に、強磁性金属膜からなるメモリ細線１０が形成され、そのメモリ細線１０が絶縁膜４２で埋められている。

図９は、書込線配線工程を示す平面図、図１０は、図９の矢印Ｚ-Ｚに沿う断面図である。

ここでは、メモリ細線１０を覆う絶縁膜４２の上に、良導体で書込線２０が形成され、さらにその書込線２０の上に絶縁膜４３が形成されている。

このように、この配線工程は、読出線配線工程、メモリ線配線工程、および書込線配線工程の３工程からなる。各配線を形成するための良導体膜や強磁性金属膜を形成するには、スパッタ法やめっき法など適切な方法を選択すればよい。また、配線パターンの形成は、使用するレジストの種類に応じて、トリミング法、リフトオフ法など適切な方法が選択できる。

ここでは、読出線、メモリ細線、および書込線を同一平面上に３系統形成する例を示したが、同一平面上にさらに多数系統形成してもよい。また、本実施形態のデバイス構造は非常にシンプルであるため、この構造をさらに３次元的に積層して大容量化を図ることも容易である。

図１１は、図９に示す配線構造に、さらに、メモリ細線１０に磁壁移動用の移動パルス電流を供給するための移動電流供給部１１と、書込線２０に書込パルス電流を供給するための書込電流供給部２１と、読出線３０に発生した誘導起電力を検出する起電力検出起器３１とを接続した、本実施形態の磁壁移動型ストレージデバイスの全体を示した模式図である。

この磁壁移動型ストレージデバイスは、図５〜図１０に示した配線工程から分かるように、読出線３０、メモリ細線１０、および書込線２０の三層構造からなる。情報の書き込みは、書込電流供給部２１から書込線２０に供給される書込パルス電流によりメモリ細線１０に磁壁が形成されることで行なわれる。

移動電流供給部１１からメモリ細線１０に移動パルス電流が供給されると、メモリ細線１０に形成されている磁壁が、１パルスごとに１トラップ点ずつ（図１，図２参照）移動する。その際、磁壁が読出線３０を横切ると読出線３０に誘導起電力が発生し、その誘導起電力が起電力検出器３１で検出され、メモリ細線１０に磁壁の有無により記憶されている情報が読み出される。

磁壁移動型ストレージデバイスの原理説明図である。 磁壁をトラップさせるための各種の構造を示した図である。 磁壁移動前後の状態を示した図である。 磁壁通過時に発生する誘導起電力を示す図である。 読出線配線工程を示す平面図ある。 図５の矢印Ｘ−Ｘに沿う断面図でである。 メモリ細線配線工程を示す平面図である。 図７の矢印Ｙ−Ｙに沿う断面図である。 書込線配線工程を示す平面図である。 図１０の矢印Ｚ-Ｚに沿う断面図である。 本実施形態の磁壁移動型ストレージデバイスの全体を示した模式図である。

符号の説明

１０ メモリ細線
１１ 移動電流供給部
１２ 矢印
１３ 磁壁
１９ ノッチ
２０ 書込線
２１ 書込電流供給部
３０ 読出線
３１ 起電力検出器
４０ 基板
４１，４２，４３ 絶縁膜

Claims (6)

1. 強磁性材料からなり、近接した同極の極磁どうしの間に形成される磁壁の形成を受けて該磁壁の有無による情報を記憶し、移動電流の供給を受けて磁壁を移動させるメモリ線と、
   前記メモリ線上の情報書込点で該メモリ線と交差し書込情報に応じた向きの書込電流の供給を受けて、該メモリ線の該情報書込点を該書込電流に応じた向きに磁化する書込線と、
   前記メモリ線上の情報読出点で該メモリ線と交差し該メモリ線に形成されている磁壁が該情報読出点を通過する際に生じる誘導起電力をピックアップすることにより、該メモリ線の、磁壁の有無による情報を読み出すための読出線とを有することを特徴とする磁壁移動型ストレージデバイス。
2. 前記メモリ線は、所定間隔で離散配置された、磁壁をトラップする複数の磁壁トラップ点を有するものであることを特徴とする請求項１記載の磁壁移動型ストレージデバイス。
3. 前記メモリ線に形成されている磁壁をトラップ点からトラップ点へと移動させるパルス状の移動電流を該メモリ線に供給する移動電流供給部を有することを特徴とする請求項２記載の磁壁移動型ストレージデバイス。
4. 前記書込線へのパルス状の書込電流を供給する書込電流供給部を有することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の磁壁移動型ストレージデバイス。
5. 前記読出線に生じた誘導起電力を検出する起電力検出部を有することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の磁壁移動型ストレージデバイス。
6. 前記メモリ線が、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの中から選択された１種類以上の金属又は合金からなる強磁性金属、又は、該強磁性金属にさらに、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｒｂ，Ｓｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｐｔの中から選択された１種類以上を含む合金からなることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載の磁壁移動型ストレージデバイス。

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