JPH0743923B2

JPH0743923B2 - 磁気記憶素子

Info

Publication number: JPH0743923B2
Application number: JP63020607A
Authority: JP
Inventors: 靖治檜高
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPH01196786A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は不揮発性の高密度固体磁気記憶素子に関する。

（従来の技術）固体磁気メモリは機械駆動部がなく、かつ不揮発性のメ
モリであるため、高い信頼性をもっている。固体磁気メ
モリを大きく分類すると、ランダムアクセス型メモリ
と、シリアルアクセス型メモリとになる。コアメモリは
前者の代表的なものであり、バブルメモリは後者の代表
的なものである。高密度記憶素子を目指すとき、ランダ
ムアクセス型は各ビット毎に検出器を備えている必要が
あるため、セルサイズを小さくしていくことに限界があ
る。他方、シリアルアクセス型は高密度化は比較的容易
であるが、高密度化に伴うアクセス時間の増加が大きな
問題になっている。さらに、バブルメモリのように情報
担体であるバブルの移動を必要とする素子では、移動に
伴い情報保持の安定性が悪くなる欠点を持っている。こ
のような状況を考えると、不揮発性固体磁気メモリとし
ては、ランダムアクセス型のメモリで検出器を開発し、
高密度化を実現するのが望ましい。

磁性体を用いたランダムアクセスメモリの基本動作をそ
の代表であるコアメモリを例にとって説明する。コアに
は磁化曲線が第６図に示すように角型ヒステリシスを持
っている磁性材料を使う。そうすると、材料はバイアス
磁界H_Y＝０でＡ点に示す＋向き、またはＢ点に示す−向
きの残留磁化を安定化でき、双安定性を有することにな
る。それぞれの向きを２進数の“1"および“0"に対応さ
せて、記憶素子に用いることができる。

実際のデバイスでは、第７図に示すように、この磁性体
でリングコア10を作り、コアの中に３本の導体線11、1
2、13を通し、その内の２本を縦横（それぞれＹ−軸、
Ｘ−軸と称する）に張り、縦線、横線の交差点にコア10
を置く。このコアを第７図に示すようにマトリックス状
に配列し、記憶素子に組み上げる。情報の記憶の原理は
第８図に示している。リング状コア10の磁化14の向きを
リングコアの円周に沿って第８図（ａ）に示すように右
周りにしたり、（ｂ）に示す左周りにしたりして行な
う。例えば、初期状態で、すべてのリングコアの磁化は
右周り（−）になっているとする。指定された番地のコ
アの磁化の向きを反転して左周り（＋）にする。そのた
めには、コアを通っているＹ−線およびＸ−線にパルス
電流を送り、コアに磁界を与える。いま、この磁界がＸ
−線、Ｙ−線のどちらか一方のパルス電流によって与え
られた場合、磁化を−の状態から＋の状態に反転するに
は不十分な大きさにしてある。Y₀−線、X₀−線のパルス
磁界が同時に加わると、両方の線の交点にあるコアの磁
化が反転する。しかし、Y₀−線、またはX₀−線のみのパ
ルス磁界が加わるコアでは磁化反転を生じない。これが
マトリックスの任意の座標に“1"という信号を書き込む
方法である。

書き込んだ情報を読み出すには、磁化を＋から−へ反転
させるようなパルスをX₀−線、Y₀−線に同時に加えてみ
て、読み出し線13に信号がでるかどうかをみる。もし、
信号が出たら、パルスを送った座標は“1"であったとい
うことがわかる。しかし、この方法では一度読み出す
と、すべては“0"となってしまうので、いわゆる破壊的
読み出しになってしまう。これでは困るというときは読
み出した結果を再書き込みしておく必要がある。コアメ
モリの欠点はビットセルサイズが大きく高密度化が難し
いという点であった。

高密度記憶を実現するため、この原理を磁性薄膜に適用
した磁気記憶素子がある。磁性薄膜としては、例えば磁
歪定数λ＝０のソフト磁性材料である19％Fe−81％Niの
合金を用い、これを第９図に示すように、基板上に円盤
状に蒸着する。膜厚は1000Åの程度である。蒸着の際に
磁界を与えておくことにより、膜面内に一軸磁気異方性
がつけられる。いまの場合、磁化容易軸をＹ−軸方向と
するようにこの磁気異方性をつけておく。

磁化の反転に際しては、容易軸に平行に磁化の向きと逆
向きの磁界H_YをX₀−線により与えると同時に、それと直
角方向に磁界H_XをY₀−線によって与え、磁壁移動による
磁化反転を阻止し、10nsオーダの短い時間で磁化反転で
きる磁気モーメントの一斉回転モードを利用している。
これに対して、H_Yのみが加えられている磁性膜パターン
15では、磁壁移動による磁化反転を生じようとするが、
反転時間が長くかかるため、実際には書き込みに使って
いる短い時間幅のH_Yでは反転は起こらない。つまり、Ｘ
−方向の導体線とＹ−方向の導体線によって同時に磁界
を与えたときのみ、磁性膜パターン15′の磁化反転を生
じる。

磁界H_X、H_Yは蒸着膜に近接させた縦横の銅リボンに電流
を与えることによって作り出す。この素子は反転した磁
化が次第にもとの向きに戻ったりして情報の記憶の安定
性がよくないこと、また磁性膜パターンを微小化してい
くと検出出力が小さくなり、情報の読み出しが難しくな
ってしまう等の難点を有していた。

本発明者はこれらの問題点を解決するため超伝導材料で
形成したパターンを導入して、超伝導体リングに生じる
反磁性電流を活用して記憶情報の安定性を高め、かつ超
伝導体リングの超伝導−常伝導転移を利用して記憶情報
の読み出しを容易にした高密度固体磁気記憶素子が提案
した。その主な構造は第10図に示すように、基板上に膜
面内に一軸性の磁気異方性を有する強磁性体膜６と、該
磁性体膜を介して互いに交差するように配置される第
１、第２の２本の超伝導体線２、３を備えた磁気記憶素
子において、第１の超伝導体線３に重なるように、かつ
磁性体膜パターン６と、第２の超伝導体線４とを取り囲
むように第３の超伝導体線４を配置し、第１、第３の超
伝導体線は第２の超伝導体線と交わる位置で超伝導体の
リングを形成し、かつ第１の超伝導体線の上に絶縁層を
介して、第１の超伝導体線に重なるように、もう１本の
導体線７または超伝導体線を配置したものである。第10
図に示すように、超伝導リング５内を突き抜ける超伝導
体線２には孔16を開けておくことが望ましい。理由はバ
イアス電流I_bによって超伝導体リング内の磁性体パター
ン位置に誘起される磁界をほとんど零にして、I_bによる
パターンの磁化状態への影響を最小限に抑えるためであ
る。以下では、図面をわかり易くするため省略してい
る。

（発明が解決しようとする問題点）この素子では、第１、第３の超伝導体で形成したリング
内の磁性体膜パターンの磁化を反転させるため、リング
を一旦常伝導状態に転移させる必要がある。超伝導−常
伝導転移には、リングを形成する超伝導体に臨界電流以
上の電流を与えるのが一般的である。したがって、消費
電力を小さくするためには、第１、第３の超伝導体の臨
界電流をできるだけ小さくしたい。また、読み出し時に
は第１、第３の超伝導体パターンの臨界電流に違いをも
たせたことを利用しているので、超伝導体の臨界電流を
制御することが重要である。これらの点に関して、第１
と第３の超伝導体パターンとで、膜厚を変えることが考
えられる。

（問題点を解決するための手段）本発明では、これらの問題点を解決するため、第１、第
３の超伝導体パターンを最近注目されている酸化物超伝
導体のような２次元超伝導体で形成し、消費電力を低減
でき、かつ第１、第３の超伝導体パターンの臨界電流の
差を容易に与えることができる高密度固体磁気記憶素子
を提供する。

本発明は基板上に、基板面に平行な面内に一軸磁気異方
性を有する強磁性体膜と、該磁性体膜を介して互いに交
差するように配置される第１、第２の２本の超伝導体線
を備え、かつ第１の超伝導体線に重なるように、かつ磁
性体膜パターンと第２の超伝導体線とを取り囲むように
第３の超伝導体線を配置し、第１、第３の超伝導体線は
第２の超伝導体線と交わる位置で超伝導体のリングを形
成し、かつ第１の超伝導体線の上に絶縁層を介して、第
１の超伝導体線に重なるように、もう１本の導体線また
は超伝導体線を配置している磁気記憶素子において、第
１、第３のパターンを、基板面に平行な方向には臨界電
流が高く、基板面法線方向には臨界電流が小さいという
異方性をもった低次元の材料で、形成していることを特
徴とする磁気記憶素子に関する。

（実施例）第１図にはこの記憶素子に用いるユニットセルの構造の
例を示す。

まず基板上に超伝導層を形成し、この超伝導層をパター
ン化し、Ｘ−軸方向に伸びた第３の超伝導体線４にす
る。その上に絶縁層を介して第２の超伝導体線２を配置
する。その上に強磁性体膜パターン６を形成する。その
上に再び絶縁層を介して第１の超伝導体線３を形成す
る。超伝導体線３は磁性体膜パターン６、第２の超伝導
体線２がない領域では第１図に示すように、下の超伝導
体線４と直接コンタクトしているように加工する。こう
すると、磁性体を取り囲んでＹ−軸方向をリングの面法
線とする超伝導体リング５が形成される。第１図に示し
たユニットセルを記憶素子として使うため、本発明のも
う１本の導体線（または超伝導体線）７を付加し、マト
リックス状に配列したのが第２図である。

本発明の特徴は第１の超伝導体線のうち、リング部の両
側の段差部８、８′に臨界電流が小さい電流線路（基板
面法線向きの電流線路）を含むようにして、第１の超伝
導体線の臨界電流を小さくすることで、第３の超伝導体
線の臨界電流との間に所定の差を与えるようにしている
ことである。こうすることにより、リング部では超伝導
体線３の臨界電流I_3Cが超伝導体線４の臨界電流I_4Cに比
べて低くできる。

第２図にＡで示す点線で囲んだ部分がユニットセルであ
る。ユニットセルに関しては、リングを形成している超
伝導膜の膜厚が磁束侵入深さに比べて大きくする必要が
あること、超伝導リングの面法線に直交する面の内、リ
ングの内側壁との交線を周囲とする部分の面積が現在実
用化されている磁性材料を用いると、0.25μｍ程度まで
小さくできることなどがわかる。なお、この面積をさら
に小さくするためには、磁束量子１本を閉じ込める磁界
の大きさが10⁵Gaussのオーダになり、これを磁性体パタ
ーンで実現するためには、４пMsが大きい新しい磁性材
料が必要になる。超伝導体線の幅には直接の制限はない
ので、幅を0.3μｍまで細くでき、基本セルの大きさは
0.5μｍ×0.5μｍ程度まで小さくできる。

本発明の素子用材料として、導体に金、アルミなど、超
伝導体にBa−Ｙ−Cu−Ｏ系のセラミックスなど、絶縁体
にSiO₂などが使用できる。また磁性膜には、広い範囲の
材料から選んだ適当なものが使用できる。薄膜作成技術
は公知の技術が利用できる。前記セラミックスはスパッ
タリングやレーザ蒸着法を用いることができ、またエッ
チングは例えば塩素ガスを用いたドライエッチングが考
えられる。

情報の書き込みを説明する。初期状態として、磁性体の
磁化の向きを予め定められた向きに飽和させておく。い
ま、そのときの磁化を第３図（ａ）に９で示すＹ−軸方
向に沿って、正の向きとする。

書き込み動作は次のようにする（第３図（ａ）、
（ｂ））。Ｘ−軸方向の導体線７およびＹ−軸方向に走
っている第２の超伝導体線２にパルス電流を与えて、各
位置の磁性体パターン６の中で、超伝導体線１と２とが
交わる位置に存在している磁性膜パターン６の磁化９の
向きを第３図（ａ）に示すＹ−軸方向、正の向きから負
の向きに反転させる。この磁化反転過程では、超伝導体
リングの１部が超伝導から常伝導に一時的に転移するよ
うにしておく必要がある。磁化反転後にリングが常伝導
から超伝導へ復帰するようにしておくと、強磁性体パタ
ーンの磁化状態は超伝導体リング５に新たに誘起された
反磁性電流によって安定化されている。

なお、この方法を用いたときの１ビットのデータ書き込
み時間は10nsのオーダである。

読み出し方法を述べる。書き込んだ情報の読み出し方法
の例を述べる。まず、超伝導体線２の電流磁界によって
磁性体膜パターンの磁化の向きを磁化容易方向（Ｙ−
軸）から傾け、この磁化変化に伴なって超伝導体リング
に誘起される反磁性電流および読み出し時に超伝導体線
１に与えているバイアス電流I_bを用いて該超伝導体リン
グ部を超伝導状態から常伝導状態に転移させ、電圧を読
み取るのである。

読み出し時には第４図に示すように超伝導リングにＸ−
軸方向、正の向きに直流バイアス電流I_bを与えておく。
そしてＹ−軸方向の超伝導体線２にパルス電流を与え
て、磁性膜パターンの面内の磁化困難方向に磁界H_Xを加
えて、磁化をＹ−軸方向から一時傾ける。そうすると、
磁化の安定化した向きがＹ−軸方向に沿って、正の向き
であったか、負の向きであったかに依存して、超伝導体
リングには、それぞれ第４図の（ａ）または（ｂ）にi_d
で示す反磁性電流が誘起される。この反磁性電流の向き
を検知するため、本発明の素子の超伝導体リングはそれ
ぞれ臨界電流が違う２種類の超伝導体材料３、４を使っ
て形成し、時計回りの反磁性電流と反時計回りの反磁性
電流を弁別する。それぞれの分枝の自己インダクタンス
はほぼ同じ値であるが、以下の議論のためそれぞれを
L₃、L₄としておく。第４図の例では超伝導体線３とそれ
に比べて、臨界電流が大きい材料で超伝導体線４で超伝
導体リングを形成している。バイアス電流I_bは簡単には
分枝３、４にそれぞれL₄/（L₃＋L₄）＝A₃、L₃/（L₃＋
L₄）＝A₄の比で分流する。超伝導体線３、４それぞれの
臨界電流をI_3C、I_4Cとする。

読み出し動作について説明する。磁化を反転させた状態
（第４図（ａ））のビットの磁化をＹ−軸方向の超伝導
体線２にパルス電流を与えてＸ−軸方向に向けたときの
反磁性電流i_dの向きと上記のバイアス電流I_bの向きが超
伝導体リングの中で、臨界電流i_dが小さい領域（第４図
の超伝導線３）で互いに同じ向きになるようにしてあ
る。この状態で、バイアス電流値I_bを定められた範囲の
値に設定して、磁性体の磁化の向きが負のときにはA₃・
I_b＋i_dが超伝導層３の臨界電流I_3Cを越えて、超伝導層
３は常伝導に転移してしまうようにする。そうすると、
３を流れていたバイアス電流は超伝導線４を流れるよう
になり、超伝導層４にはI_bが流れる。このI_bが超伝導層
４の臨界電流値I_4Cに比べて大きくなるようにしてあれ
ば、そのリングは常伝導になり、超伝導体リングの両端
に電圧が出る。他方、磁化が反転している状態（第４図
（ｂ））では、このバイアス電流値においては超伝導層
３には（A₃・I_b−i_d）しか電流が流れないので、超伝導
−常伝導転移は起こらない。したがって、超伝導体リン
グの両端には電圧は出ない。つまり、磁性体膜パターン
内の磁化の向きを弁別できる。

以上のことを整理してみると、第５図に示すようにな
る。超伝導体層３の臨界電流と４の臨界電流との間に
は、 I_4C＞A₃・I_b＋i_d＞I_3C＞A₃・I_b−i_d＞０なる関係が成り立っている必要がある。バイアス電流I_b
は 2I_3C＞I_b＞I_4C を満たすように設定する。これからすぐに 1/2I_4C＜I_3C＜I_4C が得られる。

ここで、バイアス電流I_bを A₃・I_b＝I_3C−δ（０＜δ＜i_d）ととると、バイアス電流に対する条件2I_3C＞I_b＞I_4Cは
満たされ、かつ A₃・I_b＋i_d＞I_3C＞A₃・I_b−i_d の条件も満たされることになる。以上の他、 I_4C＞I_3C−δ＋i_d＞I_3C のために I_4C＞I_3C＋i_dの条件が満たされる必要があるが、I_4Cを
できるだけ大きくとるとしてI_3Cが I_3C＝1/2I_4C＋δ′（δ′＞0:微小量）を満たしていれば十分である。

（発明の効果）本発明により、従来問題になっていた磁化反転後の磁化
状態の不安定性、記憶密度の向上に伴う情報の読み出し
の不安定性がともに格段に改善された高性能の高密度記
憶素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本セル構造例の外観図、第２図は基
本セルをマトリックス状に配置して記憶素子の形にした
一例を示す図、第３図（ａ）、（ｂ）は基本セルの詳細
構造図、第４図（ａ）、（ｂ）は情報読み出しの例を示
す図、第５図は超伝導体線の臨界電流と、I_b、i_dとの関
係を示す図、第６図は一軸磁気異方性をもつ磁性体の磁
化容易方向に磁界を加えたときの磁化曲線図、第７図は
コアメモリの構成図、第８図はコアの磁化状態図、第９
図は磁性膜パターンを使ったメモリの基本構成図、第10
図は本発明者が提案している素子の基本構造図。１……３と４とからなる超伝導体線２……超伝導体線、3,4……超伝導体線５……超伝導体リング、６……磁性体膜パターン７……書き込み用導体線９……磁性体膜パターンの磁化 8,8′……超伝導体リングの両側の側壁部 10……リングコア、11……Ｘ−超伝導体線 12……Ｙ−超伝導体線、13……読み出し線 14……コア内の磁化、15……磁性膜パターン 15′……磁化が反転している磁性膜パターン 16……超伝導体線２に開けた孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜面内に一軸性の磁気異方性を有する強磁
性体膜と、該磁性体膜を介して互いに交差するように配
置される第１、第２の超伝導体線を備え、かつ磁性体膜
に対応する位置では第１の超伝導体線の反対側に磁性体
膜パターンと第２の超伝導体線とを挟むように、しかも
他の位置では第１の超伝導体線に直接重なるように第３
の超伝導体線を配置し、第１、第３の超伝導体線が第２
の超伝導体線と交差する位置では、第１の超伝導体線と
第３の超伝導体線とが磁性体膜と第２の超伝導体線とを
取り囲む超伝導体のリングを形成しており、絶縁層を介
して、第１の超伝導体線に重なるように、もう１本の導
体線または超伝導体線を配置している磁気記憶素子であ
って、第１、第３の超伝導体線に異方性を有する超伝導
体を利用していることを特徴とする磁気記憶素子。