JP4970076B2 - 磁気メモリ素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁気メモリ素子に係り、特に、交差点を形成するメタルラインを利用し、情報の書き込みと読み取りとの機能を具現した磁気メモリ素子に関する。

最近の磁気メモリ素子は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）セルの抵抗変化特性を利用し、情報を記録して読み出す方式が主流をなしている。これは、非常に薄い絶縁層を挟んだ二磁性膜間の磁気分極方向が互いに同じであるか、または異なるかによって抵抗値が変わるという特性を有している。

ＭＴＪセルを積層するとき、薄い絶縁層が非常に良好に設けられなければ、「１」と「０」との状態を区分するための抵抗値の差、すなわち上下部磁性膜の磁気分極方向による抵抗差があまり現れないことがある。これは、本来ＭＴＪセル自体が「０」状態であるときと、「１」状態であるときとの抵抗値変化率が４０％レベルにしか設けられないという限界があり、絶縁層の状態までも好ましくなければ、抵抗値変化率の差が２０〜３０％ほどに減ってしまうためである。このようになれば、情報を正確に読み出せず、この点がＭＴＪセルを利用した素子の商用化を妨げる決定的な短所になっている。

また、従来の磁性メモリ素子は、１つのメモリ領域に１ビット情報だけを保存するので、大容量の磁性メモリ素子の製造し難い。

従って、このような短所を解消できる新しい方式の磁気メモリ素子が所望されている。

本発明は前記の問題点を勘案して創出され、簡素化された構造を有しつつも、正確な情報の記録と再生とを保証でき、マルチビット情報を保存する新しい方式の磁気メモリ素子を提供するところにその目的がある。

前記の目的を達成するための本発明の第１実施形態による磁気メモリ素子は、基板上で磁化方向がスイッチングされる連続したマグネチックドメインが形成され、並んで配置された複数の第１メタルラインと、前記基板上で、前記第１メタルラインと直交して配置され、前記第１メタルラインを覆うトンネルを形成する複数の第２メタルラインと、前記第１メタルラインに連結され、前記マグネチックドメインをドラッギングする電流を供給する第１入力部と、前記第２メタルラインに連結され、前記トンネル内の前記マグネチックドメインの磁化方向をスイッチングする電流を印加する第２入力部と、前記第２メタルラインに連結され、前記トンネルを通過するマグネチックドメインウォールによる起電力をセンシングするセンシング部とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、前記基板は、プラスチック基板でありうる。

前記第１メタルラインと第２メタルラインとの間には、絶縁層が介在されたことが望ましい。

本発明によれば、前記第１メタルラインは、フィン状の強磁性体である。

本発明によれば、前記第１メタルラインで、前記１つのトンネルと他のトンネルとの間の領域は、１つのメモリ領域であり、前記各メモリ領域には、ｎ個のマグネチックドメインが形成される。

前記各メモリ領域は、前記トンネル下部に位置しつつ、基準になる磁化方向を有した第１マグネチックドメインを有し、第ｉ＋１マグネチックドメインは、第ｉマグネチックドメインとの磁化方向が同じであるか、または反対であるかにより、「０」または「１」情報が記録されうる。

また、前記第１メタルラインの端には、前記メモリ領域のマグネチックドメインのドラッギングを制御するように、前記メモリ領域に対応するｎ個のマグネチックドメインと前記ｎ個のマグネチックドメインとの間に、それぞれマグネチックドメインウォールが形成され、前記第１メタルラインの端には、前記マグネチックドメインウォールを停止させるマグネチックドメインウォールストッパが形成されることが望ましい

前記マグネチックドメインウォールストッパは、マグネチックドメイン間に形成されたノッチでありうる。

前記第１マグネチックドメインは、前記トンネル下部に形成されうる。

前記第１メタルラインには、他の第１メタルラインに情報を記録するとき、一時的に磁化方向を変更するダミーマグネチックドメインが形成されうる。

前記の目的を達成するための本発明の第２実施形態による磁気メモリ素子は、複数の基板が積層されてあり、各基板上には、磁気メモリ素子が形成され、各磁気メモリ素子は、磁化方向がスイッチングされる連続したマグネチックドメインが形成され、並んで配置された複数の第１メタルラインと、前記第１メタルラインと直交して配置され、前記第１メタルラインを覆うトンネルを形成する複数の第２メタルラインと、前記第１メタルラインに連結され、前記マグネチックドメインをドラッギングする電流を供給する第１入力部と、前記第２メタルラインに連結され、前記トンネル内の前記マグネチックドメインの磁化方向をスイッチングする電流を印加する第２入力部と、前記第２メタルラインに連結され、前記トンネルを通過するマグネチックドメインウォールによる起電力をセンシングするセンシング部とを具備することを特徴とする。

本発明の磁気メモリ素子は、次のような効果を提供する。

第一に、プラスチック基板上にメタルラインを交差させた簡単な構造であり、製造が簡単であり、特に、積層構造を形成することにより、単位面積当たりのメモリ容量を増加させることができる。

第二に、誘導起電力の発生有無をもってビット情報を認識するので、情報再生の正確度を高めることができる。

第三に、１つのメモリ領域にマルチビット情報を保存することができるので、既存に比べ、保存容量が大きく増加する。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明による望ましい実施形態について詳細に説明する。これに先んじ、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は、一般的な意味や、または辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は、自身の発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に立脚し、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されねばならない。従って、本明細書に記載された実施形態と図面に図示された構成は、本発明の最も望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をいずれも代弁するものではないので、本出願時点において、それらを代替できる多様な均等物と変形例とがありえるということを理解せねばならない。

図１は、本発明による磁気メモリ素子の一部を図示した斜視図である。図１を参照すれば、本発明の磁気メモリ素子は、プラスチック基板３００上に、互いに交差するように配列された多数の第１メタルライン１００及び第２メタルライン２００を具備している。それらの交差点は、第２メタルライン２００がトンネルのように隆起しており、第１メタルライン１００がその隆起したトンネル中を通過する形に形成されている。本素子は、まさにこの交差点での磁束変化を感知することにより、情報を読み出すことを基本原理とする。これは、あたかも円形コイル中を磁石が出たり入ったりする場合、磁束の変化によって起電力が誘導されるという現象を応用したものであり、ここでは、第１メタルライン１００が磁石の役割を、第２メタルライン２００がコイルの役割を果たす形になる。

第１メタルライン１００は、磁石の役割を行うために、基本的に、ＣｏＦｅやＮｉＦｅのような強磁性体が採用され、マグネチックドメイン（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ）の形成と移動（ｄｒａｇｇｉｎｇ）とが容易なように、薄いフィン状に構成されることが望ましい。

そして、第２メタルライン２００は、一般的な導体の金属材料が使われ、第１メタルライン１００及び第２メタルライン２００間には、第１メタルライン１００に印加されたパルス電圧や電流が、第２メタルライン２００に抜け出さないように絶縁する絶縁層４００が形成されている。

図２は、２つのメモリ領域を示す平面図である。

図２を参照すれば、第１メモリ領域Ｍ１には、４個のマグネチックドメインＤ１〜Ｄ４が形成されており、第２メモリ領域Ｍ２には、４個のマグネチックドメインＤ５〜Ｄ８が形成されている。Ｄ１及びＤ５は、基準マグネチックドメインである。第２メタルラインの幅Ｗは、第１メタルラインの基準マグネチックドメインの長さＬより短く形成されている。基準マグネチックドメインは、トンネル下部（内部）に配置される。

各基準領域のマグネチックドメインの磁化方向は、同じであることが望ましい。第１メモリ領域Ｍ１には、磁化方向が異なるドメインＤ１及びＤ２間に、マグネチックドメインウォールＤＷが形成されており、第２メモリ領域Ｍ２には、Ｄ５及びＤ６、Ｄ７及びＤ８間に、それぞれマグネチックドメインウォールＤＷが形成されている。

参照番号５００は、第１メタルライン１００にマグネチックドメイン電流を供給する第１入力部であり、参照番号６００は、第２メタルライン２００に前記トンネル内のマグネチックドメインの磁化方向をスイッチングする電流を印加する第２入力部であり、参照番号７００は、第２メタルライン２００に連結され、前記トンネルを通過するマグネチックドメインウォールＤＷによる起電力をセンシングするセンシング部、例えば、電圧計である。

第１入力部５００を介して第１メタルライン１００にポジティブドラッギングパルス電流を印加すれば、マグネチックドメインは、それぞれ矢印Ａ方向に移動し、このとき、第２メタルライン２００には、マグネチックドメインウォールＤＷが入るときに生じる磁束の変化で起電力が発生する。

Ｄ２領域の磁化方向が基準領域Ｄ１の磁化方向と異なる場合、Ｍ１メモリ領域では、磁束が変わり、この磁束の変化は、Ｍ１メモリ領域と連結された第２メタルライン２００に連結された電圧計７００に起電力を起こし、この起電力変化で情報「１」を読み取ることができる。さらに一度、正の電流が第１メタルラインに印加されれば、新しい基準磁化方向になるＤ２と比較し、Ｄ３の磁化方向は同一なので、起電力が発生せず、従って、情報「０」と読み取られる。

図３は、本発明のメモリに記録されたマグネチックドメインドラッギングが制御されるところを説明する図面である。

前記第１メタルライン１００の一端には、１つのメモリ領域に該当する領域に保存される情報の数と同数のマグネチックドメインウォールＤＷが形成されている。例えば、図２には、１つのメモリ領域に４個のマグネチックドメインが形成されており、実際に情報が保存される領域は、３個のマグネチックドメインである。従って、図３には、３個のマグネチックドメインウォールＤＷが形成されている。

前記各マグネチックドメインウォールＤＷには、マグネチックドメインウォールＤＷを停止させるマグネチックドメインウォールストッパが形成されている。図３では、対面する一対のノッチ１１０がマグネチックドメインウォールストッパである。第１入力部５００を介し、前記第１メタルライン１００に所定の臨界電流以上にドラッギングパルス電流が流れるとき、マグネチックドメインウォールＤＷが前記ノッチ１１０を通過し、つながるマグネチックドメインウォールＤＷで停止する。このノッチ１１０は、１つのマグネチックドメインに該当する距離ほどドラッギングされうる。

記録モードでは、第１メタルライン１００に正または負のドラッギング電流を印加し、メモリ領域のマグネチックドメインが第２メタルライン２００の下部に来るように定める。次に、第２メタルライン２００に電流を印加し、マグネチックドメインの磁化方向を反転させる。１つのメモリ領域のアドレシングは、ドラッギング電流が印加された第１メタルライン１００と、書き込み用電流が印加される第２メタルライン２００が交差するメモリ領域がアドレシングされれば、前記書き込み電流の印加された第２メタルライン２００が過ぎる他の第１メタルライン１００のマグネチックドメインの領域の磁化方向は変わらないように、各第１メタルライン１００のダミーマグネチックドメイン（図示せず）を形成することもある。このダミーマグネチック領域は、他のマグネチックドメインに影響を与えないように、第１メタルライン１００の端に形成できる。

本発明によるメモリ構造は、プラスチック基板３００上に、半導体製造工程のようにメタルライン１００，２００のパターンを露光、エッチングなどのフォトリソグラフィ（ｐｈｏｔｏ−ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）過程を介して製造されうる。

本発明では、既存のＭＴＪセルを利用するように、相対的に電圧が大きいときと小さいときとの微小な差に基づいて情報を認識するのではなく、明確な差である起電力の有無に基づいて情報を認識するものであるために、情報の記録と再生との正確度がかなり高まることとなる。

また、１つのメモリ領域に形成されるデータ保存のためのマグネチックドメインの数ほどのビット情報を保存することができるので、マルチビットメモリ素子の具現が可能になる。

図４は、本発明の第２実施形態による磁気メモリ素子の一断面図であり、第１実施形態の構成要素と実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。

図４を参照すれば、第１基板３０１上に第１メタルライン１０１、及び第２メタルライン２０１が形成されており、第１メタルライン１０１及び第２メタルライン２０１間には、絶縁層４０１が形成されている。そして、第２メタルライン２０１上には、第２基板３０２が形成されている。第２基板３０２上には、第１メタルライン１０２及び第２メタルライン２０２間には、絶縁層４０２が形成されている。前記第１基板３０１及び第２基板３０２は、プラスチック基板でありうる。

従来のシリコン基板を利用するＭＴＪセル構造に比べ、本発明のメモリ素子は、単位面積当たりのメモリ容量を増やすことが可能であるという特徴がある。すなわち、従来のシリコン基板を利用する場合には、シリコン基板を単結晶に成長させなければならないが、いったん一層に設けられた単位素子上では、さまざまな不純物の影響を受けるために、さらにシリコン基板を単結晶に成長させ難い。一方、本発明では、一般のプラスチック基板上にメタルラインを形成したものであるために、基板の条件に制約がほとんどなく、積層構造のメモリ素子を容易に製造できる。

以上のように、本発明は、たとえ限定された実施形態と図面とにより説明されたとしても、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明が属する技術分野で当業者により、本発明の技術的思想と特許請求範囲との均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、いうまでもない。

本発明の磁気メモリ素子は、例えば、メモリ関連の技術分野に効果的に適用可能である。

本発明の第１実施形態による磁気メモリ素子の一部を図示した斜視図である。 図１の２つのメモリ領域を示す平面図である。 本発明のメモリに記録されたマグネチックドメインドラッギングが制御されるところを説明する図面である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ素子の一断面図である。

符号の説明

１００，１０１，１０２ 第１メタルライン
１１０ ノッチ
２００，２０１，２０２ 第２メタルライン
３００ 基板
３０１ 第１基板
３０２ 第２基板
４００，４０１，４０２ 絶縁層
５００ 第１入力部
６００ 第２入力部
７００ 電圧計
Ｄ１ないしＤ８ ドメイン
ＤＷ マグネチックドメインウォール
Ｌ 第１メタルラインの基準マグネチックドメインの長さ
Ｍ１ 第１メモリ領域
Ｍ２ 第２メモリ領域
Ｗ 第２メタルラインの幅

Claims (20)

1. 基板上で磁化方向がスイッチングされる連続したマグネチックドメインが形成され、並んで配置された複数の第１メタルラインと、
   前記基板上で、前記第１メタルラインと直交して配置され、前記第１メタルラインを覆うトンネルを形成する複数の第２メタルラインと、
   前記第１メタルラインに連結され、前記マグネチックドメインをドラッギングする電流を供給する第１入力部と、
   前記第２メタルラインに連結され、前記トンネル内の前記マグネチックドメインの磁化方向をスイッチングする電流を印加する第２入力部と、
   前記第２メタルラインに連結され、前記トンネルを通過するマグネチックドメインウォールによる起電力をセンシングするセンシング部とを具備することを特徴とする磁気メモリ素子。
2. 前記基板は、プラスチック基板であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
3. 前記第１メタルラインと第２メタルラインとの間には、絶縁層が介在されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
4. 前記第１メタルラインは、フィン状の強磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
5. 前記第１メタルラインで、前記１つのトンネルと他のトンネルとの間の領域は、１つのメモリ領域であり、
   前記各メモリ領域には、ｎ個のマグネチックドメインが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
6. 前記各メモリ領域は、前記トンネル下部に位置しつつ、基準になる磁化方向を有した第１マグネチックドメインを有し、
   第ｉ＋１マグネチックドメインは、第ｉマグネチックドメインとの磁化方向が同じであるか、または反対であるかにより、「０」または「１」情報が記録されることを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリ素子。
7. 前記第１メタルラインの端には、前記メモリ領域のマグネチックドメインのドラッギングを制御するように、前記メモリ領域に対応するｎ個のマグネチックドメインと、前記ｎ個のマグネチック・ドメインとの間に、それぞれマグネチックドメインウォールが形成され、
   前記第１メタルラインには、前記マグネチックドメインウォールを停止させるマグネチックドメインウォールストッパが形成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子。
8. 前記マグネチックドメインウォールストッパは、マグネチックドメイン間に形成されたノッチであることを特徴とする請求項７に記載の磁気メモリ素子。
9. 前記第１マグネチックドメインは、前記トンネル下部に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子。
10. 前記第１メタルラインには、他の第１メタルラインに情報を記録するとき、一時的に磁化方向を変更するダミーマグネチックドメインが形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
11. 複数の基板が積層されてあり、
    各基板上には、磁気メモリ素子が形成され、各磁気メモリ素子は、
    磁化方向がスイッチングされる連続したマグネチックドメインが形成され、並んで配置された複数の第１メタルラインと、
    前記第１メタルラインと直交して配置され、前記第１メタルラインを覆うトンネルを形成する複数の第２メタルラインと、
    前記第１メタルラインに連結され、前記マグネチックドメインをドラッギングする電流を供給する第１入力部と、
    前記第２メタルラインに連結され、前記トンネル内の前記マグネチックドメインの磁化方向をスイッチングする電流を印加する第２入力部と、
    前記第２メタルラインに連結され、前記トンネルを通過するマグネチックドメインウォールによる起電力をセンシングするセンシング部とを具備することを特徴とする磁気メモリ素子。
12. 前記基板は、プラスチック基板であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ素子。
13. 前記第１メタルラインと第２メタルラインとの間には、絶縁層が介在されたことを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ素子。
14. 前記第１メタルラインは、フィン状の強磁性体であることを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ素子。
15. 前記第１メタルラインで、前記１つのトンネルと他のトンネルとの間の領域は、１つのメモリ領域であり、
    前記各メモリ領域には、ｎ個のマグネチックドメインが形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ素子。
16. 前記各メモリ領域は、前記トンネル下部に位置しつつ、基準になる磁化方向を有した第１マグネチックドメインを有し、
    第ｉ＋１マグネチックドメインは、第ｉマグネチックドメインとの磁化方向が同じであるか、または反対であるかにより、「０」または「１」情報が記録されることを特徴とする請求項１５に記載の磁気メモリ素子。
17. 前記第１メタルラインの端には、前記メモリ領域のマグネチック・ドメインのドラッギングを制御するように、前記メモリ領域に対応するｎ個のマグネチックドメインと前記ｎ個のマグネチックドメインとの間に、それぞれマグネチックドメインウォールが形成され、
    前記第１メタルラインの端には、前記マグネチックドメインウォールを停止させるマグネチックドメインウォールストッパが形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の磁気メモリ素子。
18. 前記マグネチックドメインウォールストッパは、マグネチックドメイン間に形成されたノッチであることを特徴とする請求項１７に記載の磁気メモリ素子。
19. 前記第１マグネチックドメインは、前記トンネル下部に形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の磁気メモリ素子。
20. 前記第１メタルラインには、他の第１メタルラインに情報を記録するとき、一時的に磁化方向を変更するダミーマグネチックドメインが形成されることを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ素子。

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