JPS5998379A - 磁気記憶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は膜面垂直方向を磁化容易方向とする強磁性体薄
膜に形成されるストライプドメインの境界を形成するブ
ロッホ磁壁の中に静的に安定に存在する垂直プロッホラ
インを記憶単位として用いた磁気記憶素子に関する。よ
り詳しくは、ストライプドメイン周辺の磁壁に存在する
垂直プロッホラインの位置を安定化する磁気記憶素子に
関する。

磁気バブル素子の開発は高密度化を月相して各所でパー
マロイデバイス、イオン注入コンティギーアスディスク
デバイス、電流駆動デバイスおよびこれらを組合せたい
わゆる混成型デバイスについて盛んに行わｎている。こ
れらのデバイスの高密度化の限界は、バブル転送路を形
成するためのフォトリングラフイー技術にあるといわれ
てきた。

しかし、近年、その技術が長足に進歩してきた。

その結果、高密度化のための材料すなわち、バブル径を
どこまで小さくできるかが問題視されるよウニなってき
た。現在使用されているガーネット材料では、到達可能
な最小バブル径は０．３μｍといわれている。したがっ
て、０．３μｍ径以下のバブルを保持するバブル材料は
ガーネット材料以外に求めなければならない。これは容
易ではなく、ここがバブル高密度化の限界であるとさえ
考えられている。

このようなバブル保持層の特性に基く高密度化限界を大
幅に改善する磁気記憶素子は、膜面垂直磁化膜に存在す
るストライプドメイン周辺に形成されるブロッホ磁壁内
の垂直プロッホラインを情報記憶単位とすることにより
実現でき、すでに提案されている。

垂直プロッホラインメモリは膜面垂直磁化膜に存在する
ストライプドメイン周辺を形成するブロッホ磁壁内に存
在する垂直プロッホラインを情報記憶単位とするもので
ある。まず、メジャーマイナー構成を例にして垂直プロ
ッホラインメモリの−形式を述べる。ここではメジャー
ラインでは従来通りバブルドメインを情報単位とし、マ
イナーループをストライプドメインで構成し、その周辺
のブロッホ磁壁内に存在する垂直プロッホライン全体の
情報の流れを示すと、まず、発生器１で書込まれた情報
（バブルの有無）は書込みメジャーラインを上から下へ
移動する。この情報をマイナーループ２へ記憶させるた
めに、バブル３の有無で示されたメジャーライン上の情
報をマイナール−プへＶＢＬの形でトランスファーでき
るように、マイナーループをＶＢＬを保持できるブロッ
ホ磁壁で構成することがこの特徴であり、記憶容量の飛
躍的向上の重要なカギになっている。書込みライントラ
ンスファーゲート４により、マイナーループにトランス
ファーされた情報（ＶＢＬ）はマイナーループを構成す
るストライプドメイン磁壁土を移動させることができる
。マイナーループから読出しメジャーラインへの情報ト
ランスファーはＶＢＬからバブルへの変換を伴う。なお
、この耽出しトランスファーゲート５はブロックレプリ
ケータ機能も合せ持っている。変換されたメイジャーラ
イン上のバブルは検出器６で外部に読出される。

このようにマイナーループをバブル材料に存在するスト
ライプドメインで構成し、マイナール−プ上での情報整
位としてバブルドメインの代りにＶＢＬを用いることに
より、従来のノくプルドメインを用いた素子に比較して
約２桁の記憶密度向上を達成できる。

この素子の構成例と動作をざら沓こ詳しく説明する。メ
ジャーラインは書込み、読出しともに電流、駆動方式を
採用している。４本の平行コンダクタ−からなる書込み
トランスファーゲートはメジャーライン上のバブルとマ
イナーループを構成するストライプドメインヘッドとの
相互作用を用いている。メジャーライン上にバブルドメ
インがあると、それにつながるマイナーループを構成し
ているストライプドメインのヘッドはバブルとストライ
プドメインとの反発相互作用のため、バブルから遠ざか
ることを利用している。書込みメジャーラインにバブル
がないとき、マイナーループのストライプドメイン磁壁
にＶＢＬを書込む。ＶＢＬをストライプドメインヘッド
に作る手段として、ストライプドメインヘッドをそれに
接するコンダクタ−パターンにパルス電流を与えること
により、ダイナミックに移動させ、ヘッド部磁壁をダイ
ナミックコンバージ〜ヨンさせることを利用している。

この方法で、ＶＢＬが２つできるが、これらは互いに性
質が異なり、再結合しやすい。そこで、情報を安定化で
きるようにストライプドメインの長手方向に面内磁界を
加え、ストライプドメイン側の２本のコンダクタ−によ
ってストライプドメインヘッドを切離すことにより、ス
トライプドメイン中に２つの同じ性質のＶＢＬを作る。

同じ性質のＶＢＬは互いに近づいても安定に存在する。

メジャーラインにバブルが存在しているところに対応す
るマイナーループのストライプドメインヘッドはバブル
との反発作用のため、上記コンダクタ−パターンから離
れているため、ＶＢＬは形成されない。結果的にメジャ
ーラインの情報′１“をマイナーループ内にＶＢＬ対が
ない状態としてトランスファーしたことになる。マイナ
ーループ内では性質が同じＶＢＬの対を１ビツトとして
情報が記憶される。レプリケータ−作用の安置性を考え
てＱＶＢＬ対を使っている。マイナーループ内のビット
周期つまり、ＶＢＬ間隔を一定に保つように、１ビツト
ずつ逐次転送できるように転送パターンをつける。−例
として、上記マイナーループを構成するストライブドメ
イン上ヒにストライブト、メインの長手方向に直角方向
にＶＢＩ間の安定間隔Ｓｏの２倍の周期で、幅Ｓ。のパ
ーマロイ薄膜で作った平行細線パターンを形成し、平行
細線の両側に誘起される磁極とＶＢＬとの相互作用を利
用する。ＶＢＬのマイナーループに沿っての転送は一つ
の方法として、ストライプドメインにパルスバイアス磁
界を加えてダイナミックに行なう。３本の平行コンダク
タ−からなる読出しトランスファーゲートはマイナール
ープを形成しているストライプドメイン磁壁にＶＢＬと
して記憶されている情報をバブルに変換してメジャーラ
インにトランスファーアウトし、かつ、マイナーループ
上の情報が破壊されないようにするレプリケータ−の働
きも兼備えている。動作原理を説明する。ＶＢＩ。

対で形成される１ビツトの片割れを例えば、面内磁界を
加えてストライブドメインヘッドに固定する。その後コ
ンダクタ−パターンを用いて、このストライブドメイン
ヘッドを切りとり、バブルにする。そうすると、バブル
を切りとった後のストライブドメインヘッドには切りと
ったＶＢＬと同じＶＢＬが構成される。このようなＶＢ
Ｌのレプリケート作用はマイナス符号のＶＢＬに対して
のみ生じる。マイナーループのストライブドメインヘッ
ドから切りとられたバブルはメジャーライン上を検出器
に向けて転送される。ここではストライブドメインヘッ
ドにＶＢＬがある場合とない場合とでストライブドメイ
ンヘッドを切りとる。パルス電流値が異なることを利用
している。ストライブドメインヘッドにＶＢＬがない場
合は切れにくい。したがって、ストライブドメインヘッ
ドにＶＢＬ　がある場合はメジャーラインにバブルを送
り込めるか、ＶＢＩがない場合はバブルはない。

つまり、マイナーループ上のＶＢＬの鳴無（ｉ、ｏ）は
読出しメジャーライン上ではバブルの有無に変換されて
いる。

ＶＢＩ対の消去法について述べる。消去したいＶＢＩ対
を書込みメジャーライン側のマイナーループのストライ
ブドメインヘッドの最近接位置におく。次に面内磁界Ｈ
ｉｐを加えて、消去したいＶＢＬ　対と、そのとなりの
ＶＢＩ対の片割れをストライブドメインヘッドにもって
きて、情報書込みの際、プラスのＶＢＬを切りとるため
に用いた平行コンダクタ−を使ってストライブドメイン
ヘッドを切りとる。バブルドメインを切りとったあとの
ストライブドメインヘッドには、消去したいＶＢＬ　対
と共にもってきたＶＨＬがレプリケートされる。結局、
消去したいＶＢＩ対のみが消去されることになる。なお
。マイナーループ全体をクリアする場合は予め、バイア
ス磁界を上げて全部のストライプドメインを一旦消去し
たあと、Ｓ＝１バブルからマイナーループスドライブド
メインを形成することにより、ＶＢＬが全熱ない全ピッ
ト零の状態を作ることができる。

このようなＶＢＬメモリではＶＢＩ対が高密度に等間隔
で存在している。ときは、ＶＢＬの間隔Ｓ０はほぼ特性
長ｌに安定化される。しかし、ＶＢＩ対が不連続に存在
している場合、ＶＢＩ対を定在化させ、ＶＢＩ対が存在
しない状態に情報をもたせることが困難である。ＶＢＩ
対の個数を記憶情報として表現することも可能であるが
、ｎ（正整数）ビットの記憶情報を表現するのに（２’
−１）組のＶＢＩ、対を必要とし、記憶密度が著しく低
下する。このため、ＶＢＩ対が存在する場合を″１“、
存在しない場合を１０“とじて、不連続なＶＢＩ対とな
る・ｈ報列’００１０１０００１・・・“等を１ビット
ずつ逐次転送できるように、マイナーループとなるスト
ライブドメイン上にその長手方向と直角方向に２Ｓｏの
周期で、幅Ｓ。のパーマロイ薄膜の平行細線パターンを
形成し、平行細線パターンの両側に誘起される磁極とプ
ロッホラインの磁極との相互作用を利用する方法が提案
されている。

しかしながら、このような方法は幅Ｓ０、ピッチ２８ｏ
の平行細線パターンの形成で超微細加工精度を必要とす
る。１μｍバブル材料を用いるとＳ。−０，１２５μｍ
にすることが可能であるが、幅０．１２５μｍ１ピッチ
０．２５μｍの平行細線パターンを形成することは現状
の露光技術では困難である。すなわち、既に提案されて
いるＶＢＬメモリにおけるマイナーループの形成方法は
、平行細線パターンの形成精度で記憶密度が制限され、
ビットコストの上昇をもたらす欠点を有していた。

本発明の目的は上記従来の欠点を容易に解決した磁気記
憶素子を提供することにある。

すなわち、本発明の磁気記憶素子は、情報の読出し、書
込み及び蓄積手段を備え、膜面に垂直な方向を磁化容゛
易方向とする強磁性体膜に存在する単位として用い、該
垂直プロッホラインをブロッホ磁壁内で転送する手段を
有する磁気記憶素子において、記憶情報となる符号化さ
れた前記垂直プロッホライン対を支持する第１の強磁性
体膜と、この、第１の強磁性体膜に接する非磁性体膜と
、この非磁性体膜を介して、密につめられた前記垂直プ
ロッホライン対を支持する第２の強磁性体膜とを含むこ
とを特徴とする。

以下図面を用いて本発明について詳細に説明するＯ 第２図は本発明による磁気記憶素子の断面図である。磁
気記憶素子にはガドミウム・ガリウム・ガーネッ）（Ｇ
ＧＧ）　　等の非磁性材料で形成されたサブストレイト
２０の上に、サブストレイトと同様な非磁性体膜２１を
はさんで第１、第２の強磁性体膜２２．２３が形成され
ている。さらに、第１の強磁性体膜２２上に４本のコン
ダクタｕ１２５．２６．２７からなる書込みトランスフ
ァーゲート４と、２本のコンダクタア、２９からなる読
出しトランスファーゲート５が形成されている。また、
第１、第２の強磁性体膜２２、ｎにはマイナーループと
なるストライプドメインが形成されている。第１の強磁
性体膜２２には記憶情報となる１１“　％Ｏ“に符号化
さｎた■Ｂも対が格納され、第２の強磁性体膜おには第
１の強磁性体膜２２内のＶＢＬ対を支持する密につめら
れたＶＢＬ対が格納されている。

第３図はマイナーループとなるストライブドメインへの
ＶＢＬの書込み手順を示す。バブルは書込みメイジャー
ラインの第１の強磁性体膜２２にのみ存在でき、ＶＢＬ
の書込みは、書込みメイジャーラインにバブルが存在し
ない状態で行なわれる。

トランスファーゲートは４本の平行コンダクタ−２４，
２５，２６，２７からできている。マイナーループを構
成するストライブドメインはメジャーラインにバブルが
ない場合、第３図（ａ）に示す位置にｐ磁化させておく
。第１、第２の強磁性体膜２２、お内のストライプドメ
インヘッドへのＶＢＬの形成はコンダクタ−ライン邪に
パルス電流工ｐ１を与え、ストライプドメインヘッドを
第３図（ｂ）に示す方向にダイナミックに移動させて行
なう。こうすることによって、第１、第２の強磁性体膜
２２．２３内のストライプヘッド部３ｏのブロッホ磁壁
部の磁化は１８０°　回転し、第３図（ａ）（７）向き
から第３図（ｂ）、（Ｃ）の向きに変る。これは磁壁構
造のダイナミックコンＸＩ−％−ジョンという。こうす
ることにより、第１、第２の強磁性体膜２２、ｎ内のス
トライプドメインヘッドの両側に、ブロッホ磁壁の磁化
が互いにぶつかり合うところ３１．３２ができる。その
部分がＶＢＬ　　と呼ばれるところである。いま述べた
ような方法でＶＢＬを作ると、必ず■ＶＢＬ３１とθＶ
ＢＬ３２が対になっている。ｅＶＢＬとｅＶＢＬが互い
に相隣り合って存在していると、それらは互いに再結合
しやすく、情報保持の安定性がよくない。第３図（ｂ）
は外部面内磁界Ｈ１ｐを加えておくことにより、第１、
第２の強磁性体膜２２、お内のストライプドメインヘッ
ド部のブロッホ磁壁磁化をＨ１ｐ方向に固定し、ｅＶＢ
Ｌと□ＶＢＬ再結合を防いでいる。しかし、実際の素子
では常にＨｌｐを加えておくことがＶＢＬ情報の安定性
の見地から不適当であることがわかっている。そこで、
ここではＨｉｐがなくてもＶＢＬ情報が安定化できるよ
うに、ＶＢＬ　のタイプを一種類にした。その際、読出
しライントランスファーゲートにレプリケータ機能を持
たせられることを考慮してｅＶＢＬを残すことにした。

次に、□ＶＢＬだけをマイナールーブの第１、第２の強
磁性体膜２２、ｎ内のストライフ。

ドメイン磁壁に残す方法を述べる。まず、第３図（ｄ）
に示す向きに）（ｉｐを加える。そうすると、ブロッホ
磁壁磁化をＨ１ｐ向きに向ける方が七゛−マンエネ、、
ギーを得するので、ｅＶＢＬがストライブドメインヘッ
ドにくる。この状態で、コンダクタ−２６，２７に互い
に逆向きにパルス電流Ｉｐ２を与え、ストライプドメイ
ンヘッドを第２図（ｅ）のよ徨こ切離す。そうすると、
ｅＶＢＬを切りとられたストライブドメインヘッドには
□ＶＢＬ３３が形成される。この（９ＶＢＬとマイナー
ルーズに残しておいたθ■ＢＬ３２の計２本の□ＶＢＬ
を対にしてビ゛ットを形成する。この一連の動作番こよ
り、書込みメジャーライン上の情報１０“をマイチール
レープ内番こｅＶＢＬの対３４としてトランスファーで
きた。同じ符号のＶＢＩ、は互いに近づいても安定に存
在する。書込みメジャーラインに）くプルが存在してＧ
）るところに対応するマイナーループのストライフ。

ドメインヘッドはバブルとの反発相互作用を利用してコ
ンダクタ−２７の右側にくるようにしておくと、第３図
に示す一連の動作ではそのストライプドメインヘッド状
態は不変である。した力３って、結果的に書込みメジャ
ーラインの情報′１“をマイナーループ内にＶＢＬ対が
なＧ１状態としてトランスファーしたことになる。なお
、トランスファーゲートで切りとった不用ノくプルは第
３図（ｆ）１こ示すように、コンダクタ−２４，２６に
平行ノー、６７レス電流■　を与えて、書込みメジャー
ラインへ移動さ３ せ、最後に消去する。

このようにして、第１、第２の強磁性体２２．２３内の
ストライブドメインにＶＢＬ対を形成することができる
。ここでＩｐｌ　、ｉｐ２　、ｉｐ３　　よりそれぞれ
小さな振幅の電流パルスＩｐ４、ｉｐ５、Ｉｐｓ　（ｉ
ｐ４＜Ｉｐｔ、Ｉｐｓ　＜　ＩＩ）２、ＩｐＧ＜　ＩＩ
）３　）をそれぞれ前に述べた手順でコンダクタ２５に
ｉｐ４を、コンタ゛クタ２６．２７にｉｐ５を、及びコ
ンダクタ２４．２６４こＩｐＧを印カロすることにより
、第１の強磁性体膜２２内のストライブドメインのみに
ＶＢＬ対を形成することりＳできる。

また、メジャーライン上にノくプルが存在するときのス
トライブドメインは第３図（ａ）（こ示す位置にではな
く、第３図（ｆ）に示す位置に安定化する。

したがって、メイジ七−ライン上のバブルの有無により
、マイナーループへのＶＢＬ対の形成を制御できること
ζこなる。

第１の強磁性体膜２２内のストライプドメインに既に形
成されているＶＢＬ対の消去は次のように行なわれる。

第４図はＶＢＬ対を消去するための動作手順を示す。第
１の強磁性体膜２２内のストライブドメインの消去した
いＶＢＬ対を第４図（ａ）に示すように書込みメジャー
ライン側のマイナーループのストライブドメインヘッド
の最近接位置におく。次に第４図（ｂ）及び（Ｃ）に示
すように面内砒界Ｈｉｐを加えて、消去したいＶｆ３Ｌ
対と、そのとなりのＶＢＬ対の片割れをストライブドメ
インヘッドにもってきて、情報書込みの際、プラスのＶ
ＢＬを切りとるために用いた平行コンダクタ−２６，２
７に逆方向の電流パルスＩｐ１を印加してストライブド
メインヘッドを切りとる。すると第４図（ｄ）のように
バブルドメインを切りとった後のストライブドメインヘ
ッドには、消去したいＶＢＬ対と共にもってきたＶＢＬ
がレプリケートされる。結局、消去したいＶＢＬ対のみ
が消去されることになる。

また、ｉｐ７より大きな振幅を有する電流パルスをコン
ダクタ２６．２７に印加することにより、第２の強磁性
体膜２３内のストライブドメインのＶＢＬ対も同時に消
去することができる。

第５図はマイナーループを構成するストライブドメイン
のブロッホ磁壁における断面図である。

マイナーループは非研性のサブストレイト２０上にガー
ネット等の２層の強磁性体膜で形成さｎ１第１の強磁性
体膜２２には記憶情報となるＶＢＬ対を保持し、非磁曲
体膜２■を介して第１の強磁性体膜２２に対向する第２
の強磁性体膜２３１こはＶＢＬ対が第３図（こ示した方
法で密につめられている。記憶情報を形成する第１の強
磁性体膜２２内のＶＢＬ対は、第２の強磁性体膜２３内
に密につめられた”ｖ’ＢＬ対との磁気的相互作用によ
り安定化される。第１の強磁性体膜２２と第２の強磁性
体膜２３内で異なる向きのＶＢＬ間には吸引力が作用し
、同方向のＶＢＬ　　間反発力が作用するため、第１の
強磁性体膜２２内のＶＢＬ対は第２の強磁性体膜お内の
ＶＢＬ対により安定にたもたれる。

第１の強磁性体膜２２におけるＶＢＬ対及びその空き部
分の移動は、第２の強磁性体膜２３内のＶ’ＢＬ対の移
動に同期して行なわれる。第５図では、第２の強磁性体
膜２３内のＶＢＬ対に対応する第１の強磁性体膜２２内
にＶＢＬ対がない場合を１０“、ある場合を１１−“と
する■〜■で示される’　１０１１１０１“の７ビツト
の情報が形成されている。このＶＢＬの間隔はＳ。以上
となり、ビット間隔すなわちＶＢＬ対の間隔は２Ｓｏ以
上となる。

第１の強磁性体膜２２内のＶＢＬ対を１ビツトずつ逐次
転送できるように、マイナーループを構成する第２の強
磁性体膜２３上にストライブドメインの長手方向と直角
方向に幅Ｓ。のパーマロイ薄膜の細線パターンを少なく
とも１本形成する。この細線パターンの両側に誘起され
る磁極とＶＢＬとの相互作用によって、第２の強磁性体
膜Ｚ３内のＶＢＬ対の１ビツト転送が可能となる。この
細線パターンは１ビツト毎に形成する必要はなく、マイ
ナーループ上に少なくとも１本あれば良い。このため、
細線パターンの形成精度によって、マイナーループ内の
ビット密度が制限さイ１．ず、著しく記憶容量を増大さ
せることが可能となる。

以上説明したように、本発明によりは、マイナーループ
上にパーマロイ細線パターンを１ビツト毎に形成する必
要はなく、この細線パターンの形成精度で記憶密度が制
限されず、極めて大容量の磁気記憶素子を実現すること
ができる。例えば、１μｍバブル材料を用いると、１ｃ
ｎＬ２チツプに約４００メガビツトの記憶情報を収容で
きることになる。

またマイナールーズのビット数は第２の強磁性体膜２３
′内のＶＢＬ対の個数となる。したがって、第２の強磁
性体膜ｎ内に２８ｏ以上の間隔で任意の個数のＶＢＬ対
を形成することにより、同一チップでの各マイナールー
プのビット数を任意に選ぶことが可能となる。こｎによ
り、高速のアクセス・タイムを必要とする応用に対して
はマイナーループのビット数を少なくシ、大容量を必要
とする応用に対してはマイナーループのビット数を大き
くすることが可能となる。このようにして、同一チップ
で種々の記憶容量を選択できる磁気記１．ハ累子を実現
でき、大量生産に伴なうコスト低減をもたらす。

なお、す、上の説明では上段の強磁性体膜２２ｔこ記憶
情報となるＶＢＬ対を格納したが、逆に下段の強磁性体
膜２３にそれを格納し、上段の強磁性体膜２２にＶＢＬ
対を密につめることも可能である。したがって、以上の
実施例での記述は何ら本発明の請求範囲を制限するもの
でない。

【図面の簡単な説明】

第３図は書込み手順の説明図、第４図は消去手順の説明
図、第５図はストライブドメインの断面図である。 １・・・発生器、２・・・マイナーループ、３バブル、
４・・・書込みトランスファーゲート、５・・・読出し
トランスファーゲート、６・・・検出器、２０・・・サ
ブストレイト、２１・・・非磁性体膜、２２・・・輿１
の強磁性体膜、２３・・・第２の強磁性体膜、２／１〜
２９・・・コンダクタパターン、３０・・・ストライプ
ヘッド部、３１〜３３・・・垂直プロッホライン、３４
・・・垂直プロツボライン対。 第　３ 第　１　図 躬２図 メジイーライン 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 情報読出し、書込み及び蓄積手段を備え、膜面に垂直な
   方向を磁化容易方向とする強磁性体膜に対を記憶情報単
   位として用い、該垂直プロッホラインをブロッホ磁壁内
   で転送する手段を有する磁気記憶素子において、記憶情
   報となる符号化された　“　　　　　　　　　　　−前
   記垂直プロッホライン対を支持する第１の強磁性体膜と
   、この第１の強磁性体膜に接する非磁性体膜と、この非
   磁性体膜を介して密につめられた前記垂直プロッホライ
   ン対を支持する第２の強磁性体膜とを含むことを特徴と
   する磁気記憶素子。