JP2009043848A - 磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡素な構成により、データの読み取り時間、好ましくは更にデータの書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域を十分に確保し、記録装置としての使用効率を向上させる磁気記録装置を提供する。
【解決手段】読取素子２及び書込素子３をそれぞれ２つずつ磁性細線１のデータ蓄積領域１ａ上に配設し（読取素子２ａ，２ｂ及び書込素子３ａ，３ｂと図示する。）、データ蓄積領域１ａを各分割領域１ａ₁，１ａ₂に分割する。このように各２つの読取素子２及び書込素子３を配設した場合、素子群数ｎ＝２であることから、読取素子２及び書込素子３を各１つずつ配設する場合に比べて、データ読み取り時間及び書き込み時間はそれぞれ半分に短縮される。同様に、磁性細線１で必要とされるバッファ領域１ｂの占める割合は１／３（≒３３％）（データ蓄積領域１ａの占める割合は２／３（≒６７％））となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、反転磁化を利用して磁気記憶を行う磁気記憶装置に関する。

電源を断っても記憶が消失しない不揮発性メモリ素子の一つに、磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic random access memory：ＭＲＡＭ）がある。ＭＲＡＭは、磁性体のスピンの方向によって抵抗値が変化することを利用したメモリデバイスである。ＭＲＡＭは、磁気抵抗素子であるＴＭＲ及びこのＴＭＲの上下に直交配線（ビット線及び書き込みワード線）を配置した複雑な構成により、データの書き込み及び読み取りを行う方式が主流とされている（例えば、特許文献１，２を参照）。

近時では、ＭＲＡＭの更なる高密度化・大容量（Ｇｂｉｔ超）化の要請が高まっており、これを実現するためにＴＭＲ膜の微小化が進められている。しかしながら、ＴＭＲ膜が微小化すると、フリー層の反磁場が増加し、磁化反転に必要な電流が増大して消費電力が増加すること、合成磁場が隣接素子に影響を与えてしまうこと等の解決すべき課題がある。

これらの問題を解決する手法として、スピン偏極した電流（スピン電流）を注入する「スピン注入磁化反転方式」の技術が提案されている（非特許文献１を参照）。
しかしながら、当該技術において、現状では磁化反転に必要な電流密度は、例えば１０⁷ [Ａ／ｃｍ²]程度と大きい。また、磁気メモリにおいても、より高密度なストレージメモリを目指すためには、フラッシュメモリ等で実現されているような多値化記録方式が将来不可欠となる。

そこで、Ｇｂｉｔ超の大容量メモリを目指した新しいメモリ方式として、スピントランスファー効果による磁壁の電流駆動現象（非特許文献２を参照）を応用した磁壁移動型ストレージメモリが提案されている（特許文献３を参照）。

特開平１１−３１７０７１号公報 特開２００２−２４６５６６号公報 特開２００６−２３７１８３号公報 スピン注入磁化反転の研究動向,屋上公二郎,鈴木義茂, 日本応用磁気学会Vol.28 No.9, 2004 Yamaguchi, Ono ; Physical Review Letters V92,Number.7 077205-1

しかしながら、上記の磁壁移動型ストレージメモリでは、データの読み取りに要する時間が長く、またデータの蓄積領域を十分に確保することができないという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡素な構成により、データの読み取り時間、好ましくは更にデータの書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域を十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁気記録装置を提供することを目的とする。

本発明の磁気記録装置は、水平面に平行に配設された帯形状であり、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、前記磁区を移動させ、所望の前記磁区における磁化方向を検出することにより、当該磁区に記録された前記データを読み取る複数の読取素子とを含み、前記磁性細線は、前記データが記録される第１の領域と、前記データを読み取る際に移動する前記磁区を保持するための第２の領域とを有しており、前記各読取素子は、前記第１の領域上に所定間隔をおいて配設されて前記第１の領域を分割し、対応する分割部分に対する前記データの読み取り処理を行う。

本発明によれば、比較的簡素な構成により、データの読み取り時間、好ましくは更にデータの書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域を十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁気記録装置が実現する。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［磁壁移動型ストレージメモリの構成］
本実施形態では、図１に示すようなメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリを提示する。
このメモリセルの基本構成は、不図示の基板の上方に、磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線１と、磁性細線１に記録されたデータを読み出すデータ読出部の一部であり、磁性細線１上に接続された読取素子２と、磁性細線１にデータを書き込むデータ書込部であり、磁性細線１上に接続された書込素子３とを備えている。

磁性細線１は、強磁性材料、例えばＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの積層構造からなり、基板表面（水平面）に平行に配設された例えば幅３００ｎｍ以下の帯形状とされており、静磁気エネルギーが最小になるように複数の微小磁区１１，１２が形成自在とされ、磁区１１，１２の境界には磁壁（Domain Wall：ＤＷ）１３が形成される。ここで、微小磁区１１が矢印Ｍで示す方向（平行方向）、微小磁区１２が矢印Ｎで示す方向（反平行方向）に磁化されたものである。なお、磁性細線１下に形成される下部電極については、ここでは図示を省略し、後述する製造方法において図示して説明する。

磁性細線１では、磁化困難方向及び磁化容易方向がその形状により制御され、長手方向に単一な微小磁区１１，１２が形成される。この磁性細線１にパルス電流を印加すると、伝導電子が磁壁１３を横切る際に伝導電子のスピンは、ｓ−ｄ相互作用によって磁気モーメントに沿って回転する。この際、角運動量保存によって伝道電子のスピン角運動量は磁気モーメントへ吸収される。その結果、磁気モーメントは回転して磁壁１３の移動が生じる。即ち、このスピントルク・トランスファー効果により、電流駆動によって磁壁を移動させることが可能となる。例えば、非特許文献２で示された実験結果によれば、例えばＪ＝１．２×１０¹²Ａ／ｃｍ²、０．５μｓ〜５μｓのパルス電流により、３ｍ／ｓ程度の速度で磁壁１３が移動することが、ＭＦＭ測定から実証されている。このように、磁性細線１では、単一方向の微小磁区１１，１２の形成が可能であり、磁壁１３（磁区１１，１２）を電流駆動で移動させることができる。この電流駆動を行うための磁壁移動電流であるパルス電流Ｉｖは、不図示の配線から磁性細線１に供給される。

磁性細線１では、例えば１つの記録領域に１ビット（"０"又は"１"）のデータが記録される。ここで、図１の微小磁区１１，１２は、相異なる磁化方向で隣接して磁壁１３が形成されているため、それぞれ１つの記録領域とされている。同一の磁化方向とされた記録領域が隣接する場合、両者間には磁壁１３は形成させず、２つの記録領域からなる微小磁区が形成される。この一例として、同一の磁化方向（ここでは平行方向）とされた２つの記録領域からなる微小磁区を１１ａとして図示する。このようにして、１本の磁性細線１に多値のデータを記録することができる。

磁性細線１では、図示の例では読取素子２の右側部分がデータ蓄積領域１ａとされており、読取素子２の左側部分は、データ蓄積領域１ａにおける所望の記録領域のデータを読み取るために微小磁区１１，１２を移動させる際に、読取素子２を越えて移動した微小磁区１１，１２を保持するバッファ領域１ｂ（一部を図示する。）とされている。なお、データの書き込み及び読み出しの効率を考慮すれば、磁性細線１の中央部分にデータ蓄積領域を、両端部分に一対のバッファ領域を配設するように構成することが好適である。

読取素子２は、磁性細線１の記録領域１ａの一端上に形成されており、例えばＭｇＯからなりトンネル絶縁膜として機能する絶縁層１４と、例えばＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ及びＰｔＭｎの積層構造からなり、磁化方向が固定（ここでは例えば平行方向に固定）されてなる固定磁化層１５とが順次積層されて構成されている。読取素子２上には、上部電極１６が積層されている。上部電極１６の上面が読取電極４と接続されている。読取素子２は、磁性細線１と一体となっていわゆるＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）の読取素子として機能する。

書込素子３は、磁性細線１の記録領域１ａの他端上に形成されており、例えばＭｇＯからなりトンネル絶縁膜として機能する絶縁層１７と、例えばＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ及びＰｔＭｎの積層構造からなり、磁化方向が固定（ここでは例えば平行方向に固定）されてなる固定磁化層１８とが順次積層されて構成されている。書込素子３上には、上部電極１９が積層されている。上部電極１９の上面が書込電極５と接続されている。書込素子３は、磁性細線１と一体となっていわゆるＴＭＲの書込素子として機能する。

ここで、読取素子２と書込素子３とでは、絶縁層１４，１７、固定磁化層１５，１８、上部電極１６，１９がそれぞれ同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成されている。
上記のように構成された複数のメモリセルが、例えば複数の磁性細線１を並設するように配されることにより、メモリセルアレイ（不図示）が構成される。

記録されたデータを読み取る際には、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ｉｖを不図示のＩｖ供給電極（製造方法において説明する。）から磁性細線１に供給し、所望の記録領域（単一或いは連続した複数の記録領域）を読取素子２の直下まで移動させ、読取電極４により読取素子２に読取電流を供給する。読取素子２の固定磁化層１５は例えば平行方向に磁化されており、当該記録領域の磁化方向が平行方向である場合の読取素子２の抵抗値は、当該記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の読取素子２の抵抗値よりも低くなる。このように、記録領域の磁化方向に対応した抵抗値を読取電圧Ｖｓｐとして検出することにより、当該記録領域に対応した微小磁区の磁化方向をデータとして読み取る。この読み取り動作を経た後のデータ読み出し動作については後述する。

一方、データを書き込む際には、書込電極５からスピン電流を書込素子３に供給する。スピン電流の印加方向に対応して、書込素子３の直上に位置する磁性細線１の記録領域が平行方向又は反平行方向の方向に磁化される。磁化された記録領域は、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ｉｖを不図示のＩｖ供給電極（製造方法において説明する。）から磁性細線１に供給することにより移動し、引き続き所望の記録領域が上記のように磁化されてゆく。

ここで、このメモリセルにおける記録容量を試算した結果を示す。
例えば、記録領域の長さを６０ｎｍ、磁性細線１の長さを１．４ｍｍ(メモリ長１．４ｍｍ(トラック長))、磁性細線１の幅を５０ｎｍ(隣接する磁性細線１の離間距離も５０ｎｍとする) とし、磁性細線１（読取素子２及び書込素子３が各磁性細線１上に形成された構造とする）を１０００００本形成した場合、メモリ部サイズを１．４ｍｍ×１．１ｍｍで、１．２Ｇｂｉｔ程度の大容量が実現される。

図１に示したメモリセルの基本構成の他の構成例を図２に示す。
このメモリセルでは、図１に示したメモリセルと同様の機能及び作用・効果を有するが、データ書込部の構成が異なる点で相違する。

このメモリセルでは、データ書込部が、磁性細線１に近接配置（絶縁層により電気的に離間されて配置）された書込配線６で構成されている。
データを書き込む際には、書込配線６に電流を印加することにより磁界を発生させ、この磁界により磁性細線１の記録領域を磁化する。当該電流の印加方向に対応して、書込素子３の直上に位置する磁性細線１の記録領域が平行方向又は反平行方向の方向に磁化される。磁化された記録領域は、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ｉｖを不図示の配線から磁性細線１に供給することにより移動し、引き続き所望の記録領域が上記のように磁化されてゆく。

上記したように、この磁壁移動型ストレージメモリでは、磁性細線１は、データの書き込み及び読み出しの対象となるデータ蓄積領域１ａと、データを読み取る際に移動する微小磁区１１，１２を保持するためのバッファ領域１ｂとから構成されている。以下に示すように、磁壁移動型ストレージメモリでは、データ蓄積領域１ａと共にバッファ領域１ｂを設けることが必須であり、この点から諸々の問題が生じる。

図３は、磁性細線１と読取素子２及び書込素子２との原理的な配置関係を示す模式図である。
図示のように読取素子２及び書込素子３を配設した場合、データ読み取り時間Ｔｒ又は書込時間Ｔｗは、以下のように、磁性細線１のデータ蓄積領域１ａにおける格納データ数（データが記録されている記録領域の数）Ｎ、磁壁移動電流であるパルス電流のパルス時間ｔに依存して長くなる。
Ｔｒ＝Ｔｗ＝Ｎ×ｔ

また図示のように、磁性細線１では、格納データ数Ｎに相当するサイズ、即ちデータ蓄積領域１ａと同サイズのバッファ領域１ｂが必要である。これは、磁性細線１のうちでデータの書き込み及び読み出しの対象とならないバッファ領域１ｂの占める割合が５０％であることを意味しており、記録装置としての使用効率は低いと言わざるを得ない。

そこで本発明者は、上記の問題を解決すべく鋭意検討し、以下に示すような装置構成に想到した。
本発明では、飽くまで図１（又は図２）に示す磁壁移動型ストレージメモリの基本構成、即ち、水平面に平行に配設された帯形状の磁性細線１と、読取素子２及び書込素子３（又は書込配線６：以下省略）を備えた基本構成を前提として、読取素子２を複数備え、各読取素子２がデータ蓄積領域１ａ上に所定間隔をおいて配設されてデータ蓄積領域１ａを分割し、対応する分割部分に対するデータの読み取り処理を行う。更に好ましくは、書込素子３も各読取素子２に隣接して複数備え、各書込素子３が対応する分割部分に対するデータの書き込み処理を行う構成の磁壁移動型ストレージメモリを提示する。

各１つの読取素子２及び書込素子３からなる素子群を磁性細線１のデータ蓄積領域１ａ上に例えば等間隔に複数配設することにより、データ蓄積領域１ａが素子群数ｎで分割（ここでは等分割）される。この場合、少なくとも２つ、例えば全ての素子群について同時に読み出し処理及び書き込み処理を行うことができる。従って、データ読み取り時間Ｔｒ又は書込時間Ｔｗは、以下のように短縮される。
Ｔｒ＝Ｔｗ＝（Ｎ／ｎ）×ｔ

また、磁性細線１では、当該磁性細線１の全体（データ蓄積領域１ａとバッファ領域１ｂとを合わせた全体）に対する必要とされるバッファ領域１ｂの占める割合Ｒも、以下のように短縮される。
Ｒ＝［１／（ｎ＋１）］×１００（％）

図４は、本発明における磁性細線１と読取素子２及び書込素子２との原理的な配置関係を示す模式図である。
ここでは、読取素子２及び書込素子３をそれぞれ２つずつ磁性細線１のデータ蓄積領域１ａ上に配設し（読取素子２ａ，２ｂ及び書込素子３ａ，３ｂと図示する。）、データ蓄積領域１ａを各分割領域１ａ₁，１ａ₂に分割した場合を例示する。このように各２つの読取素子２及び書込素子３を配設した場合、素子群数ｎ＝２であることから、読取素子２及び書込素子３を各１つずつ配設する場合（図３）に比べて、データ読み取り時間及び書き込み時間はそれぞれ半分に短縮される。同様に、磁性細線１で必要とされるバッファ領域１ｂの占める割合は１／３（≒３３％）（データ蓄積領域１ａの占める割合は２／３（≒６７％））となる。

ここで、特許文献３には、データ領域と蓄積部とを有するＵ字形状の磁気シフトレジスタを設け、Ｕ字形状の底部分に読取要素及び書込要素を備えた磁壁移動型ストレージメモリが開示されており、特許文献３の段落［００３１］には、読取要素及び書込要素をそれぞれ２つ以上設けることにより、蓄積部をデータ領域よりも小さくできる旨が記載されている。しかしながら、このＵ字形状の磁気シフトレジスタでは、読取要素及び書込要素の配設部位としてはＵ字形状の底部分以外では実現不可能であり、従って蓄積部の縮小効果は殆ど見込めないものと考えられる。この点、特許文献３には、更なる読取要素及び書込要素の設置部位及びその設置（形成）方法については記載・示唆共に皆無である。従って、特許文献３の段落［００３１］における上記の記載は、蓄積部の縮小効果を得るには全く不十分であり、発明の構成を開示したものではない。

これに対して本発明では、上記した実施形態のように、バッファ領域１ｂの縮小効果を容易且つ確実に実現すべく、磁性細線１として、水平面に平行に配設された帯形状のものを用いることを前提とし、この磁性細線１上に例えば等間隔に、各１つの読取素子２及び書込素子３からなる素子群を配設する構成を採る。

このように本発明では、素子群数が大きくなるほど、データ読み取り時間及び書き込み時間が短縮し、磁性細線１でデータ蓄積領域１ａの占める割合が大きくなる。本発明では、このような比較的簡素な構成により、データの読み取り時間及び書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域１ａを十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁壁移動型ストレージメモリが実現する。

更に本実施形態では、図５に示すように、上記したメモリセルを複数備えてなるメモリセルアレイを提示する。
メモリセルアレイ１０は、上記したメモリセルが複数並設されて構成されている。
即ち、メモリセルアレイ１０では、複数の磁性細線１（図示の例では平行に配設された４本の磁性細線１）が並設されており、各磁性細線１には上記のように、複数の読取素子２及び書込素子３がデータ蓄積領域１ａ上に複数（図示の例では、２つの読取素子２（読取素子２ａ，２ｂ）と１つの書込素子３）配設されている。各磁性細線１は、磁壁移動電流Ｉｖ（パルス電流）が同時に供給されるように構成されている。なお、図示の便宜上、読取素子２ａ，２ｂ上にそれぞれ配される読取電極４、及び書込素子３上に配される書込電極５については図示を省略する。

ここで、各磁性細線１に設けられた読取素子２ａ，２ｂからそれぞれ読取素子ブロック３１，３２が、各磁性細線１に設けられた書込素子３から書込素子ブロック３３が構成されている。
メモリセルアレイ１０では、読取素子ブロック毎に読取素子の読み取り動作を一斉に行うことができる読取選択器３４と、読取素子により読み取られたデータを判定するための基準電圧を発生させるデータ参照部３５と、書込素子ブロック３３の各書込素子３にスピン電流を適宜供給するための書込選択器３６とが更に設けられている。

読取選択器３４は、読取素子ブロック３１の各読取素子２ａと接続された各端子３５を有するデータ読取部３４ａと、読取素子ブロック３１の各読取素子２ｂと接続された各端子３４ｃを有するデータ読取部３４ｂとを備え、データ読み出し時において、データ読取部３４ａ，３４ｂの一方を選択自在に構成されている。

データ参照部３５は、各読取素子に対応して、データ読み出し時における基準電圧を発生する基準電圧発生部３５ａを備えて構成されている。図示の例では、４つの基準電圧発生部３５ａが設けられている。このように本実施形態では、データ参照部３５として、読取素子ブロックを構成する読取素子数（図示の例では４つ）に対応した基準電圧発生部３５ａのみを設ければ良いため、データ参照部の占有面積を縮小することができる。

基準電圧は、読取素子２ａ，２ｂで磁性細線１の記録領域の磁化方向が平行方向である場合の抵抗値に対応した電圧Ｖｌと、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の抵抗値Ｖｈ（Ｖｌ＜Ｖｈ）との中間の値、例えばＶｒｅｆ≒１／２（Ｖｌ＋Ｖｈ）である。

基準電圧発生部３５ａとしては、磁性細線１及び読取素子２ａ，２ｂとは独立に基準電圧Ｖｒｅｆを発生させる構成としても、或いは、磁性細線１及び読取素子２ａ，２ｂを構成する各層と同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成してなる参照素子からなる構成としても良い。

参照素子の一例について、図６を用いて説明する。
この場合、各基準電圧発生部３５ａは、それぞれ一対の参照素子２０ａ，２０ｂを有して構成される。
参照素子２０ａは、磁化方向が例えば平行方向とされてなる下部磁化層２１ａと、例えばＭｇＯからなる絶縁層２２ａと、磁化方向が下部磁化層２１ａの磁化方向と同一の向き、ここでは平行方向とされてなる上部磁化層２３ａとが順次積層されて構成されている。
参照素子２０ｂは、磁化方向が例えば平行方向とされてなる下部磁化層２１ｂと、例えばＭｇＯからなる絶縁層２２ｂと、磁化方向が下部磁化層２１ｂの磁化方向と逆向き、ここでは反平行方向とされてなる上部磁化層２３ｂとが順次積層されて構成されている。

ここで、下部磁化層２１ａ，２１ｂが磁化方向を自在に変えられる磁化反転層から、上部磁化層２３ａ，２３ｂが磁化方向が固定されてなる磁化固定層からそれぞれ形成されている。

参照素子２０ａに、読取素子２と同様の読取電流Ｉｒを供給した場合における抵抗値は、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が平行方向である場合の抵抗値と同様である。一方、参照素子２０ｂに、読取素子２と同様の読取電流Ｉｒを供給した場合における抵抗値は、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の抵抗値と同様である。即ち、前者の抵抗値に対応した電圧はＶｌ、後者の抵抗値に対応した電圧はＶｈ（Ｖｌ＜Ｖｈ）となる。

本例では、読取電流Ｉｒを供給する電流源２４と、例えば入力電圧を１／２倍して出力する１／２電圧回路２５を設け、参照素子２０ａ，２０ｂを直列接続してなる電圧（Ｖｌ＋Ｖｈ）から参照電圧Ｖｒｅｆ≒１／２（Ｖｌ＋Ｖｈ）を生成する。

ここで、下部磁化層２１ａ，２１ｂが磁化方向を自在に変えられる磁化反転層から、上部磁化層２３ａ，２３ｂが磁化方向が固定されてなる磁化固定層からそれぞれ形成されており、磁性細線１と下部磁化層２１ａ，２１ｂ、絶縁層１４と絶縁層２２、固定磁化層１５と上部磁化層２３ａ，２３ｂがそれぞれ同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成されている。

本実施形態では、読取選択器３４で選択された読取素子ブロック３１，３２の一方の各読取素子における読取電圧Ｖｓｐと、データ参照部３５の基準電圧Ｖｒｅｆとが比較され、各読取素子に記録されているデータが判定される。即ち、例えば差動アンプ（不図示）を設け、読取電圧Ｖｓｐと参照電圧Ｖｒｅｆとをそれぞれ差動アンプに入力して、差分値の正負から両者の大小を比較する。Ｖｓｐ＞Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は反平行方向であり、Ｖｓｐ＜Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は平行方向であると判定される。例えば、磁化方向が平行方向である場合をデータ"０"に、反平行方向である場合をデータ"１"に対応させた場合であれば、前者の場合にはデータ"１"が、後者の場合にはデータ"０"がそれぞれ読み出されることになる。

このように本実施形態では、読取素子ブロック毎にデータ参照部３５との参照動作がなされ、当該読取素子ブロックを構成する各読取素子（読取素子ブロック３１であれば各読取素子２ａ、読取素子ブロック３２であれば各読取素子２ｂ）について一斉にデータ読み出しが行われる。図示の例では、４本の磁性細線１における４つの読取素子について同時にデータ読み出しが行われるため、１つの読取素子毎にデータ読み出しが行われる場合に比べて読み出し速度は４倍（読み出し時間は１／４）となる。

書込選択器３６は、書込素子ブロック３３を構成する各書込素子３と接続された各端子３６ａを有しており、各端子３６ａ毎に、記録するデータに対応した方向のスピン電流Ｉｓを供給するように構成されている。
このように本実施形態では、書込素子ブロック３３を構成する各書込素子３について一斉にデータ書き込みが行われる。図示の例では、４本の磁性細線１における４つの書込素子３について同時にデータ書き込みが行われるため、１つの書込素子３毎にデータ書き込みが行われる場合に比べて書き込み速度は４倍（書き込み時間は１／４）となる。

なお、上記の例ではメモリセルアレイを構成するメモリセルのうち、４つのメモリセルを示したが、本発明は勿論これに限定されるものではない。
例えば、メモリセルアレイを構成するメモリセルをＫ個（即ち、Ｋ本の磁性細線１が並設された構成）、読取素子ブロックを構成する読取素子数をＬ個（Ｋ，Ｌはそれぞれ２以上の自然数であり、Ｌ≦Ｋ）とすれば、１つの読取素子毎にデータ読み出しが行われる場合に比べて読み出し速度はＬ倍（読み出し時間は１／Ｌ）となる。
同様に、書込素子ブロックを構成する書込素子数をＬ個（Ｋ，Ｌはそれぞれ２以上の自然数であり、Ｌ≦Ｋ）とすれば、１つの書込素子毎にデータ書き込みが行われる場合に比べて書き込み速度はＬ倍（書き込み時間は１／Ｌ）となる。

［磁壁移動型ストレージメモリの製造方法］
以下、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法について説明する。
図７及び図８は、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

先ず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板５１上に、絶縁膜５２内に埋め込まれてなる下部電極５３を形成する。
詳細には、シリコン基板５１上に、例えばＣＶＤ法により絶縁膜５２、ここではシリコン酸化膜を例えば膜厚２００ｎｍ程度に堆積形成する。
次に、絶縁膜５２をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工して、各電極形成用の溝５２ａを形成し、各溝５２ａを埋め込むように、例えばスパッタ法により導電材料、ここではＣｕを例えば膜厚４００ｎｍ程度に堆積する。そして、堆積したＣｕを絶縁膜５２の表面が露出するまで化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨して平坦化し、各溝５２ａをＣｕで充填してなる下部電極５３を形成する。

続いて、図７（ｂ）に示すように、磁性細線１を形成する。
詳細には、下部磁性膜として、例えば膜厚３０ｎｍ程度のＮｉＦｅ及び膜厚２ｎｍ程度のＣｏＦｅＢの積層構造を堆積形成する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングにより、この下部磁性膜をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、ストライプ状の複数の磁性細線１を、例えば幅及びピッチが５０ｎｍ程度のＬ＆Ｓ（line and Space）となるように並設形成する。

続いて、図７（ｃ）に示すように、磁性細線１を覆うように、絶縁膜５５、上部磁性膜５６、及び導電膜５７を順次積層する。
詳細には、絶縁膜５５としては例えば膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯを、上部磁性膜５６としては例えば膜厚２．３ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ、膜厚０．８ｎｍ程度のＲｕ、膜厚１．７ｎｍ程度のＣｏＦｅ及び反強磁性層として膜厚１００ｎｍ程度のＰｔＭｎの積層構造を、導電膜５７としては例えば膜厚５０ｎｍ程度のＴａを順次形成する。

続いて、図８（ａ）に示すように、読取素子２ａ，２ｂ、書込素子３及び各上部電極１６，１９を形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、上部磁性膜５６に要求される形状に、導電膜５７、上部磁性膜５６、及び絶縁膜５５からなる積層体を加工する。このドライエッチングでは、磁性細線１の表面をエッチングストッパーとして行う。即ち、磁性細線１上の各下部電極５３の上方に相当する、読取素子２ａ，２ｂ及び書込素子３の形成部分に積層体を残す。

以上により、磁性細線１上の各下部電極５３の上方に相当する部分に、絶縁層１４及び固定磁化層１５が順次積層されてなる読取素子２ａ，２ｂと、絶縁層１７及び固定磁化層１８が順次積層されてなる書込素子３とを備えたメモリ部分（メモリセルの基本構成）が形成される。ここで、読取素子２ａ，２ｂ上には各上部電極１６が、書込素子３上には上部電極１９がそれぞれ形成される。

続いて、図８（ｂ）に示すように、層間絶縁膜５８及びコンタクトプラグ５９を形成する。
詳細には、例えばＣＶＤ法により絶縁膜、ここでは膜厚２００ｎｍ程度のシリコン酸化膜を全面に形成し、層間絶縁膜５８を形成する。
次に、上部電極１６，１９の各表面が露出するまで層間絶縁膜５８をＣＭＰ法により研磨して平坦化する。

次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより、磁性細線１の表面の一端を露出するように層間絶縁膜５８を加工し、層間絶縁膜５８にビア孔５８ａを形成する。
そして、例えばＣＶＤ法により、ビア孔５８ａの内壁面を覆うようにＴｉＮ膜を堆積してバリアメタル膜（不図示）を形成した後、ＣＶＤ法により、バリアメタル膜を介してビア孔５８ａを埋め込むようにタングステン（Ｗ）膜を堆積する。層間絶縁膜５８の表面が露出するまでＷ膜及びバリアメタル膜をエッチバック又はポリッシュバックし、バリアメタル膜を介してＷでビア孔５８ａを充填し、磁性細線１と一端で電気的に接続されてなるコンタクトプラグ５９を形成する。

続いて、図８（ｃ）に示すように、各読取電極４、書込電極５、及びＩｖ供給電極６１を形成する。ここで、Ｉｖ供給電極６１は、磁性細線１に磁壁移動電流を供給するための電極である。
詳細には、コンタクトプラグ５９、各上部電極１６、及び上部電極１９の各表面が露出する層間絶縁膜５８上に、導電材料、ここではＣｕを膜厚２００ｎｍ程度に堆積する。このＣｕをリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、露出したコンタクトプラグ５９、各上部電極１６、及び上部電極１９の各表面上にこの順序で、Ｉｖ供給電極６１、各読取電極４、及び書込電極５を同時形成する。

しかる後、例えばＣＶＤ法により、読取電極４、書込電極５、及びＩｖ供給電極６１を覆うように全面に絶縁膜、ここではシリコン酸化膜を膜厚４００ｎｍ程度に堆積し、保護膜６２を形成する。
以上の工程を経ることにより、図１に示すようなメモリセルの基本構成を有する、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリを完成させる。

なおここでは、図１に示すようなメモリセルの基本構成を有する磁壁移動型ストレージメモリの製造方法について例示したが、図２に示すようなメモリセルの基本構成を有する磁壁移動型ストレージメモリには、書込素子２を形成する代わりに、磁性細線１の上方で下部電極５３の上方に位置整合する部位に、層間絶縁膜５８内で磁性細線１と所定距離だけ離間するように、例えばＣｕを材料として書込配線６を形成すれば良い。他の工程は上記と同様である。

また、上記の実施形態では、読取素子２ａ，２ｂ及び書込素子３として、ＴＭＲ型のスピン注入素子を用いた場合を例示したが、ＧＭＲ型の素子としても良い。

また、上記の実施形態では、磁性細線１として、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの積層構造により構成する場合を例示したが、これらの強磁性層としては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等の強磁性材料 又はこれらの合金(ＣｏＦｅ, ＮｉＦｅ, ＣｏＦｅＢ等)からなる強磁性材料により構成しても良い。

また、固定磁化層１５，１８の反強磁性層として、ＰｔＭｎにより構成する場合を例示したが、反強磁性層としては、ＩｒＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性材料により構成しても良い。
固定磁化層１５，１８の非磁性層をＲｕにより構成する場合を例示したが、これらの非磁性層としては、Ｒｈ，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ等の非磁性材料により構成しても良い。

また、絶縁層１４，１７をＭｇＯにより構成する場合を例示したが、トンネル絶縁膜としては、ＡｌＯｘ，ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ（１≦ｘ≦２）等の絶縁材料により構成しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、データの読み取り時間、好ましくは更にデータの書き込み時間を大幅に短縮させてデータ転送速度を向上させ、しかもデータの蓄積領域を十分に確保することを可能として記録装置としての使用効率を向上させる、信頼性の高い磁壁移動型ストレージメモリが実現する。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）水平面に平行に配設された帯形状であり、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、
前記磁区を移動させ、所望の前記磁区における磁化方向を検出することにより、当該磁区に記録された前記データを読み取る複数の読取素子と
を含み、
前記磁性細線は、前記データが記録される第１の領域と、前記データを読み取る際に移動する前記磁区を保持するための第２の領域とを有しており、
前記各読取素子は、前記第１の領域上に所定間隔をおいて配設されて前記第１の領域を分割し、対応する分割部分に対する前記データの読み取り処理を行うことを特徴とする磁気記録装置。

（付記２）複数の前記読取素子のうち、少なくとも２つの前記読取素子は、前記各読取素子の対応する前記分割部分に対する前記データの読み取り処理を一斉に行うことを特徴とする付記１に記載の磁気記録装置。

（付記３）複数の前記磁性細線が並設されており、
前記各磁性細線に配設された複数の前記読取素子のうち、少なくとも１つの前記読取素子による前記データの読み取り処理を、少なくとも２本の前記磁性細線について一斉に行うことを特徴とする付記１又は２に記載の磁気記録装置。

（付記４）前記読取素子により読み取られた前記データを判定するための基準電圧を発生させるデータ参照部を更に含み、
前記データ参照部により発生させた前記基準電圧と、前記各読取素子により一斉に読み取られた電圧とを比較して前記データを判定することを特徴とする付記３に記載の磁気記録装置。

（付記５）前記磁性細線の前記第１の領域にデータを書き込む書込部を更に含み、
前記書込部は、前記第１の領域上に配設されていることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の磁気記録装置。

（付記６）複数の書込部を含み、
前記第１の領域上に前記各読取素子に隣接して前記書込部が配設されていることを特徴とする付記５に記載の磁気記録装置。

（付記７）前記書込部は、前記磁性細線に接続された書込素子を有することを特徴とする付記５又は６に記載の磁気記録装置。

（付記８）前記書込部は、前記磁性細線に近接して設けられた書込配線を有することを特徴とする付記５又は６に記載の磁気記録装置。

（付記９）複数の前記磁性細線が並設されており、
少なくとも２本の前記磁性細線について、前記各磁性細線に配設された前記データ書込部による前記データの書き込み処理を一斉に行うことを特徴とする付記５〜８のいずれか１項に記載の磁気記録装置。

本発明におけるメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリを示す概略斜視図である。 本発明におけるメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリの他の例を示す概略斜視図である。 磁性細線と読取素子及び書込素子との原理的な配置関係を示す模式図である。 本発明における磁性細線と読取素子及び書込素子との原理的な配置関係を示す模式図である。 図４の原理を採用したメモリセルを複数備えてなるメモリセルアレイを示す模式図である。 参照素子の一例を示す模式図である。 本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図７に引き続き、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

符号の説明

１ 磁性細線
１ａ データ蓄積領域
１ｂ バッファ領域
２（２ａ，２ｂ） 読取素子
３（３ａ，３ｂ） 書込素子
４ 読取電極
５ 書込電極
６ 書込配線
１１，１１ａ，１２ 微小磁区
１３ 磁壁
１４，１７，２２ａ，２２ｂ 絶縁層
１５，１８ 固定磁化層
１６，１９ 上部電極
２１ａ，２１ｂ 下部磁化層
２３ａ，２３ｂ 上部磁化層
２４ 電流源
２５ １／２電圧回路
５０ａ メモリ形成領域
５０ｂ 参照素子形成領域
５１ シリコン基板
５２，５５ 絶縁膜
５２ａ 溝
５３ 下部電極
５６ 上部磁性膜
５７ 導電膜
５８ 層間絶縁膜
５８ａ ビア孔
５９ コンタクトプラグ
６１ Ｉｖ供給電極
６２ 保護膜

Claims (5)

1. 水平面に平行に配設された帯形状であり、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、
   前記磁区を移動させ、所望の前記磁区における磁化方向を検出することにより、当該磁区に記録された前記データを読み取る複数の読取素子と
   を含み、
   前記磁性細線は、前記データが記録される第１の領域と、前記データを読み取る際に移動する前記磁区を保持するための第２の領域とを有しており、
   前記各読取素子は、前記第１の領域上に所定間隔をおいて配設されて前記第１の領域を分割し、対応する分割部分に対する前記データの読み取り処理を行うことを特徴とする磁気記録装置。
2. 複数の前記読取素子のうち、少なくとも２つの前記読取素子は、前記各読取素子の対応する前記分割部分に対する前記データの読み取り処理を一斉に行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気記録装置。
3. 複数の前記磁性細線が並設されており、
   前記各磁性細線に配設された複数の前記読取素子のうち、少なくとも１つの前記読取素子による前記データの読み取り処理を、少なくとも２本の前記磁性細線について一斉に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記録装置。
4. 前記磁性細線の前記第１の領域にデータを書き込む書込部を更に含み、
   前記書込部は、前記第１の領域上に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気記録装置。
5. 複数の前記磁性細線が並設されており、
   少なくとも２本の前記磁性細線について、前記各磁性細線に配設された前記データ書込部による前記データの書き込み処理を一斉に行うことを特徴とする請求項４に記載の磁気記録装置。

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