JP5300201B2 - マグネチックドメイン移動を利用した磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気メモリに係り、さらに詳細には、マグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存され、マグネチックドメイン移動（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｍｏｔｉｏｎ）の可能な磁気メモリに関する。

磁気ＲＡＭ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、不揮発性磁気メモリの一つであり、ナノ磁性体特有のスピン依存伝導現象に基づいた磁気抵抗効果を利用する新しい固体磁気メモリである。かかるＭＲＡＭは、電子の自由度であるスピンが電子伝達現象に大きな影響を及ぼすことにより生じる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）現象やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｔａｎｃｅ）現象を利用したものである。

ＧＭＲとは、強磁性体／金属非磁性体／強磁性体の連続的な配列において、非磁性体を挟んで形成された強磁性体間の磁化方向配列が同じである場合と、互いに反対である場合とで抵抗差が生じる現象を意味する。ＴＭＲは、強磁性体／絶縁体／強磁性体の連続的な配列で、２層の強磁性層での磁化方向の配列が同じである場合では、異なった場合に比べて電流の透過が容易であるという現象を意味する。ＧＭＲ現象を利用したＭＲＡＭの場合、磁化方向による抵抗値の差が相対的に小さいために、電圧値の差を大きくできない。また、セルを構成するために、ＧＭＲ膜と組み合わせて使用する金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のサイズを大きくしなければならないという短所があり、現在ではＴＭＲ膜を採用してＭＲＡＭを実用化するための研究がさらに活発に行われている。

ＭＲＡＭは、例えば、スイッチング素子であるトランジスタと、データの保存される磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）セルとから構成される。一般的に、ＭＴＪセルは、磁化方向が固定されている固定強磁性層（ｐｉｎｎｅｄ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）、前記固定強磁性層に対して磁化方向が平行（ｐａｒａｌｌｅｌ）または反平行（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）に変わりうる自由強磁性層（ｆｒｅｅ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）、及び前記固定強磁性層と自由強磁性層との間に配置され、前記強磁性層を磁気的に分離させる非磁性層からなる。

ところで、一般的に、ＭＴＪセル当たり１ビットのデータしか保存されないので、ＭＲＡＭのデータ保存容量を増大するのには、限界がある。従って、ＭＲＡＭのような磁気メモリの情報保存容量をさらに増大させるためには、新しい保存方式が必要とされる。

本発明は、前記のような点を勘案して案出され、複数のマグネチックドメインが形成され、データビットがアレイに保存され、マグネチックドメイン移動が容易である磁気メモリを提供するところにその目的がある。

前記目的を達成するための本発明による磁気メモリは、複数のマグネチックドメインが形成され、このマグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存されうるメモリトラックを具備し、前記メモリトラックは、非晶質軟磁性物質からなることを特徴とする。

前記メモリトラックは、ＮｉＦｅのＩＶ族元素合金、例えば、ＮｉＦｅＳｉＢにより形成されうる。

前記メモリトラックは、ＮｉＦｅより磁気異方性定数の大きな非晶質軟磁性物質からなる。

前記メモリトラックは、磁化方向のスイッチングが可能なように設けられ、前記メモリトラックの一部領域に対応するように形成され、固定された磁化方向を有する基準層をさらに具備し、前記メモリトラックに前記基準層の有効サイズに相応する前記マグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存されうるように形成され、前記メモリトラックのデータビット領域に保存されたデータを隣接したデータビット領域に移動させるように、前記メモリトラックに電気的に連結され、マグネチックドメイン移動信号を入力する第１入力部をさらに備えることができる。

前記基準層と前記メモリトラックとの間には、非磁性層がさらに備わりうる。

前記非磁性層は、導電膜やトンネリング障壁としての役割を行う絶縁膜でありうる。

前記メモリトラックは、保存しようとするデータビット数に対応するデータビット領域を備え、複数ビットのデータが保存される少なくとも１つのデータ保存領域と、マグネチックドメイン移動時に、データ保存領域外に移動するデータを必要によって保存することができるようにデータ保存領域に連続するバッファ領域とを備えることができる。

前記メモリトラックの少なくとも１つのデータビット領域と、前記基準層に電気的に連結され、書き込み電流信号及び読み取り電流信号のうち少なくともいずれか一つを入力する第２入力部とをさらに具備できる。

前記メモリトラックは、複数のデータ保存領域を備え、２つの隣接するデータ保存領域間には、バッファ領域が位置し、前記第２入力部は、各データ保存領域に少なくとも１個ずつ対応するように設けられうる。

本発明の磁気メモリによれば、大きな磁気異方性定数を有する非晶質軟磁性物質からなり、複数のマグネチックドメインが形成されうるメモリトラックを具備するので、小さな電流によってもマグネチックドメイン移動が容易になされうる。

また、メモリトラックにマグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存されうるので、本発明による磁気メモリを適用したセル当たり複数ビットのデータを保存することができ、データ保存容量を大きく増大できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明によるマグネチックドメイン移動可能なメモリトラックを具備する磁気メモリの望ましい実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明による磁気メモリを概略的に示している。

図１を参照すれば、本発明による磁気メモリ１は、複数のマグネチックドメインが形成され、データビットがアレイに保存されうるメモリトラック１１を具備する。また、本発明による磁気メモリ１は、前記メモリトラック１１に電気的に連結され、マグネチックドメイン移動信号を入力する第１入力部５０をより備えることができる。

前記メモリトラック１１には、マグネチックドメイン障壁（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）が形成されうる。このマグネチックドメイン障壁の存在により、前記メモリトラック１１には、複数のマグネチックドメインが形成される。

前記メモリトラック１１は、データを記録できるように磁化方向のスイッチングが可能なように設けられうる。この場合、本発明による磁気メモリ１は、マグネチックドメインにデータビット（磁化方向に設定される）を記録できる。ここで、本発明による磁気メモリ１は、後述する実施例でのように、前記メモリトラック１１にマグネチックドメインをスピン転換トルク、すなわち、電流誘導マグネチックスイッチング（ＣＩＭＳ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法を利用して磁化反転させることにより、データビット、すなわち、「０」または「１」を記録するように形成されうる。他の例として、本発明による磁気メモリ１は、メモリトラック１１に電流により誘導された磁場によってマグネチックドメインを磁化反転させることにより、データビットを記録するように設けられることもある。

前記メモリトラック１１は、マグネチックドメインの移動が容易になされうるように、大きな磁気異方性定数（ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ）Ｋ_ｕを有する非晶質軟磁性物質からなる。

一般的な軟磁性物質であるＮｉＦｅの場合には、比較的小さな磁気異方性定数Ｋ_ｕを有するので、これを利用した複数のマグネチックドメインが形成されうるメモリトラックを形成するのであれば、マグネチックドメイン移動のために、大きな電流値が必要となる。

従って、前記メモリトラック１１は、このＮｉＦｅより磁気異方性定数Ｋ_ｕの大きな非晶質軟磁性物質からなることが望ましい。例えば、前記メモリトラック１１は、大きな磁気異方性定数Ｋ_ｕを有するＮｉＦｅのＩＶ族元素合金、例えば、ＮｉＦｅＳｉＢから形成されうる。

ＮｉＦｅＳｉＢのようなＮｉＦｅのＩＶ族元素合金の非晶質軟磁性物質は、異方性磁界Ｈ_ｋが大きいために、磁気異方性がよい。

マグネチックドメイン移動のために要求される電流が大きければ、マグネチックドメイン移動のために印加される電流により、磁性材料が中間でカットオフされる可能性が高まる。従って、マグネチックドメイン移動可能なメモリトラック１１を形成するためには、低い電流を印加することによってもマグネチックドメイン移動が容易になされうる材質によりメモリトラック１１を形成する必要がある。

ドメイン障壁幅（ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｗｉｄｔｈ）を縮めれば、小さなエネルギー（電流）でもドメイン移動が実現できる。ドメイン障壁幅Ｗは、数式１に示したように、ドメイン障壁の表面エネルギー（ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）Γと比例関係にある。
Γ∝Ｗ （１）

また、ドメイン障壁の幅Ｗは、数式２に示したように磁気異方性定数Ｋ_ｕの自乗根に比例する。
Ｗ∝（Ｋ_ｕ）^１／２ （２）

数式１及び２から分かるように、ドメイン障壁幅を縮め、ドメイン移動のためのエネルギー、すなわち、電流値を下げるためには、大きな磁気異方性定数を有する物質を前記メモリトラック１１を形成するのに使用する必要がある。

従って、前記メモリトラック１１を、大きな磁気異方性を有する非晶質軟磁性物質から形成すれば、小さな電流値でもドメイン移動が容易になされ、磁性材料が中間でカットオフされることがなくなる。

図２は、軟磁性物質であるＮｉＦｅの磁気履歴曲線を示し、図３は、非晶質軟磁性物質であるＮｉＦｅＳｉＢの磁気履歴曲線を示している。詳細には、図２は、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の磁気履歴曲線であり、図３は、Ｎｉ_１６Ｆｅ_６２Ｓｉ_８Ｂ_１４の磁気履歴曲線である。図２及び図３では、磁化容易軸方向（イージーディレクション：ｅａｓｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に磁場が印加されるときの磁気履歴曲線と、これに垂直な方向（ハードディレクション：ｈａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に磁場が印加されるときの磁気履歴曲線とを示している。

図２及び図３を比較して説明すれば、ＮｉＦｅの保磁力（ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ）Ｈ_ｃは、ほぼ１０Ｏｅ程度であり、ＮｉＦｅＳｉＢの保磁力は、ほぼ２０Ｏｅ程度ほどと、非晶質軟磁性物質であるＮｉＦｅＳｉＢの保磁力の方がＮｉＦｅの保磁力に比べて２倍程度大きい。これにより、ＮｉＦｅＳｉＢの誘導された磁気異方性（ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）が一般的なＮｉＦｅに比べて２倍以上大きい。

ここで、マグネチックドメインの異方性磁界Ｈ_ｋは保磁力Ｈ_ｃに比例し、異方性磁界Ｈ_ｋは磁気異方性定数Ｋ_ｕに比例する。従って、磁気異方性定数は、保磁力に比例することとなる。

従って、ＮｉＦｅＳｉＢのような保磁力及び磁気異方性の大きな非晶質軟磁性物質を使用すれば、安定したビット形成が可能であり、ストリップマグネチックドメイン（ｓｔｒｉｐ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ）が形成され、これにより、マグネチックドメインからなるデータビットをアレイに保存することができ、ドメイン障壁幅を縮めることができるために、小さな電流でもマグネチックドメイン移動が実現され、マグネチックドメイン移動が容易になされうる。従って、非晶質軟磁性物質からなるメモリトラック１１は、小さな電流によりマグネチックドメイン移動がなされるので、磁性材料がカットオフされることなどが発生しなくなる。

従って、ＮｉＦｅＳｉＢのようなＮｉＦｅのＩＶ族元素合金の非晶質軟磁性物質によって前記メモリトラック１１を形成すれば、マグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存され、マグネチックドメイン移動が容易になされうる磁気メモリ１を実現できる。

一方、前記第１入力部５０は、メモリトラック１１のマグネチックドメインを移動させ、データビット領域に保存されたデータ（すなわち、水平磁化または垂直磁化）を隣接したデータビット領域に移動させるように、前記メモリトラック１１に電気的に連結される。この第１入力部５０を介して入力された移動信号（ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ）、すなわち、移動電流信号によってマグネチックドメインの磁化方向は、隣接したマグネチックドメインに移動する。これをマグネチックドメイン移動という。

前記移動信号は、図７に図示されているように、一定周期で入力されるパルス電流（パルス１）でありうる。前記移動信号は、単一マグネチックドメインを含むデータビット領域単位にマグネチックドメイン移動がなされるように入力されうる。ここで、マグネチックドメイン移動は、実質的には所定マグネチックドメインの磁化方向を隣接したマグネチックドメインに移動させることであるから、移動信号は、データビット領域単位にマグネチックドメイン移動がなされる時間の間持続され、データビット領域単位にマグネチックドメイン移動がなされるように、周期的に印加されることが望ましい。

前記のような本発明による磁気メモリ１によれば、複数のマグネチックドメインが形成され、それぞれが単一マグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存されうるメモリトラック１１を具備するので、メモリトラック１１当たり複数ビットのデータを保存することができ、磁気メモリ１の情報保存容量を大きく増加させることができる。また、メモリトラック１１のマグネチックドメインを小さな印加電流によっても容易に移動させることができるので、後述する具体実施例でのように、データの読み取りまたは書き込みと、マグネチックドメイン移動とを交互に進めて、メモリトラック１１から／に複数ビットのデータを読み込み／書き込みを行うことが可能である。

図４は、本発明による磁気メモリの具体的な一実施例を概略的に示したものであり、本発明による磁気メモリがメモリトラック１１のマグネチックドメインをスピン転換トルク法を利用して磁化反転させることにより、データビット、すなわち、「０」または「１」を記録するように設けられた実施例を示している。図４で、メモリトラック１１と第１入力部５０は、図１と実質的に同じ部材であるから、同一参照符号を使用し、反復されるような説明は省略する。

図４を参照すれば、本発明の一実施例による磁気メモリ１０は、メモリトラック１１と、メモリトラック１１のマグネチックドメイン移動信号を入力する第１入力部５０と、このメモリトラック１１の一部領域に対応するように形成され、固定された磁化方向を有する基準層１５を備え、前記メモリトラック１１に前記基準層１５の有効サイズに相応するマグネチックドメインからなるデータビットをアレイに保存することができるように設けられる。本発明の一実施例による磁気メモリ１０は、メモリトラック１１の少なくとも１つのデータビット領域と、基準層１５に電気的に連結され、書き込み電流信号及び読み取り電流信号のうち少なくともいずれか１つの信号（パルス２）を入力する第２入力部４０とをさらに備える。前記基準層１５とメモリトラック１１との間には、非磁性層１３が配置されうる。図４では、非磁性層１３がメモリトラック１１の全面にわたって形成された例を示すが、非磁性層１３を基準層１５の上面に形成することもある。

前述のように、前記メモリトラック１１は、複数のマグネチックドメインストリップが形成され、単一マグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存され、ＮｉＦｅＳｉＢのような非晶質軟磁性物質からなり、小さな電流によってもマグネチックドメイン移動がなされうる。

本実施例において、前記メモリトラック１１は、磁化方向がスイッチングされうるように設けられ、データビットが記録される記録層である。

前記基準層１５は、固定された磁化方向を有する固定層であり、メモリトラック１１の１データビット領域（１マグネチックドメイン）に対応する有効サイズを有するように形成される。

一方、メモリトラック１１と基準層１５との間に位置する非磁性層１３は、Ｃｕのような導電膜であるか、またはトンネリング障壁として役割を行うアルミニウム酸化膜のような絶縁膜でありうる。

本発明の一実施例による磁気メモリ１０において、データ書き込みまたは保存されたデータ読み取りは、前記基準層１５の有効サイズに対応するメモリトラック１１の面積単位でなされる。従って、前記基準層１５の有効サイズは、実質的にメモリトラック１１の１データビット領域（すなわち、マグネチックドメイン）の大きさを決定する。

１データビット領域内には、単一マグネチックドメインだけが存在するのが望ましいが、メモリトラック１１に形成されるマグネチックドメインは、少なくとも基準層１５の有効サイズに相応する大きさに形成されることが望ましい。

また、前記メモリトラック１１は、前記基準層１５の有効サイズ、すなわち、メモリトラック１１のマグネチックドメイン移動方向の幅と所望のデータビット領域の数との積の長さに形成されることが望ましい。これにより、基準層１５の有効サイズ単位に単一マグネチックドメインからなる複数のデータビット領域アレイが形成され、複数ビットのデータをアレイに保存することができるメモリトラック１１が得られる。

前記メモリトラック１１は、図４でのように、保存しようとするデータビット数に対応するデータビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６を備え、複数ビットのデータが保存されるデータ保存領域２０と、マグネチックドメイン移動時に、データ保存領域２０外に移動するデータを必要に応じて保存することができるように、データ保存領域２０に連続するバッファ領域３０とを備えることができる。バッファ領域３０は、データ保存領域２０の少なくとも一側に位置しうる。

前記データ保存領域２０がｎ個のデータビット領域を具備する場合、前記バッファ領域３０は、少なくともｎ個またはｎ−１個のデータビット領域を具備することが望ましい。すなわち、バッファ領域３０の全体データビット領域の数は、データ保存領域２０のデータビット領域の数と少なくとも同一であるか、または１個程度少なく形成されうる。図４では、メモリトラック１１の中心部分は、データ保存領域２０として使用し、その両側のメモリトラック１１をバッファ領域３０として使用する例を示している。バッファ領域３０の部分では、直接書き込みまたは読み取りがなされないので、バッファ領域３０は、記録層に該当するメモリトラック１１のみを具備するか、またはメモリトラック１１とその下面の非磁性層１３とからなる層構造を有することができる。また、本発明の一実施例による磁気メモリ１０は、バッファ領域３０がデータ保存領域２０と実質的に同じ層構造、すなわち、基準層１５まで含む層構造を有し、バッファ領域３０の基準層１５には、信号を入力しないように構成されることもある。

図４では、データ保存領域２０の６個のデータビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６のうち、三番目の第３データビット領域Ｄ３でデータ書き込みまたはデータ読み取りが行われ、データ保存領域２０の両側に、バッファ領域３０の第１部分Ａ及び第２部分Ｂが備わった例を示している。図４では、データを読み込む動作の間、マグネチックドメイン移動が左側から右側になされる場合を考慮し、データ保存領域２０の左側に３個のデータビット領域を有するバッファ領域３０の第１部分Ａ、データ保存領域２０の右側に２個のデータビット領域を有するバッファ領域３０の第２部分Ｂを形成した例を示している。データ保存領域２０の６個のデータビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６のデータは、第６データビット領域Ｄ６のデータが第３データビット領域Ｄ３に位置するように左側に移動した状態でデータ読み取り動作を始め、データを右側に移動しつつ、移動と読み取り動作は交互に行えば、この６個のデータビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６のデータを順に読み取ることができる。

図４では、データ保存領域２０の中間部分に基準層１５が形成され、データ保存または読み取り動作がデータ保存領域２０の中間部分でなされる例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、多様な変形例が可能である。

例えば、データ保存領域２０の最初のデータビット領域Ｄ１でデータ保存またはデータ読み取りが行われ、データ保存領域２０のデータビット領域と、少なくともこれと同じ数またはこれより一つ少ない数のデータビット領域を有するバッファ領域３０は、データ保存領域２０のデータ読み取りまたは書き込みの始まるデータビット領域に隣接するように（例えば、データ読み取りまたは書き込みが最初のデータビット領域Ｄ１から始まる場合にその左側、データ読み取りまたは保存が最後の六番目データビット領域Ｄ６から始まる場合にその右側）設けられるか、または両側にそれぞれ設けられることもある。かかる変形例についての図示は、図４に図示された構造から十分に類推できるので、その図示を省略する。

バッファ領域３０がデータ保存領域２０の右側または左側だけに設けられた場合、データを読み取る区間では、データ保存領域２０のデータを移動してバッファ領域３０に移動させた後、データ読み取りを行うことができる。このとき、データを読み取る間に行われるマグネチックドメイン移動と、データを記録する間に行われるマグネチックドメイン移動は、同一方向に行われうる。また、データ保存領域２０のデータを直にバッファ領域３０に移動させて、データ読み取りを行うこともある。その場合のデータを読み取る間に行われるマグネチックドメイン移動と、データを記録する動作の間行われるマグネチックドメイン移動は、互いに反対方向に行われる。

データ保存領域２０にｎビットのデータを保存する場合、バッファ領域３０でのデータビット領域の数は、データ保存領域２０でのデータビット領域の数より一つ少なく用意することが可能であるが、その理由は、次の通りである。すなわち、バッファ領域３０は、ｎ−１ビットのデータを保存するように設けられうる。これは、１ビットのデータは、データ保存領域２０のデータ保存または読み取りが行われるデータビット領域、すなわち、特定データビット領域２１に保存することが常に可能であるので、バッファ領域３０には、ｎ−１ビットのデータだけ一時的に保存すればよいためである。ここで、バッファ領域３０がデータ保存領域２０と同数、またはそれより多くの数のデータビット領域を有することができることは、もちろんである。

バッファ領域３０がデータ保存領域２０両側に設けられた場合に、データをバッファ領域３０に移動させる過程なしに、直にデータ保存領域２０のデータに対してマグネチックドメイン移動を行い、データを読み取ることが可能である。このとき、データを読み取る間に行われるマグネチックドメイン移動と、データを保存する動作の間行われるマグネチックドメイン移動は、互いに反対方向に行われる。その場合にも、データ保存領域２０にｎビットのデータを保存する場合、このデータ保存領域２０両側のバッファ領域３０それぞれのデータビット領域の数は、データ保存領域２０でのデータビット領域の数より一つ小さくありうる。

一方、以上では、本発明による磁気メモリ１０のメモリトラック１１がデータ保存領域２０に連続するバッファ領域３０を具備すると説明及び図示したが、本発明による磁気メモリ１０のメモリトラック１１は、バッファ領域なしにデータ保存領域２０のみによりなされうる。このとき、データ保存領域２０には、バッファとしての役割を行えるように、保存しようとするビット数のデータビット領域を追加し、剰余のデータビット領域をさらに具備する。例えば、ｎビットのデータを保存しようとする場合、データ保存領域２０には、少なくとも２ｎまたは２ｎ−１のデータビット領域を具備できる。

一方、本発明の一実施例による磁気メモリ１０では、前記第１入力部５０を介して印加されるマグネチックドメイン移動信号（パルス１）、及びこの移動信号と同期され、前記第２入力部４０を介して印加される書き込み信号（例えば、図７でのパルス２（書き込み））により、メモリトラック１１の連続したマグネチックドメインを移動して、そのマグネチックドメインの一部領域、例えば、前記基準層１５に対応する特定位置のマグネチックドメインをスピン転換トルク、すなわち、電流誘導マグネチックスイッチング（ＣＩＭＳ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法を利用して磁化反転させることにより、データビット、すなわち、「０」または「１」を記録する。

付加的に、本発明の一実施例による磁気メモリ１０では、前記第１入力部５０を介して印加される移動信号（パルス１）、及びこの移動信号と同期されて前記第２入力部４０を介して印加される読み取り信号（例えば、図７でのパルス２（読み取り））により、マグネチックドメインを移動しつつ、記録層に該当するメモリトラック１１と基準層１５との間に読み取り信号、例えば、読み取り用パルス信号を印加し、例えば、スピントンネリング現象によってメモリトラック１１のマグネチックドメインに保存された情報データを読み取る。

図４でパルス１は、マグネチックドメイン移動信号、パルス２は、読み取り信号または書き込み信号を意味する。

一方、前記第２入力部４０は、メモリトラック１１と前記基準層１５とに電気的に連結される。図４では、前記第２入力部４０が基準層１５及びこの基準層１５上に位置したメモリトラック１１の特定データビット領域２１に電気的に連結された場合を示している。

書き込み信号は、前記第２入力部４０を介してメモリトラック１１の特定データビット領域２１及び基準層１５に入力され、この書き込み信号により、例えば、基準層１５上に位置したメモリトラック１１の特定データビット領域２１の磁化方向が指定される。図４で、データ保存領域２０は、第１ないし第６データビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６のアレイを具備し、第２入力部４０に電気的に連結された特定データビット領域２１は、基準層１５上に位置した第３データビット領域Ｄ３になる。

前記第２入力部４０を介して書き込み信号が入力されれば、その書き込み信号により、前記第３データビット領域Ｄ３の磁化方向が決まる。例えば、第３データビット領域Ｄ３が所定の磁化方向を有するとき、印加される書き込み信号により、第３データビット領域Ｄ３の磁化方向が反転されたり、または本来の磁化方向が維持される。このように、指定された磁化方向が記録されたデータビットを示す。

前記書き込み信号は、後述する図７に図示されているように、パルス形態のスイッチング電流であり、このスイッチング電流の極性により、前記基準層１５上に位置したメモリトラック１１の特定データビット領域２１、例えば、第３データビット領域Ｄ３の磁化方向が選択的にスイッチングされ、その特定データビット領域２１には、保存しようとするデータビット、すなわち、「０」または「１」の値が保存される。

例えば、基準層１５が所定の磁化方向を有する場合、スイッチング電流を印加し、特定データビット領域２１の磁化方向と基準層１５の磁化方向とが同じ場合、すなわち、平行である場合に、データビットが「０」に指定されるならば、反対極性のスイッチング電流を印加し、特定データビット領域２１が基準層１５と反対の磁化方向を有するようになり、データビットは、「１」に指定されうる。このように、スイッチング電流の極性を変えることにより、特定データビット領域２１の磁化方向を基準層１５と同じ磁化方向にしたり、または基準層１５と反対の磁化方向にし、データを保存する。

ここで、基準層１５の磁化方向はあらかじめ決まっている。従って、既定の基準層１５の磁化方向に対し、メモリトラック１１のデータビット領域の磁化方向が平行であるとき、データビットを「０」、反平行であるとき、データビットを「１」にすれば、メモリトラック１１の特定データビット領域２１の磁化方向をスイッチングすることにより、所望のデータを保存することができる。

一方、保存されたデータを読み込もうとするときには、読み取り信号、例えば、図７でのような読み取り用パルス電流が前記第２入力部４０を介してメモリトラック１１の特定データビット領域２１及び基準層１５に入力される。このとき、基準層１５、この基準層１５上に位置したメモリトラック１１の特定データビット領域２１、及びその間の非磁性層１３は、ＭＴＪセルを構成する。従って、前記基準層１５の磁化方向に対し、前記メモリトラック１１の特定データビット領域２１の磁化方向により、電流の通過程度や抵抗値が変わり、かかる差に基づいてデータ情報を読み取る。ここで、データを読み取るために、別途の基準層１５と入力部とを構成することもある。

前記読み取り用パルス電流は、図７に図示されているように、記録のための前記スイッチング電流よりは小さいパルス電流でありうる。この読み取り用パルス電流は、前記ドメイン移動信号と同期されて印加される。これにより、マグネチックドメイン移動と読み取り基準層１５上に位置する特定データビット領域２１の磁化方向とにより、保存データ情報を読み取ることができる。

前記のような構成を有する本発明の一実施例による磁気メモリ１０では、記録用スイッチング電流または読み取り用パルス電流の入力と移動信号の入力は、交互になされる。これにより、データ保存または保存されたデータ読み取りとマグネチックドメイン移動とが交互になされる。これにより、複数のデータビット領域に複数ビットのデータを順に記録したり、またはその複数のデータビット領域に保存された複数ビットのデータを順に読み取ることとなる。本発明の一実施例による磁気メモリ１０でのデータ保存、または保存されたデータ読み取りについて、図５Ａないし図５Ｃ、図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明すれば、次の通りである。

図５Ａないし図５Ｃは、図４の第３データビット領域Ｄ３（特定データビット領域２１）にスイッチング電流が印加されて磁化方向が反転され、磁化反転された第３データビット領域Ｄ３の磁化方向が移動電流によって隣接した第４データビット領域Ｄ４に移動する過程を示している。図６Ａ及び図６Ｂは、第３データビット領域Ｄ３（特定データビット領域２１）に読み取り用パルス電流を印加し、第３データビット領域Ｄ３のデータを読み取った後、第３データビット領域Ｄ３の磁化方向が移動電流により隣接した第４データビット領域Ｄ４に移動する過程を示している。図７は、本発明の一実施例による磁気メモリ１０に適用される移動電流パルス１（移動）、読み取り用パルス電流パルス２（読み取り）、書き込み用スイッチング電流信号パルス２（書き込み）を概略的に示したグラフである。図７で横軸は、時間（ｔ）軸である。

データ記録は、次の通り進められる。図５Ａでのように、第３データビット領域Ｄ３にスイッチング電流を印加すれば、図５Ｂに図示されているように、第３データビット領域Ｄ３の磁化方向が反転される。その後、メモリトラック１１に移動電流を印加すれば、図５Ｃでのように、各データビット領域の磁化方向が隣接したデータビット領域に移動する。すなわち、図５Ｂでのようなデータ保存領域２０の第１データビット領域ないし第６データビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６の磁化方向は、それぞれ、図５Ｃでのように、第２データビット領域ないし第６データビット領域Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６、及びバッファ領域３０の第２部分Ｂの最初のデータビット領域Ｂ１にそれぞれ１データビット領域分移動する。

前記の通りに、特定データビット領域２１の磁化方向を指定した後、一定時間が経過した後で、特定データビット領域２１のデータ（磁化方向）を隣接したデータビット領域、すなわち、第４データビット領域Ｄ４に移動させ、特定データビット領域２１にさらに書き込み信号を入力し、再び磁化方向を指定する過程を進める。図７に例示的に示した周期的に印加される移動電流、及びこれと同期されて周期的に印加される書き込み用スイッチング電流により、かかる磁化方向指定過程及び移動過程は、交互になされ、前記メモリトラック１１の複数データビット領域には、複数ビットのデータがアレイに記録される。データ記録完了後、データ保存位置をそのまま維持したり、または前記と反対方向にマグネチックドメインを移動する移動信号を入力し、データがデータ保存領域２０の第１ないし第６データビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６に保存された状態に維持させることもある。

保存されているデータの読み取りは、次の通り進められる。図６Ａを参照すれば、第３データビット領域Ｄ３に読み取り用パルス電流を印加し、第３データビット領域Ｄ３のデータを読み取る。その後、図６Ｂでのように、メモリトラック１１に移動電流を印加し、データビット領域の磁化方向を隣接データビット領域に移動させる。図６Ａでのように、データ保存領域２０の第１データビット領域ないし第６データビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６の磁化方向は、図６Ｂに図示されているように、第２データビット領域ないし第６データビット領域Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６及びバッファ領域３０の第２部分Ｂの最初のデータビット領域Ｂ１にそれぞれ１データビット領域分移動する。

前記の通りに、特定データビット領域２１の磁化方向を読み取った後、一定時間が経過した後で、特定データビット領域２１のデータ（磁化方向）を隣接したデータビット領域、すなわち、第４データビット領域Ｄ４に移動させ、特定データビット領域２１に対し、さらに読み取り信号を入力してデータ読み取りを進める。図７に例示的に示した周期的に印加される移動電流、及びこれと同期されて周期的に印加される読み取り用パルス電流により、かかる読み取り過程及び移動過程は、前記メモリトラック１１に保存された複数データビットに対して読み取りを完了するまで交互になされる。データ読み取り完了後、データ保存位置をそのまま維持したり、または前記とは反対方向にマグネチックドメインを移動させる移動信号を入力し、データがデータ保存領域２０の第１データビット領域ないし第６データビット領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６に保存された状態に維持されるようにすることもある。

読み取りの際、前記読み取り用パルス電流は、図７に例示的に図示されているように、極性反転なしに、ドメイン移動信号と同期されて周期的に印加される。読み取り用パルス電流を基準層１５及びメモリトラック１１の特定データビット領域２１間に印加するとき、例えば、トンネル障壁を通過する電流量及びこれによる抵抗値は、メモリトラック１１の特定データビット領域２１の磁化方向が基準層１５の磁化方向と平行であるか、または反平行であるかによって変わる。例えば、基準層１５と、メモリトラック１１の特定データビット領域２１との磁化方向が平行であるときには、反平行であるときより抵抗値がさらに小さくなる。かかる抵抗差より、特定データビット領域２１に保存されたデータ値を認識することとなる。

以上、１データビット領域単位になされ、マグネチックドメイン移動、及びデータビット書き込みまたは読み取りが交互になされると説明及び図示したが、それらは例示的なものであり、多様な変形例が可能である。例えば、複数のデータビット領域を移動させた後、読み取りまたは書き込みがなされることもある。

図８は、本発明の他の実施例による磁気メモリ１００を概略的に示している。本発明の他の実施例による磁気メモリ１００は、図８に図示されたように、メモリトラック１１にデータ保存領域２０が複数個備わった構造を有することもある。このとき、メモリトラック１１は、マグネチックドメイン移動によってデータ保存領域２０外に移動するデータを保存することができるように、データ保存領域２０に連続するバッファ領域３０をさらに具備できる。このとき、第２入力部４０は、データ保存領域２０当たり少なくとも一つずつ対応するように設けられる。このように、複数のデータ保存領域２０を具備し、各データ保存領域２０に対応するように少なくとも１つの第２入力部４０を具備する場合、データ保存領域２０の数だけデータ保存容量を増やしながらも、メモリトラック１１が複数のデータビット領域からなる単一データ保存領域を具備する本発明の一実施例による磁気メモリ１０とほぼ同一であるか、または速いデータ保存速度あるいはデータ読み取り速度を達成できる。

図８では、２つのデータ保存領域２０間に、バッファ領域３０を具備する例を示している。複数のデータ保存領域２０を具備する構造で、バッファ領域３０は、最初のデータ保存領域の前、及び最後のデータ保存領域の後のうち、少なくともいずれか一ヵ所と、２つの隣接するデータ保存領域との間にそれぞれ設けられうる。

一方、図８では、１データ保存領域２０に対して基準層１５及び第２入力部４０がそれぞれ２個ずつ設けられた例を示している。このように、１データ保存領域２０に対して第２入力部４０を複数個具備すれば、データ保存速度またはデータを読み取る速度をさらに速められる。

他の例として、１データ保存領域２０に対して基準層１５及び第２入力部４０がそれぞれ複数個設けられ、書き込み信号入力と読み取り信号入力とが互いに異なる第２入力部４０を介してなされるように、磁気メモリ１００を構成することも可能である。また、書き込み信号入力がなされるデータ保存領域２０と、保存されたデータを読み取るデータ保存領域２０とを区分して使用することもできる。

以上では、本発明による磁気メモリが複数ビットのデータを読み取ることができる磁性素子（すなわち、ＭＴＪまたはＧＭＲセンサ）と、スピン転換トルク法による記録用磁性素子との構成を単一素子で具現できるように設けられた場合を例に挙げて説明及び図示したが、本発明はこれらに限定されるものではない。すなわち、本発明による磁気メモリは、マグネチックドメイン移動を使用して複数ビットのデータを読み取ることができる磁性素子（すなわち、ＭＴＪまたはＧＭＲセンサー）として適用されたり、またはマグネチックドメイン移動を使用して複数ビットのデータを記録できるスピン転換トルク法による記録用磁性素子として適用されることもある。

また、以上では、本発明による磁気メモリが、基準層１５、及びこの基準層１５上に位置したメモリトラック１１の特定データビット領域２１、その間の非磁性層１３により形成されるＭＴＪセルに書き込み電流信号を直接的に印加してスピン転換トルク方式によりデータを書き込むように設けられた場合を例に挙げて説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。

すなわち、本発明による磁気メモリは、メモリトラック１１の特定データビット領域のマグネチックドメインを電流により誘導された磁場により選択的に磁化反転させることによってデータビットを記録するように設けられうる。その場合、例えば、本発明による磁気メモリは、メモリトラックに直接書き込み電流信号または読み取り電流信号を印加する第２入力部４０の代わりに、メモリトラック１１の特定データビット領域の選択的な磁化反転のための磁場を発生させる構造と、メモリトラック１１に保存されているデータビットを読み取るために電界効果トランジスタを含む構成とを有することもある。

本発明のマグネチックドメイン移動を利用した磁気メモリは、例えば、磁気記録関連の技術分野に効果的に適用可能である。

本発明による磁気メモリを概略的に示している図面である。 軟磁性物質であるＮｉＦｅの磁気履歴曲線を示しているグラフである。 非晶質軟磁性物質であるＮｉＦｅＳｉＢの磁気履歴曲線を示しているグラフである。 本発明による磁気メモリの具体的な一実施例を概略的に示している図面である。 図４の第３データビット領域（特定データビット領域）にスイッチング電流が印加されて磁化方向が反転され、磁化反転された第３データビット領域の磁化方向が移動電流により隣接した第４データビット領域に移動する過程を示している図面である。 図４の第３データビット領域（特定データビット領域）にスイッチング電流が印加されて磁化方向が反転され、磁化反転された第３データビット領域の磁化方向が移動電流により隣接した第４データビット領域に移動する過程を示している図面である。 図４の第３データビット領域（特定データビット領域）にスイッチング電流が印加されて磁化方向が反転され、磁化反転された第３データビット領域の磁化方向が移動電流により隣接した第４データビット領域に移動する過程を示している図面である。 第３データビット領域（特定データビット領域）に読み取り用パルス電流を印加して第３データビット領域のデータを読み取った後、第３データビット領域の磁化方向が移動電流により隣接した第４データビット領域に移動する過程を示している図面である。 第３データビット領域（特定データビット領域）に読み取り用パルス電流を印加して第３データビット領域のデータを読み取った後、第３データビット領域の磁化方向が移動電流により隣接した第４データビット領域に移動する過程を示している図面である。 本発明の一実施例による磁気メモリに適用される移動電流パルス１（移動）、読み取り用パルス電流パルス２（読み取り）、書き込み用スイッチング電流信号パルス２（書き込み）を概略的に示したグラフである。 本発明の他の実施例による磁気メモリを概略的に示している図面である。

符号の説明

１，１０，１００ 磁気メモリ
１１ メモリトラック
１３ 非磁性層
１５ 基準層
２０ データ保存領域
２１ 特定データビット領域
３０ バッファ領域
４０ 第２入力部
５０ 第１入力部
Ｄ１〜Ｄ６ 第１〜第６データビット領域

Claims (9)

1. 複数のマグネチックドメインが形成され、該マグネチックドメインからなるデータビッ
   トがアレイに保存されうるメモリトラックと、
   前記メモリトラックの一部領域に対応するように形成され固定された磁化方向を有する基準層と、
   前記メモリトラックに電気的に連結されたもので、前記メモリトラックのデータビット領域に保存されたデータを隣接したデータビット領域に移動させるように、マグネチックドメイン移動信号を入力する第１入力部と、
   前記メモリトラックの少なくとも一つのデータビット領域と前記基準層に電気的に連結され書き込み電流信号及び読み取り電流信号を入力する第２入力部と、を具備し、
   前記メモリトラックは、マグネチックドメイン障壁の存在により、複数のマグネチックドメインが形成されると同時に、該マグネチックドメインの移動が容易に行えるように、ＮｉＦｅより大きい磁気異方性定数を有する非晶質軟磁性物質からなり、
   前記一つの基準層及び前記一つの第２入力部を通じてデータの書き込み及び読み取りの両方を行うことを特徴とする磁気メモリ。
2. 前記メモリトラックは、ＮｉＦｅのＩＶ族元素合金により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。
3. 前記メモリトラックは、ＮｉＦｅＳｉＢにより形成されることを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ。
4. 前記メモリトラックは、ＮｉＦｅより磁気異方性定数の大きな非晶質軟磁性物質からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
5. 前記メモリトラックに前記基準層の有効サイズに相応する前記マグネチックドメインからなるデータビットがアレイに保存されうるように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の磁気メモリ。
6. 前記基準層と前記メモリトラックとの間には、非磁性層がさらに備わったことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
7. 前記非磁性層は、導電膜やトンネリング障壁としての役割を行う絶縁膜であることを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ。
8. 前記メモリトラックは、
   保存しようとするデータビット数に対応するデータビット領域を備え、複数ビットのデータが保存される少なくとも１つのデータ保存領域と、
   マグネチックドメイン移動時に、データ保存領域外に移動するデータを必要によって保存することができるようにデータ保存領域に連続するバッファ領域とを備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
9. 前記メモリトラックは、複数のデータ保存領域を備え、
   ２つの隣接するデータ保存領域間には、バッファ領域が位置し、
   前記第２入力部は、各データ保存領域に少なくとも１個ずつ対応するように設けられたことを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ。

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