(57)【要約】【課題】メモリ素子のスイッチングがメモリ素子の形状およびサイズの影響を受けず、はるかに強い局所磁場を生成することができ、それによって、温度変動に対して十分な磁気安定性を有するより小さな磁気素子が可能になるＭＲＡＭ構成の要求を満たす。【解決手段】パターン化しない磁性被膜上にデータを書き込むために強磁性材料中の磁壁の固有な本来の特性を利用して、パターン化しない磁性被膜上にデジタル情報を記憶する。ＭＴＪ（磁気トンネル接合部）を利用して、このパターン化しない磁性被膜からデータを読み出す。十分な温度安定性を実現するために、これらの磁気領域の向きを変更するのに必要とされる磁場は、導線を流れる電流によってもたらされるものよりもはるかに強くすることができる。このようなより強い磁場は、２つの磁壁の境界で生成される磁壁漏れ磁場を用いることによって実現される。これらの磁気領域は、隣接する磁性導線内の磁壁からの漏れ磁場を用いることによって書き込まれる。これらの導線は、磁気記憶領域の書込みが行われるべき磁気記憶層の近くにもっていかれる。【選択図】図１
2005123617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性被膜と、
前記磁性被膜の近傍に配設されたトラックを有する少なくとも１つの書込み素子とを備えるデータ記憶デバイスであって、
前記トラック内の磁壁からの漏れ磁場を用いてデータ領域内の磁気モーメントの方向を選択的に変更することによって、前記磁性被膜の前記データ領域にデータ・ビットを選択的に書き込むことができる、データ記憶デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つの書込み素子が、前記磁性被膜の上に配設された上部トラックと、前記磁性被膜の下に配設された下部トラックとを備える、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３】
前記上部トラックおよび前記下部トラック内の磁壁からの漏れ磁場を用いて、前記上部トラックと前記下部トラックが交差する前記磁性被膜のデータ領域にデータ・ビットを選択的に書き込むことができる、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４】
前記少なくとも１つの書込み素子が、１つの上部トラックおよび複数の下部トラックを備える、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５】
前記１つの上部トラックおよび前記複数の下部トラックがそれぞれ、個々の磁性導線を備える、請求項４に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６】
前記１つの上部トラックおよび前記複数の下部トラックが、前記磁性被膜内で複数の選択可能なデータ領域を画定する、請求項５に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項７】
前記少なくとも１つの書込み素子が、複数の上部トラックおよび１つの下部トラックを備える、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項８】
前記複数の上部トラックおよび前記１つの下部トラックがそれぞれ、個々の磁性導線を備える、請求項７に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項９】
前記複数の上部トラックおよび前記１つの下部トラックが、前記磁性被膜内で複数の選択可能なデータ領域を画定する、請求項８に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの書込み素子が、複数の上部トラックおよび複数の下部トラックを備える、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１１】
前記複数の上部トラックおよび前記複数の下部トラックがそれぞれ、個々の磁性導線を備える、請求項１０に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１２】
前記複数の上部トラックおよび前記複数の下部トラックが、前記磁性被膜上で複数の選択可能なデータ領域を画定する、請求項１１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１３】
前記上部トラックが湾曲部を備え、
前記下部トラックが湾曲部を備え、
前記データ領域が、前記上部トラックの前記湾曲部と前記下部トラックの前記湾曲部が交差する前記磁性被膜の領域に相当する、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１４】
前記磁性被膜が連続している、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１５】
前記磁性被膜が明確な構造をもたず、それによって前記データ・ビットの位置が指定されない、請求項１４に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１６】
前記磁性被膜が単一の磁性層を含む、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１７】
前記磁性被膜が重ね合わされた複数の磁性層を含む、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１８】
前記重ね合わされた複数の磁性層の少なくとも一部が、少なくとも１つの非強磁性層で分離される、請求項１７に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項１９】
前記上部および下部トラック内の前記磁壁からの前記漏れ磁場が、前記磁性被膜に向かって同時に移動して、前記データ領域の磁気モーメントの方向を変更し、それによって前記磁性被膜に前記データ・ビットを実質的に書き込む、請求項３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２０】
前記上部トラックおよび前記下部トラックの少なくとも１つに書込み電流を流すことによって前記磁壁が移動する、請求項１９に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２１】
前記データが２値であり、かつ第１状態および第２状態を有し、
前記データ・ビットが、第１方向に流れる前記電流に応答して前記第１状態を呈し、
前記データ・ビットが、第２方向に流れる前記書込み電流に応答して前記第２状態を呈する、請求項２０に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２２】
前記上部および下部トラックの前記磁壁が複数の磁区を画定し、
静止状態で、前記磁区が前記磁性被膜のデータ記憶領域から離れるように置かれ、それによって、前記データ領域の状態が前記漏れ磁場の影響を受けない、請求項３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２３】
前記複数の上部トラックが全体として直列に結合され、それによって、磁壁によって画定される磁気領域に関連する前記磁壁が、前記データ記憶領域を横切って一緒に移動する、請求項３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２４】
前記上部トラックが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される磁性材料のブロックを備え、
前記下部トラックが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される磁性材料のブロックを備え、
前記データ領域が、前記上部トラックの前記ブロックと前記下部トラックの前記ブロックが交差する前記磁性被膜の領域に相当する、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２５】
前記磁性被膜がパターン化されない、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの書込み素子が、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される均質な磁性材料を含む、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの書込み素子が、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される不均質な磁性材料を含む、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２８】
前記上部トラックまたは前記下部トラックの少なくとも１つが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される交互に並んだタイプの磁性材料から構築される、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項２９】
前記上部トラックおよび前記下部トラックの少なくとも１つの前記磁壁が固定される、請求項３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３０】
前記上部トラックおよび前記下部トラックの少なくとも１つの前記磁壁が、前記上部トラックおよび前記下部トラックの前記少なくとも１つに存在するくぼみによって固定される、請求項２９に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３１】
前記磁性被膜が上面および下面を備え、
前記磁性被膜の前記上面および下面の少なくとも１つの上に重なる絶縁トンネル障壁層をさらに備える、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３２】
前記データ領域に書き込まれた前記データ・ビットが、前記データ領域に一致して前記上部トラックから前記下部トラックに読出し電流を流すことによって読み出される、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３３】
前記データ・ビットの磁気の方向を判定することによって前記データ・ビットが読み出される、請求項３２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３４】
前記データ・ビットの第１の磁気方向には、トンネル接合部の第１抵抗値が表れている、請求項３３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３５】
前記データ・ビットの第２の磁気方向には、トンネル接合部の第２抵抗値が表れている、請求項３３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３６】
前記トンネル接合部の前記第１抵抗値が、前記トンネル接合部の前記第２抵抗値よりも小さい、請求項３３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３７】
前記データ領域に書き込まれた前記データ・ビットが、前記データ領域と交差する前記上部トラックまたは前記下部トラックのいずれか１つにのみ読出し電流を流すことによって読み出される、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３８】
絶縁トンネル障壁層を取り囲む磁気トンネル接合部の抵抗値の変化を測定することによって、前記データ・ビットが読み出される、請求項３７に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項３９】
前記上部トラックと下部トラックが相互にある角度で配設される、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４０】
前記上部トラックと下部トラックが相互に直交して配設される、請求項２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４１】
前記磁性被膜がパターン化される、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４２】
前記パターン化された磁性被膜が、複数のパターン化された磁気区画を備える、請求項４１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４３】
前記パターン化された磁性被膜の少なくとも一方の面上に重なる絶縁層をさらに備える、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４４】
前記絶縁層が、複数のパターン化された絶縁区画にパターン化される、請求項４３に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４５】
前記複数のパターン化された磁気区画が、前記複数のパターン化された絶縁区画を横切って延びる、請求項４４に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４６】
前記複数のパターン化された磁気区画がそれぞれ、少なくとも１つのデータ・ビットを記憶する、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４７】
前記複数のパターン化された磁気区画が同様の形状である、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４８】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が異なる形状である、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項４９】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が円形である、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５０】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が長方形である、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５１】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が正方形である、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５２】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が楕円形である、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５３】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が三角形である、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５４】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が複数の行にパターン化される、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５５】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が複数の列にパターン化される、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５６】
前記複数のパターン化された磁気区画の少なくとも一部が、複数の行および複数の列にパターン化される、請求項４２に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５７】
前記トラックに接続されたスイッチをさらに備え、それによって前記トラックに電流を流して前記データ・ビットを書き込む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５８】
前記スイッチがトランジスタを含む、請求項５７に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項５９】
前記磁性被膜の近傍に配設された絶縁トンネル障壁層をさらに備える、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６０】
前記絶縁トンネル障壁層および前記磁性被膜がトンネル接合部を形成する、請求項５９に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６１】
前記トラックが湾曲部を備える、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６２】
前記磁性被膜が連続している、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６３】
前記磁性被膜が明確な構造をもたず、それによって前記データ・ビットの位置が指定されない、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６４】
前記磁性被膜が単一の磁性層を含む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６５】
前記磁性被膜が重ね合わされた複数の磁性層を含む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６６】
前記重ね合わされた複数の磁性層の少なくとも一部が、少なくとも１つの非強磁性層で分離される、請求項６５に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６７】
前記磁性被膜がパターン化されない、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６８】
前記少なくとも１つの書込み素子が、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される均質な磁性材料を含む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項６９】
前記少なくとも１つの書込み素子が、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される不均質な磁性材料を含む、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項７０】
前記磁壁が移動可能である、請求項１に記載のデータ記憶デバイス。
【請求項７１】
磁性被膜を形成するステップと、
前記磁性被膜の近傍にトラックを配設することによって、少なくとも１つの書込み素子を形成するステップとを含む、データ記憶デバイスを作製する方法であって、
前記トラック内の磁壁からの漏れ磁場を用いて前記トラック内で記憶領域内の磁気モーメントの方向を選択的に変更することによって、前記磁性被膜のデータ領域にデータ・ビットを選択的に書き込むことができる、前記方法。
【請求項７２】
前記少なくとも１つの書込み素子を形成するステップが、
前記磁性被膜の上に上部トラックを形成するステップと、
前記磁性被膜の下に下部トラックを形成するステップとを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記上部トラックおよび前記下部トラック内の磁壁からの漏れ磁場を用いて、前記上部トラックと前記下部トラックが交差する前記磁性被膜のデータ領域にデータ・ビットを選択的に書き込むことができる、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記少なくとも１つの書込み素子が、複数の上部トラックおよび複数の下部トラックを備える、請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
前記複数の上部トラックおよび前記複数の下部トラックがそれぞれ、個々の磁性導線を備える、請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記上部トラックを形成するステップが湾曲部を形成するステップを含み、
前記下部トラックを形成するステップが湾曲部を形成するステップを含み、
前記データ領域が、前記上部トラックの前記湾曲部と前記下部トラックの前記湾曲部が交差する前記磁性被膜の領域に相当する、請求項７２に記載の方法。
【請求項７７】
前記磁性被膜を形成するステップが、連続磁性被膜を形成するステップを含む、請求項７２に記載の方法。
【請求項７８】
前記磁性被膜を形成するステップが、明確な構造をもたず、それによって前記データ・ビットの位置が指定されない磁性被膜を形成するステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７９】
前記磁性被膜を形成するステップが、単一の磁性層を形成するステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項８０】
前記磁性被膜を形成するステップが、重ね合わされた複数の磁性層を形成するステップを含み、
前記重ね合わされた磁性層の少なくとも一部が、少なくとも１つの絶縁層で分離される、請求項７１に記載の方法。
【請求項８１】
前記上部トラックを形成するステップが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される磁性材料のブロックを形成するステップを含み、
前記下部トラックを形成するステップが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される磁性材料のブロックを形成するステップを含み、
前記データ領域が、前記上部トラックの前記ブロックと前記下部トラックの前記ブロックが交差する前記磁性被膜の領域に相当する、請求項７２に記載の方法。
【請求項８２】
前記磁性被膜を形成するステップが、パターン化しない磁性被膜を形成するステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項８３】
前記少なくとも１つの書込み素子を形成するステップが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される均質な磁性材料を用いるステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項８４】
前記少なくとも１つの書込み素子を形成するステップが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される不均質な磁性材料を用いるステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項８５】
前記上部トラックおよび前記下部トラックを形成するステップが、強磁性材料およびフェリ磁性材料からなる群から選択される交互に並んだタイプの磁性材料から、前記上部トラックまたは前記下部トラックの少なくとも１つを形成するステップを含む、請求項７２に記載の方法。
【請求項８６】
前記上部トラックを形成するステップが、前記上部トラック内の前記磁壁を固定するステップを含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項８７】
前記下部トラックを形成するステップが、前記下部トラック内の前記磁壁を固定するステップを含む、請求項７３に記載の方法。
【請求項８８】
前記磁性被膜が上面および下面を備え、
前記磁性被膜の前記上面および下面の両方を被覆する絶縁トンネル障壁層を形成するステップさらに含む、請求項７２に記載の方法。
【請求項８９】
前記磁性被膜を形成するステップが、前記磁性被膜をパターン化するステップを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項９０】
前記パターン化された磁性被膜が、複数のパターン化された磁気区画を備える、請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記トラックの一方の面上に絶縁層を重ねるステップをさらに含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項９２】
前記絶縁層を上に重ねるステップが、前記絶縁層を複数のパターン化された絶縁区画にパターン化するステップを含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前記複数のパターン化された磁気区画が、前記複数のパターン化された絶縁区画を横切って延びる、請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
前記複数のパターン化された磁気区画がそれぞれ、少なくとも１つのデータ・ビットを記憶する、請求項９０に記載の方法。
【請求項９５】
前記複数のパターン化された磁気区画が同様の形状である、請求項９０に記載の方法。
【請求項９６】
前記複数のパターン化される磁気区画をパターン化するステップが、前記複数のパターン化される磁気区画の少なくとも一部を異なる形状の磁気区画にパターン化するステップを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項９７】
前記複数のパターン化される磁気区画をパターン化するステップが、前記複数のパターン化される磁気区画の少なくとも一部を円形の磁気区画にパターン化するステップを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項９８】
前記複数のパターン化される磁気区画をパターン化するステップが、前記複数のパターン化される磁気区画の少なくとも一部を矩形の磁気区画にパターン化するステップを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項９９】
前記複数のパターン化される磁気区画をパターン化するステップが、前記複数のパターン化される磁気区画の少なくとも一部を複数の行にパターン化するステップを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項１００】
前記複数のパターン化される磁気区画をパターン化するステップが、前記複数のパターン化される磁気区画の少なくとも一部を複数の列にパターン化するステップを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項１０１】
前記複数のパターン化される磁気区画をパターン化するステップが、前記複数のパターン化される磁気区画の少なくとも一部を複数の行および複数の列にパターン化するステップを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項１０２】
前記トラックにスイッチを接続するステップをさらに含み、それによって前記トラックに電流を流して前記データ・ビットを書き込む、請求項７１に記載の方法。
【請求項１０３】
前記スイッチがトランジスタを含む、請求項１０２に記載の方法。
【請求項１０４】
前記磁性被膜の近傍に絶縁トンネル障壁層を形成するステップをさらに含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項１０５】
前記絶縁トンネル障壁層および前記磁性被膜がトンネル接合部を形成する、請求項１０４に記載の方法。
【請求項１０６】
磁性被膜と、前記磁性被膜の近傍のトラック内に配設された少なくとも１つの書込み素子とを備えるデータ記憶デバイスにデータ・ビットを書き込む方法であって、
前記トラック内の磁壁からの漏れ磁場を用いて前記トラック内で記憶領域内の磁気モーメントの方向を選択的に変更することによって、前記磁性被膜のデータ領域に前記データ・ビットを選択的に書き込むステップを含む、前記方法。
【請求項１０７】
前記トラックにスイッチを接続するステップをさらに含み、それによって前記トラックに電流を流して前記データ・ビットを書き込む、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１０８】
前記磁性被膜がパターン化されない、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１０９】
前記トラックが個々の磁性導線を備える、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１０】
前記トラックが、前記磁性被膜上で複数の選択可能なデータ領域を画定する、請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１１】
前記磁性被膜が連続している、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１２】
前記磁性被膜が明確な構造をもたず、それによって前記データ・ビットの位置が指定されない、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１３】
前記データ・ビットを選択的に書き込むステップが、前記データ領域の磁気モーメントの方向を変更するために、前記磁性被膜に向かって前記トラック内の前記磁壁からの前記漏れ磁場を同時に移動させるステップを含む、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１４】
前記トラック内の前記磁壁からの前記漏れ磁場を同時に移動させるステップが、前記トラック内で書込み電流を流すステップを含む、請求項１１３に記載の方法。
【請求項１１５】
前記電流を第１方向に流すステップにより、前記データ・ビットが第１の２値状態を呈し、
前記電流を第２方向に流すステップにより、前記データ・ビットが第２の２値状態を呈する、請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１６】
前記トラック内で前記磁壁を固定するステップをさらに含む、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１７】
前記データ領域と交差する前記トラックに読出し電流を流すことによって、前記データ領域内の前記データ・ビットを選択的に読み出すステップをさらに含む、請求項１０６に記載の方法。
【請求項１１８】
前記データを選択的に読み出すステップが、前記絶縁トンネル障壁層の抵抗値の変化を測定するステップを含む、請求項１１７に記載の方法。
【請求項１１９】
磁性被膜の近傍に絶縁トンネル障壁層からなるトンネル接合部を配設することによって形成されたデータ記憶デバイス上のデータ・ビットを読み出す方法であって、
データ領域と交差するトラックに読出し電流を流すことによって、前記磁性被膜の前記データ領域に記憶された前記データ・ビットを選択的に読み出すステップを含む、前記方法。
【請求項１２０】
前記データ・ビットを選択的に読み出すステップが、前記絶縁トンネル障壁層の抵抗値の変化を測定するステップを含む、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２１】
前記磁性被膜がパターン化されない、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２２】
前記トラックが個々の磁性導線を備える、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２３】
前記トラックが、前記磁性被膜上で複数の選択可能なデータ領域を画定する、請求項１２２に記載の方法。
【請求項１２４】
前記磁性被膜が連続している、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２５】
前記磁性被膜が明確な構造をもたず、それによって前記データ・ビットの位置が指定されない、請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２６】
データ記憶デバイス上のデータ・ビットを読み出す装置であって、
磁性被膜の近接に絶縁トンネル障壁層を配設することによって形成されたトンネル接合部と、
データ領域を貫通して前記トンネル接合部に読出し電流を流すことによって、前記磁性被膜の前記データ領域に記憶された前記データ・ビットを選択的に読み出す読出し素子とを備える、前記装置。
【請求項１２７】
前記読出し素子が、前記絶縁トンネル障壁層の抵抗値の変化を測定することによって前記データを選択的に読み出す、請求項１２６に記載の装置。
【請求項１２８】
前記磁性被膜がパターン化されない、請求項１２６に記載の装置。
【請求項１２９】
前記磁性被膜が個々の磁性導線を備える、請求項１２６に記載の装置。
【請求項１３０】
前記個々の磁性導線が、複数の選択可能なデータ領域を画定する、請求項１２９に記載の装置。
【請求項１３１】
前記磁性被膜が連続している、請求項１２６に記載の装置。
【請求項１３２】
前記磁性被膜が明確な構造をもたず、それによって前記データ・ビットの位置が指定されない、請求項１３１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にメモリ記憶システムに関し、特に磁区の磁気モーメントを利用してデータを記憶するメモリ記憶システムに関する。詳細には、本発明は、パターン化しない連続磁性層にデータを記憶するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、同時係続の「シフト可能な磁気シフト・レジスタおよびそれを使用する方法（ShiftableMagnetic Shift Register and Method of Using the Same）」という名称の米国特許出願第１０／４５８，５５４号および「磁気シフト・レジスタに書込みを行うシステムおよび方法（Systemand Method for Writing to a Magnetic Shift Register）」という名称の米国特許出願第１０／４５８，１４７号に関連するものである。いずれも２００３年６月１０日に出願されたものであり、それら全体を参照により本明細書に組み込む。
【０００３】
現在、ＭＴＪ（磁気トンネル接合）メモリ素子を利用する高性能、不揮発性メモリとしてＭＲＡＭ（磁気ランダム・アクセス・メモリ）に大きな関心が寄せられている。この磁気トンネル接合は、薄い絶縁材料で分離された強磁性材料の２つの層を備える。これらの層の一方の磁気モーメントの方向は、例えば、米国特許第５，６５０，９５８号に記載の反強磁性材料による交換バイアスによって、あるいは、米国特許第５，８０１，９８４号および第５，９３６，２９３号に記載されているように、この層を、第２強磁性層のものよりも大きな磁気異方性をもつ強磁性材料から形成することによって固定されている。
【０００４】
この第１層の磁気モーメントは、このメモリ素子の動作中に印加された磁場に極めてわずかしか応答しない。対照的に、第２強磁性層では、磁気モーメントの方向がメモリ素子の動作中に印加された磁場に応答して移動し、それによって、この層の磁気モーメントの方向を設定することができる。この印加された磁場は、書込み磁場または切替え磁場と称する。
【０００５】
第１および第２強磁性層の磁化がともにほぼ均質であり、かつ１つの特定の方向に沿って整列され、それによって、磁気モーメントにより、本質的に単一の磁区が形成されると有利である。通常は、磁気モーメントは均質にならず、減磁場が最も強くなるデバイスの縁部では特に、磁化が好ましい方向から離れるように方向づけられることがある。
【０００６】
そうではあるが、第２層中の磁気モーメントの方向は、第１層にほぼ平行または反平行になり、それによって「１」または「０」の形でデータを記憶することができる。一般に、個々のＭＴＪは、磁気トンネル接合構造からなる連続被膜をマイクロ・リソグラフィによりパターン化することによって形成され、それによって、特定の形状および面積を有するＭＴＪ素子が画定される。ＭＲＡＭを生成するには、米国特許第５，６４０，３４３号に記載されているように、ＭＴＪデバイスに対して読出しおよび書込みを行うための「書込み」ラインおよび「ビット」ラインの網目構造中にこれらのＭＴＪ素子を組み込む。
【０００７】
個々のＭＴＪ素子の状態の設定および問い合わせを行うための電気回路は、従来方式のＣＭＯＳプロセスによって形成することができる。ＭＲＡＭチップの製作時に、一般にＭＴＪ素子は最初に、前のステップで製作した書込み（またはビット）ライン・アレイの上部に磁気トンネル接合構造からなる連続磁気多層被膜を被着させることによって製作される。次いで、エッチング技術を用いてＭＴＪ被膜をパターン化して、特定の形状およびサイズの超小型トンネル接合部を形成する。
【０００８】
ＭＴＪを利用したＭＲＡＭに伴う主要な問題の１つは、ＭＴＪ素子を極めて小さなサイズにスケーリングすることである。これらの素子の切替え磁場は、これらのデバイスが小さくなるほど、デバイス縁部の細部構造の影響をよりいっそう受けやすくなる。ＭＴＪの形状およびサイズならびにこれらのデバイスの縁部の粗さが少し変動しても、個々のデバイスに書込みを行うのに必要とされる磁場の強さに大きな変化が生じる。さらに、これらの素子のサイズが小さくなるほど、ＭＴＪメモリ素子の状態を変化させるのに必要とされる磁場は強くなる。
【０００９】
ＭＴＪメモリ素子の縁部における磁極から発する静磁場により、書込み磁場または切替え磁場の必要な強さが概ね決まる。減磁場の役割を軽減するために、例えば、米国特許第５，８４１，６９２号、第６，１５３，３２０号、および第６，１６６，９４８号に記載されているように、薄い非強磁性層で分離された２つ以上の強磁性層からなるサンドイッチ構造から、ＭＴＪを構成する一方または両方の強磁性層を形成することによって、ＭＴＪデバイスの構造をより複雑にすることがある。
【００１０】
従来型ＭＲＡＭのクロスポイント型構成では、記憶素子の状態は、ＭＴＪメモリ素子の近くで「書込みライン」用導線および「ビットライン」用導線からなる並列アレイに電流を流すことによって変化する。一般に、個々のＭＴＪ記憶素子における局所的な磁場は、ＭＴＪ素子の真上および直下に配置された２本の導線に電流を流すことによって生成される。
【００１１】
ＭＴＪ素子は、各書込みライン用導線および各ビットライン用導線の「交点」に配置される。一般に、書込みライン用導線およびビットライン用導線は互いに直交して配置され、ＭＴＪ素子は、その磁化容易軸が、これらの導線のうちの一方、通常はビットラインと称する導線に沿った向きになるように方向づけられる。ただし、ＭＴＪデバイスは、これらの導線の方向に対して何らかの他の角度の向きで配置してもよい。一連のＭＴＪ記憶素子は、各書込み用導線および各ビット用導線に沿って配置される。
【００１２】
これらのビットラインのうちの１本および書込みラインのうちの１本の交点のところで選択された１つの素子は、これらの導線に沿って同時に電流を流すことによって書込みが行われる。これらの同じ導線に沿って、書込みライン磁場またはビットライン磁場のいずれかに曝された多数の半ば選択された状態の素子がある。
【００１３】
書込みライン用導線およびビットライン用導線に沿って流れる電流によって生成され得る最大磁場は、電流密度が適度である場合には約１００エルステッドに制限される（あるいは、これらの導線にパーマロイなどの高透磁率軟質強磁性材料が被覆されている場合には、この量は２倍になろう）。最大電流は、最終的にはエレクトロ・マイグレーションによって制限される。エレクトロ・マイグレーションでは、導線内の原子が導線を流れる電流によって移動することがあり、それによって、典型的には導線の局所的なくびれにより、局所電流密度が増加して制御困難な変化が生じるために、最終的に導線の破損が生じ得る。
【００１４】
このため、実際のデバイスでは、電流密度をこの制限よりも低くしなければならないが、このような状況下でさえも、電流密度は、電力損失およびチップ上のパワー・トランジスタのサイズに関する要件を含めて、他の理由によって制限されることになる。そのため、こうした電流に関する制約により最大磁場が制約され、それによってＭＴＪ素子の最小サイズが制限される。
【００１５】
切替え磁場は、素子の正味の磁気モーメントを小さくすることによって、例えば、磁化値が比較的小さい磁性材料を用いることによって、あるいは磁性材料の使用量を少なくすることによって弱くすることができる。磁性材料の使用量は、ＭＴＪデバイス中の磁性層の厚さを薄くすることによって少なくすることができる。ただし、こうすると、このようなデバイスは、超常磁性効果による熱揺らぎの影響を受けやすくなる。したがって、ＭＴＪ素子は、ＭＲＡＭデバイスの動作温度における温度変動に対してこれらの素子が安定になるのに十分な磁気異方性を有する必要がある。ＭＲＡＭクロスポイント型構成で、素子の書込み中に、これらのデバイスが半ば選択された状態になるときは特にそうである。
【特許文献１】米国特許出願第１０／４５８，５５４号
【特許文献２】米国特許出願第１０／４５８，１４７号
【特許文献３】米国特許第５，６５０，９５８号
【特許文献４】米国特許第５，８０１，９８４号
【特許文献５】米国特許第５，９３６，２９３号
【特許文献６】米国特許第５，６４０，３４３号
【特許文献７】米国特許第５，８４１，６９２号
【特許文献８】米国特許第６，１５３，３２０号
【特許文献９】米国特許第６，１６６，９４８号
【特許文献１０】米国特許第６，４５２，２４０号
【特許文献１１】米国特許第５，４６５，１８５号
【特許文献１２】米国特許第５，３４１，１１８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、メモリ素子のスイッチングがメモリ素子の形状およびサイズの影響を受けず、はるかに強い局所磁場を生成することができ、それによって、温度変動に対して十分な磁気安定性を有するより小さな磁気素子が可能になるＭＲＡＭ構成が求められている。このようなシステムの要求は、これまで依然として満たされていない。このような要求は、本発明により満たされる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、このような要求を満たし、可動部分がない固体デバイス中のパターン化しない磁性被膜、すなわちデータ記憶層にデジタル情報を記憶するシステムおよびそれに関連する方法（本明細書では、総称して「このシステム」または「本システム」と称する）を提示する。本システムは、パターン化しない磁性被膜に対して書込みおよび読出しを行う包括的な方法を提供する。簡単に言うと、本システムは、強磁性またはフェリ磁性材料中の磁壁の固有な本来の特性を利用して、パターン化しない磁性被膜上にデータを書き込む。ＭＴＪ（磁気トンネル接合部）を利用してパターン化しない磁性被膜からデータを読み出す。この磁性被膜は記憶層である。この磁性被膜は、複数のデータ・ビットを記憶し得る単一の連続層とすることもできるし、互いに連続していない一連の不連続な区画とすることもできる。
【００１９】
この磁性被膜は、単一の磁性層からなるものとすることもできるし、非強磁性スペーサ層によって分離された複数の磁性層からなるものとすることもできる。この被膜は、従来型の磁気ハード・ディスク・ドライブ内の磁気媒体で用いられるものに類似の磁性材料からなる。これらの磁性材料は、この層に書き込まれる磁気領域すなわちビットが温度変動に対して安定になるのに十分な固有の結晶磁気異方性を有する。このことは、これらの磁気領域すなわちビットの向きを変えるのに必要とされる磁場は、近くの導線を流れる電流がもたらし得るよりもはるかに強いことを意味する。ただし、このような比較的強い磁場は、磁性被膜の近傍に配置された磁性導線からなる磁気トラック中の２つの磁壁間の境界において生成される磁壁漏れ磁場を用いることによって実現することができる。
【００２０】
各磁壁に関連して強い漏れ磁場がある。この磁壁により、極めて小さなスペース内の磁性材料中で１つの方向から別の方向への磁気の変化が集中する。この磁壁の性質よっては、極めて強い双極性漏れ磁場がこの磁壁から放射し得る。磁区のこの特性を用いて、磁性被膜中のデータ記憶領域に書込みを行う。磁壁が磁性被膜すなわちデータ記憶層の近くに移動すると、磁壁の強い磁場により、記憶層内の局所的な記憶領域中の磁気モーメントの方向が変わり、それによって、記憶層にビットが実質的に「書き込まれる」。
【００２１】
磁壁漏れ磁場の重要な特性は、それらが磁壁に近いスペースの狭い領域に局所化されることである。そのため、磁壁漏れ磁場により、極めて局所化された強い磁場を提供することができる。この磁場は、磁気トラックまたは磁性導線などの磁性要素内で磁壁の位置を移動または制御することによって空間的に操作することができる。
【００２２】
磁壁によって生成された磁場は、数千エルステッドの切替え磁場によって磁性層に書込みを行うのに十分に強い。漏れ磁場の強さは、磁壁から離れるに従って急激に弱くなる。したがって、磁壁漏れ磁場によって特性が変わる材料から導線までの距離を変化させ、かつこの導線に沿って磁壁を移動させることによって、磁性被膜の近傍に配置された磁気トラックまたは磁性導線内で磁壁漏れ磁場の印加を制御することができる。
【００２３】
本システムでは、記憶層内の磁気記憶領域は、磁性導線からなる隣接した磁気トラック内の磁壁からの漏れ磁場を利用して書込みが行われる。これらの導線は、磁気記憶領域の書込みが行われることになる磁気記憶層の近くに置かれる。静止状態では、これらの磁区は、導線中の記憶層から離れた位置にもっていくことができる。この位置は、漏れ磁場が記憶層の状態に影響を及ぼし得ないほど記憶層の表面から十分に離れている。
【００２４】
磁気領域の書込みを行うために、磁壁は導線内を、この磁気領域の一方の側から、磁気領域を（この領域の近くを）横切って、導線の他方の側に移動する。この導線を流れる電流により磁壁の動きが制御され、その結果、磁気記憶層内の磁気領域の書込みが制御される。
【００２５】
一実施形態では、記憶層内の各磁気領域は、トランジスタに接続された関連する磁性導線を有する。この関連する磁性導線に電流を流して、対応する磁壁およびそれに関連する漏れ磁場を移動させることによって個々の磁気領域が切り替えられる。その結果、この磁気領域の書込みが行われる。磁壁がいずれの方向（左から右、または右から左）に移動するかに応じて、１つの方向または他の方向にこの磁気領域の書込みが行われる。
【００２６】
別の実施形態では、各磁気記憶領域に関連する磁性導線は全体として直列に接続され、それによって、各磁気領域に関連する磁壁は、記憶領域を横切って一緒に移動する。磁性導線を記憶層の上下に配置することによって、選択された磁気領域の上下の導線からの磁壁漏れ磁場の組合せによって、選択された磁気領域の書込みが行われる。半ば選択された状態の領域の書込みは行われない。
【００２７】
磁性被膜またはデータ記憶層は、連続したものとすることもできるし、あるいは、互いに連続しない比較的小さな磁気区画からなるものとすることもできる。これらの比較的小さな磁気区画は、１つ（または少数のデータ記憶領域）しか含まないほど小さな区画から、あるいは、１つまたは複数の書込みトラックに関連する一連の磁気データ領域を含む程度に十分に大きくし得るものまで、サイズが変化し得る。
【００２８】
好ましい実施形態では、１つ（または複数）のデータ記憶領域が、磁気区画の縁部または境界まで延びないように磁気区画を十分に大きくする。こうすると、この区画の縁部の細部の形態および形状は、この区画内で１つまたは複数の磁気領域の書込みを行うのに必要とされる磁場の強さに影響を及ぼさない。その結果、個々のデータ記憶領域は、従来型のＭＲＡＭ構成の場合と同様の特定の形状を有する特別な区域に「パターン化」されず、「パターン化されない」磁性被膜またはデータ記憶層内に存在することになる。同様に、これらのデータ記憶領域は、ナノメートル・レベルで小さくパターン化された、特定の形状およびサイズの磁気素子中に局所化されない。そうではなくて、それらは単に、パターン化されず、その他の点では均質な磁性被膜内の領域である。磁性被膜内での磁気領域の位置は、書込み素子によって好都合に決まる。
【００２９】
従来のＭＲＡＭ設計に比べて本発明の１つの利点は、パターン化しない磁気データ記憶層内で磁気領域の書込みを行うのに必要とされる磁場は、この層の磁気特性の影響しか受けず、ナノメートル・レベルでパターン化された磁気素子の細部の物理的な構造の影響を受けないことである。さらに、磁気書込み素子内の磁壁漏れ磁場を用いると、非磁性導線を流れる電流から生成され得るものよりも、はるかに強い局所磁場が可能になる。こうすると、従来型のクロスポイント設計で可能なものよりも、はるかに高い密度を実現することができるＭＲＡＭが可能になる。
【００３０】
次に、本発明の様々な特徴およびそれらを実現する方法を、以下の説明、特許請求の範囲、および図面を参照してより詳細に説明する。図面では、適切な場合には、参照する要素間の対応を示すために参照数字を繰り返し用いる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
従来のＭＲＡＭ構成では、例えば、従来方式の光学ビームまたは電子ビームあるいはその両方によるリソグラフィおよびエッチングによってリソグラフィ的にパターン化された特定の形状およびサイズを有する離散した磁気メモリ素子を用いることが必要である。一般に、これらのメモリ素子は、これらの磁気メモリ素子に対して、読出し、書込み、および問い合わせを行うために用いられる回路を形成するトランジスタおよびコンデンサなどの微小電子コンポーネントの上部に製作される。
【００３２】
まず、典型的にはシリコン・ウエハ上にこれらのコンポーネントが形成され、次いで、通常はまずウエハ全体にわたって、磁気メモリ素子を構成する連続被膜を被着させることによって磁気メモリ素子が製作される。次いで、この被膜をリソグラフィによりパターン化して、特定の明確な形状およびサイズの磁気メモリ・デバイスにする。これらのデバイスは、これらの素子を下にある電子コンポーネントに接続する導線またはビアに極めて精確に位置合わせされる。
【００３３】
最後に、パターン化した磁気メモリ素子の上部にビアおよび導線を製作して、これらの素子に最終的な電気的接続部を設ける。一般に、磁気メモリの性能は、磁気メモリ素子の細部の形状およびサイズ、ならびにこれらの素子の上下の回路に対するこれらの素子の配置の精度に大きく影響される。そのため、これらの素子の形状およびサイズは、極めて良好に制御しなければならない。さらに大きなメモリ記憶容量を可能にするためにこれらの素子のサイズが縮小するにつれ、この制御がますます難しくなりつつある。
【００３４】
図１に、パターン化しない連続磁性被膜１０Ａを備える磁気メモリ・デバイス１００の上位構成の例を示す。磁気データ記憶層１０Ａは、明確な構造をもたず、各データ・ビットの位置も指定されず、そのため、この磁性被膜にデータを極めて密に書き込むことができる。
【００３５】
本明細書で用いるとき、「パターン化する」という用語は、記憶層が一連の区画からなることを示す。これらの区画はそれぞれ、磁気記憶層内で磁気領域を構成する少なくとも１つのデータ・ビットを収容するのに十分に大きい。さらに、各区画は、その区画の縁部が、その区画内に記憶されるデータ・ビットの書込みに大きな影響を及ぼさない程度に十分に大きい。
【００３６】
一般に、「パターン化しない」という用語は、記憶層が記憶データ・ビット・アレイ全体にわたって連続していることを示す。パターン化された領域とは、円形、楕円形、長方形、正方形、または台形など任意の所望の形状のものとし得る区画である。パターン化された区画は、１つまたは複数の行または列のデータ・ビットが含まれるように十分に大きくすることもできる。
【００３７】
磁気メモリ・デバイス１００は、（本明細書では書込み素子とも称する）一連の書込みデバイス２０を用いる。書込みデバイス２０は、個々の磁性導線でできている多数のトラックからなる。これらを、トラック２５、３０、３５、４０などの磁気トラックで示す。これらのトラックは、磁化が、好ましくはトラックに沿って１つの磁区から次の磁区に、１つの方向の磁化から反対の方向の磁化に交互に変わる複数の磁区からなる。単なる説明のために、図１では隣接するトラックの磁区が反対に磁化されるように示すが、動作時には、１つのトラックから次のトラックに磁区の向きが相関している必要はなく、書込み素子の履歴に応じて変化し得る。
【００３８】
図１では、書込みデバイス２０は、磁性被膜１０Ａの面の上下に位置する。参照を簡単にするために、本明細書では、トラックの例である２５および３０は、これらが磁性被膜１０Ａの面の上に配置されるので上部トラックとも称する。同様に、本明細書では、トラックの例である３５および４０は、これらが磁性被膜１０Ａの面の下に配置されるので下部トラックとも称する。本明細書では、「上部」および「下部」という用語は、限定するための用語としてではなく、単なる説明のために用いられていることが明らかであろう。
【００３９】
この実施形態の例では、トラック２５、３０、３５、および４０は、導線中のアーチ状の湾曲部が磁性被膜１０Ａにほとんど接触するように形成される。データは、データ・ビット４５で表す各データ・ビットに書き込まれる。ここで、磁性被膜の上のトラックのアーチ状の湾曲部は、磁性被膜の下のトラックのアーチ状の湾曲部に一致する。
【００４０】
磁性被膜１０Ａの上面に薄い絶縁層１５Ａを被覆し、底面にほぼ類似の薄い絶縁層を被覆する。好ましくは、これらの絶縁層の一方あるいは両方により、層１０Ａ中のデータ・ビットの状態を読み出すための、磁気トンネル接合部のトンネル障壁コンポーネントを形成することができる。
【００４１】
磁性被膜１０Ａおよび書込み素子２０は、絶縁材料で取り囲まれる。この絶縁材料は、磁性被膜１０Ａおよび書込み素子２０の製作プロセス中に作製され、それによって固体メモリ・デバイスが形成される。
【００４２】
電流が強磁性金属を流れると、スピン・アップ電子およびスピン・ダウン電子からなるこの電流はスピン偏極した状態になる。というのは、スピン・アップ電子およびスピン・ダウン電子の電気伝導率が、磁性金属中では全く異なるものになり得るからである。（定義では、電流と反対方向に移動する）スピン偏極した電子が、磁壁の第１の側から他方の側に流れると、この電流は、磁壁の第１の側の磁化方向に沿う方向にスピン偏極した状態になる。
【００４３】
次いで、スピン偏極した電子により、スピン角運動量が磁壁の第２の側の反対に磁化された材料に送られて磁壁の第２の側の磁気モーメントが回転し、それによって磁壁が誘起されて、スピン偏極した電子の方向、すなわち電流の方向と反対方向に多数のスピン偏極した電子の分だけ移動する。電流が逆方向に流れる場合には、磁壁も反対方向に移動することになる。
【００４４】
書込みデバイス２０のトラック（すなわち、トラック２５およびトラック３５）に沿って電流が流れると、電流の方向に応じて、これらのトラック内の磁区が左または右に移動する。これらの磁区が移動すると、磁壁からの漏れ磁場により、磁性被膜１０Ａへの書込みが行われる。これらのトラックに沿って、各磁壁に関連する漏れ磁場がそれぞれ書込みを行うことができる。ただし、漏れ磁場の磁場は、上部トラック２５中の漏れ磁場が、同じデータ・ビット４５に印加される下部トラック３５中の漏れ磁場と合成されない限り、データがデータ・ビット４５に書き込まれないように選択する。
【００４５】
図１では、トラックを、これらのトラックに沿って規則的に離間した一連の磁壁とともに示す。これらの磁壁は、トラックに沿って互いに反対方向に磁化されたトラック領域間の境界のところに形成される。これらの磁壁は、必ずしも規則的に離間している必要はないことを理解されたい。図１では、これらの磁壁を、磁気記憶被膜に書込みを行っていない静止状態で示す。
【００４６】
図６〜図８（図６、図７、図８）の詳細図面に、書込みデバイス２０の動作を示す。書込みデバイス２０は、磁性被膜１０Ａの近傍に配置された導線２５および導線３５などの強磁性トラックまたは導線からなる。導線２５および導線３５は、これらの導線中のアーチ状の湾曲部によって被膜１０Ａの近傍にもっていかれる。
【００４７】
例として示すように、強磁性トラック２５は、互いに反対方向に磁化された磁区の例である２０５および２１０など複数の連続した磁区からなる。強磁性トラック３５は、やはりトラックに沿って互いに反対方向に磁化された複数の連続した磁区２１５、２２０からなる。これらの磁区２０５と２１０および２１５と２２０により、磁壁２２５および２３０がそれらの間に画定される。
【００４８】
磁区２０５と２１０および２１５と２２０の磁化方向は、このメモリ・デバイスの初期化中に設定される。この初期化段階は、メモリの製作後、メモリ・デバイスの動作前に一度だけ行う必要がある。これは、これらの磁気トラックを詳細に設計し、かつ、例えば強い外部磁場を適切な順序で印加することによって行われる。
【００４９】
これらのトラックの初期状態は、これらのトラックの端部から磁区を注入することによっても確立することができる。例えば、トラック自体の磁気状態を変更するのに必要とされるものよりも弱い磁場内で、１つの方向から他の方向に容易に磁化を回転することができる磁気領域から磁区を注入する。これらの磁気領域は、例えば、トラックよりも広くすることができる。というのは、狭い磁性導線または磁気領域の切替え磁場は、それらの幅にほぼ反比例して減少するからである。
【００５０】
導線に磁区を注入した後で、この導線に電流パルスを流すことによって、この磁区をトラックまたは導線に沿って移動させることができる。一続きの磁壁を注入し、かつ電流パルスにより磁壁の移動を誘起することによって、一続きの磁壁を各トラックに沿って確立することができる。これらの磁区をトラック内に確立した後は、これらの磁区は、磁気記憶被膜にデータ・ビットを書き込むためにこれらのトラックに電流を流すことによってのみ移動する。
【００５１】
具体的に図７を参照すると、第１磁壁２２５は漏れ磁場２３５に関連し、第２磁壁２３０は漏れ磁場２４０に関連する。書込みデバイス２０の磁壁２２５および２３０がともに、磁性被膜１０Ａに最も近い（データ領域とも称する）領域を通過すると、書込みデバイス２０の磁壁２２５から放射される強い磁場と、磁壁２３０から放射される強い磁場が合成されて、磁気記憶被膜１０Ａ内のデータ領域にデータ・ビットを書き込むことができる。
【００５２】
磁気記憶被膜１０Ａへの書込みを行うために、書込みデバイス２０は、磁性被膜１０Ａ内のデータ・ビット４５の磁気モーメントの方向を選択的に変更する。この図では、磁気記憶被膜１０Ａに印加される漏れ磁場２３５および２４０の強さは、それぞれの磁壁２２５および２３０の周りの領域の外側で、書込みデバイス２０または磁性被膜１０Ａのいずれにおいても急激に減少する。
【００５３】
したがって、磁壁２２５および２３０に関連する漏れ磁場を用いて、磁気記憶被膜１０Ａに、極めて局所化された強い磁場を提供することができ、それによって、磁性被膜１０Ａ内で小さな磁気領域４５の書込みを行うことができる。書込みデバイス２０によって磁性被膜１０Ａに印加される漏れ磁場２３５および２４０の強さは、書込みデバイス２０内で磁壁２２５および２３０の相対的な位置を制御することによって制御することができる。
【００５４】
さらに、磁壁２２５の位置は、トラック２５に沿って電流２５０を印加することによって制御される。同様に、磁壁２３０の位置は、トラック３５に沿って電流２５５を印加することによって制御される。
【００５５】
図８に示すように、磁壁２２５および２３０はそれぞれ、このビットの書込みが行われた後で、電流２５０および２５５によって磁気ビット４５から離れるように移動する。図６および図８に示すように、トラック２５および３５は、磁壁が書込みに用いられていないときに磁壁の位置を固定するために、これらのトラックのアーチ型領域のいずれの側にも切欠を有する。
【００５６】
書込み動作中、パルス２５０および２５５などの電流パルスを、それぞれのトラック２５および３５に印加する。これらの電流パルスは、対応する磁壁２２５および２３０を、アーチ型領域の一方の側の１つの切欠位置から、アーチ型領域の他方の側の第２切欠位置まで移動させるのに十分な大きさと継続時間を有する。
【００５７】
これらの切欠位置間で磁壁が移動する間、これらの磁壁およびそれらに関連する漏れ磁場は磁気記憶被膜の近くにもっていかれ、それによって、磁気記憶被膜は、小さな磁気領域の磁化方向を、１つの方向またはそれと反対の方向に設定して磁気ビットを書き込むのに十分に強い局所磁場に曝される。
【００５８】
図６〜図８では、磁性被膜１０Ａ内での磁気領域４５の書込みは、記憶被膜１０Ａの上のトラック２５内の磁壁からの漏れ磁場と、記憶層１０Ａの下のトラック３５からの漏れ磁場を合成することによって行われる。
【００５９】
本発明の別の実施形態では、磁気記憶被膜１０Ａの上下いずれかの単一のトラックからの１つの磁壁だけからの漏れ磁場によって書込みが行われる。
【００６０】
図１では、磁性被膜１０Ａは、パターン化しない連続磁性被膜として示されている。しかし、例えば図２〜図５に示す他の実施形態では、各磁性被膜１０Ｂ〜１０Ｅは、互いにそれぞれ別個の磁性材料の複数の区画からなる。
【００６１】
例えば、図２に示すように、磁性被膜１０Ｂは、単一のデータ・ビットを選択的に書き込むことができる一連のほぼ円形（または楕円形）形状の区画、すなわち１０１、１０２、１０３からなる。これらの区画１０１、１０２、１０３は、書込み素子２０内の書込みデバイスからなる「行」および「列」のそれぞれに沿って分布し、かつ位置合わせされている。
【００６２】
これらの区画１０１、１０２、１０３は、磁気ビットを１つだけを含む程度に十分に大きく、そのため、図１に示す各データ・ビットは、この磁性被膜の１つの区画内に含まれる。磁気ビットは、磁気区画の縁部いっぱいまでは延びず、そのため、このビットを書き込むのに必要とされる書込み磁場は、区画１０１、１０２、１０３の縁部の細部の形状および形態の影響は受けない。そのため、磁気区画１０１、１０２、１０３は、各区画に関連する上部および下部の対応する磁気トラックに精確に位置合わせする必要はなく、それによって、メモリ・デバイスの製作が、匹敵するデバイスよりもはるかに容易で簡単かつ安価になる。
【００６３】
本明細書に示す実施形態では、形状が区画１０１、１０２、１０３に相当する一連の絶縁層１５Ｂが、これらの区画上に形成される。ただし、層１５Ｂは、磁気区画１０１、１０２、１０３の縁部の先まで延びてもよく、連続して１つの区画から別の区画に延びてもよい。
【００６４】
層１５Ｂの大きさは、磁気メモリ・デバイス１００を製作する方法の詳細によって決まる。さらに、層１５Ｂは、磁性被膜区画１０１、１０２、１０３に精確に位置合わせされる必要はない。層１５Ｂは、上部磁気トラック２５、３０に接触する磁気区画１０１、１０２、１０３の中央部分を覆って、読出し用のトンネル障壁を形成するだけでよい。
【００６５】
任意選択で、区画１０１、１０２、１０３の下面に類似の絶縁層を被覆することができる。この任意選択の絶縁層も、磁気トンネル接合読出しデバイス内にトンネル障壁層を形成することができる。ただし、区画１０１、１０２、１０３は単一のデータ・ビットを含み、それぞれ１つの上部トラックおよび下部トラックとしか交わらないので、下部トラックを、磁気区画と電気的に接触させることができ、この磁気区画と下部トラックの間の分離層は必要とされない。
【００６６】
図３に、磁性被膜１０Ｃが一連のほぼ長方形（あるいは、正方形、三角形その他の任意の適当な）形状の区画、すなわち、単一のデータ・ビットを選択的に書き込むことができる１０４、１０５、１０６からなる書込みデバイス２０の別の実施形態を示す。これらの区画１０４、１０５、１０６は、書込み素子２０内の書込みデバイスからなる「行」および「列」のそれぞれに沿って分布し、かつ位置合わせされている。この実施形態では、形状が区画１０４、１０５、１０６に相当する一連の絶縁層１５Ｃが、これらの区画上に形成される。
【００６７】
図２に関連して上記で説明した配置に類似して、層１５Ｃは、上部トラック２５、３０が磁気区画１０４、１０５、１０６の近くにある領域に大きさを制限することができる。あるいは、層１５Ｃは、磁気区画間で連続するものとし得る。任意選択で、対応する薄い絶縁層を、磁気区画１０４、１０５、１０６の下面に配設することができる。
【００６８】
図４に、磁性被膜１０Ｄが、一連の列すなわち１０７、１０８、１０９からなる書込みデバイス２０の別の実施形態を示す。この実施形態では、形状が区画１０７、１０８、１０９に相当する一連の絶縁層１５Ｄが、これらの区画上に形成される。
【００６９】
図５に、磁性被膜１０Ｅが、一連の列すなわち１１０、１１１、１１２からなる書込みデバイス２０の別の実施形態を示す。この実施形態では、形状が区画１１０、１１１、１１２に相当する一連の絶縁層１５Ｅが、これらの区画上に形成される。
【００７０】
図４および図５に示す実施形態のいずれにおいても、対応する絶縁層１５Ｄおよび１５Ｅは、一方では、上部トラックと磁性被膜が近接する領域に横方向範囲を制限することもできるし、他方では、隣接するトラック間で連続したものとすることもできる。同様に、対応する磁気区画の下面上に薄い絶縁層があってもよいし、なくてもよい。
【００７１】
磁性被膜１０が比較的小型の磁気区画から構成される方法に関わらず、これらの区画は、それらが個々の磁気ビットに対してパターン化しない磁性被膜のように振る舞う程度に十分に大きい。そのため、磁気区画の周辺領域、すなわちこの区画の縁部の細部の形状および形態は、パターン化された個々の磁気記憶ビットを伴う従来型ＭＲＡＭの場合とは異なり、個々の磁気ビットの書込みに影響を及ぼさない。
【００７２】
図９〜図１１（図９、図１０、図１１）に、本発明に関連して用いられる磁区、磁壁、および漏れ磁場の概念を示す。図９に、書込み素子２０のトラックを構成する磁性材料層の例を示す。この磁性材料層は、２つの磁区３０５および３１０を有し、それらの磁化はｘ軸に沿って互いに反対方向に方向づけられている。
【００７３】
矢印３１５などの矢印は、磁気モーメントすなわち双極子を示し、かつ局所的な磁化方向を示す。磁区３０５内の磁気モーメントは右を指しており、磁区３１０内の磁気モーメントは左を指している。磁壁３２０は、反対極性の磁区３１０、３０５が交わる領域である。磁区３０５と磁区３１０の間の磁化の変化が、小さな領域すなわち磁壁３２０に集中しており、それによって強い双極性漏れ磁場が生成されて、この層の表面から放射される。
【００７４】
図１０に、漏れ磁場Ｂの例の相対的な大きさを示す。漏れ磁場Ｂは、例えばｘ方向に約１００ｎｍの領域にわたって局所化され集中している。図１１に、漏れ磁場Ｂの成分Ｂｘ、Ｂｙ、およびＢｚのピーク値を面外れ距離の関数として示す。漏れ磁場はｚ方向にも局所化されており、主にｚ方向の約２０ｎｍの領域に集中している。
【００７５】
これらの漏れ磁場成分Ｂｘ、Ｂｙ、およびＢｚは、磁壁３２０の領域内では極めて大きく、磁壁３２０から離れるに従って急激に減少する。その結果、漏れ磁場Ｂは局所化され、小さな局所化された領域内で第２磁性材料を磁化するのに用いるのに十分に大きくなる。
【００７６】
漏れ磁場Ｂの成分の大きさおよび空間的な変動の細部は、磁壁３２０内での磁化の空間的な変動の細部によって決まる。磁壁内の磁化の分布は、書込み素子２０の磁気トラックを構成する磁性層中の磁性材料の磁気パラメータ、特に、磁化（単位体積当たりの磁気モーメント）、磁気異方性、および磁気交換の強さ、ならびに磁性層の厚さおよび幅によって決まる。
【００７７】
漏れ磁場Ｂを用いて、磁性被膜１０内で磁気領域の書込みを行う。磁壁３２０が別の磁性材料の近くに移動すると、磁壁３２０の強い漏れ磁場Ｂにより、この第２磁性材料中の磁気モーメントの方向が変わり、それによって、実質的にこの磁性材料への「書込み」が行われる。この磁壁３２０は、磁性導線の磁性材料に磁壁３２０に直交する電流を流すことによって、書込み素子２０の磁気トラックの磁性導線内を移動させることができる。
【００７８】
磁区の磁気モーメントの方向は、書込み素子２０の磁気トラックの方向に沿うものとすることもできるし、磁気トラックの方向に直交するものとすることもできる。極めて狭いトラックでは、磁気モーメントの好ましい方向は、トラックの方向に沿うものである。
【００７９】
図１２のプロセス・フロー・チャートに、本発明に従って書込みデバイスによりデータを書き込む方法４００を示す。この方法は、図１３〜図１５（図１３、図１４、図１５）に即して検討したものである。図に、書込みデバイス２０の書込み領域５０５（図１３）の外側で磁気トラック内の静止位置にある磁壁およびそれに関連する漏れ磁場を示す。データの書込み要求は、メモリ・システムが受け取る。
【００８０】
図１２のブロック４０５で、メモリ・システムは、データ（０または１）を、磁気データ記憶被膜中のデータ・ビット５１０が、右を指す磁気モーメント（右磁気モーメント）を受け取るか、あるいは左を指す磁気モーメント（左磁気モーメント）を受け取るかのいずれかに変換する。決定ブロック４１０で、データ・ビット５１０が左磁気モーメントで書き込まれる場合、方法４００はブロック４１５に進む。
【００８１】
ブロック４１５で、図１３の書込みデバイス２０のトラック５２０に電流５１５を印加して、電流５１５の方向を示す矢印で示すように、正の方向に磁壁５２５を移動させる（ブロック４２０）。トラック５２０は磁性被膜１０の上に配置されている。電流５１５の印加に応答して、漏れ磁場５３０が書込み領域５０５内に移動する（図１５）。
【００８２】
図１４に、図１３の静止位置と、図１５の書込み位置の間の中間位置における磁壁５２５を示す。同時にかつ同様のやり方で、磁性被膜１０の下に配置され、トラック５２０に直交する向きのトラック５４０に電流５４５を印加する。電流５４５の矢印の端部は、この電流が図１３、図１４、図１５に入る方向に流れることを示す。
【００８３】
データ・ビット５１０のところで、かつデータ・ビット５１０のところでのみ、トラック５２０およびトラック５４０はともに、データ被膜１０に近接している。トラック５４０に電流５４５を印加して、書込み領域５０５内に漏れ磁場５５０を移動させる。漏れ磁場５３０および５５０により、データ・ビット５１０に書込みが行われ（ブロック４２５）、それによって、データ・ビット５１０の磁化の方向が所望の方向を指すように変更される。
【００８４】
次いで、トラック５２０および５４０に電流５１５および５４５を印加し（ブロック４３０）、それによって、漏れ磁場５３０および５５０がデータ・ビット５１０の領域から取り除かれる。漏れ磁場５３０、５５０は、それらの前の位置に戻してもよいし、それらのそれぞれのトラック５２０、５４０に沿ってさらに移動させてもよい（ブロック４３５）。
【００８５】
書込みデバイスの漏れ磁場５３０および５５０は、ある瞬間または所定の時間しか磁性被膜１０の近傍に留まらないが、磁性被膜１０のデータ・ビット５１０に書込みを行うにはそれで十分である。データ・ビット５１０に印加される漏れ磁場５３０および５５０の強さは、磁壁トラック５２０および５４０が磁気記憶被膜１０の近傍にあるときだけ強くなる。
【００８６】
決定ブロック４１０で、データ・ビット５１０が右磁気モーメントで書き込まれる場合、方法４００はブロック４４０に進む。ブロック４４０で、図１６に示すようにトラック５２０に電流５１５を印加し、それによって、磁壁５５５が負の方向に移動する（ブロック４４５）。
【００８７】
漏れ磁場５６０は、書込み領域５０５内に移動する（図１６）。同時にかつ同様のやり方で、磁性被膜１０の下に配置され、トラック５２０に直交する向きのトラック５４０に電流５４５を印加する。データ・ビット５１０のところで、かつデータ・ビット５１０のところでのみ、トラック５２０およびトラック５４０はともに、データ被膜１０に近接している。
【００８８】
トラック５４０に電流５４５を印加して、書込み領域５０５内に漏れ磁場５６５を移動させる。電流５４５の先端は、この電流が図１６、図１７、図１８から出る方向に流れることを示す。漏れ磁場５６０および５６５により、磁性被膜１０に書込みが行われ（ブロック４５０）、それによって、データ・ビット５１０の磁化の方向が右方向を指すように変更される。次いで、トラック５２０および５４０にそれぞれ電流５１５および５４５を印加し、これらの磁区がデータ・ビット５１０から離れるように移動する（図１２のブロック４３５）。
【００８９】
本発明の別の実施形態では、図１３〜図１８のトラック５２０および５４０をアーチ状の湾曲部をもたない真っ直ぐな導線として製作する。すなわち、磁気記憶被膜は常に、磁壁が静止位置にあるときでさえ、強い磁壁漏れ磁場に曝されていることになる。
【００９０】
２つのトラック内の磁区からの漏れ磁場を合成したものによって磁気領域が書き込まれる図１３〜図１８に示す実施形態では、上記のやり方は許容可能であるが、アーチ状の湾曲部により、書込みプロセスを除き、強い漏れ磁場が記憶被膜に作用することが妨げられる図１３〜図１８に示す実施形態の場合よりも望ましくない。
【００９１】
磁気記憶被膜１０および書込みデバイス２０の特性は、単一の磁壁からの漏れ磁場では、磁気記憶被膜内の磁化方向を変更するには不十分であるように選択される。
【００９２】
別の実施形態では、図１９〜図２０（図１９、図２０）に示すように、各トラック６０５、６１０においてアーチ型湾曲部の代わりに小さな強磁性ブロック６１５および６２０を使用する。これら強磁性ブロック６１５、６２０の上部に薄い層６２５、６３０を形成する。
【００９３】
この薄い層を用いて、磁性被膜１０から強磁性ブロック６１５、６２０までの間隔を決める。好ましくは、書込みデバイスは磁性被膜１０と電気的に接触するべきではないので、（図２および図３に示すように、おそらくは磁性被膜が１つの磁気ビットに対応する区画に分割される場合を除き）薄い層６２５、６３０は、書込みデバイス２０Ｂおよび磁性被膜１０を取り囲む絶縁材料と連続したものとし得る絶縁材料から形成することができる。
【００９４】
磁壁６３５は、電流６４０によって強磁性ブロック６１５の中央まで押される。図１９〜図２０に示す実施形態は、図１３〜図１８に示す実施形態よりも製作が簡単になり得る。
【００９５】
別の実施形態では、図２１に示すように、書込みデバイス２０Ｃにおいて均質な強磁性またはフェリ磁性材料の代わりに、不均質な強磁性またはフェリ磁性材料を用いることができる。書込みデバイス２０Ｃのトラック７０５は、交互に並んだタイプの強磁性またはフェリ磁性材料で構築される。
【００９６】
例えば、ブロック７１０および７２０は、１つのタイプの磁性材料から形成し、ブロック７１５および７２５は、別のタイプのものから形成する。これらの交互に並んだタイプの強磁性またはフェリ磁性材料は、トラック７０５内の磁区がそれらの静止位置に留まるように画定された領域を生成する働きをする。ブロック７１０および７２０の磁気モーメントは同じ方向に整列され、そのため、書込みデバイス２０Ｃが静止状態にあるときには漏れ磁場が磁性被膜１０に印加されない。
【００９７】
磁性被膜１０への書込みは、磁気トラック７０５に沿って電流を流して、このトラックに沿って磁壁を移動させることによって行う。トラック７０５に沿って適切な方向に電流パルス（またはパルス・トレイン）を印加することによって磁壁７３０、７３５を移動させると、対応する磁壁７３０または７３５は、トラックが磁性被膜１０の近傍に存在する書込み領域７４０にもっていかれる。このトラックは、例えば、データ領域７４０の近傍では幅が異なるように設計することができ、それによって、磁壁がこの位置に留まり、この磁壁を書込み位置からこの磁壁の静止位置に、書込み領域から離れるように移動させるのに第２電流パルスを必要とすることが好ましい。
【００９８】
図２１には書込みデバイス２０Ｃの上部トラックだけを示すが、類似の下部トラックも追加することができる。この下部トラックは、上部トラックに対してある角度で位置決めすることができる。データ領域７４０の書込みは、この領域が、上部および下部トラック内を移動して書込み領域に達した両方の磁壁からの磁場を合成したものに曝されるときにのみ行われる。
【００９９】
最初に、上部または下部トラックのいずれかの磁壁が書込み領域７４０に移動して、領域７４０が第１磁場に曝されると好ましいことがある。その後、第２磁壁を、書込み領域の反対側に移動させる、すなわち、書込み領域７４０を横切って停止させずに移動させる。この方法は、上部および下部トラック内の磁壁がともに、磁気書込み領域を通って、この領域内で停止することなく同時に移動する場合のように、対応する上部および下部トラック内の磁壁の移動のタイミングがそれほどきわどくないので有利なことがある。
【０１００】
一実施形態では、順次電流パルスによって決まる時間だけ磁壁がデータ・ビット７４０、７４５の上に位置するように、これらの磁壁を移動させる。第１パルスにより、磁壁漏れ磁場７３０および７３５が、磁性被膜１０の近くに移動する。類似のやり方で、電流パルスにより、磁性被膜１０の下の磁壁からの漏れ磁場が層１０の上からの漏れ磁場と同時に到達するように、磁性被膜１０の下の対応するトラックに沿って磁壁を移動させる。
【０１０１】
磁壁およびそれに関連する漏れ磁場の到達時間を調整することによって、これらの磁壁からの合成磁場が磁性層１０の書込みを行うのに十分に大きくなる時間の長さを調整することができる。層１０の上下にあるこれら２つの磁壁からの漏れ磁場の強さが異なると有利なことがある。この磁壁漏れ磁場は、層１０からのトラックの物理的な間隔を変えることによって、または、トラックを製作する磁性材料の特性を変えることによって、あるいは、トラックの形状およびサイズ（例えば、厚さおよび幅）を変えることによって容易に変えることができる。
【０１０２】
別の実施形態では、磁気領域すなわち磁区７１０および７２０を１つにまとめ、１種類の磁性材料から形成することができる。磁気領域７１５および７２５は、交互に並べる別の種類の磁性材料から合わせて形成する。このパターンは、トラック７０５全体を通じて繰り返すことができる。磁性被膜１０の真上で磁壁を固定する潜在能力をもたらす手段は不要である。磁性被膜１０の書込みは、単に、書込みを行うビットの上で磁壁を停止させずに、磁性被膜１０の近くで磁壁およびそれに関連する漏れ磁場を通過させることによって実施し得る。
【０１０３】
一般に、磁気ビットを磁気記憶被膜１０に書き込むための磁壁を提供するのに用いられるトラックは、これらの磁壁が、静止状態では書込み位置から離れた明確な位置に留まるように設計される。これらの位置は、例えばトラック幅がわずかに狭くなる切欠、またはトラック幅がわずかに広くなる突起を形成することによって導線を整形するか、あるいは、異なる磁気特性、例えば異なる磁化または磁気異方性あるいはその両方を有する異なる磁性材料の領域からトラックを形成するか、もしくはこれらの方法を組み合わせることによって画定される。
【０１０４】
図２１の実施形態に、切欠および交互に並んだ磁性材料を使用して、静止状態において磁壁の位置を画定するところを示す。どの方法を用いるかの選択は、特に、トラックの製作方法およびトラックの製作のし易さに依存し得る。
【０１０５】
磁壁が書込み位置のいずれの側でもトラックに沿った特定の位置に留まるようにトラックを製作することに加えて、複数の磁性材料を配置するか、あるいは磁壁が書込み位置のところにも留まるようにトラックを整形することによって、トラックを設計することもできる。後者の場合には、１つの電流パルスを用いて、静止状態位置の１つから書込み位置まで磁壁を運び、第２電流パルスを用いて、書込み位置から静止状態位置の１つまで磁壁を運ぶ。（この位置は、磁壁が最初にそこから移動してきた位置と同じ静止位置とすることもできるし、あるいは、書込み位置の他方の側の静止位置とすることもできる。）
【０１０６】
さらに、磁気記憶被膜の上下にあるトラックは、一方のトラックには書込み中に磁壁の固定位置があり、他方のトラックはそれとは異なり、このような位置がないように設計することができる。こうすると、磁気領域を磁性被膜１０に書き込むために、最初にこれらのトラックの１つにおいて電流パルスを用いて、このトラック内の書込み位置に磁壁を運ぶことができる。
【０１０７】
次いで、磁性被膜の他方の側の対応するトラックにおいて電流パルスを用いて、一方の静止状態から他方の静止状態に書込み位置を横切って磁壁を運ぶことができる。こうすると、磁気ビットは、一方の磁壁漏れ磁場によってもたらされる静止磁場と、反対側のトラック内の磁壁によってもたらされる動的なすなわち移動する磁壁漏れ磁場とを合成したものによって書き込まれる。その結果、最初に、一方のトラックからの磁壁漏れ磁場により、１つの方向に静止磁場を印加し、次いで、第２トラックからの磁壁漏れ磁場を用いて、直交する方向に動的な磁場を印加することによって、磁気ビット４５の磁化を歳差回転させる方法を利用することができる。
【０１０８】
磁壁漏れ磁場の詳細な空間的変動は磁壁の構造によって決まり、磁壁の構造は、トラックを形成する磁性材料の磁気特性ならびにトラックの細部の形状およびサイズ、すなわち磁性材料の厚さおよび幅によって決まる。漏れ磁場の空間的な変動は、トラックの磁気構造のマイクロ磁気学的なシミュレーションによって決定することができる。
【０１０９】
これらのシミュレーションから、磁壁内の磁化変動は複雑であり、例えば、トラックの厚さおよび幅が変化すると大きく変化し得ることが示される。そのため、磁壁漏れ磁場の空間的な分布は、マイクロ磁気学的なモデル化によって最適化することができる。
【０１１０】
これらの細部に応じて、特に磁壁漏れ磁場の符号は、磁壁が移動しているか、あるいは静止しているかに依存し、また磁壁の移動方向に依存し得る。このため、磁気領域を磁気記憶被膜１０に書き込むための詳細な手順は、磁壁およびそれに関連する漏れ磁場の詳細な磁気構造によって決まることになる。
【０１１１】
書込みデバイス２０を構成するトラックの詳細な構造および組成は、磁壁内の磁化の分布、したがって磁壁漏れ磁場の分布に影響を及ぼすことになる。このため、書込みビット４５の磁化の方向は、書込みデバイス２０の細部の構造によって決まることになる。したがって、ビット４５の磁化の方向は、書込みデバイス２０内のトラックの１つに概ね沿うように、例えば、上部トラックの方向または下部トラックの方向に沿うように設計することもできるし、上部または下部トラックの方向に対してある角度の方向に沿うように設計することもできる。
【０１１２】
トラックを形成する磁性材料は、鉄、コバルト、およびニッケル、ならびにこれらの強磁性金属の組合せから形成した２元合金および３元合金、あるいは、１つまたは複数のこれらの元素と、例えば、磁気異方性をより大きくするために選択した他の元素を組み合わせて形成した合金など、様々な磁性材料からなり得る。磁壁からの漏れ磁場の強さは磁壁の幅によって決まり、一般に磁壁が狭くなると強くなるので、鉄、コバルト、およびニッケルだけからなる合金から得ることができるものよりも磁気異方性が大きい磁性材料からトラックを形成すると有利なことがある。例えば、鉄−コバルト−ニッケルの磁気異方性は、これらの元素と白金またはパラジウムを組み合わせることによって大きくすることができる。
【０１１３】
磁壁漏れ磁場は、磁性材料の磁化がより大きくなっても増加するので、ニッケルよりも磁化値が大きい鉄およびコバルトを大量に含む合金からトラックを形成すると有利なことがある。トラックを形成する材料の選択は、トラックに沿って磁壁を移動させるのに必要とされる電流の大きさおよび電流パルスの長さにも影響を及ぼすことになる。
【０１１４】
磁気異方性が大きいほど、電流パルスの大きさおよび長さが大きくなり得る。同様に、磁壁を移動させるのに必要とされる電流パルスの大きさに影響を及ぼすのに重要なのは、磁性材料の減衰率である。この減衰率は、例えば米国特許第６，４５２，２４０号に記載されているように、磁性材料に遷移金属または希土類金属をドープすることによって変化させることができる。
【０１１５】
このため、磁壁を移動させることによってトラックの磁化方向を変更するのに電流パルスを用いることの重要な利点は、トラックの磁化方向を変更するのに強い外部磁場が必要とされる状況下でさえ、適度な大きさの電流パルスを用いて磁壁を移動させて、トラックの領域の磁化方向を変更することができることである。これは、局所的な磁化方向を変更する方法が、外部磁場を用いるか、あるいは磁壁漏れ磁場を用いるかで大きく異なるからである。
【０１１６】
トラックはリソグラフィにより製作することができ、そのため、トラックを形成する磁性材料の選択は、トラックを製作するのに選択した方法の影響を受けることになる。例えば、反応性イオン・エッチング、または湿式化学エッチング、あるいはイオン・ミリングのいずれかによってエッチングすることができる材料からトラックを形成すると有利なことがある。さらに、トラックの製作中に腐食しない材料からトラックを形成すると有利なことがある。
【０１１７】
トラックは単一の磁性層から構成することができるが、複数の磁性層からトラックを形成すると有利なことがある。例えば、より小さな電流で磁壁を移動させるために、トラックの上面および底面で電気伝導率がより高くなるようにトラックの伝導率を変化させると有用なことがある。
【０１１８】
こうすると、トラックの断面全体にわたって不均一な電流分布が可能になり、それによって、電流がトラックの上面および底面でより大きくなり得る。例えば、磁壁はトラックの表面から、例えばこれらの表面の粗さのために何らかの抗力を受けることがあり、そのため、トラックの両端面で電流密度がより高くなると、磁壁を移動させるためにトラックに流す全体的な電流が少なくなり得る。電流が少ないと、トラックに沿って磁壁を移動させるのに必要とされるエネルギーが小さくなるので有利である。
【０１１９】
図２２の書込みデバイス２０Ｄのトラック８０５に示すように、トラックに沿ってくぼみ（または突起）８１０、８２０、８３０を導入することによって、このトラックに沿った特定の位置に磁壁を固定する。くぼみ（または突起）８１０、８２０、８３０はそれぞれ、磁区８３５と８４０、８４５と８５０、８５５と８６０の間に配置する。
【０１２０】
これらのくぼみ（または突起）８１０、８２０、８３０は、トラック８０５内で磁区が留まる領域を固定するように働く。というのは、磁壁のエネルギーは、トラックの幅によって決まるからである。くぼみ（または突起）８１０、８２０、８３０は、磁壁を固定する潜在能力をもたらす任意の物理的な形態とし得る。
【０１２１】
図２２に示すように、くぼみ（または突起）８１０、８２０、８３０は、書込み素子のトラック８０５の両側にある。あるいは、これらは、片側だけにすることもできるし、書込み素子のトラック８０５の上部または底部に配設することもできる。くぼみは突起とすることもできる。図２２のくぼみ（または突起）は、磁壁が書込みを行っていないときに、磁壁の位置をその静止状態で固定するように働く。
【０１２２】
くぼみ（または突起）は、くぼみ（または突起）８１５、８２５で図２２に示すように、トラックに沿って書込み位置に配置することもできる。この図では、くぼみ（または突起）８１５、８２５は、磁性被膜１０の近傍に配置されて、磁性被膜１０への書込みを行うように用いられる漏れ磁場８６５、８７０、８７５の配置を固定する。トラック８０５に適切な電流が印加されると、（例えば）漏れ磁場８６５および８７０は、くぼみ８１５および８２５に移動して、漏れ磁場を精確に配置することができる。別の実施形態では、書込みデバイスを、くぼみまたは突起を備えた強磁性またはフェリ磁性の異なる材料の組合せから作製し得る。
【０１２３】
別の実施形態では、書込みデバイス２０のトラックに沿ってくぼみを書込み位置のところに作製しない。磁性被膜１０の書込みは、単に、磁性被膜１０の上下で磁壁をいかなるときでも静止させずに、磁性被膜１０の近くで磁壁およびそれに関連する漏れ磁場を移動させることによって実現する。
【０１２４】
漏れ磁場の局所的な磁場は極めて強くすることができ、材料の磁化である４πＭに近づくことがある。ディスク・ドライブ型磁気記録書込みヘッドでは、実現可能な最大磁場は、磁気ディスク材料の約４πＭである。ディスク・ドライブの開発では、磁化をより強くしようと試みられ、それによって、磁気モーメントおよび磁場がより強くなり、ディスクへの適切な書込みが確実に行われる。
【０１２５】
この書込みデバイスでは、磁壁漏れ磁場の強さは、書込みデバイス２０で用いられる材料の大きさに関係する。数千エルステッドの局所的な磁場が実現可能である。その結果、この書込みデバイスは、強力にかつ高い信頼性で磁性被膜１０への書込みを行うことができる。書込みデバイスの幅が、磁性被膜１０に書き込まれるデータ・ビットの幅になる。一実施形態では、書込みデバイスの典型的なサイズは、幅約１００ｎｍである。
【０１２６】
トラックに沿って磁壁を移動させるのに必要とされる電流は、トラックを形成する磁性材料の面積が小さくなると減少することになる。このため、磁壁からの磁壁漏れ磁場を利用して磁気領域の書込みを行う方法は、極めて小さな磁気領域の書込みに有利であり、より大容量のメモリ・デバイス用のより小さな寸法に対するトラック幅の拡大縮小率に応じて変えると有利である。
【０１２７】
磁気領域の幅は、磁壁漏れ磁場の空間的な変動によって決まる。書込みが行われる磁気領域の大きさを決める境界は、磁壁漏れ磁場が、磁性被膜１０を構成する磁性材料の切替え磁場よりも強くなるところである。そのため、この幅は、書込みデバイス２０を形成するトラックの物理的な幅に関係することになるが、この幅と厳密に同じにはならない。
【０１２８】
磁気トンネル接合部に類似のデバイスを用いて、磁気記憶被膜１０に記憶された情報を読み出すことができる。ＭＴＪ（磁気トンネル接合部）は、トンネル障壁を構成する薄い絶縁材料層で分離された２つの磁性材料層を有する。一般に、このトンネル障壁は、酸化アルミニウムの極薄層から形成されるが、ＭｇＯなどの他の絶縁材料または半導体材料から形成することもできる。
【０１２９】
一般に、ＭＴＪ中の一方の磁性層は、磁化を変更するのに強い磁場を必要とする硬質磁性材料である。他の磁性材料は一般に軟質磁性材料であり、そのため、弱い磁場でその磁化を変更することができる。軟質磁性材料に弱い磁場を印加するとその磁化の方向は変化するが、軟質磁性層の磁化の方向は硬質磁性材料の磁化の方向に対して相対的に変わり得る。
【０１３０】
ＭＴＪの両端に固定電圧を印加するとき、トンネル障壁を流れる電流の大きさは、トンネル接合部中のこれら２つの磁性材料の相対的な磁気の向きによって決まる。したがって、硬質層のモーメントが既知である場合には、トンネル接合部の電流値は、軟質磁性材料中の磁気モーメントの方向を示す。逆に、軟質磁性材料のモーメントが既知である場合には、トンネル接合部の電流は、硬質磁性材料のモーメントの方向を示す。
【０１３１】
磁気トンネル接合部のこれら２つの磁性材料は、磁気メモリ・デバイス１００の場合と同様にＭＴＪ中の磁気モーメントを独立に切り替える手段が設けられる場合には、硬質磁性材料から形成することもできる。ＭＴＪを流れるトンネル電流により、ＭＴＪ中のこれら２つの磁性材料の一方すなわち基準層の磁気モーメントの方向が既知である場合には、他方の材料すなわち記憶層の磁気モーメントの方向を決めることができる。
【０１３２】
書込みデバイス２０のトラック内には一連の磁壁が存在する。１つの領域では、モーメントは１つの方向を向き、別の領域では、モーメントは別の方向を向いている。トラック内の一連の磁壁は、磁気メモリ・デバイス１００のコントローラに既知である。このコントローラは、トラック内での磁壁の位置を把握している。したがって、データ・ビット４５のモーメントは、上部トラックからデータ・ビット４５および下部トラックを貫通して電流を流すことによって決定することができる。
【０１３３】
電流値が大きいと、ＭＴＪの抵抗値が小さく、トラックおよびデータ・ビット４５の磁区が平行であることを示す。電流値が小さいと、ＭＴＪの抵抗値が大きく、トラックおよびデータ・ビット４５の磁区が反平行であることを示す。トラック内の磁区の方向が既知なので、データ・ビット４５内の磁区の方向、すなわちデータ・ビット４５に記憶されたデータを推測することができる。
【０１３４】
磁気トンネル接合部を用いて磁性被膜１０内のデータ・ビット４５を読み出す方法９００を、図２３のプロセス・フロー・チャートと図２４〜図２５を併用して説明する。図２４〜図２５に示すように、磁気記憶被膜１０内のデータを読み出すために用いられる磁気トンネル接合部は、記憶被膜自体に加えて、上部トラック２５および下部トラック３５の一方または両方からそれぞれ形成される。
【０１３５】
トラック２５および３５は、トラックが記憶層に近づく書込み位置のところで、磁気トンネル接合部の絶縁障壁を形成する薄い絶縁層１０８０および１０９０によって記憶被膜から分離される。製作の便宜上、一方のトンネル障壁は他方のトンネル障壁よりも厚くすることが好ましい。トンネル障壁の抵抗値は、絶縁トンネル障壁の厚さに伴って指数的に大きくなるので、２つのトンネル障壁をほぼ等しい抵抗値で形成するのは難しいことがある。
【０１３６】
しかし、実際には、このトンネル障壁抵抗値はトンネル障壁層の形態の影響を大きく受け、そのため、トンネル障壁の厚さが公称上同じときでさえ、それらの抵抗値は大きく変わり得る。トンネル障壁の形態は、トンネル障壁を成長させる下層の構造および形態ならびに化学組成に決定的に依存するので、トラック３５の上部で成長させるトンネル障壁１０９０の形態および得られる抵抗値は、磁気記憶被膜１０の上部に被着させるトンネル障壁１０８０のものと異なることがある。
【０１３７】
この説明では、図２４〜図２５には、トンネル障壁１０８０をトンネル障壁１０９０よりも厚く示す。こうすると、下部磁気トラック３５と上部磁気トラック２５の間に形成されるトンネル接合部の抵抗値は、厚いトンネル障壁１０８０によって主に左右されることになる。そのため、磁気トンネル接合部の強磁性電極は、上部トラック２５の磁性材料および磁気記憶被膜１０の磁性材料から形成される。というのは、トンネル接合部の抵抗値は、上部絶縁層１０８０の抵抗値によって決まるからである。したがって、この実施例では、下部絶縁層１０９０の抵抗値は十分に小さく、そのためトンネル接合部の抵抗値への寄与は大きくない。
【０１３８】
図２４の左を向いた矢印１０５５および図２５の右を向いた矢印１０６５で示すデータ・ビット４５の磁気の方向は、図２３のブロック９０５で示すように、対応する上部トラック２５および下部トラック３５の交点にはデータ・ビット４５が存在し、これらのトラックに小さな電流を流すことによって、左右いずれかに方向づけられた磁気モーメントとして読み出される。図２４の線１０５２および図２５の線１０６２で、電流経路の方向を示す。
【０１３９】
この電流は、図２３のブロック９１０に示すように、上部トラック２５に沿って流れ、上部絶縁層１０８０を通り、データ・ビット４５を通り、下部絶縁層１０９０を通り、下部トラック３５に沿って流れる。図２４に、上部トラック内の磁区と同じ方向に方向づけられたデータ・ビット４５のモーメントの方向を示す。
【０１４０】
このため、図２３のブロック９４０で示すように、磁気トンネル接合部の抵抗値は低くなり、電流１０５０は大きくなる。対照的に、図２５では、データ・ビット４５の磁化は、最も右の方向に沿って方向づけられ、上部トラック中の磁区内の磁化に反平行になり、そのため、磁気トンネル接合部の抵抗値は大きくなり、電流１０６０は小さくなる。そのため、図２３のブロック９２５で示すように、データ・ビットが「１」に決まる。
【０１４１】
データ・ビットの状態を読み出すのに用いられる電流は、トラックに沿って磁区を移動させるのに用いられる電流よりもはるかに小さく、そのため、読出し電流がデータ・ビットの状態に影響を及ぼすことはない。読出しに用いられる実際の電流は、トンネル接合部の抵抗値によって決まることになるが、このトンネル接合部の抵抗値は、上部および下部トラックの抵抗値がこのトンネル接合部の抵抗値に比べて無視し得るほど十分に大きく設計される。
【０１４２】
同様に、トンネル接合部の抵抗値が大きいほど、上部および下部書込みトラックのアレイから形成されたトンネル接合部アレイに漏れる電流が小さくなる。この実施形態では、各データ・ビットに関連するすべてのトンネル接合部は互いに並列に接続される。この読出し電流は、トンネル接合部の抵抗値の大小を判定するのに十分な信号を得るのに必要な長さだけデータ・ビットに流れ、それによって、１ビットを読み出すのに必要とされるエネルギーが最小限に抑えられる。こうするために、アレイの境界のところに類似のトンネル接合部から形成される基準抵抗を設けることができ、この基準抵抗値とデータ・ビットのトンネル接合部の抵抗値を比較することができる。
【０１４３】
このように、本明細書で説明したメモリ・システム１００では、ＭＴＪは、２つの硬質磁性層から形成される。書込みデバイス２０の上部トラック内の磁区の方向は、このトラックに沿って電流パルスを流すことによってのみ変更することができる。同様に、データ・ビット４５の磁気モーメントの方向は、上部および下部トラック内で磁区を移動させることによりもたらされる強い漏れ磁場にかけることによってのみ変化し得る。本質的には、上部または下部トラック内の磁区により基準磁気モーメントが形成され、データ・ビットにより記憶磁気モーメントが形成される。
【０１４４】
必要であれば、比較的大きい読出し信号を得るには、最初に上部トラック２５内の磁区１０２５および磁気データ記憶ビット４５から形成されるＭＴＪの抵抗値を、このＭＴＪに電流１０５０を流すことによって読み出すことができる。次いで、上部トラックに沿って電流を流して、このトラック内の磁壁を位置１つ分だけ移動させることができる。こうすると、このトラック内の磁気モーメントの方向は、図２４に示す左向きから右向きに変更されることになる。
【０１４５】
このＭＴＪに小さな読出し電流を流すことによって、ＭＴＪの抵抗値を再度読み出す。ただし、この時点では抵抗値は大きくなっている。というのは、この時点で上部トラック２５内の磁区の方向が、データ・ビット４５の方向の反対方向になっているからである。上部トラックに沿って電流を流し、同時に下部トラック３５に沿っては電流を流さないと、データ・ビット４５の磁気の状態を変えずに、上部トラック内の磁区だけを移動させることになる。
【０１４６】
このように、この方法によりデータ・ビットを読み出すと、はるかに大きな信号が得られることになる。というのは、この方法で必要なのは、読み出すべきＭＴＪの抵抗値の差だけだからである。データ・ビットの状態は、上部トラック内の磁区内で磁化の方向が逆転したときにＭＴＪの抵抗値が大小いずれになるかによって決まる。
【０１４７】
磁性被膜１０を形成する材料は、１つまたは複数の磁性層からなる。この磁性被膜の特性は、この磁性被膜が極めて小さな磁気領域を支持することができるように選択される。さらに、磁壁漏れ磁場の空間的な広がりによってサイズが概ね決まるこれらの小さな磁気領域は、この領域の磁気異方性が温度変動すなわち超常磁性の影響に耐えられるほど十分に大きくなるように十分に大きなサイズのものでなければならない。
【０１４８】
この領域が小さすぎると、デバイスの動作温度において、磁気領域の磁気モーメントが、１つの磁気領域内で磁性材料の結晶磁気異方性によってもたらされるエネルギー障壁に打ち勝ち得るのに十分なエネルギーが温度変動に含まれる。このため、磁気記録ディスク・ドライブの高密度磁気薄膜媒体に用いられるタイプの材料および構造が適切である。
【０１４９】
ただし、重要な違いは、本発明のメモリにおいては、磁気記憶被膜１０を形成する材料は結晶質材料に限定されないことである。異方性の方向が磁性被膜内で一方向に沿って整列した結晶質材料を用いて、磁性被膜１０を形成することができる。例えば、磁化容易軸を、１組のトラック（例えば、磁性被膜１０の上のトラック）の方向に沿って整列させることができる。
【０１５０】
磁気記録ディスク・ドライブでは、磁気ビットは、回転ディスクの円周の周りに書き込まれる。そのため、結晶磁気異方性が磁気媒体の面内で整列されておらずランダムであるか、あるいは、異方性の方向がディスク半径に沿って整列されるか、またはディスク半径に接していなければならない。このため、所与の１つの方向に沿った明確な結晶軸を有する結晶磁性被膜は使用できない。
【０１５１】
本発明は、モーメントが磁性被膜１０の面内にある磁性材料に限定されるものではないことを理解されたい。そうではなくて、磁性被膜１０のモーメントは、被膜１０の面に直交する向きにすることができる。というのは、書込みデバイス２０のトラック内の磁壁からの磁壁漏れ磁場では、トラックを構成する磁性導線の表面に直交する方向に磁場の成分が大きくなり得るからである。そのため、層１０を構成する材料は、垂直磁気異方性を有するように設計することができ、結晶質または多結晶とし得る。
【０１５２】
図２６〜図２８に、磁性被膜１０の構成の代替実施形態を示す。磁性被膜１０Ａは、１種類の磁性合金の被膜を用いて構成される。
【０１５３】
磁性被膜１０Ｂは、絶縁被膜中の磁気領域からなる粒状磁性合金である。この構造は、データ記憶領域を読み出すときに、磁気記憶被膜１０に沿って流れる電流を減少させるのに有用になり得る。この被膜は極めて薄いので、この被膜の面内の抵抗値は、この被膜の垂直方向の抵抗値よりもはるかに大きくなる。金属粒状被膜も用いることができるはずである。例えば、これは、磁気異方性がより大きい磁性材料を形成するのに有利になることがある。というのは、磁性微粒子の表面では磁気異方性が強化されることが多いからである。
【０１５４】
読出し性能を改善するには、この層の面内抵抗値よりもこの層の垂直方向の抵抗値がはるかに小さい材料から磁性被膜１０を形成すると特に有利なことがある。例えば、被膜１０Ｂの下面から上面に延びるが、被膜１０Ｂの面に平行な方向に互いに電気的に分離されている磁性柱状微粒子からなる粒状材料から磁性被膜１０Ｂを形成すると好ましいことがある。
【０１５５】
例えば、これらの柱状磁性微粒子は、酸化アルミニウムまたは酸化シリコンあるいは酸化マグネシウムなどの絶縁酸化物によって、あるいは窒化アルミニウムなどの絶縁窒化物によって横方向に互いに分離することができる。すなわち、この絶縁材料は円筒形微粒子の粒界に沿っており、これらの微粒子の円筒の軸は磁性被膜１０Ｂの表面に直交する向きになる。
【０１５６】
磁性被膜１０Ｃは、温度変動に対する安定性が改善されるように設計された人工的な反強磁性構造である。例えば、この被膜構造は、反強磁性結合層１１１０によって分離された２つの強磁性層１１１５および１１２０からなり得る。反強磁性結合層１１１０は、米国特許第５，４６５，１８５号および第６，１５３，３２０号に記載されているように、ルテニウムまたはルテニウム−オスミウム合金から、あるいは、米国特許第５，３４１，１１８号に記載されているように、クロムおよび他の様々な非強磁性金属とともに形成することができる。
【０１５７】
図２６〜図２８に示すすべての実施形態において、磁性層は、複数の金属および非金属層から形成することができる。データ・ビットを読み出すための信号が最も大きくなるように、適切な絶縁障壁層と組み合わせて、大きくスピン偏極したトンネル電流が生じる磁性材料から磁性被膜の上面および下面を形成すると有利になることがある。例として、ＭｇＯ障壁を、Ｃｏ−Ｆｅ合金と組み合わせて用いることができる。こうすると、磁気データ・ビットの方向を読み出す信号が最も大きくなる。
【０１５８】
図２９に示すように、性能を最適化するために、書込みデバイス２０のトラック内でビットを記憶させる蓄積部が望まれる。この蓄積部は、１つの磁区から、データ記憶領域の両側のデータ記憶領域内のすべての磁区を収容するのに十分な長さのものまでサイズが変わるものである。
【０１５９】
図２９では、データ記憶領域１２０５の両側に蓄積部１２１０、１２１５，１２２０、および１２２５を示す。各蓄積部は、データ記憶領域１２０５に対して書込みおよび読出しを行うトラック内のすべての磁区を収容するのに十分に長いものである。データ記憶領域１２０５に対して書込みおよび読出しを行うトラック内の磁区は、書き込まれるべき「１」および「０」の順序に応じて、磁区のそれぞれの蓄積部１２１０、１２１５，１２２０、１２２５に入り、またそれから出るように移動させることができる。
【０１６０】
磁気メモリ・デバイス１００の代替実施形態では、図３０〜図３１に示す磁気メモリ・デバイス１００Ａは、個々のデータ・ビット１３１５、１３２０の書込みを行う個々のレジスタ１３０５、１３１０からなる。各レジスタを代表するレジスタ１３０５は、電流導入部１３２５、１３３０および磁性導線またはトラック１３３５からなる。
【０１６１】
トラック１３３５は、２つの磁区１３４０、１３４５および１つの磁壁１３５０からなる。磁壁１３５０から放射される漏れ磁場１３５５は、データ・ビット１３１５への書込みを行うのに十分に強い。電流導入部１３２５、１３３０は磁性材料でできており、磁区１３４０、１３４５用の蓄積部として働くのに十分に長いものである。レジスタ１３０５に電流１３６０を印加して、データ・ビット１３１５の領域に漏れ磁場１３５５を移動させる。
【０１６２】
前に論じたように、漏れ磁場１３５５により、データ・ビット１３１５への書込みが行われる。次いで、データ・ビット１３１５の書込みが行われた後で、電流１３６０により、漏れ磁場１３５５を移動させて、データ・ビット１３１５の領域から外に出す。レジスタ１３０５、１３１０はそれぞれ、参照数字１３７５で示すトランジスタおよび制御ゲートによって個々に制御される。このトランジスタおよび制御ゲートは、レジスタ１３０５、１３１０に電流を流して磁性被膜１０にデータを書き込む。
【０１６３】
図３０〜図３１に、磁気記憶層１０の上に、電流導入部１３２５、１３３０および個々の書込みレジスタ１３０５、１３１０を示す。これらの導入部を個々のトランジスタ１３７５に接続するために、これらのトランジスタは、磁性被膜１０の下でシリコン基板中に形成されることが好ましい。こうすると、電流導入部が磁性層１０の上にある場合、磁性被膜を貫通するビアを設けて、これらの電流導入部とシリコン基板中のトランジスタ・スイッチを接続することができる。
【０１６４】
図１に示す実施形態に関連して論じたように、磁性被膜１０を連続したものとする必要はなく、（それぞれが個々の磁気データ・ビットよりも大きい）複数の磁気区画から形成することができる。こうすると、これらの磁気区画間に、磁性被膜１０によって画定される面を貫通してビアを形成することができる。磁性被膜１０は不連続であり、かつこれらの区画間に配置された導電ビアから分離した複数の磁気区画からなる。これらの導電ビアは、絶縁材料によって磁気区画から電気的に分離される。
【０１６５】
電流導入部１３２５、１３３０および個々の書込みレジスタ１３０５、１３１０は、磁性被膜１０の下に配設することもでき、それによって、この層の下で、これらの導入部を半導体基板中の切替えトランジスタに接続するのがより直接的になる。
【０１６６】
図３０〜図３１に、個々の書込みレジスタを、切欠またはこれらの書込みレジスタのところに磁壁の位置を固定する手段を備えずに示すが、これらのレジスタは、１つまたは複数の切欠または突起とともに形成することもできるし、異なる磁性材料からなる複数の結合された磁気領域から形成して、これらの磁気領域用のこれらの磁性材料間の境界で磁壁を固定することもできる。これらの異なる磁性材料の特性に応じて、磁壁を、これらの材料間の境界のところに配置するか、あるいは、磁気領域自体との境界から離して配置するかを選択することになる。
【０１６７】
好ましい実施形態では、個々の書込みレジスタは、反対の符号の磁区漏れ磁場が生じる２つの磁壁を備えた３つの磁区からなる。そのため、これらの磁壁のいずれか一方を、書込みが行われるべき磁気領域の上を移動させることによって、一方の方向または反対の方向に磁気データ・ビットを書き込むことができる。好ましくは、この書込みレジスタは、磁気データ領域の左右、または電流導入部の垂直部分自体の磁壁用の記憶蓄積部を含むのに十分に長く、それによってデータ記憶密度がより高くなり得る。
【０１６８】
書込みレジスタが１つの磁壁しか含まない図３１〜図３２に示す代替実施形態では、図９に示すネール（Neel）タイプの磁壁に関連する漏れ磁場のｘ成分に関する図１０に示すように、磁壁漏れ磁場を、この磁壁の一方の側で一方の方向に沿い、かつこの磁壁の他方の側で反対の方向に沿うものとすることができる。このため、図９に示す磁壁が磁性被膜１０の上を移動すると、磁壁がｘ軸に沿って左から右に移動するときに磁気データ・ビット４５が一方向に書き込まれる。図１０に示すように、磁性被膜は、磁化が左を指しているｘの負の方向に書き込まれる。
【０１６９】
しかし、同じ磁壁が右から左に移動する場合、被膜１０内の磁気データ・ビットは、その磁化方向がｘの正の方向を指す（すなわち、磁化が右を指す）ように書き込まれる。このため、単一の磁壁を用いて、データ・ビットを左方向または右方向に書き込むことができる。磁壁の移動方向（左から右または右から左）により書込みの方向が決まる。このため、磁気データ・ビットを左方向または右方向に書き込むために、書込みレジスタ内の磁壁の位置に応じて、まず磁壁を左または右に移動させることが必要なことがある。
【０１７０】
図３０〜図３１に示すデバイスでは、磁気データ・ビットは、導入部１３２５、１３３０の１つ、および磁性被膜１０の上部に薄い絶縁層１５として形成されたトンネル障壁、ならびに磁性被膜１０自体内の磁気データ・ビットに小さな電流を流すことによって読み出される。この電流の経路は、磁性被膜１０の縁部または磁性被膜１０の反対側の電気接点によって閉じることができる。
【０１７１】
図３２〜図３３に示す磁気メモリ・デバイス１００Ｂの実施形態では、磁気メモリ・デバイス１００Ｂは、磁性被膜１０の底部の（レジスタ１４１５、１４２０で代表する）書込みレジスタに加えて、磁性被膜１０の上部に位置する（レジスタ１４０５、１４１０で代表する）個々の書込みレジスタを有する。データ・ビット１４２５、１４３０、１４３５、１４４０などのデータ・ビットは、データ・ビット密度を増加させ、かつ隣接する漏れ磁場からの干渉を避けるために互い違いに配置する。この実施形態では、データ・ビットの空間密度は、磁気メモリ・デバイス１００Ａの密度の２倍に増加する。
【０１７２】
磁気メモリ・デバイス１００Ｃの実施形態では、磁気メモリ・デバイス１００Ｃは、レジスタ１５１５、１５２０に直交する書込みレジスタ１５０５、１５１０を有する。書込みレジスタ１５０５、１５１０、１５１５、および１５２０の相対的な配置は、所望の空間密度を実現する所望のとおりの任意の構成とすることができ、依然としてこれらのレジスタに電流を印加する能力を保持している。
【０１７３】
磁気メモリ・デバイス１００を操作するために、この回路は、読出しおよび書込み素子に加えて、これら読出しおよび書込みデバイスの操作、書込みレジスタ内で磁区を移動させる電流パルスの提供、データ・ビット中のデータの符号化および復号手段などを含めて、様々な目的の論理回路および他の回路を備える。一実施形態では、ＣＭＯＳプロセスを用いてシリコン・ウエハ上に制御回路を製作する。個々の磁気データ・ビットに関係する回路は、メモリ・デバイスの記憶容量を最大化すると同時に、利用するシリコンの面積を最小限に抑えてコストをできる限り低く抑えるために、シリコン・ウエハ上での占有面積が小さくなるように設計されることになる。
【０１７４】
以上説明した本発明の特定の実施形態は、本発明の原理のある種の応用例を単に示すものであることを理解されたい。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で説明したパターン化しない連続磁性層にデータを記憶するこのシステムおよび方法に多くの改変を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７５】
【図１】本発明による磁気メモリ・デバイスの実施形態を示す図である。
【図２】本発明による磁気メモリ・デバイスの実施形態を示す図である。
【図３】本発明による磁気メモリ・デバイスの実施形態を示す図である。
【図４】本発明による磁気メモリ・デバイスの実施形態を示す図である。
【図５】本発明による磁気メモリ・デバイスの実施形態を示す図である。
【図６】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスで用いられる１つのデータ・ビットおよびその対応する書込みおよび読出し構造を概略的に示す拡大図である。
【図７】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスで用いられる１つのデータ・ビットおよびその対応する書込みおよび読出し構造を概略的に示す拡大図である。
【図８】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスで用いられる１つのデータ・ビットおよびその対応する書込みおよび読出し構造を概略的に示す拡大図である。
【図９】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの磁壁漏れ磁場を示す概略図である。
【図１０】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの磁壁漏れ磁場を示す概略的なグラフである。
【図１１】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの磁壁漏れ磁場を示す概略的なグラフである。
【図１２】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスへの書込み動作方法を示すプロセス・フロー・チャートである。
【図１３】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスへの書込みプロセスを示す図である。
【図１４】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスへの書込みプロセスを示す図である。
【図１５】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスへの書込みプロセスを示す図である。
【図１６】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスへの書込みプロセスを示す図である。
【図１７】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスへの書込みプロセスを示す図である。
【図１８】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスへの書込みプロセスを示す図である。
【図１９】強磁性またはフェリ磁性材料のブロックを用いた、図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの書込みデバイスの代替実施形態の構成を示す図である。
【図２０】強磁性またはフェリ磁性材料のブロックを用いた、図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの書込みデバイスの代替実施形態の構成を示す図である。
【図２１】複数のタイプの強磁性またはフェリ磁性材料を用いた、図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの書込みデバイスの代替実施形態の構成を示す図である。
【図２２】強磁性またはフェリ磁性材料のトラックにおいてくぼみ（あるいは突起）を用いた、図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの書込みデバイスの別の代替実施形態の構成を示す図である。
【図２３】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスからのデータの読出し動作方法を示すプロセス・フロー・チャートである。
【図２４】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスからのデータの読出しプロセスを示す図である。
【図２５】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスからのデータの読出しプロセスを示す図である。
【図２６】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの磁性被膜で用いることができる材料を示す図である。
【図２７】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの磁性被膜で用いることができる材料を示す図である。
【図２８】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの磁性被膜で用いることができる材料を示す図である。
【図２９】図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの書込みトラックおよび読出しトラックで磁区用の蓄積部を使用するところを示す図である。
【図３０】個々に制御されるレジスタを用いて磁性被膜への書込みを行う、図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの代替実施形態を示す図である。
【図３１】個々に制御されるレジスタを用いて磁性被膜への書込みを行う、図１〜図５の磁気メモリ・デバイスの代替実施形態を示す図である。
【図３２】図３０〜図３１の磁気メモリ・デバイスの実施形態を示す図である。
【図３３】図３０〜図３１の磁気メモリ・デバイスの実施形態を示す図である。
【図３４】図３０〜図３１の磁気メモリ・デバイスの別の実施形態を示す図である。
【図３５】図３０〜図３１の磁気メモリ・デバイスの別の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【０１７６】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ  磁性被膜
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅ、１０８０、１０９０  絶縁層
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ  書込みデバイス
２５、３０、３５、４０、５２０、５４０、６０５、６１０、７０５、８０５、１３３５  トラック
４５、５１０、７４０、７４５、１３１５、１３２０、１４２５、１４３０、１４３５、１４４０  データ・ビット
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ  磁気メモリ・デバイス
１０１、１０２、１０３  円形区画
１０４、１０５、１０６  矩形区画
１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２  列区画
２０５、２１０、２１５、２２０、３０５、３１０、８３５、８４０、８４５、８５０、８５５、８６０、１０２５、１３４０、１３４５  磁区
２２５、２３０、３２０、５２５、５５５、６３５、７３０、７３５、１３５０  磁壁
２３５、２４０、５３０、５５０、５６０、５６５、８６５、８７０、８７５、１３５５  漏れ磁場
２５０、２５５、５１５、５４５、６４０、１０５０、１０６０、１３６０  電流
３１５  磁化方向
５０５  書込み領域
６１５、６２０  強磁性ブロック
６２５、６３０  薄い層
７１０、７１５、７２０、７２５  ブロック
８１０、８１５、８２０、８２５、８３０  くぼみ
１０５２、１０６２  電流経路の方向
１０５５、１０６５  データ・ビットの磁気の方向
１１１０  反強磁性結合層
１１１５、１１２０  強磁性層
１２０５  データ記憶領域
１２１０、１２１５、１２２０、１２２５  蓄積部
１３０５、１３１０  レジスタ
１３２５、１３３０  電流導入部
１３７５  トランジスタおよび制御ゲート
１４０５、１４１０、１４１５、１４２０、１５０５、１５１０、１５１５、１５２０  書込みレジスタ
【図１】
2005123617.tif 000003
【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７】
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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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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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