(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向のスイッチングが可能であり、連続した複数のマグネチックドメインが存在する自由層と、前記自由層の一部の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、を備え、前記基準層の有効サイズ単位で前記自由層に複数のデータビット領域のアレイを形成して、複数のビットのデータをアレイで保存できるデータ保存セルと、
前記自由層の少なくとも一つのデータビット領域及び基準層に電気的に連結されて書き込み信号及び読み取り信号のうち少なくとも何れか一つを入力する第１入力部と、
前記自由層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ドラッギングするように、前記自由層に電気的に連結されて、マグネチックドメインドラッギングのためのドラッギング信号を入力する第２入力部と、を備え、
前記データ保存セルは、複数個形成され、二つの隣接するデータ保存セルの間には、前記データ保存セル領域外へドラッギングされるデータを保存できるバッファセルが位置し、前記第１入力部は、各データ保存セルに少なくとも１つずつ対応するように設けられたことを特徴とする磁性素子ユニット。
【請求項２】
前記書き込み信号は、パルス形態のスイッチング電流であることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子ユニット。
【請求項３】
前記読み取り信号は、前記スイッチング電流より小さいパルス電流であることを特徴とする請求項２に記載の磁性素子ユニット。
【請求項４】
前記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、ドラッギング信号の入力とは交互に行われて、データの保存動作または読み取り動作とマグネチックドメインドラッギング動作とが交互に行われることを特徴とする請求項３に記載の磁性素子ユニット。
【請求項５】
前記データビット領域は、少なくとも１つのマグネチックドメインを備え、マグネチックドメインドラッギングは、データビット領域の単位で行われることを特徴とする請求項４に記載の磁性素子ユニット。
【請求項６】
前記データビット領域は、少なくとも１つのマグネチックドメインを備え、マグネチックドメインドラッギングは、データビット領域の単位で行われ、データの保存動作または読み取り動作とマグネチックドメインドラッギング動作とが交互に行われることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子ユニット。
【請求項７】
前記基準層と前記自由層との間に非磁性層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子ユニット。
【請求項８】
前記非磁性層は、導電膜であることを特徴とする請求項７に記載の磁性素子ユニット。
【請求項９】
前記非磁性層は、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７に記載の磁性素子ユニット。
【請求項１０】
複数個のデータ保存セルがアレイで形成されており、前記第１入力部は、各データ保存セルに少なくとも１つ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１ないし請求項９のうち何れか１項に記載の磁性素子ユニット。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項９のうち何れか１項に記載の磁性素子ユニットの作動方法において、
連続した複数のデータビット領域のうち少なくとも１つのデータビット領域の磁化方向の指定によりデータを保存するか、または前記少なくとも１つのデータビット領域の磁化方向によって保存されたデータを読み取るステップと、
マグネチックドメインドラッギングを行うステップと、を含み、
データの保存または読み取りは、マグネチックドメインドラッギングと交互に行われ、
前記データ保存セルは、複数個形成され、二つの隣接するデータ保存セルの間には、前記データ保存セル領域外へドラッギングされるデータを保存できるバッファセルが位置し、前記第１入力部は、各データ保存セルに少なくとも１つずつ対応するように設けられて、複数のデータ保存セルで保存されたデータの読み取りまたは保存の動作が行なわれることを特徴とする磁性素子ユニットの作動方法。
【請求項１２】
複数個のデータ保存セルがアレイで形成されており、前記第１入力部は、各データ保存セルに少なくとも１つずつ対応するように設けられ、複数のデータ保存セルで保存されたデータの読み取りまたはデータの保存動作が行われることを特徴とする請求項１１に記載の磁性素子ユニットの作動方法。
【請求項１３】
磁化方向のスイッチングが可能であり、連続した複数のマグネチックドメインが存在する自由層と、前記自由層の一部の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一つのみの基準層と、を備え、前記一つのみの基準層の有効サイズ単位で前記自由層に複数のデータビット領域のアレイを形成して、複数のビットのデータをアレイで保存できるデータ保存セルと、
前記自由層の少なくとも一つのデータビット領域及び前記一つのみの基準層に電気的に連結されて書き込み信号及び読み取り信号のうち少なくとも何れか一つを入力する第１入力部と、
前記自由層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ドラッギングするように、前記自由層に電気的に連結されて、マグネチックドメインドラッギングのためのドラッギング信号を入力する第２入力部と、を備え、
前記一つのみの基準層を用いて前記一つのみの基準層に対応する前記自由層の一部領域に対するデータの保存及び読み取り動作を全て行なうことを特徴とする磁性素子ユニット。
【請求項１４】
請求項１３の磁性素子ユニットの作動方法において、
連続した複数のデータビット領域のうち一データビット領域の磁化方向指定によってデータを保存または前記少なくとも一データビット領域の磁化方向による保存されたデータを読み取るステップと、
マグネチックドメインドラッギングを行なうステップと、を含み、
データの保存または読み取りはマグネチックドメインドラッギングと交互に行なわれ、
前記一つのみの基準層を用いて、前記一つのみの基準層に対応する前記自由層の一部領域に対するデータの保存及び読み取り動作を全て行なうことを特徴とする磁性素子ユニットの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性素子ユニットに係り、さらに詳細には、マグネチックドメインドラッギングを利用して複数ビットのデータを書き込み／読み取り可能な磁性素子ユニット及びその作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報記録用磁性素子は、メモリ素子とストレージ素子とに大別される。メモリ素子は、固体素子を利用した性能が要求され、ストレージ素子は、大容量化が要求される。
【０００３】
磁気ＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）は、不揮発性メモリ素子の一つであって、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たな固体磁気メモリ素子である。このようなＭＲＡＭは、電子が有する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って発生する巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）現象や、トンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）現象を利用したものである。
【０００４】
ＧＭＲ現象とは、強磁性体／金属非磁性体／強磁性体を連続的に配列させて、非磁性体を介して形成された強磁性体間の磁化方向の配列が同じである場合と、互いに逆である場合とで抵抗の差が生じる現象を意味する。ＴＭＲ現象は、強磁性体／絶縁体／強磁性体の連続的な配列において、二つの強磁性層における磁化方向の配列が同じである場合には、互いに逆である場合に比べて、電流の透過が容易である現象を意味する。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、電圧値の差を大きくすることができない。また、セルを構成するために、ＧＭＲ膜と組合わせて使用するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）は、そのサイズを大きくしなければならないという短所があって、現状では、ＴＭＲ膜を採用したＭＲＡＭの実用化のための研究がより活発に行われている。
【０００５】
ＭＲＡＭは、例えば、スイッチング素子であるトランジスタと、データが保存される磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）セルとから構成される。通常、ＭＴＪセルは、磁化方向の固定されている固定強磁性層、前記固定強磁性層に対して磁化方向が平行または反平行に変わりうる自由強磁性層、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て、前記強磁性層を磁気的に分離させる非磁性層からなる。
【０００６】
ところが、一般的に、ＭＴＪセル当り１ビットのデータのみしか保存されないので、ＭＲＡＭのデータの保存容量の増大には限界がある。したがって、ＭＲＡＭなどの磁性素子の情報記録容量をさらに増大させるためには、新たな記録方式が要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、自由層にマグネチックドメイン障壁が形成されて、複数のマグネチックドメインが存在するので、マグネチックドメインドラッギングを利用して複数ビットのデータの書き込み／読み取り可能な磁性素子ユニット及びその作動方法を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を解決するための本発明に係る磁性素子ユニットは、磁化方向のスイッチングが可能であり、連続した複数のマグネチックドメインが存在する自由層と、前記自由層の一部の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、を備え、前記基準層の有効サイズ単位で前記自由層に複数のデータビット領域のアレイを形成して、複数のビットのデータをアレイで保存できるデータ保存セルと、前記自由層の少なくとも一つのデータビット領域及び基準層に電気的に連結されて書き込み信号及び読み取り信号のうち、少なくとも何れか一つを入力する第１入力部と、前記自由層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ドラッギングするように、前記自由層に電気的に連結されて、マグネチックドメインドラッギングのためのドラッギング信号を入力する第２入力部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
前記書き込み信号は、パルス形態のスイッチング電流でありうる。
【００１０】
前記読み取り信号は、前記スイッチング電流より小さいパルス電流でありうる。
【００１１】
前記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、ドラッギング信号の入力とは交互に行われて、データの保存動作または読み取り動作とマグネチックドメインドラッギング動作とが交互に行われることが望ましい。
【００１２】
前記データビット領域は、少なくとも１つのマグネチックドメインを備え、マグネチックドメインドラッギングは、データビット領域の単位で行われることが望ましい。
【００１３】
前記基準層と前記自由層との間に非磁性層をさらに備えうる。
【００１４】
前記非磁性層は、導電膜であるか、または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。
【００１５】
前記データ保存セルの少なくとも一側には、マグネチックドメインドラッギングによって前記データ保存セル領域外へドラッギングされるデータを保存できるように、前記データ保存セルに連続するバッファセルをさらに備えうる。
【００１６】
このとき、前記データ保存セルは、複数個であり、二つの隣接するデータ保存セルの間には、前記バッファセルが位置し、前記第１入力部は、各データ保存セルに少なくとも１つずつ対応するように設けられうる。
【００１７】
他の特徴として、前記複数個のデータ保存セルがアレイで形成されており、前記第１入力部は、各データ保存セルに少なくとも１つずつ対応するように設けられてもよい。
【００１８】
前記目的を解決するために、本発明は、前記本発明に係る磁性素子ユニットの作動方法において、連続した複数のデータビット領域のうち少なくとも１つのデータビット領域の磁化方向の指定によりデータを保存するか、または前記少なくとも１つのデータビット領域の磁化方向によって保存されたデータを読み取るステップと、マグネチックドメインドラッギングを行うステップと、を含み、データの保存または読み取りは、マグネチックドメインドラッギングと交互に行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る磁性素子ユニットによれば、磁化方向のスイッチングが可能であり、連続した複数のマグネチックドメインが存在する自由層と、この自由層の一部の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を備え、基準層の有効サイズ単位で自由層に複数のデータビット領域のアレイを形成して、複数のビットのデータをアレイで保存可能なデータ保存セルを備え、データの保存動作または読み取り動作と、自由層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ドラッギングするマグネチックドメインドラッギング動作とを交互に行うので、複数のビットのデータを保存／読み取り可能である。
【００２０】
したがって、本発明に係る磁性素子ユニットを適用したセル当り複数のビットのデータを保存できるので、これを適用すれば、データの保存容量を大きく増大させうる。よって、本発明を適用すれば、データの保存容量がさらに増大したＭＲＡＭなどの磁性素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付された図面を参照して、本発明に係る磁性素子及びその作動方法の望ましい実施例を詳細に説明する。
【００２２】
図１及び図２は、本発明の一実施例に係る磁性素子ユニットを概略的に示す図面である。
【００２３】
図１及び図２に示すように、本発明の一実施例に係る磁性素子ユニット１０は、複数ビットのデータを保存可能なデータ保存セル２０と、書き込み信号及び読み取り信号のうち少なくとも何れか一つの信号（パルス２）を入力する少なくとも一つの第１入力部４０と、マグネチックドメインドラッギングのためのドラッギング信号（パルス１）を入力する第２入力部５０とを備える。
【００２４】
前記データ保存セル２０は、磁化方向のスイッチングが可能であり、連続した複数のマグネチックドメインが存在する自由層１１と、その自由層１１の一部の領域に対応するように形成された基準層１５とを備える。前記基準層１５と自由層１１との間には、非磁性層１３が位置しうる。図１及び図２では、非磁性層１３が自由層１１の全面にわたって形成された例を示す図面である。
【００２５】
本発明に係る磁性素子ユニット１０では、前記第２入力部５０を通じて印加されるドラッギング信号（パルス１）、及びこのドラッギング信号と同期されて、前記第１入力部４０を通じて印加される書き込み信号（例えば、図５におけるパルス２（書き込み））によって、自由層１１の連続したマグネチックドメインをドラッギング（ドラッギング）しつつ、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に対応する特定の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（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ：ＣＩＭＳ）方法を利用して磁化反転させることによって、データビット、すなわち、“０”または“１”を記録する。
【００２６】
付加的に、本発明に係る磁性素子ユニット１０では、前記第２入力部５０を通じて印加されるドラッギング信号（パルス１）、及びこのドラッギング信号と同期されて前記第１入力部４０を通じて印加される読み取り信号（例えば、図５におけるパルス２（読み取り））によって、マグネチックドメインをドラッギングしつつ、自由層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て、例えば、スピントンネリング現象により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。
【００２７】
図１及び図２においてパルス２は、読み取り信号または書き込み信号を意味する。
【００２８】
前記自由層１１は、磁化方向がスイッチングされるように設けられたものであって、この自由層１１には、マグネチックドメイン障壁が形成されている。このマグネチックドメイン障壁の存在により、自由層１１には、連続した複数のマグネチックドメインが存在する。前記自由層１１は、強磁性体から形成されうる。マグネチックドメイン障壁は、自然的に形成されうる。また、自由層１１の形成に使用される強磁性体の種類及び蒸着条件によって、マグネチックドメイン障壁により得られるマグネチックドメインの幅が調節されうる。前記マグネチックドメインは、互いに独立して磁化方向のスイッチングが可能である。
【００２９】
本発明に係る磁性素子ユニット１０において、データの書き込み／読み取りは、基準層１５の有効サイズに対応する自由層１１の面積単位でなりうる。前記基準層１５の有効サイズは、実質的に自由層１１の一データビット領域のサイズを決定する。
【００３０】
したがって、前記自由層１１は、前記基準層１５の有効サイズ、特にマグネチックドメインドラッギング方向の幅と、保存しようとするデータのビット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、データ保存セル２０には、基準層１５の有効サイズ単位で前記自由層１１に複数のデータビット領域アレイが形成されて、複数ビットのデータをアレイで保存できる。
【００３１】
図１においては、データ保存セル２０が６ビットのデータを保存できるように、基準層１５のサイズに対応するサイズのデータビット領域が６個設けられた例を示す。このデータビット領域数は、必要なだけ増やすことができる。図１においてＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６は、データ保存セル２０をなす第１データビット領域ないし第６データビット領域を表す。
【００３２】
本発明に係る磁性素子ユニット１０において、自由層１１の複数のデータビット領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６のそれぞれは、両側にのみマグネチックドメイン障壁が存在する単一マグネチックドメインからなるか、二つ以上のマグネチックドメインが含まれた領域からなりうる。すなわち、前記第１データビット領域Ｄ１ないし第６データビット領域Ｄ６は、少なくとも一マグネチックドメインを備える。
【００３３】
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って、自由層１１の連続したマグネチックドメインの一部領域、すなわち、一データビット領域に対応するように形成される。前記基準層１５は、強磁性体からなりうる。図１においては、基準層１５が第３データビット領域Ｄ３の下側に形成された例を示す。
【００３４】
前記非磁性層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の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。
【００３５】
一方、前記第１入力部４０は、自由層１１の少なくとも一つのデータビット領域及び前記基準層１５に電気的に連結される。図１及び図２においては、前記第１入力部４０が基準層１５、及びその基準層１５上に位置した単一データビット領域（以下、必要に応じて“特定のデータビット領域２１”という）に電気的に連結された場合を示す。
【００３６】
書き込み信号は、前記第１入力部４０を通じて自由層１１及び基準層１５に入力され、この書き込み信号によって、例えば、基準層１５上に位置した自由層１１の特定のデータビット領域２１の磁化方向が指定される。図１において、データ保存セル２０は、第１データビット領域Ｄ１ないし第６データビット領域Ｄ６のアレイを備え、第１入力部４０に電気的に連結された特定のデータビット領域２１は、基準層１５上に位置した第３データビット領域Ｄ３となる。
【００３７】
前記第１入力部４０を通じて書き込み信号が入力されれば、その書き込み信号によって、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が所定の磁化方向であるとき、印加される書き込み信号によって第３データビット領域Ｄ３の磁化方向が反転されるか、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表す。
【００３８】
前記書き込み信号は、後述する図５に示すように、パルス形態のスイッチング電流であって、このスイッチング電流の極性によって、前記基準層１５上に位置した自由層１１の特定のデータビット領域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て、その特定のデータビット領域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。
【００３９】
例えば、所定のスイッチング電流を印加して、特定のデータビット領域２１の磁化方向と基準層１５の磁化方向とが同じである場合、すなわち、平行である場合にデータビットが“０”に指定されれば、逆極性のスイッチング電流を印加して、特定のデータビット領域２１が基準層１５と逆の磁化方向（反平行の磁化方向）を有する場合に、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切り換えることによって、特定のデータビット領域２１の磁化方向を基準層１５と同じ磁化方向にするか、または基準層１５と逆の磁化方向にしてデータを保存する。図１において、第１データビット領域Ｄ１ないし第６データビット領域Ｄ６に表記された矢印は、磁化方向を表す。
【００４０】
一方、データを読み取る区間においては、読み取り信号、例えば、図５のような読み取り用パルス電流が、前記第１入力部４０を通じて自由層１１の特定のデータビット領域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上に位置した自由層１１の特定のデータビット領域２１、及びその間の非磁性層１３は、ＭＴＪセルを構成する。したがって、前記基準層１５に対して、前記自由層１１の特定のデータビット領域２１の磁化方向が平行あるいは反平行であるかによって通過する電流の量や抵抗値が変わる。このような差に基づいてデータ情報を読み取る。
【００４１】
前記読み取り用パルス電流は、後述する図５に示すように、記録用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、前記ドメインドラッギング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ドラッギング、及び読み取り基準層１５上に位置する特定のデータビット領域２１の磁化方向により保存されたデータ情報を読み取りうる。
【００４２】
前記第２入力部５０は、前記自由層１１のデータビット領域に保存されたデータ（すなわち、磁化方向）を、隣接したデータビット領域にドラッギングするように、前記自由層１１に電気的に連結される。この第２入力部５０を通じて入力されたドラッギング信号（パルス１）によって、マグネチックドメインの磁化方向は、隣接した他のマグネチックドメインにドラッギングされる。これにより、所定のデータビット領域のデータビットが、隣接データビット領域に移動する。これをマグネチックドメインドラッギングと言う。
【００４３】
前記ドラッギング信号（パルス１）は、一定の周期で入力されるパルス電流でありうる。前記ドラッギング信号（パルス１）は、少なくとも一つのマグネチックドメインを備えるデータビット領域単位でマグネチックドメインドラッギングが行われるように入力されうる。ここで、マグネチックドメインドラッギングは、実質的には、所定の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ので、ドラッギング信号（パルス１）は、データビット領域単位でマグネチックドメインドラッギングが行われる時間の間に持続され、データビット領域単位でマグネチックドメインドラッギングが行われるように周期的に印加されることが望ましい。
【００４４】
前記のような書き込み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、ドラッギング信号の入力とは交互に行われる。これにより、データの保存動作または読み取り動作と、マグネチックドメインドラッギング動作とが交互に行われる。これにより、複数のデータビット領域に対して複数ビットのデータを順に保存／読み取る。
【００４５】
一方、本発明に係る磁性素子ユニット１０においては、前記データ保存セル２０の少なくとも一側に、マグネチックドメインドラッギングによって前記データ保存セル２０の領域外へドラッギングされるデータを保存できるように、前記データ保存セル２０に連続するバッファセル３０をさらに備えうる。
【００４６】
前記データ保存セル２０が、ｎ個のデータビット領域を備える場合、前記バッファセル３０は、ｎ個またはｎ−１個のデータビット領域を備える。すなわち、バッファセル３０の全体データビット領域の数は、データ保存セル２０のデータビット領域の数と同じであるか、または１個少ない数で形成されうる。データ保存セル２０の領域及びバッファセル３０の領域における自由層１１の物理的特性は、実質的に相互同じである。図１及び図２においては、自由層１１の中心部は、データ保存セル２０として使用し、その両側の自由層１１をバッファセル３０として使用する例を示す。バッファセル３０の部分には、直接的に書き込み信号または読み取り信号が入力されないので、バッファセル３０は、自由層１１のみを備えるか、または自由層１１とその下面の非磁性層１３とからなる層構造を有しうる。また、本発明に係る磁性素子ユニット１０は、バッファセル３０がデータ保存セル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、バッファセル３０の基準層１５には、信号を入力しないように構成されてもよい。
【００４７】
図１及び図２においては、データ保存セル２０の６個のデータビット領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６のうち、第３データビット領域Ｄ３でデータの保存または読み取りが行われ、データ保存セル２０の両側にバッファセル３０の第１部分Ａ及び第２部分Ｂが備えられた例を示す。図１及び図２においては、データを読み取る間に、マグネチックドメインドラッギングが左側から右側に行われる場合を考慮して、データ保存セル２０の左側に３個のデータビット領域を有するバッファセル３０の第１部分Ａと、データ保存セル２０の右側に２個のデータビット領域を有するバッファセル３０の第２部分Ｂとを形成した例を示す。データ保存セル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、左側にドラッギングされた状態でデータの読み取り動作を開始し、データを右側にドラッギングしつつ、ドラッギング及び読み取り動作を交互に行えば、その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。
【００４８】
図１及び図２においては、データ保存セル２０の中間部分に基準層１５が形成されて、データの保存動作または読み取り動作がデータ保存セル２０の中間部分で行われる例を示すが、本発明がこれに限定されるものではなく、多様な実施例が可能である。
【００４９】
例えば、データ保存セル２０の第１データビット領域Ｄ１でデータの保存または読み取りが行われ、データ保存セル２０のデータビット領域と同数またはそれより１つ少ないデータビット領域を有するバッファセル３０は、データ保存セル２０のデータの読み取りまたは保存が始まるデータビット領域に隣接するように（例えば、データの読み取りまたは保存が第一のデータビット領域Ｄ１で始まる場合、その左側、データの読み取りまたは保存が最後の第６データビット領域Ｄ６で始まる場合、その右側）設けられるか、または両側にそれぞれ設けられてもよい。この実施例についての図示は、図１及び図２に示す構造から十分に分かるので、その図示を省略する。
【００５０】
バッファセル３０が、データ保存セル２０の右側または左側にのみ設けられた場合には、データを読み取る区間では、データ保存セル２０のデータをドラッギングしてバッファセル３０に移動させた後、データの読み取りを行うことができる。このとき、データの読み取り中に行われるマグネチックドメインドラッギングと、データを保存する動作中に行われるマグネチックドメインドラッギングとは、同じ方向に行われる。また、データ保存セル２０のデータを直ちにバッファセル３０に移動させてデータの読み取りを行ってもよい。このときのデータの読み取り中に行われるマグネチックドメインドラッギングと、データを保存する動作中に行われるマグネチックドメインドラッギングとは、相互逆方向に行われる。
【００５１】
ここで、データ保存セル２０にｎビットのデータを保存する場合、バッファセル３０のデータビット領域の数は、データ保存セル２０のデータビット領域の数より１つ少なく設けられうるが、その理由は、次の通りである。すなわち、バッファセル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、データ保存セル２０のデータの保存または読み取りが行われるデータビット領域に保存することが常に可能であるので、バッファセル３０には、ｎ−１ビットのデータのみを一時的に保存すればよいためである。
【００５２】
バッファセル３０がデータ保存セル２０の両側に設けられた場合に、データをバッファセル３０に移動させる過程なしに直ちに、マグネチックドメインドラッギングを行って、データ保存セル２０のデータを読み取ることが可能である。このときのデータの読み取り中に行われるマグネチックドメインドラッギングと、データを保存する動作中に行われるマグネチックドメインドラッギングとは、相互逆方向に行われる。この場合でも、データ保存セル２０にｎビットのデータを保存する場合には、このデータ保存セル２０の両側のバッファセル３０のそれぞれのデータビット領域の数は、データ保存セル２０におけるデータビット領域の数より１つ少なくて良い。
【００５３】
一方、以上では、本発明に係る磁性素子ユニット１０がデータ保存セル２０に連続するバッファセル３０を備えると説明及び図示したが、本発明に係る磁性素子ユニット１０は、バッファセル３０なしにデータ保存セル２０のみから形成されてもよい。このとき、データ保存セル２０には、バッファとしての役割を行うように、保存しようとするビット数のデータビット領域に追加してデータビット領域をさらに備える。例えば、ｎビットのデータを保存しようとする場合、データ保存セル２０には、２ｎまたは２ｎ−１のデータビット領域を備えうる。
【００５４】
前記のような構成を有する本発明に係る磁性素子ユニット１０においては、書き込み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、ドラッギング電流の入力とが交互に行われ、データの保存動作または読み取り動作と、マグネチックドメインドラッギング動作とが交互に行われる。本発明に係る磁性素子ユニット１０におけるデータの保存または読み取りについて、図３Ａないし図３Ｃ、図４Ａないし図４Ｂを参照して説明すれと、次の通りである。
【００５５】
図３Ａないし図３Ｃは、図１及び図２の第３データビット領域Ｄ３（特定のデータビット領域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、ドラッギング電流により隣接した第４データビット領域Ｄ４にドラッギングされる過程を示す。図４Ａ及び図４Ｂは、第３データビット領域Ｄ３（特定のデータビット領域２１）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、ドラッギング電流により隣接した第４データビット領域Ｄ４にドラッギングされる過程を示す。図５は、本発明に係る磁性素子ユニット１０に適用されるドラッギング電流パルス１（ドラッギング）、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）を概略的に示すグラフである。図５において横軸は、時間（ｔ）を示す。
【００５６】
データの書き込みは、次の通りに行われる。図３Ａ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３Ｂに示すように、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、自由層１１にドラッギング電流を印加すれば、図３Ｃ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ドラッギングする。すなわち、図３Ｂのようなデータ保存セル２０の第１データビット領域Ｄ１ないし第６データビット領域Ｄ６の磁化方向のそれぞれは、図３Ｃのように、第２データビット領域Ｄ２ないし第６データビット領域Ｄ６及びバッファセル３０の第２部分Ｂの第１データビット領域Ｂ１にそれぞれ１つのデータビット領域分ドラッギングされる。
【００５７】
前記のように、特定のデータビット領域２１の磁化方向を指定した後、一定時間が経った後に、特定のデータビット領域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にドラッギングし、特定のデータビット領域２１に再び書き込み信号を入力して、再び磁化方向を指定する過程を行う。図５に例示的に示す周期的に印加されるドラッギング電流、及びそ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、このような磁化方向の指定過程とドラッギング過程とは交互に行われて、前記自由層１１の複数のデータビット領域には、複数のビットのデータがアレイで記録される。データの書き込み完了後、データの保存位置をそのまま維持するか、または逆方向にマグネチックドメインをドラッギングするドラッギング信号を入力して、データがデータ保存セル２０の第１データビット領域Ｄ１ないし第６データビット領域Ｄ６に保存された状態にしてもよい。
【００５８】
保存されているデータの読み取りは、次の通りに行われる。図４Ａに示すように、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て、第３データビット領域Ｄ３のデータを読み取る。その後、図４Ｂのように、自由層１１にドラッギング電流を印加して、データビット領域の磁化方向を、隣接したデータビット領域にドラッギングする。図４Ａのように、データ保存セル２０の第１データビット領域Ｄ１ないし第６データビット領域Ｄ６の磁化方向は、図４Ｂに示すように、第２データビット領域Ｄ２ないし第６データビット領域Ｄ６及びバッファセル３０の第２部分Ｂの第１データビット領域Ｂ１にそれぞれ１つのデータビット領域分ドラッギングされる。
【００５９】
前記のように、特定のデータビット領域２１の磁化方向を読み取った後、一定時間が経った後に特定のデータビット領域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にドラッギングし、特定のデータビット領域２１に対して再び読み取り信号を入力してデータの読み取りを行う。図５に例示的に示すように、周期的に印加されるドラッギング電流、及びそ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、このような読み取り過程及びドラッギング過程は、前記自由層１１に保存された複数のデータビットに対して読み取りを完了するまで交互に行われる。データの読み取り完了後、データの保存位置をそのまま維持するか、または逆方向にマグネチックドメインをドラッギングするドラッギング信号を入力して、データをデータ保存セル２０の第１データビット領域Ｄ１ないし第６データビット領域Ｄ６に保存された状態で維持させることができる。
【００６０】
ここで、読み取り動作の間に、前記読み取り用パルス電流は、図５に例示的に示すように、極性の反転なしにドメインドラッギング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及び自由層１１の特定のデータビット領域の間に印加するとき、例えば、トンネル障壁を通過する電流量は、基準層１５及び自由層１１の特定のデータビット領域の磁化方向が互いに平行か反平行かによって変わる。したがって、基準層１５及び自由層１１の特定のデータビット領域が同じ磁化方向を有するときの抵抗値よりも、基準層１５及び自由層１１の特定のデータビット領域が逆の磁化方向を有するときの抵抗値がさらに大きくなる。このような抵抗差によって、特定のデータビット領域に保存されたデータ値を認識する。
【００６１】
以上では、本発明に係る磁性素子ユニット１０がデータを読み取り可能な磁性素子（すなわち、ＭＴＪまたはＧＭＲセンサー）と、スピン転換トルク方法による書き込み用磁性素子との構成を単一素子で具現する場合を例として説明及び図示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明に係る磁性素子ユニット１０は、マグネチックドメインドラッギングを用いて複数のビットのデータを書き込み可能な磁性素子（すなわち、ＭＴＪまたはＧＭＲセンサー）として適用されても、またはマグネチックドメインドラッギングを用いて複数のビットのデータを書き込み可能なスピン転換トルク方法による書き込み用磁性素子として適用されてもよい。
【００６２】
一方、図６は、本発明の他の実施例に係る磁性素子ユニット５０を概略的に示す図面である。本発明に係る磁性素子ユニット５０は、図６に示すように、データ保存セル２０を複数個備えてもよい。また、マグネチックドメインドラッギングによってデータ保存セル２０の領域外へドラッギングされるデータを保存できるように、データ保存セル２０に連続するバッファセル３０をさらに備えうる。このとき、第１入力部４０は、データ保存セル２０当り少なくとも１つずつ対応するように設けられる。このように、複数のデータ保存セル２０を備え、各データ保存セル２０に対応するように少なくとも一つの第１入力部４０を備える場合、データ保存セル２０の数分のデータの保存容量を増やしながらも、単一のデータ保存セルを備える本発明の一実施例に係る磁性素子ユニット１０とほぼ同じであるか、または高速のデータの書き込み速度またはデータの読み取り速度を達成できる。
【００６３】
図６は、二つのデータ保存セル２０の間にバッファセル３０を備える例を示す。複数のデータ保存セル２０を備える構造において、バッファセル３０は、最初のデータ保存セルの前、及び最後のデータ保存セルの後のうち、少なくとも何れか１箇所と、二つの隣接するデータ保存セルの間にそれぞれ設けられうる。
【００６４】
一方、図６においては、１つのデータ保存セル２０に対して基準層１５及び第１入力部４０がそれぞれ２つずつ設けられた例を示す。このように、１つのデータ保存セル２０に対して第１入力部４０を複数個備えれば、データの書き込み速度またはデータの読み取り速度をさらに上昇させうる。
【００６５】
他の例として、一つのデータ保存セル２０に対して基準層１５及び第１入力部４０がそれぞれ複数個設けられた場合、書き込み信号の入力と読み取り信号の入力とが互いに異なる第１入力部４０を通じて行われるように磁性素子ユニット５０を構成してもよい。また、書き込み信号の入力が行われるデータ保存セル２０と、保存されたデータを読み取るデータ保存セル２０とを区分して使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、磁性素子ユニットに関連した技術分野に好適に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施例に係る磁性素子ユニットを概略的に示す図面である。
【図２】本発明の一実施例に係る磁性素子ユニットを概略的に示す図面である。
【図３Ａ】図１及び図２の第３データビット領域（特定のデータビット領域）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、ドラッギング電流により隣接した第４データビット領域にドラッギングされる過程を示す図面である。
【図３Ｂ】図１及び図２の第３データビット領域（特定のデータビット領域）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、ドラッギング電流により隣接した第４データビット領域にドラッギングされる過程を示す図面である。
【図３Ｃ】図１及び図２の第３データビット領域（特定のデータビット領域）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、ドラッギング電流により隣接した第４データビット領域にドラッギングされる過程を示す図面である。
【図４Ａ】第３データビット領域（特定のデータビット領域）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、ドラッギング電流により隣接した第４データビット領域にドラッギングされる過程を示す図面である。
【図４Ｂ】第３データビット領域（特定のデータビット領域）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、ドラッギング電流により隣接した第４データビット領域にドラッギングされる過程を示す図面である。
【図５】本発明に係る磁性素子ユニットに適用されるドラッギング電流パルス１（ドラッギング）、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）を概略的に示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施例に係る磁性素子ユニットを概略的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１０  磁性素子ユニット
１１  自由層
１３  非磁性層
１５  基準層
２０  データ保存セル
２１  データビット領域
３０  バッファセル
４０  第１入力部
５０  第２入力部
【図１】
0005317412.tif 000002
【図２】
0005317412.tif 000003
【図３Ａ】
0005317412.tif 000004
【図３Ｂ】
0005317412.tif 000005
【図３Ｃ】
0005317412.tif 000006
【図４Ａ】
0005317412.tif 000007
【図４Ｂ】
0005317412.tif 000008
【図５】
0005317412.tif 000009
【図６】
0005317412.tif 000010