(57)【要約】      （修正有）【課題】大容量メモリを実現する。【解決手段】磁気記憶装置は、磁壁１２で区切られた磁区１１からなる複数のセルで構成され、このセル毎に情報が記録された磁性配線１０と、この磁性配線の一端部に配置された書き込み用素子２０と、磁性配線の他端部に配置された読み出し用素子３０とを具備する。書き込み動作時には、金属配線からなる書き込み用素子に書き込み電流Ｉｗを流し、この書き込み電流Ｉｗにより発生する磁場を磁性配線１０の一端部に位置するターゲットセル（書き込みたいアドレスのセル）ＴＣ−ｗに印加する。読み出し用素子３０はＭＴＪ素子（磁気抵抗効果素子）からなる。【選択図】      図１
2008090957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された第１の磁性配線と、
前記第１の磁性配線の一端部に配置された第１の書き込み用素子と、
前記第１の磁性配線の他端部に配置された第１の読み出し用素子と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項２】
前記第１の磁性配線の前記一端部に配置され、前記第１の書き込み用素子とで前記磁性配線を挟む第２の読み出し用素子と、
前記第１の磁性配線の前記他端部に配置され、前記第１の読み出し用素子とで前記磁性配線を挟む第２の書き込み用素子と、
前記第１の磁性配線の前記一端部から前記他端部の方向に前記磁壁を移動させる電流を印加する第１の電流源と、
前記第１の磁性配線の前記他端部から前記一端部の方向に前記磁壁を移動させる電流を印加する第２の電流源と
をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
【請求項３】
磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された磁性配線と、
前記磁性配線の一端部に配置された書き込み用素子と、
前記磁性配線の他端部に配置された読み出し用素子と
を備え、
前記磁性配線の前記一端部に書き込み対象であるターゲットセルが位置するかを確認する工程と、
前記確認の結果、前記磁性配線の前記一端部に前記ターゲットセルが位置する場合は、前記書き込み用素子を用いて前記ターゲットセルに情報を書き込む工程と、
前記確認の結果、前記磁性配線の前記一端部に前記ターゲットセルが位置しない場合は、前記読み出し用素子を用いて前記第１の磁性配線の前記他端部における第１のセルの情報を読み出し、前記第１のセルの前記情報を記憶する工程と、
前記磁性配線に電流を流して磁壁を１セル分移動させた後、前記書き込み用素子を用いて前記磁性配線の前記一端部における第２のセルに前記第１のセルの前記情報を書き込む工程と、
前記第２のセルが前記ターゲットセルであるかを確認する工程と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置の書き込み方法。
【請求項４】
磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された磁性配線と、
前記磁性配線の一端部に配置された書き込み用素子と、
前記磁性配線の他端部に配置された読み出し用素子と
を備え、
前記磁性配線の前記他端部に読み出し対象であるターゲットセルが位置するかを確認する工程と、
前記確認の結果、前記磁性配線の前記他端部に前記ターゲットセルが位置する場合は、前記読み出し用素子を用いて前記ターゲットセルの情報を読み出す工程と、
前記確認の結果、前記磁性配線の前記他端部に前記ターゲットセルが位置しない場合は、前記読み出し用素子を用いて前記第１の磁性配線の前記他端部における第１のセルの情報を読み出し、前記第１のセルの前記情報を記憶する工程と、
前記磁性配線に電流を流して磁壁を１セル分移動させた後、前記書き込み用素子を用いて前記磁性配線の前記一端部における第２のセルに前記第１のセルの前記情報を書き込む工程と、
前記磁性配線に電流を流して磁壁を１セル分移動させた後において、前記磁性配線の前記他端部に読み出し対象であるターゲットセルが位置するかを確認する工程と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置の読み出し方法。
【請求項５】
磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された磁性配線と、
前記磁性配線の第１のセルに接続された書き込み用素子と、
前記磁性配線の第２のセルに接続された読み出し用素子と
を備え、
前記第２のセルのアドレスを読み出す工程と、
前記第２のセルの前記アドレスが読み出し対象であるターゲットセルのアドレスと一致するか比較する工程と、
前記比較の結果、前記第２のセルの前記アドレスが前記ターゲットセルの前記アドレスと一致する場合は、前記ターゲットセルに電流を流して前記ターゲットセルの情報を読み出す工程と、
前記比較の結果、前記第２のセルの前記アドレスが前記ターゲットセルの前記アドレスと一致しない場合は、前記第２のセルの前記アドレスと前記ターゲットセルの前記アドレスとの差分に応じて前記磁性配線の磁壁を移動させた後、前記ターゲットセルに電流を流して前記ターゲットセルの情報を読み出す工程と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置の読み出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁壁で区切られた磁区毎に情報が記録された磁性配線を有する磁気記憶装置及びその書き込み／読み出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サブミクロン幅の磁性細線において、単一磁壁の電流駆動を観察したという報告がある（例えば、非特許文献１参照）。この効果を利用した磁壁シフトが可能な磁気シフトレジスタが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献２参照）。これらの提案では、複数の磁区に分割された磁性配線を用いて、電流にて磁壁移動を行い、磁気テープと同じような構造の磁気記憶装置を実現している。このような磁気シフトレジスタでは、セルの高密度化等による磁気メモリの大容量化の要求が高まりつつある。
【特許文献１】米国特許第６，８３４，９９５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，８３４，００５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０２５２５３８号明細書
【非特許文献１】A.Yamaguchi et al., Phys Rev.Lett92, 077205(2004)
【非特許文献２】日経エレクトロニクス、２００５年３月１４号、ｐｐ．２６−２７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、大容量メモリを実現することが可能な磁気記憶装置及びその書き込み／読み出し方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の視点による磁気記憶装置は、磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された第１の磁性配線と、前記第１の磁性配線の一端部に配置された第１の書き込み用素子と、前記第１の磁性配線の他端部に配置された第１の読み出し用素子とを具備する。
【０００５】
本発明の第２の視点による磁気記憶装置の書き込み方法は、磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された磁性配線と、前記磁性配線の一端部に配置された書き込み用素子と、前記磁性配線の他端部に配置された読み出し用素子とを備え、前記磁性配線の前記一端部に書き込み対象であるターゲットセルが位置するかを確認する工程と、前記確認の結果、前記磁性配線の前記一端部に前記ターゲットセルが位置する場合は、前記書き込み用素子を用いて前記ターゲットセルに情報を書き込む工程と、前記確認の結果、前記磁性配線の前記一端部に前記ターゲットセルが位置しない場合は、前記読み出し用素子を用いて前記第１の磁性配線の前記他端部における第１のセルの情報を読み出し、前記第１のセルの前記情報を記憶する工程と、前記磁性配線に電流を流して磁壁を１セル分移動させた後、前記書き込み用素子を用いて前記磁性配線の前記一端部における第２のセルに前記第１のセルの前記情報を書き込む工程と、前記第２のセルが前記ターゲットセルであるかを確認する工程とを具備する。
【０００６】
本発明の第３の視点による磁気記憶装置の読み出し方法は、磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された磁性配線と、前記磁性配線の一端部に配置された書き込み用素子と、前記磁性配線の他端部に配置された読み出し用素子とを備え、前記磁性配線の前記他端部に読み出し対象であるターゲットセルが位置するかを確認する工程と、前記確認の結果、前記磁性配線の前記他端部に前記ターゲットセルが位置する場合は、前記読み出し用素子を用いて前記ターゲットセルの情報を読み出す工程と、前記確認の結果、前記磁性配線の前記他端部に前記ターゲットセルが位置しない場合は、前記読み出し用素子を用いて前記第１の磁性配線の前記他端部における第１のセルの情報を読み出し、前記第１のセルの前記情報を記憶する工程と、前記磁性配線に電流を流して磁壁を１セル分移動させた後、前記書き込み用素子を用いて前記磁性配線の前記一端部における第２のセルに前記第１のセルの前記情報を書き込む工程と、前記磁性配線に電流を流して磁壁を１セル分移動させた後において、前記磁性配線の前記他端部に読み出し対象であるターゲットセルが位置するかを確認する工程とを具備する。
【０００７】
本発明の第４の視点による磁気記憶装置の読み出し方法は、磁壁で区切られた磁区からなる複数のセルで構成され、前記セル毎に情報が記録された磁性配線と、前記磁性配線の第１のセルに接続された書き込み用素子と、前記磁性配線の第２のセルに接続された読み出し用素子とを備え、前記第２のセルのアドレスを読み出す工程と、前記第２のセルの前記アドレスが読み出し対象であるターゲットセルのアドレスと一致するか比較する工程と、前記比較の結果、前記第２のセルの前記アドレスが前記ターゲットセルの前記アドレスと一致する場合は、前記ターゲットセルに電流を流して前記ターゲットセルの情報を読み出す工程と、前記比較の結果、前記第２のセルの前記アドレスが前記ターゲットセルの前記アドレスと一致しない場合は、前記第２のセルの前記アドレスと前記ターゲットセルの前記アドレスとの差分に応じて前記磁性配線の磁壁を移動させた後、前記ターゲットセルに電流を流して前記ターゲットセルの情報を読み出す工程とを具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、大容量メモリを実現することが可能な磁気記憶装置及びその書き込み／読み出し方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１０】
［１］第１の実施形態
［１−１］磁気記憶装置の構造
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の模式図を示す。図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る読み出し用素子の模式図を示す。以下に、第１の実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。
【００１１】
図１に示すように、集積回路（図示せず）が搭載された半導体基板１の上方には、記憶素子として機能する磁性配線１０が配置されている。この磁性配線１０は、例えば直線形状であり、強磁性体からなる。磁性配線１０は、全体的に磁気モーメントが一定方向ではなく、磁区１１と呼ばれる複数の領域が存在する。この磁区１１の領域内では、磁気モーメントが一方向に揃っている。磁気モーメントが異なる磁区１１間の境界には、磁壁１２（磁壁１２は、図１では単純に線で表してあるが、ある有限の幅を持つ）が存在する。従って、磁性配線１０において、磁区１１の磁気モーメントの向きをデータの“１”、“０”に対応させ、磁壁１２で区切られた複数の磁区１１のひとつひとつをメモリセルとみなせば、この磁区１１によるセル毎に“１”、“０”の情報を記録することができる。尚、隣接セルのデータが同じ場合、磁気モーメントの向きが完全に同じ場合には磁壁ができないが、説明の便宜上、磁壁があるものとして記述する。また、“１”、“０”の２値にデータを区切るため、同じデータでも、磁気モーメントが完全に同じではない場合もありうる。その場合は、同一データの磁区間でも磁壁が存在しうる。
【００１２】
磁性配線１０の一端部の半導体基板１側には、書き込み用素子２０が配置されている。この書き込み用素子２０は、磁性配線１０と離間して設けられ、例えば金属配線からなる。そして、書き込み動作時には、金属配線に書き込み電流Ｉｗを流し、この書き込み電流Ｉｗにより発生する磁場を磁性配線１０の一端部に位置するターゲットセル（書き込みたいアドレスのセル）ＴＣ−ｗに印加する。その結果、ターゲットセルＴＣ−ｗの磁化方向を確定することによりデータを書き込む。
【００１３】
磁性配線１０の他端部の半導体基板１側には、読み出し用素子３０が配置されている。この読み出し用素子３０は、例えば図２（ａ）及び（ｂ）に示すような、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistive）効果を利用したＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子（磁気抵抗効果素子）からなる。この磁気抵抗効果素子は、磁区の磁化方向によって抵抗値が異なる。
【００１４】
図２（ａ）の例の場合、読み出し用素子３０は、磁化方向が固定された固定層３１と、磁化方向が反転可能な記録層３３と、固定層３１及び記録層３３の間に設けられた非磁性層３２とを有する。ここで、記録層３３は、磁性配線１０の他端部に位置するターゲットセル（読み出したい情報が記憶されたセル）ＴＣ−ｒに対向して配置されている。そして、ターゲットセルＴＣ−ｒからの漏れ磁場によりターゲットセルＴＣ−ｒの磁化方向が記録層３３に転写され、読み出し用素子３０に読み出し電流Ｉｒを流すことでターゲットセルＴＣ−ｒのデータを読み出す。尚、読み出し用素子３０の記録層３３は、磁気的に磁性配線１０と一体化していなければよいため、空間的にはターゲットセルＴＣ−ｒと離間していてもよいし、ターゲットセルＴＣ−ｒと接していてもよい。
【００１５】
図２（ｂ）の例の場合、読み出し用素子３０は、磁化方向が固定された固定層３１と、磁性配線１０の他端部に位置するターゲットセルＴＣ−ｒと、固定層３１及びターゲットセルＴＣ−ｒの間に設けられた非磁性層３２とを有する。ここで、非磁性層３２は、ターゲットセルＴＣ−ｒに接している。そして、この読み出し用素子３０に読み出し電流Ｉｒを流すことでターゲットセルＴＣ−ｒのデータを読み出す。
【００１６】
磁性配線１０の端部には、磁性配線１０の磁壁１２を移動させるための電流源（図示せず）が設けられている。この電流源から供給される電流Ｉｓにより、ターゲットセルＴＣ−ｗを書き込み用素子２０の直上に移動させ、ターゲットセルＴＣ−ｒを読み出し用素子３０の直上に移動させる。この際、磁性配線１０の磁壁１２は、書き込み用素子２０の位置する磁性配線１０の一端部から読み出し用素子３０の位置する磁性配線１０の他端部へ移動する。換言すると、書き込み用素子２０は磁壁１２のシフト方向の開始側に配置され、読み出し用素子３０は磁壁１２のシフト方向の終端側に配置されている。尚、磁壁１２のシフト方向は、電流Ｉｓの流れる方向と反対である。
【００１７】
［１−２］書き込み／読み出し動作
（書き込みシーケンス）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の書き込み動作のシーケンス図を示す。図４（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の書き込み動作の説明図を示す。以下に、第１の実施形態に係る磁気記憶装置の書き込み動作について説明する。
【００１８】
まず、図４（ａ）に示すように、磁性配線１０の一端部（書き込み用素子２０側の端部）のセルＡ１に書き込み対象であるターゲットセルＴＣ−ｗが位置するかを確認する（図３のＳＴ１）。この際、セルＡ１のアドレスとターゲットセルＴＣ−ｗのアドレスとが比較される。
【００１９】
その結果、図４（ｂ）に示すように、セルＡ１がターゲットセルＴＣ−ｗである場合には、書き込み用素子２０に書き込み電流Ｉｗを流し、この書き込み電流Ｉｗに生じた磁場ＨをターゲットセルＴＣ−ｗに印加し、ターゲットセルＴＣ−ｗにデータＤ１（例えば“０”データ）を書き込む（図３のＳＴ２）。
【００２０】
一方、図４（ｃ）に示すように、セルＡ１がターゲットセルＴＣ−ｗでない場合には、読み出し用素子３０に読み出し電流Ｉｒを流すことにより、磁性配線１０の他端部（読み出し用素子３０側の端部）のセルＡ２のデータＤ２（例えば“０”データ）を読み出す（図３のＳＴ３）。そして、このセルＡ２のデータＤ２を例えばレジスタ等に一時記憶する（図３のＳＴ４）。
【００２１】
次に、図４（ｄ）に示すように、磁性配線１０に電流Ｉｓを流し、磁壁を例えば１セル分移動させる（図３のＳＴ５）。その後、書き込み用素子２０に書き込み電流Ｉｗを流し、この書き込み電流Ｉｗに生じた磁場Ｈを磁性配線１０の一端部のセルＡ３に印加する。これにより、セルＡ３に、セルＡ２のデータＤ２（例えば“０”データ）を書き込む（図３のＳＴ６）。
【００２２】
次に、磁性配線１０の一端部のセルＡ３が書き込み対象であるターゲットセルＴＣ−ｗであるかを再度確認し（図３のＳＴ１）、この確認結果に応じて図３のＳＴ２〜ＳＴ６のステップが行われる。
【００２３】
（読み出しシーケンス）
図５は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の読み出し動作のシーケンス図を示す。図６（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の読み出し動作の説明図を示す。以下に、第１の実施形態に係る磁気記憶装置の読み出し動作について説明する。
【００２４】
まず、図６（ａ）に示すように、磁性配線１０の他端部（読み出し用素子３０側の端部）のセルＢ１に読み出し対象であるターゲットセルＴＣ−ｒが位置するかを確認する（図５のＳＴ１）。この際、セルＢ１のアドレスとターゲットセルＴＣ−ｒのアドレスとが比較される。
【００２５】
その結果、図６（ｂ）に示すように、セルＢ１がターゲットセルＴＣ−ｒである場合には、読み出し用素子３０に読み出し電流Ｉｒを流し、ターゲットセルＴＣ−ｒのデータＤ１（例えば“０”データ）を読み出す（図５のＳＴ２）。
【００２６】
一方、図６（ｃ）に示すように、セルＢ１がターゲットセルＴＣ−ｒでない場合には、読み出し用素子３０に読み出し電流Ｉｒを流すことにより、セルＢ１のデータＤ２（例えば“０”データ）を読み出す（図５のＳＴ３）。そして、このセルＢ１のデータＤ２を例えばレジスタ等に一時記憶する（図５のＳＴ４）。
【００２７】
次に、図６（ｄ）に示すように、磁性配線１０に電流Ｉｓを流し、磁壁を例えば１セル分移動させる（図５のＳＴ５）。その後、書き込み用素子２０に書き込み電流Ｉｗを流し、この書き込み電流Ｉｗに生じた磁場Ｈを磁性配線１０の一端部（書き込み用素子２０側の端部）のセルＢ２に印加する。これにより、セルＢ２に、セルＢ１のデータＤ２（例えば“０”データ）を書き込む（図５のＳＴ６）。
【００２８】
次に、磁壁シフト後の磁性配線１０の一端部のセルＢ３が読み出し対象であるターゲットセルＴＣ−ｒであるかを再度確認し（図５のＳＴ１）、この確認結果に応じて図５のＳＴ２〜ＳＴ６のステップが行われる。
【００２９】
以上のような書き込み／読み出しシーケンスでは、磁壁シフトによって磁性配線１０から排出される情報を読み出し、この情報を磁壁シフトの開始側の磁区１１に書き込む。これによって、論理的にはループ状のシフトレジスタが構成される。この構造により、磁気シフトレジスタ（磁性配線１０）内の全ての磁区１１をメモリセルとして用いることができる。
【００３０】
（アドレス検出）
磁性配線１０内のメモリセルを同定するためのアドレス検出に関しては、いろいろな方法がある。
【００３１】
磁性配線１０がいくつの磁区（メモリセル）を有するかは、例えば、くびれを入れるなどの形状、又は、磁壁移動のための電流パルスの大きさやパルス幅によって、決定できる。従って、毎回の読み出し及び書き込み動作の終了後に、ある初期的な位置にデータを移動することにより、次回の読み出し及び書き込みは磁性配線１０内のメモリセルを同定するためのアドレス“０”からスタートする、というようにできる。つまり、ひとつの磁性配線１０がｎ個の磁区（メモリセル）で構成されており、読み出し及び書き込みアドレスがｊ（０＜ｊ＜ｎ−１）である場合、読み出し及び書き込みが終了した後、（ｎ−ｊ）だけ磁壁を移動させる。但し、ｊ＝０の場合には、磁壁を移動させない方が、効率が良い。アドレス検出は、読み出し及び書き込みアドレスがｊである場合、磁壁移動をｊ回行うことになるため、カウンタを用意し、そのカウント数で判断する。
【００３２】
あるいは、毎度毎度ではなく、電源が遮断される場合のみ、上記のような磁壁移動をさせるということも考えられる。この場合は、パワーオフ検知回路を用いた検知又は電位低下による検知によって動作を行うか、メモリシステムがシャットダウンコマンドを発行できる場合はそのコマンド信号を受けて動作する。通電中は、現在、どのアドレスが読み出し素子及び書き込み素子の位置にあるかを記憶するレジスタを用意し、このレジスタにそのアドレスを保存する。そして、ターゲットセルのアドレスとレジスタのアドレスとを比較して、その差分だけ磁壁移動を行う。
【００３３】
さらに、上記レジスタを不揮発性メモリにすれば、初期化は必要なくなるなどの方法が考えられる。
【００３４】
尚、アドレス検出の方法としては、後述する図２３乃至図２６のような方法を用いることも可能である。
【００３５】
［１−３］磁壁移動の原理
図７Ａ乃至図７Ｈは、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図を示す。
【００３６】
図７Ａは、磁壁移動を行う前の状態を示す。ここでは、以下の点を前提とする。強磁性体中の伝導電子のスピンの向きは、強磁性体の磁気モーメント（磁化）の向きに対して平行か反平行となっているものとする（この方がエネルギーが低いためである）。強磁性体の磁気モーメント（磁化）の由来は、強磁性体を構成する原子の最外郭電子のスピンである（鉄族（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）の場合、該当）。伝導電子も最外郭電子であるが、磁気モーメント（磁化）を担う電子とは区別して考える。以下に、第１の実施形態に係る磁壁移動の原理について簡単に説明する。
【００３７】
まず、強磁性体に電流を流すと、強磁性体中には電流と反対方向に電子（伝導電子）が流れる。この伝導電子は、自分のスピンの向きを保持したまま、磁壁に突入しようとする（図７Ｂ）。しかし、伝導電子は、突入先の磁気モーメントに自分のスピンの向きを合わせることとなる（図７Ｃ）。そして、伝導電子のスピンの向きが回転した埋め合わせ（角運動量の保存）として、磁気モーメントを担う電子のスピンの向きが回転する（図７Ｄ）。従って、伝導電子のスピンと磁気モーメントのスピンとが交換することとなる。さらに伝導電子が流れ（図７Ｅ）、この伝導電子は自分のスピンの向きを保持したまま磁壁に突入しようとする（図７Ｆ）。しかし、伝導電子は、突入先の磁気モーメントに自分のスピンの向きを合わせることとなる（図７Ｇ）。そして、伝導電子のスピンの向きが回転した埋め合わせ（角運動量の保存）として、磁気モーメントを担う電子のスピンの向きが回転する（図７Ｈ）。従って、伝導電子のスピンと磁気モーメントのスピンとが交換することとなる。以上のような結果、磁壁が移動することとなる。
【００３８】
尚、磁壁の移動距離は例えば電流量や電流パルスの長さに比例して決まるため、適当な長さの電流パルスにより磁壁移動を行う。但し、磁壁の移動量が多少不適切であっても、磁壁のできる位置が決定しており、磁区の中の磁気モーメントが一方向に揃う構造になっていれば問題ない。
【００３９】
［１−４］効果
例えば特許文献２の書き込み用素子及び読み出し用素子は、磁気シフトレジスタ４０の端部に設けられておらず、Ｕ字型の磁気シフトレジスタ４０の底部に設けられている。このような構造の場合、磁気シフトレジスタ４０の全てのセルをメモリとしては利用できない。磁気シフトレジスタ４０の全てのセルをデータ領域３５とすると、読み出し用素子２０の直上に読み出したいターゲットセルを移動させた場合、移動させたセル分だけ磁気シフトレジスタ４０の外へデータが排出されてデータが失われる。書き込みの場合も同様なことが起こりうる。
【００４０】
これに対し、第１の実施形態によれば、書き込み用素子２０と読み出し用素子３０をそれぞれ磁性配線（磁気シフトレジスタ）１０の両端に配設している。そして、書き込み用素子２０や読み出し用素子３０の直上にターゲットセルを移動させる場合には、磁性配線１０から排出される情報を読み出し、この情報を磁壁シフトの開始側の磁区１１に書き込む。これにより、論理的にはループ状の磁気シフトレジスタを実現できるため、磁性配線１０内の全ての磁区１１をメモリセルとして用いることができる。従って、セルの高密度による大容量の磁気メモリが実現できる。
【００４１】
［２］第２の実施形態
第２の実施形態は、上記第１の実施形態の磁性配線を積層したものである。尚、第２の実施形態において、上記第１の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００４２】
図８及び図９は、本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置の模式図を示す。以下に、第２の実施形態に係る磁気記憶装置の構造について説明する。
【００４３】
図８に示すように、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、半導体基板１の上方に磁性配線１０−１、１０−２、１０−３、１０−４が積層されている点である。
【００４４】
磁性配線１０−１の両端部には書き込み用素子２０−１及び読み出し用素子３０−１が配置され、この書き込み用素子２０−１及び読み出し用素子３０−１を用いてターゲットセルＴＣ−ｗ１、ＴＣ−ｒ１のデータの書き込み及び読み出しが行われる。
【００４５】
磁性配線１０−２の両端部には書き込み用素子２０−２及び読み出し用素子３０−２が配置され、この書き込み用素子２０−２及び読み出し用素子３０−２を用いてターゲットセルＴＣ−ｗ２、ＴＣ−ｒ２のデータの書き込み及び読み出しが行われる。
【００４６】
磁性配線１０−３の両端部には書き込み用素子２０−３及び読み出し用素子３０−３が配置され、この書き込み用素子２０−３及び読み出し用素子３０−３を用いてターゲットセルＴＣ−ｗ３、ＴＣ−ｒ３のデータの書き込み及び読み出しが行われる。
【００４７】
磁性配線１０−４の両端部には書き込み用素子２０−４及び読み出し用素子３０−４が配置され、この書き込み用素子２０−４及び読み出し用素子３０−４を用いてターゲットセルＴＣ−ｗ４、ＴＣ−ｒ４のデータの書き込み及び読み出しが行われる。
【００４８】
書き込み用素子２０−１、２０−２、２０−３、２０−４は、磁性配線１０−１、１０−２、１０−３、１０−４とそれぞれ離間して設けられ、例えば金属配線からなる。読み出し用素子３０−１、３０−２、３０−３、３０−４は、例えば図２（ａ）及び（ｂ）に示すようなＴＭＲ効果を利用した磁気抵抗効果素子からなる。
【００４９】
磁性配線１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の端部には、磁性配線１０−１、１０−２、１０−３、１０−４の磁壁を移動させるための電流Ｉｓを印加する電流源（図示せず）が設けられている。
【００５０】
尚、書き込み用素子及び読み出し用素子は、それらを挟んだ上下の磁性配線で共用することも可能である。例えば、図９に示すように、磁性配線１０−１と磁性配線１０−２の間に書き込み用素子２０−１及び読み出し用素子３０−１を設け、この書き込み用素子２０−１及び読み出し用素子３０−１を磁性配線１０−１、１０−２で共有する。磁性配線１０−３と磁性配線１０−４の間に書き込み用素子２０−２及び読み出し用素子３０−２を設け、この書き込み用素子２０−２及び読み出し用素子３０−２を磁性配線１０−３、１０−４で共有する。このような構造の場合、積層方向におけるセル面積を縮小することができる。
【００５１】
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第２の実施形態では、磁性配線を積層することにより、磁気メモリの更なる大容量化を実現できる。
【００５２】
［３］第３の実施形態
第３の実施形態は、磁性配線を３次元的なＵ字型にしたものである。尚、第３の実施形態において、上記第１の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００５３】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置の模式図を示す。以下に、第３の実施形態に係る磁気記憶装置の構造について説明する。
【００５４】
図１０に示すように、第３の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、磁性配線１０を半導体基板１の基板面に対して逆Ｕ字型にしている点である。この場合、書き込み用素子２０及び読み出し用素子３０は、半導体基板１の集積回路（図示せず）に接続することを考慮すると、半導体基板１側の磁性配線１０の端部に配置するのが望ましい。
【００５５】
上記第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第３の実施形態では、磁性配線をＵ字型にすることにより、横方向のセル面積を縮小でき、高密度化による大容量化を図ることができる。
【００５６】
［４］第４の実施形態
上記各実施形態では、磁壁シフト方向は一方向であったが、第４の実施形態は、磁壁シフト方向を両方向にしたものである。尚、第４の実施形態では、上記各実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００５７】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る磁気記憶装置の模式図を示す。以下に、第４の実施形態に係る磁気記憶装置の構造について説明する。
【００５８】
図１１に示すように、磁性配線１０の一端部には、右方向Ａの磁壁シフトのための書き込み用素子２０−Ａと左方向Ｂの磁壁シフトのための読み出し用素子３０−Ｂとが配置され、書き込み用素子２０−Ａ及び読み出し用素子３０−Ｂで磁性配線１０が挟まれている。一方、磁性配線１０の他端部には、右方向Ａの磁壁シフトのための読み出し用素子３０−Ａと左方向Ｂの磁壁シフトのための書き込み用素子２０−Ｂとが配置され、読み出し用素子３０−Ａ及び書き込み用素子２０−Ｂで磁性配線１０が挟まれている。
【００５９】
書き込み用素子２０−Ａ、２０−Ｂは磁性配線１０の上方に配置され、読み出し用素子３０−Ａ、３０−Ｂは磁性配線１０の下方に配置されている。ここで、書き込み用素子が磁壁シフト方向の開始側に配置され、読み出し用素子が磁壁シフト方向の終端側に配置されていればよいため、書き込み用素子２０−Ａ、２０−Ｂが磁性配線１０の下方に配置され、読み出し用素子３０−Ａ、３０−Ｂが磁性配線１０の上方に配置されても勿論よい。
【００６０】
上記第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第４の実施形態では、磁性配線１０に両方向に磁壁１２をシフトできるため、磁気シフト方向の自由度が向上できる。第４の実施形態は、他の実施形態よりも読み出し用素子及び書き込み用素子は２倍必要であるが、積層構造を採用することにより、面積の増大を防ぐことができる。
【００６１】
尚、第４の実施形態では、第３の実施形態をもとに変形したが、他の実施形態をもとに変形することも可能である。
【００６２】
また、アドレス検出のための初期化に関しては、左右方向のシフトが可能なため、読み出し及び書き込みアドレスによっては、より高速に初期化できるように、方向を変えることが可能となる。
【００６３】
［５］第５の実施形態
上記第１乃至第４の実施形態では、磁場書き込み方式を採用したのに対し、第５の実施形態では、スピン注入書き込み方式を採用する。
【００６４】
［５−１］磁気記憶装置の構成
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記憶装置の概略的な回路図を示す。以下に、第５の実施形態に係る磁気記憶装置の回路構成について説明する。
【００６５】
図１２に示すように、例えば直線状の磁性配線１０が配置されている。この磁性配線１０は、強磁性体からなり、記憶素子として機能する。磁性配線１０には、電子の持つスピンが一方向に揃っている磁区１１と呼ばれる矩形領域が所定のピッチで存在し、この磁区１１の境界には磁壁１２が存在する。従って、磁性配線１０は、磁壁１２で隔てた磁区１１の一つ一つがセルとなり、この磁区１１によるセル毎に“１”、“０”の情報が記録されている。
【００６６】
磁性配線１０の磁区Ｄ１の下には書き込み用素子２０が接続されている。この書き込み用素子２０には、書き込み用素子２０にアクセスするためのトランジスタＴｒ１の電流経路の一端が直列接続されている。このトランジスタＴｒ１の電流経路の他端にはビット線ＢＬが接続され、このビット線ＢＬにはスイッチＳＷ１を介して書き込み電流源・シンカー４１が接続されている。トランジスタＴｒ１のゲートは制御信号ＣＳ１により制御されている。
【００６７】
磁性配線１０の磁区Ｄ１の上にはコンタクトＣ１を介して書き込みワード線ＷＷＬが接続されている。この書き込みワード線ＷＷＬにはスイッチＳＷ２を介して書き込み電流源・シンカー４２が接続されている。
【００６８】
磁性配線１０の磁区Ｄ２の下には読み出し用素子３０が接続されている。この読み出し用素子３０には、読み出し用素子３０にアクセスするためのトランジスタＴｒ２の電流経路の一端が直列接続されている。このトランジスタＴｒ２の電流経路の他端にはビット線ＢＬが接続されている。トランジスタＴｒ２のゲートは制御信号ＣＳ２により制御されている。
【００６９】
ビット線ＢＬはスイッチＳＷ３を介してセンスアンプＳ／Ａの一方の入力端子に接続されている。この入力端子には例えばＰチャネル型ＭＯＳトランジスタからなるカレントコンベイヤーＣ／Ｃが接続され、このカレントコンベイヤーＣ／Ｃには電源ＶＤＤ１が接続されている。センスアンプＳ／Ａの他方の入力端子には参照信号ＲＳが入力される。
【００７０】
磁性配線１０の両端部には、スイッチＳＷ４、ＳＷ５を介して磁壁シフタ５１、５２がそれぞれ接続されている。磁壁シフタ５１、５２は、一定の電流値を一定の時間だけ磁性配線１０に印加することで一つ分の磁区１１だけ磁壁１２が移動するように設計しておく。磁壁シフトを行う際、スイッチＳＷ４、ＳＷ５をオンにして磁壁シフタ５１、５２を磁性配線１０に接続させ、パルス電流を印加する。これにより、書き込みたいターゲットセルＴＣ−ｗを書き込み用素子２０の直上の磁区Ｄ１に移動させ、読み出したいターゲットセルＴＣ−ｒを読み出し用素子３０の直上の磁区Ｄ２に移動させる。
【００７１】
尚、第１の実施形態等のように書き込み用素子２０及び読み出し用素子３０を磁性配線１０の端部にそれぞれ設けてもよい。
【００７２】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る書き込み用素子の概略的な断面図を示す。以下に、第５の実施形態に係る書き込み用素子について説明する。
【００７３】
図１３に示すように、書き込み用素子２０は、磁化方向が固定された固定層２１と、磁性配線１０の一つの磁区Ｄ１と、固定層２１及び磁区Ｄ１の間に設けられて磁区Ｄ１に接する非磁性層２２とを有する。磁性配線１０及び固定層２１は、強磁性層からなる。非磁性層２２は、Ｃｕ、Ｒｕ等からなる。固定層２１の保持力Ｈｃは大きく、磁性配線１０の保持力は固定層２１の保持力より小さくなるように設定しておく。
【００７４】
このような書き込み用素子２０は、磁性配線１０の一つの磁区Ｄ１を含む構造であり、いわゆるＣＰＰ−ＧＭＲ（Current-Perpendicular-to-Plane−Giant Magneto Resistive）素子（磁気抵抗効果素子）である。書き込み用素子２０は、磁性配線１０の複数の磁区１１に対して１つ配置しておく。
【００７５】
図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る読み出し用素子の概略的な断面図を示す。以下に、第５の実施形態に係る読み出し用素子について説明する。
【００７６】
図１４（ａ）に示すように、読み出し用素子３０の第１の例は、磁化方向が固定された固定層３１と、磁化方向が反転可能で磁区Ｄ２に接する記録層３３と、固定層３１及び記録層３３の間に設けられた絶縁層３２と、磁性配線１０の一つの磁区Ｄ２とを有する。ここで、記録層３３としては、その磁化方向が磁区Ｄ２からの漏れ磁場によって反転するような材料を選ぶとよい。絶縁層３２は、アルミナ（例えばＡｌ２Ｏ３）等からなる。
【００７７】
図１４（ｂ）に示すように、読み出し用素子３０の第２の例は、記録層３３に相当する部分を磁区Ｄ２に割り当てることによって、記録層３３を省いた例である。この読み出し用素子３０は、磁化方向が固定された固定層３１と、磁性配線１０の一つの磁区Ｄ２と、固定層３１及び磁区Ｄ２の間に設けられて磁区Ｄ２に接する絶縁層３２とを有する。
【００７８】
このような読み出し用素子３０は、磁性配線１０の１つの磁区Ｄ２に接続された構造（図１４（ａ））又は磁区Ｄ２を含む構造（図１４（ｂ））からなり、ＴＭＲ効果を利用したＭＴＪ素子（磁気抵抗効果素子）である。この読み出し用素子３０は、磁性配線１０の複数の磁区１１に対して１つ配置しておく。
【００７９】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記憶装置の概略的なレイアウト図を示す。図１６（ａ）は、図１５のＸＶＩＡ−ＸＶＩＡ線に沿った断面図を示す。図１６（ｂ）は、図１５のＸＶＩＢ−ＸＶＩＢ線に沿った断面図を示す。以下に、第５の実施形態に係る磁気記憶装置のレイアウト及び部分的な断面構造について説明する。
【００８０】
図１５に示すように、直線状の磁性配線１０がＸ方向に延在され、この磁性配線１０の両端がセレクタ／デコーダ／磁壁シフタ回路５０ａ、５０ｂに接続されている。例えば、磁性配線１０の両端は、図１２に示すようなスイッチＳＷ４、ＳＷ５（セレクタ）を介して磁壁シフタ５１、５２にそれぞれつながっている。
【００８１】
磁性配線１０の下方には、ビット線ＢＬがＸ方向に延在されている。このビット線ＢＬの一端は、セレクタ／デコーダ／書き込み電流源・シンカー回路４０ａに接続されている。例えば、ビット線ＢＬの一端は、図１２に示すようなスイッチＳＷ１（セレクタ）を介して書き込み電流源・シンカー４１につながっている。例えば、ビット線ＢＬの他端は、図１２に示すようなスイッチＳＷ３（カラムセレクタ（ＣＳＬ））を介してセンスアンプＳ／Ａ及びカレントコンベイヤーＣ／Ｃに接続されている。
【００８２】
書き込みワード線ＷＷＬはＹ方向に延在され、この書き込みワード線ＷＷＬの一端はセレクタ／デコーダ／書き込み電流源・シンカー回路４０ｂに接続されている。例えば、書き込みワード線ＷＷＬの一端は、図１２に示すようなスイッチＳＷ２（セレクタ）を介して書き込み電流源・シンカー４２につながっている。
【００８３】
書き込みワード線ＷＷＬと磁性配線１０との交差部には、書き込み用素子２０が配置されている。図１６（ａ）に示すように、書き込み用素子２０の一端（磁性配線１０の磁区Ｄ１）はコンタクトＣ１を介して書き込みワード線ＷＷＬに接続され、書き込み用素子２０の他端（固定層２１）はベース層ＢＡＳＥ１に接続されている。書き込み用素子２０の下方にはトランジスタＴｒ１が設けられている。このトランジスタＴｒ１の拡散層２４ａは、コンタクトＣ３、配線Ｍ１、コンタクトＣ２を介してベース層ＢＡＳＥ１に接続されている。トランジスタＴｒ１の拡散層２４ｂは、コンタクトＣ４を介してビット線ＢＬに接続されている。このような書き込み用素子２０は、外部からのアドレス信号を用いて、トランジスタＴｒ１のゲート電極Ｇ１の制御によってアクセスされる。
【００８４】
書き込み用素子２０と離間して、磁性配線１０の下には読み出し用素子３０が配置されている。図１６（ｂ）に示すように、読み出し用素子３０の一端（固定層３１）はベース層ＢＡＳＥ２に接続されている。読み出し用素子３０の下方にはトランジスタＴｒ２が設けられている。このトランジスタＴｒ２の拡散層３４ａは、コンタクトＣ６、配線Ｍ２、コンタクトＣ５を介してベース層ＢＡＳＥ２に接続されている。トランジスタＴｒ２の拡散層３４ｂは、コンタクトＣ７を介してビット線ＢＬに接続されている。このような読み出し用素子３０は、外部からのアドレス信号を用いて、トランジスタＴｒ２のゲート電極Ｇ２の制御によってアクセスされる。
【００８５】
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る書き込み電流源等の回路図を示す。以下に、本発明の第５の実施形態に係る書き込み電流源等について説明する。
【００８６】
図１７に示すように、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタＰＴｒ１、ＰＴｒ２のゲートはノードｎ１にそれぞれ接続されている。Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタＰＴｒ１の電流経路の一端は電源ＶＤＤ２に接続され、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタＰＴｒ１の電流経路の他端はノードｎ２に接続されている。ノードｎ２はノードｎ１及び定電流源ＩＳに接続されている。Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタＰＴｒ２の電流経路の一端は電源ＶＤＤ３に接続され、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタＰＴｒ２の電流経路の他端はノードｎ３に接続されている。Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＮＴｒ１（シンカー）、ＮＴｒ２（デコーダ）の電流経路の一端はノードｎ３にそれぞれ接続されている。
【００８７】
［５−２］書き込み／読み出し動作
（書き込み方法）
図１８は、本発明の第５の実施形態に係る書き込み動作を説明するための模式的な回路図を示す。図１９（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係るスピン注入書き込み（“１”データ）を行った場合の書き込み用素子の断面図を示す。図１９（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係るスピン注入書き込み（“０”データ）を行った場合の書き込み用素子の断面図を示す。以下に、本発明の第５の実施形態に係る書き込み動作について説明する。尚、ここでは、すでに書き込み用素子２０が書き込むべき磁区（ターゲットセルＴＣ−ｗ）に接触していると仮定する。
【００８８】
図１８に示すように、まず、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びトランジスタＴｒ１のゲートをオンにし、書き込み電流源・シンカー４１、４２の間に書き込み電流Ｉｗを印加する。尚、スイッチＳＷ５やトランジスタＴｒ２のゲートはオフにすることで、他の素子に書き込み電流Ｉｗは流れない。
【００８９】
ここで、書き込み電流Ｉｗの向きを変えることで、“１”、“０”データの書き分けを行うことができる。つまり、図１９（ａ）に示すように、電子ｅが磁区Ｄ１から固定層２１に向かって流れる場合、スピン注入技術により磁区Ｄ１の磁化方向は固定層２１の磁化方向と反対（反平行）になる。この場合、書き込み用素子２０は高抵抗状態となり、この状態を例えば“１”データと規定する。一方、図１９（ｂ）に示すように、電子ｅが固定層２１から磁区Ｄ１に向かって流れる場合、スピン注入技術により磁区Ｄ１の磁化方向は固定層２１の磁化方向と同一（平行）になる。この場合、書き込み用素子２０は低抵抗状態となり、この状態を例えば“０”データと規定する。
【００９０】
（読み出し方法）
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る読み出し動作を説明するための模式的な回路図を示す。図２１は、本発明の第５の実施形態に係る参照セルを用いた読み出し動作を説明するための模式的な回路図を示す。図２２は、本発明の第５の実施形態に係る参照セルを有する磁気記憶装置の概略的なレイアウト図を示す。以下に、本発明の第５の実施形態に係る読み出し動作について説明する。尚、ここでは、読み出し用素子３０は読み出すべき磁区（ターゲットセルＴＣ−ｒ）に接触していると仮定する。
【００９１】
図２０に示すように、まず、スイッチＳＷ３、ＳＷ４及びトランジスタＴｒ２のゲートをオンにし、磁壁シフタ５１はグランドに接続する。尚、スイッチＳＷ１、トランジスタＴｒ１のゲートはオフにしておく。これにより、読み出し電流Ｉｒが、カレントコンベイヤーＣ／ＣからトランジスタＴｒ２を介して読み出し用素子３０に印加される。この読み出し用素子３０に接触している磁区Ｄ２の磁化方向に応じてビット線ＢＬに現れる信号は変化する。この信号と参照信号ＲＳとをセンスアンプＳ／Ａで比較することによって、磁区Ｄ２の情報を読み出す。
【００９２】
読み出し時の参照信号ＲＳは、例えば次のように生成される。図２１及び図２２に示すように、例えばアレイ中心部の偶数本（例えば２本）の磁性配線１０において、一方の磁性配線１０の磁区１１には“０”データを予め書き込み、他方の磁性配線１０の磁区１１には“１”データを予め書き込んでおく。これにより、参照セルには、“０”データが書き込まれた参照素子７１と“１”データが書き込まれた参照素子７２とが存在する。読み出し動作時、“０”データの参照素子７１の信号と“１”データの参照素子７２の信号との中間の電圧値（参照信号ＲＳ）がデータバスＤＢ１に現れる。この参照参照信号ＲＳとデータバスＤＢ２に現れたターゲットセルＴＣ−ｒの信号とを、センスアンプＳ／Ａで比較する。
【００９３】
（アドレス検出）
図２３は、本発明の第５の実施形態に係るアドレス検出方法を説明するための模式図を示す。図２４は、本発明の第５の実施形態に係る電流パルスの発生を説明するための模式図を示す。以下、本発明の第５の実施形態に係るアドレス検出方法について説明する。
【００９４】
書き込み時及び読み出し時のどちらの場合においても、書き込み用素子２０及び読み出し用素子３０が現在アクセス（接触）している磁区Ｄ１、Ｄ２がターゲットセルＴＣ−ｗ、ＴＣ−ｒであるかを確認するため、磁区Ｄ１、Ｄ２がどのアドレスのものであるかについて予め分かっておく必要がある。
【００９５】
そこで、図２３に示すように、磁性配線１０の所定の領域には、予め“１”、“０”データが書き込まれたアドレス検出用パタン６０を設けることが望ましい。このアドレス検出用パタン６０にはアドレス読み出し用素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃが接続され、このアドレス読み出し用素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃに接する磁区１１の“１”、“０”データが読み出される。尚、アドレス検出用パタン６０は、ユーザがアクセスできないようにする。
【００９６】
図２３の例では、１ユニットを８つの磁区１１で構成しており、３つのアドレス読み出し用素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃにより１ユニット中の特定のセルのデータを読み出す。これにより、書き込み用素子２０及び読み出し用素子３０が現在アクセス（接触）している磁区Ｄ１、Ｄ２のアドレスを特定する。このように読み出しされたアドレスは例えばレジスタ等に格納される。
【００９７】
尚、磁区Ｄ１、Ｄ２のアドレスがターゲットセルＴＣ−ｗ、ＴＣ−ｒのアドレスと異なる場合は、磁壁シフタによって電流パルスを発生させて磁壁を１パルスごとにシフトさせる（図２４）。例えば、電流源・シンカーを１回の電流パルスで磁性配線１０中の磁区１１が１つだけシフトするよう設計しておく。これにより、アクセスしたいターゲットセルＴＣ−ｗ、ＴＣ−ｒを書き込み用素子２０及び読み出し用素子３０に接触させる。ここで、例えば、磁壁移動を行う移動量は、１ユニットを構成する磁区の数から１少なくする。
【００９８】
（書き込み動作のシーケンス）
図２５は、本発明の第５の実施形態に係る書き込み動作のシーケンス図を示す。以下に、本発明の第５の実施形態に係る書き込み動作のシーケンスについて説明する。
【００９９】
まず、チップの外部から、書き込み信号Ｓｗと外部アドレス信号（ターゲットセルＴＣ−ｗの信号）ＡＤｗ１が入力される（ＳＴ１）。そして、例えば図２３のアドレス検出用パタン６０等を用いて、１ユニット内のアドレス信号ＡＤｗ２が読み出される（ＳＴ２）。アドレス信号ＡＤｗ２は例えばレジスタに一時的に格納され、アドレス信号ＡＤｗ２により書き込み用素子２０に接する磁区Ｄ１のアドレスが特定される。次に、アドレス信号ＡＤｗ２と外部アドレス信号ＡＤｗ１が比較される（ＳＴ３）。
【０１００】
その結果、アドレス信号ＡＤｗ２と外部アドレス信号ＡＤｗ１が同一の場合は、スピン注入技術によりターゲットセルＴＣ−ｗに情報が書き込まれる（ＳＴ４）。以上により、書き込み動作が終了する。
【０１０１】
一方、アドレス信号ＡＤｗ２と外部アドレス信号ＡＤｗ１が異なる場合は、両者のアドレス情報の差分に相当する電流パルスを磁壁シフタにより磁性配線に印加し、磁壁をシフトさせる（ＳＴ５）。その後、スピン注入技術によりターゲットセルＴＣ−ｗに情報が書き込まれる（ＳＴ４）。以上により、書き込み動作が終了する。
【０１０２】
（読み出し動作のシーケンス）
図２６は、本発明の第５の実施形態に係る読み出し動作のシーケンス図を示す。以下に、本発明の第５の実施形態に係る読み出し動作のシーケンスについて説明する。
【０１０３】
まず、チップの外部から、読み出し信号Ｓｒと外部アドレス信号（ターゲットセルＴＣ−ｒの信号）ＡＤｒ１が入力される（ＳＴ１）。そして、例えば図２３のアドレス検出用パタン６０等を用いて、１ユニット内のアドレス信号ＡＤｒ２が読み出される（ＳＴ２）。アドレス信号ＡＤｒ２は例えばレジスタに一時的に格納され、アドレス信号ＡＤｒ２により読み出し用素子３０に接する磁区Ｄ２のアドレスが特定される。次に、アドレス信号ＡＤｒ２と外部アドレス信号ＡＤｒ１が比較される（ＳＴ３）。
【０１０４】
その結果、アドレス信号ＡＤｒ２と外部アドレス信号ＡＤｒ１が同一の場合は、ＴＭＲ効果によりーゲットセルＴＣ−ｒの情報が読み出される（ＳＴ４）。以上により、読み出し動作が終了する。
【０１０５】
一方、アドレス信号ＡＤｒ２と外部アドレス信号ＡＤｒ１が異なる場合は、両者のアドレス情報の差分に相当する電流パルスを磁壁シフタにより磁性配線に印加し、磁壁をシフトさせる（ＳＴ５）。その後、ＴＭＲ効果によりターゲットセルＴＣ−ｒの情報が読み出される（ＳＴ４）。以上により、読み出し動作が終了する。
【０１０６】
［５−３］効果
データ書き込みにおいて磁場書き込み方式を用いた場合、周辺セルへの漏れ磁場による誤書き込みの問題や、２軸書き込みでは半選択セルによるディスターブの問題が生じる恐れがある。このような問題は微細化によって高密度化・大容量化を図る場合にさらに顕著となる。
【０１０７】
これに対し、第５の実施形態によれば、磁性配線（磁気シフトレジスタ）１０に接続された書き込み用素子２０を用いて、スピン注入技術により磁性配線１０の所定の磁区１１にデータを書き込む。従って、書き込みたい磁区１１に直接電流を印加し、この電流によるスピン偏極電子を磁化に作用させている。このため、磁場書き込み方式の漏れ磁場やディスターブの問題が発生しないので、磁場書き込み方式を用いた場合よりも誤書き込みによるデータ破壊を抑制できる。これにより、メモリ素子としての信頼性を向上でき、微細化による高密度・大容量セルの磁気メモリが実現できる。
【０１０８】
［６］第６の実施形態
第６の実施形態では、スピン注入磁化反転方式と磁場書き込み方式との両方を組み合わせた書き込み方式を採用する。尚、ここでは、第５の実施形態と同じ点については説明を省略する。
【０１０９】
図２７は、本発明の第６の実施形態に係る書き込み動作を説明するための模式的な回路図を示す。図２８（ａ）は、本発明の第６の実施形態に係る“０”データ書き込みを説明するための図を示す。図２８（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る“１”データ書き込みを説明するための図を示す。以下に、本発明の第６の実施形態に係る書き込み動作について説明する。尚、ここでは、すでに書き込み用素子２０が書き込むべき磁区（ターゲットセルＴＣ−ｗ）に接触していると仮定する。
【０１１０】
図２７に示すように、書き込みワード線ＷＷＬの一端には書き込み電流源８１ａ及びシンカー８２ａが接続され、書き込みワード線ＷＷＬの他端には書き込み電流源８１ｂ及びシンカー８２ｂが接続されている。
【０１１１】
“０”データ書き込みは次のように行われる。まず、図２７に示すように、スイッチＳＷ１、ＳＷ１１、ＳＷ１４及びトランジスタＴｒ１のゲートをオンにし、書き込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２を印加する。
【０１１２】
書き込み電流Ｉｗ１は、書き込み電流源８１ａから書き込みワード線ＷＷＬを介して書き込み用素子２０に流れ、トランジスタＴｒ１及びビット線ＢＬを介して書き込み電流源・シンカー４１に流れる。これにより、磁区Ｄ１の磁化に対してスピン偏極電子が作用する。一方、書き込み電流Ｉｗ２は、書き込み電流源８１ａから書き込みワード線ＷＷＬを介してシンカー８２ｂに流れる。これにより、書き込み電流Ｉｗ２により発生した磁場が磁区Ｄ１の磁化に対して作用する。
【０１１３】
このような２つの書き込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２の作用の結果、図２８（ａ）に示すように、磁区Ｄ１の磁化方向は固定層２１の磁化方向と同一（平行）になる。これにより、書き込み用素子２０には、低抵抗状態の“０”データが書き込まれる。
【０１１４】
“１”データ書き込みは次のように行われる。まず、スイッチＳＷ１、ＳＷ１２、ＳＷ１３及びトランジスタＴｒ１のゲートをオンにし、書き込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２を印加する。
【０１１５】
書き込み電流Ｉｗ１は、書き込み電流源・シンカー４１からビット線ＢＬ及びトランジスタＴｒ１を介して書き込み用素子２０に流れ、書き込みワード線ＷＷＬを介してシンカー８２ａに流れる。これにより、磁区Ｄ１の磁化に対してスピン偏極電子が作用する。一方、書き込み電流Ｉｗ２は、書き込み電流源８１ｂから書き込みワード線ＷＷＬを介してシンカー８２ａに流れる。これにより、書き込み電流Ｉｗ２により発生した磁場が磁区Ｄ１の磁化に対して作用する。
【０１１６】
このような２つの書き込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ２の作用の結果、図２８（ｂ）に示すように、磁区Ｄ１の磁化方向は固定層２１の磁化方向と反対（反平行）になる。これにより、書き込み用素子２０には、高抵抗状態の“１”データが書き込まれる。
【０１１７】
上記第６の実施形態によれば、上記第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第６の実施形態では、スピン注入技術だけでなく磁場書き込み方式も用いるため、書き込み電流の低減を図ることができる。
【０１１８】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置を示す模式図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る読み出し用素子の模式図を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の書き込み動作のシーケンス図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の書き込み動作の説明図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の読み出し動作のシーケンス図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の読み出し動作の説明図。
【図７Ａ】本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図７Ｂ】図７Ａに続く、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図７Ｃ】図７Ｂに続く、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図７Ｄ】図７Ｃに続く、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図７Ｅ】図７Ｄに続く、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図７Ｆ】図７Ｅに続く、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図７Ｇ】図７Ｆに続く、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図７Ｈ】図７Ｇに続く、本発明の第１の実施形態に係る磁壁移動の原理を説明するための模式図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置を示す模式図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す模式図。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置を示す模式図。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る磁気記憶装置を示す模式図。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る磁気記憶装置を示す概略的な回路図。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る書き込み用素子を示す概略的な断面図。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る読み出し用素子を示す概略的な断面図。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る磁気記憶装置を示す概略的なレイアウト図。
【図１６】図１６（ａ）は、図１５のＸＶＩＡ−ＸＶＩＡ線に沿った断面図、図１６（ｂ）は、図１５のＸＶＩＢ−ＸＶＩＢ線に沿った断面図。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係る書き込み電流源等を示す回路図。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る書き込み動作を説明するための模式的な回路図。
【図１９】図１９（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係るスピン注入書き込み（“１”データ）を行った場合の書き込み用素子の断面図、図１９（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係るスピン注入書き込み（“０”データ）を行った場合の書き込み用素子の断面図。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係る読み出し動作を説明するための模式的な回路図。
【図２１】本発明の第５の実施形態に係る参照セルを用いた読み出し動作を説明するための模式的な回路図。
【図２２】本発明の第５の実施形態に係る参照セルを有する磁気記憶装置を示す概略的なレイアウト図。
【図２３】本発明の第５の実施形態に係るアドレス検出方法を説明するための模式図。
【図２４】本発明の第５の実施形態に係る電流パルスの発生を説明するための模式図。
【図２５】本発明の第５の実施形態に係る書き込み動作のシーケンス図。
【図２６】本発明の第５の実施形態に係る読み出し動作のシーケンス図。
【図２７】本発明の第６の実施形態に係る書き込み動作を説明するための模式的な回路図。
【図２８】図２８（ａ）は、本発明の第６の実施形態に係る“０”データ書き込みを説明するための図、図２８（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る“１”データ書き込みを説明するための図。
【符号の説明】
【０１２０】
１…半導体基板、１０…磁性配線、１１…磁区、１２…磁壁、２０…書き込み用素子、２１、３１…固定層、２２、３２…非磁性層、２３、３３…記録層、３０…読み出し用素子、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ…拡散層、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…アドレス読み出し用素子、４０ａ、４０ｂ…セレクタ／デコーダ／書き込み電流源・シンカー回路、４１、４２…書き込み電流源・シンカー、５０ａ、５０ｂ…セレクタ／デコーダ／磁壁シフタ回路、５１、５２…磁壁シフタ、６０…アドレス検出用パタン、８１ａ、８１ｂ…書き込み電流源、８２ａ、８２ｂ…シンカー、ＴＣ、ＴＣ−ｗ、ＴＣ−ｒ…ターゲットセル、Ｔｒｎ（ｎ＝１、２、…）…トランジスタ、ＰＴｒｎ（ｎ＝１、２、…）…Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ、ＮＴｒｎ（ｎ＝１、２、…）…Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ、ＳＷｎ（ｎ＝１、２、…）…スイッチ、ＢＬ…ビット線、ＷＷＬ…書き込みワード線、Ｓ／Ａ…センスアンプ、Ｃ／Ｃ…カレントコンベイヤー、ＣＳＬ…カラムセレクタ、ＶＤＤｎ（ｎ＝１、２、…）…電源、ＣＳ１、ＣＳ２…制御信号、ＲＳ…参照信号、ＤＳ…デコード信号、Ｄｏｕｔ…出力信号、Ｃｎ（ｎ＝１、２、…）…コンタクト、ＢＡＳＥ１、ＢＡＳＥ２…ベース層、Ｍ１、Ｍ２…配線、Ｇ１、Ｇ２…ゲート電極、ＤＢ１、ＤＢ２…データバス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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