(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つのマグネチックドメインウォールが形成された連続した少なくとも４つのセクターを備える自由層と、少なくとも前記複数のセクターに対応するように形成され、一つの固定された磁化方向を有する固定層と、前記自由層と固定層との間に形成された非磁性層とを備え、前記セクターの各境界面に、前記マグネチックドメインウォールを停止または通過させるマグネチックドメインウォールストッパが形成されたメモリ領域と、
前記自由層の一端に電気的に接続されて、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入力部と、
前記メモリ領域の全部のセクターを通過する電流を測定するセンシング部と、を備え、
前記マグネチックドメインウォールは、前記ドラッギング信号に応じて、前記マグネチックドメインウォールストッパで停止するか、または前記マグネチックドメインウォールストッパを通過して前記マグネチックドメインドラッギングの方向に移動させられ、
前記メモリ領域にマルチビットのデータを保存する
ことを特徴とするマグネチックドメインドラッギングを利用する磁性メモリ素子。
【請求項２】
前記マグネチックドメインウォールストッパは、前記セクター間の境界面に形成されたピンニング溝であることを特徴とする請求項１に記載の磁性メモリ素子。
【請求項３】
前記各ピンニング溝は、前記境界面に対向する一対の溝であることを特徴とする請求項２に記載の磁性メモリ素子。
【請求項４】
前記セクターは、台形であり、
前記マグネチックドメインウォールストッパは、一つのセクターの短辺と、前記短辺と連結された長辺を有するマグネチックドメイン間の境界線であることを特徴とする請求項１に記載の磁性メモリ素子。
【請求項５】
前記自由層の両端は、鋭い形状であることを特徴とする請求項１に記載の磁性メモリ素子。
【請求項６】
前記セクターの長さは、前記マグネチックドメインウォールより長いことを特徴とする請求項１に記載の磁性メモリ素子。
【請求項７】
前記自由層の一端に連結されたビットラインと、
前記自由層の他端と連結されたトランジスタと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁性メモリ素子。
【請求項８】
前記入力部は、前記ビットラインであり、
前記センシング部は、前記トランジスタに連結された電流計であることを特徴とする請求項７に記載の磁性メモリ素子。
【請求項９】
前記非磁性層は、金属からなることを特徴とする請求項１に記載の磁性メモリ素子。
【請求項１０】
前記非磁性層は、Ｃｕからなることを特徴とする請求項１に記載の磁性メモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性メモリ素子に係り、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マルチビットのデータを書き込み／読み取り可能な磁性メモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）は、不揮発性メモリ素子の一つである。
【０００３】
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、磁化方向が固定されている固定強磁性層（強磁性固定層）、前記固定強磁性層に対して磁化方向が平行または逆平行に変わりうる自由強磁性層（強磁性自由層）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た非磁性層からなる。
【０００４】
ところが、一般的に、ＭＴＪセル当り１ビットのデータのみを保存するので、ＭＲＡＭのデータ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】
【０００５】
本発明の目的は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、マグネチックドメインドラッギングを利用して、自由層に形成されたマグネチックドメインウォールの位置に複数段階のデータを保存する磁性メモリ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を解決するための本発明に係るマグネチックドメインドラッギングを利用した磁性メモリ素子は、一つのマグネチックドメインウォールが形成された連続した複数のセクターを備える自由層と、少なくとも前記セクターに対応するように形成され、一つの固定された磁化方向を有する固定層と、前記自由層と固定層との間に形成された非磁性層とを備え、前記セクターの各境界面に、前記マグネチックドメインウォールを停止させるマグネチックドメインウォールストッパが形成されたメモリ領域と、前記自由層の一端に電気的に接続されて、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入力部と、前記メモリ領域を通過する電流を測定するセンシング部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の一態様によれば、前記マグネチックドメインウォールストッパは、前記セクター間の境界面に形成されたピンニング溝である。
【０００８】
前記各ピンニング溝は、前記境界面に対向する一対の溝でありうる。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、前記セクターは、台形であり、前記マグネチックドメインウォールストッパは、一つのセクターの短辺と、前記短辺と連結された長辺を有するマグネチックドメイン間の境界線である。
【００１０】
本発明によれば、前記自由層の両端は、鋭い形状を有する。
【００１１】
本発明によれば、前記セクターの長さは、前記マグネチックドメインウォールより長い。
【００１２】
本発明の磁性メモリ素子は、前記自由層の一端に連結されたビットラインと、前記自由層の他端と連結されたトランジスタと、をさらに備えうる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るマグネチックドラッギングを利用した磁性メモリ素子は、一つのメモリ領域に形成されたマグネチックドメインウォールストッパの個数情報を保存できる。
【００１４】
したがって、本発明に係る磁性メモリ素子は、データ保存容量を大きく増大させうる。したがって、本発明を適用すれば、データ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】
【００１５】
以下、添付された図面を参照して、本発明に係る磁性メモリ素子の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る磁性メモリ素子の断面図である。
【００１７】
図１に示すように、基板１０上に不純物がドーピングされたソースＳ及びドレインＤが形成されており、ソースＳとドレインＤとの間の基板１０上にゲート酸化膜２１及びゲート電極２０が積層されている。前記ゲート電極２０上には、データが保存されるメモリ領域３０が形成されている。前記メモリ領域３０の上部の一端は、ビットライン５１と電気的に接続され、前記メモリ領域３０の上部の他端は、導線５２を通じてドレインＤと電気的に接続される。
【００１８】
前記メモリ領域３０は、巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）でありうる。前記メモリ領域３０は、磁化方向が固定された固定層３１と、前記固定層３１上の非磁性層金属３２と、前記非磁性層金属３２上の磁化方向がスイッチングされる自由層３３とを備える。前記非磁性層金属３２は、Ｃｕでありうる。前記自由層３３は、複数のセクターを備える。前記自由層３３には、一つのマグネチックドメインウォールＤＷ（図２参照）が形成されている。前記固定層３１に対する前記マグネチックドメインウォールＤＷの位置によって、前記メモリ領域３０にかかる抵抗が変化し、この抵抗の変化によって情報データを記録する。参照番号６０は、絶縁層である。
【００１９】
図２は、本発明の第１実施形態に係る図１のメモリ領域３０の斜視図である。
【００２０】
図２に示すように、自由層３３には、５個のセクターＳ０ないしＳ４が形成されており、前記セクターの境界には、それぞれピンニングＰ１ないしＰ４が形成されている。Ｓ０は、ビットライン５１と連結され、Ｓ４は、ドレインＤと電気的に接続される。前記自由層３３には、二つの対向するマグネチックドメインが形成されており、マグネチックドメインの間には、一つのマグネチックドメインウォールＤＷが形成される。前記マグネチックドメインウォールＤＷは、マグネチックドメインウォールストッパに可変的に位置する。
【００２１】
第１実施形態のマグネチックドメインウォールストッパは、ピンニング溝Ｐ１ないしＰ４である。
【００２２】
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４にそれぞれマグネチックドメインウォールＤＷが位置すれば、それぞれ一つの情報（ステート）を示す。前記固定層３１には、一つの磁化方向を有するマグネチックドメインが形成される。
【００２３】
前記自由層３３の一端に所定の臨界電流以下に電流が印加されれば、マグネチックドメインウォールＤＷが前記ピンニング溝で移動できず、前記ピンニング溝の位置に固定され、前記自由層３３に印加されるパルス電流が前記臨界電流以上になれば、前記マグネチックドメインウォールＤＷが停止していたピンニング溝で動いて、次のピンニング溝で停止する。このとき、マグネチックドメインウォールＤＷが動く方向は、パルス電流の方向によって決まる。前記臨界電流は、ピンニング溝の形状によって決まりうる。
【００２４】
前記セクターＳ０、Ｓ４の端は、鋭い形状に形成されている。これは、前記セクターＳ０、Ｓ４に他のマグネチックドメインウォールＤＷが形成されることを防止するためのものである。
【００２５】
前記マグネチックドメインウォールＤＷの長さは、磁性体の物質によって変わり、約３０〜８０ｎｍである。前記セクターの長さＬは、前記マグネチックドメインウォールの長さより長くなければならない。
【００２６】
前記ピンニング溝は、それぞれ一つの対として存在しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、各位置に一つのピンニング溝が存在してもよい。
【００２７】
図３は、マグネチックドメインウォールＤＷの位置によるメモリ領域３０における抵抗の変化を説明する図面である。
【００２８】
図３に示すように、ステート０ないしステート３のそれぞれは、自由層３３のマグネチックドメインウォールＤＷがＰ１ないしＰ４に位置する。このとき、セクターＳ１ないしＳ３に該当する固定層３１の磁化方向が矢印Ｂ方向である場合、ステート０でメモリ領域３０の自由層３３の磁化方向は固定層３１と平行になり、メモリ領域３０の抵抗が最低になる。
【００２９】
ステート１である場合、マグネチックドメインウォールＤＷがＰ２に位置し、自由層３３の磁化方向は、セクターＳ１ないしＳ３で固定層３１の磁化方向と逆平行であるセクターＳ１と、順平行であるセクターＳ２、Ｓ３とに区分される。
【００３０】
メモリ領域３０がステート１からステート２及びステート３に変わりつつ、マグネチックドメインウォールＤＷが右側に移動し、これにより、自由層３３の磁化方向と逆平行であるスピンが長くなり、したがって、メモリ領域３０にかかる抵抗が上昇する。
【００３１】
前記マグネチックドメインウォールＤＷの位置によって、メモリ領域３０にかかる抵抗が変わるので、前記メモリ領域３０を通過する電流の大きさを測定することによってステート０ないし３を区分する。したがって、前記メモリ領域３０に前記ステート０ないし３を書き込み、前記ステート０ないし３を読み取ることによって情報記憶装置の役割を行う。
【００３２】
図面を参照して、本発明に係る磁性メモリ素子の作動方法を説明する。
【００３３】
まず、図４Ａに示すように、初期のメモリ領域３０には、マグネチックドメインウォールＤＷをピンニングＰ１に位置させる。このときのＳ１ないしＳ３セクターの磁化方向が、固定層３１の磁化方向と平行しているので、メモリ領域３０の抵抗が最も低い。
【００３４】
次いで、自由層３３の入力端に前記ピンニングＰ１を克服する臨界電流（マグネチックドレインドラッギングパルス電流）より大きいポジティブパルス電流を印加すれば、マグネチックドメインウォールＤＷは、図４Ｂに示すように、右側方向に移動する。前記パルス電流の期間は、約０.２〜０.４ｎｓである。この期間は、セクターの長さによって変わりうる。前記臨界電流は、前記ピンニング溝の形状によって変わりうる。
【００３５】
一方、前記入力端に前記臨界電流より大きいネガティブパルス電流を印加すれば、マグネチックドメインウォールＤＷは、左側に移動する。したがって、入力端に印加されるパルス電流でマグネチックドメインウォールＤＷを移動させうるが、この過程が情報記録過程である。
【００３６】
このような情報記録過程は、図１に示すように、前記入力端に連結されるビットライン５１に前記臨界電流より大きい電流を印加し、トランジスタのゲート電極２０に閾電圧以上の電圧を印加して、一つのメモリ領域３０をアドレッシングすることができる。前記ビットライン５１は、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入力部となる。
【００３７】
次いで、前記メモリ領域３０に保存された情報を読み取る方法を説明する。図４Ｃに示すように、入力端に所定の電圧を印加して前記メモリ領域３０を通過する電流を測定する。測定された電流は、メモリ領域３０の抵抗に相当するので、測定された電流でメモリ領域３０の情報を読み取り可能である。
【００３８】
このような情報の読み取りは、図１に示すように、ビットライン５１とゲート電極２０とにそれぞれ電圧を印加して、一つのメモリ領域３０をアドレッシングする。そして、ソース電極Ｓに連結されたセンシング部（図示せず）を通じてメモリ領域３０を通過する電流を測定できる。前記センシング部は、電流計でありうる。
【００３９】
図５は、本発明の第２実施形態に係るメモリ領域１３０の斜視図である。
【００４０】
図５に示すように、自由層１３３には、セクターＳ０ないしＳ４が形成されており、セクターの間には、マグネチックドメインウォールストッパＤＷＳ１ないしＤＷＳ４が形成されている。前記セクターＳ０ないしＳ３は、台形であり、平行した短辺及び長辺を有する。前記セクターの短辺（例えば、Ｓ１の）と連結される他のドメインの長辺（例えば、Ｓ２の）が出合う所が、マグネチックドメインウォールストッパ（例えば、ＤＷＳ２）となる。
【００４１】
セクターＳ０は、ビットライン５１と連結され、セクターＳ４は、ドレインＤと電気的に接続される。前記自由層１３３には、相互対向する二つのマグネチックドメインが形成され、したがって、一つのマグネチックドメインウォールＤＷが形成される。前記マグネチックドメインウォールＤＷの位置が、ＤＷＳ１、ＤＷＳ２、ＤＷＳ３、ＤＷＳ４にそれぞれ位置すれば、それぞれ一つの情報（ステート）を示す。前記固定層１３１で、前記セクターに対応する領域には、一つの磁化方向を有するマグネチックドメインが形成される。
【００４２】
前記自由層１３３の入力端に所定の臨界電流以下に電流が印加されれば、マグネチックドメインウォールＤＷが、前記ストッパを通過できずに停止し、前記自由層１３３の入力端に印加されるパルス電流が、前記臨界電流以上になれば、前記マグネチックドメインウォールＤＷが、前記ストッパを通過して次のストッパで停止する。セクターにおいて、広い辺の領域が、短い辺の領域よりエネルギーの高い状態であるので、他のセクター領域に入ってきたマグネチックドメインウォールは、自然にエネルギーの低い状態の短辺の位置であるストッパの位置に移動する。
【００４３】
前記マグネチックドメインウォールＤＷの長さは、磁性体の物質によって変わり、約３０〜８０ｎｍである。前記セクターの長さＬは、前記マグネチックドメインウォールＤＷの長さより長くなければならない。
【００４４】
図６は、マグネチックドメインウォールＤＷの位置によるメモリ領域１３０における抵抗の変化を説明する図面である。
【００４５】
図６に示すように、ステート０ないし３のそれぞれは、自由層１３３のマグネチックドメインウォールＤＷが、マグネチックドメインウォールストッパＤＷＳ１ないしＤＷＳ４に位置する。セクターＳ０ないしＳ４に該当する固定層１３１の磁化方向が矢印Ｂ方向である場合、ステート０において、メモリ領域１３０の自由層１３３の磁化方向は、固定層１３１とほぼ平行になり、メモリ領域１３０の抵抗が、最低になる。
【００４６】
ステート１の場合、マグネチックドメインウォールＤＷがＳ２に位置し、自由層１３３のＤ１の磁化方向が、固定層１３１の磁化方向と逆平行に変わる。したがって、ステート１におけるメモリ領域の抵抗が、ステート０におけるメモリ領域の抵抗より大きくなる。
【００４７】
メモリ領域１３０がステート１からステート２及びステート３に変わりつつ、マグネチックドメインウォールＤＷが右側に移動し、これにより、自由層１３３の磁化方向と逆平行であるスピンが長くなり、したがって、メモリ領域１３０にかかる抵抗が大きくなる。
【００４８】
前記マグネチックドメインウォールＤＷの位置によって、メモリ領域１３０にかかる抵抗が変わるので、前記メモリ領域１３０を通過する電流の大きさを測定することによってステート０ないし３を区分する。したがって、前記メモリ領域１３０に前記ステート０ないし３を書き込み、前記ステート０ないし３を読み取ることによって情報記憶装置の役割を行う。
【００４９】
第２実施形態に係るメモリ領域に情報を記録及び読み取る方法は、前記第１実施形態のメモリ領域に情報を記録及び読み取る方法と実質的に同じであるので、その詳細な説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、磁性メモリ素子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】
【００５１】
【図１】本発明に係る磁性メモリ素子の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る図１のメモリ領域３０の斜視図である。
【図３】マグネチックドメインウォールＤＷの位置によるメモリ領域３０における抵抗の変化を説明する図面である。
【図４Ａ】本発明に係る磁性メモリ素子の作動方法を説明する図面である。
【図４Ｂ】本発明に係る磁性メモリ素子の作動方法を説明する図面である。
【図４Ｃ】本発明に係る磁性メモリ素子の作動方法を説明する図面である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るメモリ領域の斜視図である。
【図６】マグネチックドメインウォールＤＷの位置によるメモリ領域における抵抗の変化を説明する図面である。
【符号の説明】
【００５２】
３０  メモリ領域
３１  固定層
３２  非磁性層金属
３３  自由層
Ｓ０ないしＳ４  セクター
Ｐ１ないしＰ４  ピンニング
ＤＷ  マグネチックドメインウォール
【図１】
0005329766.tif 000002
【図２】
0005329766.tif 000003
【図３】
0005329766.tif 000004
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0005329766.tif 000006
【図４Ｃ】
0005329766.tif 000007
【図５】
0005329766.tif 000008
【図６】
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