JP2025087204A - Data reading method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁壁運動に基づく情報の伝達を行う磁気メモリ素子からデータを読み出す方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for reading data from a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion.
情報量の飛躍的な増加に伴って、高密度で情報を記録することができるメモリ装置が必要とされている。そのようなメモリ装置として、現在はフラッシュメモリが広く用いられている。しかし、フラッシュメモリは、その動作原理上、酸化膜の劣化により書き込み可能回数が限られるという欠点や、情報の書き込みを繰り返す間に書き込み速度が遅くなるという欠点を有している。このことから、近年では、既存のフラッシュメモリの代わりとなる種々の磁気メモリが提案されている。 As the amount of information increases dramatically, there is a need for memory devices that can record information at high density. Currently, flash memory is widely used as such a memory device. However, due to the operating principle of flash memory, there are drawbacks in that the number of times it can be written is limited due to deterioration of the oxide film, and the writing speed slows down as information is repeatedly written. For this reason, various magnetic memories have been proposed in recent years as replacements for existing flash memory.
例えば特許文献1には、三次元の磁気メモリであるレーストラックメモリが開示されている。特許文献1のレーストラックメモリでは、強磁性体が磁区で区切られて、スタック状にまたは線状に配置されている。ビットは磁区毎に定義されており、データは磁区における磁化の向きにより記憶されている。強磁性体の細線(磁気ナノワイヤ)に電流を流すことにより磁壁を移動させる。これにより磁区における磁化が一斉に一方向に移動しデータが伝達される。
For example,
特許文献1に例示するような磁壁運動(domain wall motion)に基づくタイプの情報伝達方式には、磁壁移動の駆動電流が高いという問題や、磁壁移動の制御性が悪いという問題が依然として存在している。これに対し本発明者は、特許文献1と同様の磁壁運動に基づくタイプの情報伝達を行う磁気メモリ素子として、特許文献2および3に開示するような磁気メモリ素子を提案している。
In the information transmission method based on domain wall motion as exemplified in
特許文献2および3に開示する磁気メモリ素子の層構造によると、従来の磁気メモリ素子と比較して、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性が改善される。一方で、特許文献2および3では、記憶層からデータを読み出す方法の一例として破壊読み出しを例示している。破壊読み出しの方法では、記憶層からデータを読み出すと記憶層のデータは破壊される。磁壁運動に基づく情報の伝達を行うタイプの磁気メモリ素子において、データを読み出す方法をより洗練することが求められている。
The layer structure of the magnetic memory element disclosed in
本発明は、磁壁運動に基づく情報の伝達を行うタイプの磁気メモリ素子において、データを破壊することなく記憶層からデータを読み出すことを目的とする。 The present invention aims to read data from a storage layer in a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion without destroying the data.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を進めていたところ、複数のメモリセルが表すビット列とそのビット列に対応する応答信号の波形との間に、図5および図6に示すような対応関係があることを見出した。そしてこの対応関係に基づいて、複数のメモリセルを含む層構造から読み取った応答信号に対応するビット列を特定することができることを見出した。この際、層構造から応答信号を読み取っても、層構造に含まれるメモリセルのビットは破壊されない。 The inventors of the present invention have been conducting intensive research to solve the above problems, and have found that there is a correspondence relationship between the bit strings represented by multiple memory cells and the waveforms of the response signals corresponding to those bit strings, as shown in Figures 5 and 6. Based on this correspondence relationship, it has been found that it is possible to identify the bit strings corresponding to the response signals read from a layer structure including multiple memory cells. In this case, even if the response signals are read from the layer structure, the bits of the memory cells included in the layer structure are not destroyed.
すなわち、上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
(項1)
磁壁運動に基づく情報の伝達を行う磁気メモリ素子から、スピン状態で表されるデータを読み出す方法であって、
スピン状態が切り替え可能な複数の記憶層と、複数の前記記憶層間に配置されて磁壁を構成する境界層とを備える磁気メモリ素子の層構造にパルス電流を流す工程と、
前記パルス電流を流した前記層構造からの応答信号を読み取り、前記応答信号に基づいて、複数の前記記憶層のそれぞれについて前記スピン状態を特定する工程と、
を含む、磁気メモリ素子からデータを読み出す方法。
(項2)
前記スピン状態を特定する工程は、前記スピン状態の組合せと、複数の基準応答信号との対応関係に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する、項1に記載の方法。
(項3)
前記スピン状態を特定する工程は、
読み取った前記応答信号と、前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する指標を算出する工程と、
算出した前記指標に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する工程と、
を含む、項2に記載の方法。
(項4)
前記スピン状態を特定する工程は、
読み取った前記応答信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する工程をさらに含み、
前記指標を算出する工程は、
周波数領域の前記応答信号と、周波数領域の前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間の類似度に関する第1の指標を算出する工程と、
時間領域の前記応答信号と、時間領域の前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間の類似度に関する第2の指標を算出する工程と、
を含み、
前記組合せを特定する工程は、算出した前記第1の指標および前記第2の指標に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する、項3に記載の方法。
(項5)
前記第1の指標および前記第2の指標は相関係数である、項4に記載の方法。
(項6)
前記第1の指標は相関係数であり、前記第2の指標は位相差である、項4に記載の方法。
(項7)
磁壁運動に基づく情報の伝達を行う磁気メモリ素子から、スピン状態で表されるデータを読み出す装置であり、
スピン状態が切り替え可能な複数の記憶層と、複数の前記記憶層間に配置されて磁壁を構成する境界層とを備える磁気メモリ素子の層構造にパルス電流を流す電流源と、
前記パルス電流を流した前記層構造からの応答信号を読み取るセンサと、
前記応答信号に基づいて、複数の前記記憶層のそれぞれについて前記スピン状態を特定するスピン状態特定部と、
を備える、磁気メモリ素子からデータを読み出す装置。
(項8)
前記スピン状態特定部は、前記スピン状態の組合せと、複数の基準応答信号との対応関係に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する、項7に記載の装置。
(項9)
前記スピン状態特定部は、
読み取った前記応答信号と、前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する指標を算出する指標算出部と、
算出した前記指標に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する組合せ特定部と、
を備える、項8に記載の装置。
(項10)
前記スピン状態特定部は、
読み取った前記応答信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する信号変換部をさらに備え、
前記指標算出部は、
周波数領域の前記応答信号と、周波数領域の前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間の類似度に関する第1の指標を算出する第1指標算出部と、
時間領域の前記応答信号と、時間領域の前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間の類似度に関する第2の指標を算出する第2指標算出部と、
を備え、
前記組合せ特定部は、算出した前記第1の指標および前記第2の指標に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する、項9に記載の装置。
That is, in order to achieve the above object, the present invention includes, for example, the following aspects.
(Section 1)
A method for reading data represented by a spin state from a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion, comprising the steps of:
A step of passing a pulse current through a layer structure of a magnetic memory element including a plurality of memory layers whose spin states are switchable and boundary layers disposed between the plurality of memory layers and constituting a domain wall;
reading a response signal from the layer structure through which the pulse current has been passed, and identifying the spin state for each of the plurality of memory layers based on the response signal;
23. A method for reading data from a magnetic memory element, comprising:
(Section 2)
2. The method according to
(Section 3)
The step of identifying the spin state includes:
calculating an index of signal similarity between the read response signal and each of the plurality of reference response signals;
Identifying the combination of the spin states corresponding to the read response signal based on the calculated index;
(Section 4)
The step of identifying the spin state includes:
The method further includes converting the read response signal from a time domain signal to a frequency domain signal;
The step of calculating the index comprises:
calculating a first measure of similarity between the response signal in the frequency domain and each of the plurality of reference response signals in the frequency domain;
calculating a second measure of similarity between the response signal in the time domain and each of the plurality of reference response signals in the time domain;
Including,
4. The method according to
(Section 5)
(Section 6)
(Section 7)
An apparatus for reading data represented by a spin state from a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion,
a current source that supplies a pulse current to a layer structure of a magnetic memory element including a plurality of memory layers whose spin states are switchable and boundary layers that are disposed between the plurality of memory layers and form domain walls;
a sensor for reading a response signal from the layer structure to which the pulse current has been applied;
a spin state specifying unit that specifies the spin state for each of the plurality of memory layers based on the response signal;
1. An apparatus for reading data from a magnetic memory element, comprising:
(Section 8)
8. The device according to
(Section 9)
The spin state specifying unit is
an index calculation unit that calculates an index relating to a degree of similarity between the read response signal and each of the plurality of reference response signals;
a combination specifying unit that specifies a combination of the spin states corresponding to the read response signal based on the calculated index;
(Section 10)
The spin state specifying unit is
A signal conversion unit converts the read response signal from a time domain signal to a frequency domain signal,
The index calculation unit
a first index calculation unit that calculates a first index relating to a degree of similarity between the response signal in a frequency domain and each of the plurality of reference response signals in a frequency domain;
a second index calculation unit that calculates a second index relating to a degree of similarity between the response signal in the time domain and each of the plurality of reference response signals in the time domain;
Equipped with
10. The device according to
本発明によると、磁壁運動に基づく情報の伝達を行うタイプの磁気メモリ素子において、データを破壊することなく記憶層からデータを読み出すことができる。 According to the present invention, in a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion, data can be read from the storage layer without destroying the data.
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。 Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that in the following description and drawings, the same reference numerals indicate the same or similar components, and therefore, redundant descriptions of the same or similar components will be omitted.
本明細書において、用語「層」は、形成に用いる材料や、磁性および導電性等の物理的および化学的性質により他の層と区別される層のみを意味するのではなく、例えば単体の金属または合金等の或る材料の表面にまたは内部に、例えばスパッタリング等の方法により形成される膜や領域も意味する。特許請求の範囲に記載されている用語「層(layer)」は「膜(film)」および「領域(region)」を含む意味で解釈される。 In this specification, the term "layer" does not only mean a layer that is distinguished from other layers by the material used to form it or by physical and chemical properties such as magnetism and conductivity, but also means a film or region formed on the surface or inside a material, such as an elemental metal or alloy, by a method such as sputtering. The term "layer" in the claims is to be interpreted as including "film" and "region."
本実施形態においてデータを読み出す対象とする磁気メモリ素子は、磁壁運動に基づく情報の伝達を行うタイプの磁気メモリ素子である。以下では、このようなタイプの磁気メモリ素子の一例として、特許文献2に開示されている磁気メモリ素子を対象として、記憶層から非破壊でデータを読み出す方法の一例を説明する。
In this embodiment, the magnetic memory element from which data is read is a type of magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion. In the following, an example of a method for non-destructively reading data from a memory layer will be described for the magnetic memory element disclosed in
まずは図1を参照して、データ読み出しの対象とする磁気メモリ素子として、特許文献2に例示する磁気メモリ素子の構成について説明する。次に図2~図9を参照して、例示するこの磁気メモリ素子を対象として、記憶層から非破壊でデータを読み出す原理および方法について説明する。
[対象とする磁気メモリ素子の構成]
First, as a magnetic memory element from which data is to be read, the configuration of a magnetic memory element exemplified in
[Configuration of the Target Magnetic Memory Element]
図1は、データ読み出しの対象とする磁気メモリ素子の概略的な構成の一例を模式的に示す断面図である。 Figure 1 is a cross-sectional view showing an example of the general configuration of a magnetic memory element from which data is read.
本実施形態においてデータ読み出しの対象とする磁気メモリ素子10は、複数の記憶層1(1a~1d)と、複数の境界層2(2a~2d)と、第1の強磁性層3と、第1の電極4と、絶縁膜5と、第2の強磁性層6と、第2の電極7と、を備える。例示する磁気メモリ素子10では、第1の強磁性層3と、複数の境界層2および複数の記憶層1の層構造9と、絶縁膜5と、第2の強磁性層6とが図中下側から順番に、第1の電極4と第2の電極7との間に積層された三次元構造を有している。
In this embodiment, the
複数の記憶層1(1a~1d)は、スピン状態が切り替え可能な層である。例示する磁気メモリ素子10では、記憶層1は強磁性層である。図示する態様では、スピン状態は、スピンの矢印が例えば上向きまたは下向きの2つの状態を有することができ、一つの記憶層1は、1ビットのバイナリ情報を記憶するメモリセルとして機能する。例示的には、記憶層1は、鉄およびコバルト等の単体の金属や、これらの金属の合金である例えばFe1-xNix,Fe1-xCox,Co1-xPtx,CoFeBを用いて形成することができる。ここで、xは合金の組成比であり、0<x<1の範囲の値をとる。
The multiple storage layers 1 (1a to 1d) are layers whose spin state can be switched. In the illustrated
境界層2は、複数の記憶層1間に配置されて磁壁を構成する。図示する態様では、境界層2のスピン状態は、スピンの矢印が例えば上向き、下向き、および横向きの3つの状態を有することができる。境界層2に磁壁が構成されている場合、境界層2のスピン状態は横向きの矢印で表される。なお説明の便宜上、スピンの矢印が横向きの状態は右向きのみとする。例示する磁気メモリ素子10では、境界層2は非磁性体を用いて形成されている。例示的には、境界層2の非磁性体には、銅および白金等の強磁性体ではない単体の金属や、後述するように組成が制御されたコバルトと白金との合金を用いることができる。例示する磁気メモリ素子10において、境界層2は非磁性体であっても、その厚さが薄くされているので、境界層2に隣接する強磁性層(記憶層1または第1の強磁性層3)の影響により、近接効果により交換スティフネス定数が弱い強磁性体になる。
The
層構造9において、一つの境界層2と、この境界層2を挟む一対の記憶層1(1a,1b)とに着目して説明する。例示する磁気メモリ素子10の層構造9では、境界層2は、複数の記憶層1間に強磁性相互作用(Magnetic Stiffness)Aexを生じさせる。より詳細には、境界層2は、複数の記憶層1間に強磁性相互作用Aexを生じさせる厚さまたは組成を有している。強磁性相互作用Aexとは、スピンの向きを揃えるための相互作用である。複数の記憶層1間に強磁性相互作用Aexが生じていることにより、磁気メモリ素子10において、磁壁移動に要する駆動電流や磁壁移動の制御性は改善される。なお、強磁性相互作用Aexは、境界層2を挟む記憶層1aと第1の強磁性層3との間にも生じている。
In the
境界層2の非磁性体に単体の金属を用いる場合には、境界層2は、複数の記憶層1間に強磁性相互作用Aexを生じさせる厚さの単体の金属を用いて形成する。例えば銅を用いて境界層2を形成する場合、好ましくは、境界層2の厚さは銅原子が1個分~3個分の範囲内の厚さである。より好ましくは、境界層2の厚さは銅原子が1個分~2個分の範囲内の厚さである。例えば白金を用いて境界層2を形成する場合、好ましくは、境界層2の厚さは白金原子が1個分~4個分の範囲内の厚さである。より好ましくは、境界層2の厚さは白金原子が1個分~3個分の範囲内の厚さである。
When a simple metal is used as the non-magnetic material of the
境界層2の非磁性体に合金を用いる場合には、境界層2は、複数の記憶層1間に強磁性相互作用Aexを生じさせる組成の合金を用いて形成する。境界層2の形成に用いる合金の組成比を制御することにより、複数の記憶層1間に生じる強磁性相互作用Aexの大きさを制御する。キュリー温度Tcは、強磁性体が常磁性体に変化する転移温度であることから、合金のキュリー温度Tcを制御することにより、合金が強磁性体の性質を示すのか常磁性体(つまり非磁性体)の性質を示すのかを制御することができる。キュリー温度Tcと強磁性相互作用Aexとは比例する。一方で、合金のキュリー温度Tcは合金の組成比を制御することにより制御することができる。例えば、S. A. Ahern, M. J. C. Martin and Willie Sucksmith, “The spontaneous magnetization of nickel + copper alloys”, Proc. Math. Phys. Eng. Sci., United Kingdom, The Royal Society, 11 November 1958, Volume 248, Issue 1253, p.145-152, https://doi.org/10.1098/rspa.1958.0235 の Fig.3 には、Ni1-xCux合金におけるキュリー温度Tcの組成依存性が記載されている。この文献に例示されているNi1-xCux合金に限らず、Co1-xPtx合金についても同様の制御が適用可能である。よって、境界層2の形成に用いる合金の組成比を制御することにより、合金のキュリー温度Tcを制御して、合金が強磁性体および常磁性体のどちらの性質を示すのかを制御することができ、これにより強磁性相互作用Aexの大きさを制御することができる。
When an alloy is used for the non-magnetic material of the
第1の強磁性層3は、スピン状態が切り替え可能な強磁性層である。第1の強磁性層3は、層構造9中の図中下側に位置する記憶層1aの側に、境界層2を挟んで配置される。第1の強磁性層3は、記憶層1aに1ビットのバイナリ情報を書き込むための層として機能する。例示的には、第1の強磁性層3は、コバルトと白金との合金や、鉄とニッケルとの合金を用いて形成することができる。第1の強磁性層3の材料には、磁気抵抗メモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)でいうところの磁化固定層に用いる種々の材料を用いることができる。
The first
第1の強磁性層3は、記憶層1よりも高い保磁力を有している。例えば次の3つの条件の少なくともいずれかを満たしている場合には、第1の強磁性層3は記憶層1よりも高い保磁力を有している。第1の条件は、第1の強磁性層3と記憶層1とが同じ材料を用いて形成されている場合であっても、第1の強磁性層3が記憶層1よりも厚く形成されていることである。第2の条件は、第1の強磁性層3の厚さと記憶層1の厚さとが同じであっても、第1の強磁性層3が記憶層1よりも高い磁気異方性を有する材料を用いて形成されていることである。第3の条件は、第1の強磁性層3の厚さが記憶層1の厚さよりも薄い場合であっても、第1の強磁性層3が記憶層1よりも十分に高い磁気異方性を有する材料を用いて形成されており、結果として、第1の強磁性層3の保磁力が記憶層1よりも高い場合である。
The first
第1の電極4は、第1の強磁性層3に隣接して配置され、スピン軌道トルクにより第1の強磁性層3のスピン状態を切り替える。第1の電極4は、スピン軌道トルク(SOT)層41と、スピン軌道トルク層41に電気的に接続される2つの底部電極42(42a,42b)とを備えている。
The
第1の電極4の端子21と端子22との間に、第1の強磁性層3のスピン状態を切り替えるための駆動電流を流すことにより、図中に一点鎖線で示す書込電流Iwがスピン軌道トルク層41に流れ、スピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルクにより、第1の強磁性層3のスピン状態が切り替えられる。第1の強磁性層3のスピン状態は、書込電流Iwの向きに応じて決定される。例示する磁気メモリ素子10では、書込電流Iwはパルス状である。例示的には、スピン軌道トルク層41は、白金等の重金属を用いて形成することができる。底部電極42は、例えば金および銅等の種々の導電体金属を用いて形成することができる。
By passing a drive current between the
絶縁膜5および第2の強磁性層6は、層構造9中の図中上側に位置する記憶層1dと組み合わされて、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)として機能する。記憶層1dは磁気トンネル接合の自由層として機能する。
The insulating
絶縁膜5は、磁気トンネル接合のトンネル層として機能する。絶縁膜5は、層構造9中の図中上側に位置する記憶層1dと第2の電極7との間に配置される。第2の強磁性層6は、スピン状態が固定(図示する態様では矢印の上向き)された層であり、磁気トンネル接合の固定層として機能する。例示する磁気メモリ素子10では、第2の強磁性層6のスピン状態は、スピンの矢印が上向きの状態に固定されていることとする。第2の強磁性層6は、絶縁膜5と第2の電極7との間に配置される。絶縁膜5は、例えば酸化マグネシウム(MgO)等の酸化膜を用いて形成することができる。第2の強磁性層6は、例えばコバルトと鉄とホウ素との合金であるCoFeBを用いて形成することができる。第2の強磁性層6の材料には、MRAMでいうところの磁化固定層に用いる種々の材料を用いることができる。
The insulating
第2の電極7は、図中上側に位置する記憶層1dの側に、第2の強磁性層6に隣接して配置される。第2の電極7の端子23と、第1の電極4の端子21および端子22のいずれか一方との間に、磁壁を移動させるための駆動電流を流すことにより、図中に二点鎖線で示す磁壁駆動電流Idが、第2の電極7と第1の電極4との間を流れる。これにより、第2の電極7と第1の電極4との間に位置する複数の境界層2(2a~2d)において磁壁を移動させることができ、複数の記憶層1(1a~1d)におけるそれぞれのスピン状態を、レーストラック式にシフトして順次移行することができる。例示する磁気メモリ素子10では、磁壁駆動電流Idはパルス状である。例示的には、第2の電極7は、金および銅等の種々の導電体金属を用いて形成することができる。
[データ読み出しの原理]
The
[Principle of data reading]
図2は、本発明の一実施形態に係るデータ読み出し方法の原理を説明するための図である。 Figure 2 is a diagram for explaining the principle of a data reading method according to one embodiment of the present invention.
以下の例では、磁気メモリ素子10は4つのメモリセル(セルNo.1~セルNo.4)を備えており、合計で4ビットのバイナリ情報を記憶する。説明の便宜上、スピンの矢印が下向きの状態が値「0」を意味し、上向きの状態が値「1」を意味することとする。
In the following example, the
またビット列とは、複数のメモリセルのそれぞれが表す1ビットのバイナリ情報の並びを意味し、図1に示す層構造9に含まれる複数の記憶層1(1a~1d)のそれぞれが示すスピン状態(値「0」または値「1」)の組合せ(または並び)を意味する。
A bit string refers to a sequence of 1 bit of binary information represented by each of multiple memory cells, and refers to a combination (or sequence) of the spin states (value "0" or value "1") represented by each of the multiple memory layers 1 (1a to 1d) included in the
図2を参照する。4つのメモリセルが表すビット列は、(A)および(B)に示す例では[0010]であり、(C)に示す例では[1010]である。4つのメモリセルが表すビット列は、(A)および(B)に示すものと(C)に示すものとで異なっている。 Refer to FIG. 2. The bit string represented by the four memory cells is [0010] in the example shown in (A) and (B), and [1010] in the example shown in (C). The bit string represented by the four memory cells is different between (A) and (B) and that shown in (C).
一実施形態に係るデータ読み出し方法は、磁気メモリ素子10から非破壊でデータを読み出す方法である。一実施形態に係るデータ読み出し方法では、図2の(A)に示すように、複数のメモリセルが表すビット列が或る状態(例えば図示する[0010])にある磁気メモリ素子10の層構造9にパルス電流を流す。パルス電流は、図中に二点鎖線で示すように第2の電極7と第1の電極4との間を流れる。パルス電流の大きさは、図1を参照して説明した磁壁駆動電流Idよりも弱く、複数の境界層2のそれぞれに構成されている磁壁を移動させない強さである。例示的には、層構造9に流すパルス電流の波形は矩形であり、パルスの長さは約1ns(ナノ秒)である。層構造9にパルス電流を流すと、図2の(B)に示すように、スピントルク効果によって層構造9に磁化ダイナミクスが誘起される。磁化ダイナミクスが誘起されることにより、層構造9内に含まれるいくつかの記憶層1および境界層2内のスピンは例えば歳差運動を行う。
The data reading method according to one embodiment is a method for non-destructively reading data from a
一方で、図2の(C)に示すように、複数のメモリセルが表すビット列が図2の(A)に示す状態[0010]とは異なる状態(例えば図示する[1010])にある磁気メモリ素子10の層構造9にパルス電流を流しても、図2の(B)に示す例と同様に、スピントルク効果によって層構造9に磁化ダイナミクスが誘起される。ここで、誘起される磁化ダイナミクスについて着目する。層構造9に含まれる複数のメモリセルが表すビット列は(B)に示すものと(C)に示すものとで異なっているので、その結果、スピントルク効果によって層構造9に誘起される磁化ダイナミクスも、(B)に示すものと(C)に示すものとで異なってくる。層構造9に誘起された磁化ダイナミクスは、時間の経過に伴って変化し減衰する。
On the other hand, as shown in FIG. 2C, even if a pulse current is passed through the
すなわち、層構造9にパルス電流を流して、層構造9からの応答信号を読み取ると、読み取った応答信号には、層構造9内のビット列の違いに起因する磁化ダイナミクスの違いが反映されている。これにより、層構造9からの応答信号に基づいて、層構造9を特定するすなわち層構造9に含まれている複数のメモリセルが表すビット列を特定することが可能である。
That is, when a pulse current is passed through the
次に、4つのメモリセルが表すビット列を具体的にいくつか例示して、これら異なるビット列を層構造9からの応答信号を用いて区別することが可能であることを説明する。
Next, we will provide some specific examples of bit strings represented by the four memory cells and explain how these different bit strings can be distinguished using the response signal from
図3および図4は、メモリセルが4つの場合について行ったシミュレーションの結果を説明するための図である。(A)はシミュレーションに用いた磁気メモリ素子の層構造を模式的に表す図である。(B)は時間領域の応答信号のシミュレーション結果であり、(C)は周波数領域の応答信号のシミュレーション結果である。 Figures 3 and 4 are diagrams for explaining the results of a simulation performed for the case of four memory cells. (A) is a diagram showing a schematic representation of the layer structure of the magnetic memory element used in the simulation. (B) is the simulation result of the response signal in the time domain, and (C) is the simulation result of the response signal in the frequency domain.
図3の(A)および図4の(A)に示すように、図3に示す例と図4に示す例とでは、4つのメモリセルが表すビット列は異なっている。4つのメモリセルが表すビット列は、図3に示す例では[0001]であり、図4に示す例では[0010]である。 As shown in FIG. 3A and FIG. 4A, the bit strings represented by the four memory cells are different in the example shown in FIG. 3 and the example shown in FIG. 4. The bit string represented by the four memory cells is [0001] in the example shown in FIG. 3, and [0010] in the example shown in FIG. 4.
(B)に示す信号は、層構造9にパルス電流を流したときの層構造9からの応答信号である。層構造9から読み取られる応答信号は、時間の経過とともに信号強度が変化する信号、すなわち時間領域の応答信号である。(B)に示す信号は、磁気メモリ素子10に設けられた磁気トンネル接合を用いて読み取ることができる。図1に示す層構造9の例では、磁気トンネル接合を構成する絶縁膜5および第2の強磁性層6が、層構造9の図中上側に設けられている。図3の(B)および図4の(B)に示すように、層構造9内のビット列の違いに起因して、層構造9から読み取られる時間領域の応答信号は、図3に示す例と図4に示す例とで異なっている。
The signal shown in (B) is a response signal from the
(C)に示す信号は、(B)に示す時間領域の応答信号を例えばフーリエ変換により周波数領域に変換した、周波数領域の応答信号である。図3の(C)および図4の(C)に示すように、周波数領域の応答信号についても時間領域の応答信号と同様に、層構造9内のビット列の違いに起因して、周波数領域の応答信号は図3に示す例と図4に示す例とで異なっている。
The signal shown in (C) is a frequency domain response signal obtained by converting the time domain response signal shown in (B) into the frequency domain, for example by a Fourier transform. As shown in (C) of FIG. 3 and (C) of FIG. 4, the frequency domain response signal is different between the example shown in FIG. 3 and the example shown in FIG. 4, as with the time domain response signal, due to differences in the bit sequence within
このように、ビット列[0001]とビット列[0010]とで時間領域の応答信号を比較すると、これら時間領域の応答信号は全く異なる時間依存性を示している。したがって、時間領域の応答信号の違いに基づいて、層構造9内に含まれている異なるビット列を区別することが可能である。同様に、ビット列[0001]とビット列[0010]とで周波数領域の応答信号を比較すると、これら周波数領域の応答信号も全く異なる周波数依存性を示している。したがって、周波数領域の応答信号の違いに基づいて、層構造9内に含まれている異なるビット列を区別することも可能である。なお、図3の(B)および(C)と図4の(B)および(C)とで対比して示すように、時間領域の応答信号を用いるよりも周波数領域の応答信号を用いる方が、より精度良くビット列を区別することが可能である。
In this way, when the response signals in the time domain of the bit string [0001] and the bit string [0010] are compared, these time domain response signals show completely different time dependencies. Therefore, it is possible to distinguish different bit strings contained in the
次に、4つのメモリセルが表すビット列の全ての組合せについて、これら異なるビット列を、層構造9からの応答信号を用いて区別することが可能であることを説明する。
Next, we will explain how it is possible to distinguish between all combinations of bit strings represented by the four memory cells using the response signal from
図5および図6は、4つのメモリセルが表すビット列の全ての組合せとそれに対応する応答信号との対応関係を示す図である。図5および図6には、両図の合計で24=16通りのビット列の組合せのそれぞれについて、ビット列とそのビット列に対応する応答信号の波形との対応関係を示している。なお図5および図6では、目視による比較を可能にして発明の理解を促進するために、メモリセルが表すビット列と応答信号との対応関係は、応答信号が周波数領域の応答信号である場合について例示している。 5 and 6 are diagrams showing the correspondence between all combinations of bit strings represented by four memory cells and the corresponding response signals. In both diagrams, the correspondence between the bit strings and the waveforms of the response signals corresponding to the bit strings is shown for each of the total of 2 4 = 16 combinations of bit strings. In addition, in order to facilitate visual comparison and understanding of the invention, the correspondence between the bit strings represented by the memory cells and the response signals is shown as an example in the case where the response signals are frequency domain response signals.
図5には、ビット列と応答信号との対応関係が8つ示されており、これら8つの対応関係については、8つの応答信号の波形が互いに異なっている。したがって、図5に示す8つの応答信号のそれぞれの波形を基準応答信号とし、この基準応答信号とビット列との対応関係を予め準備しておけば、このような基準応答信号とビット列との対応関係に基づいて、層構造9から読み取った応答信号に対応するビット列を特定することができる。層構造9から読み取った応答信号と基準応答信号とのマッチングは、例えば信号の類似度を算出することにより行うことができる。信号の類似度に関する指標としては、例えば相互相関係数や、信号の位相差の大きさなどを用いることができる。
Figure 5 shows eight correspondences between bit strings and response signals, and the waveforms of the eight response signals for these eight correspondences are different from one another. Therefore, if each waveform of the eight response signals shown in Figure 5 is used as a reference response signal and the correspondences between these reference response signals and bit strings are prepared in advance, it is possible to identify the bit string corresponding to the response signal read from the
図6に示す8つの対応関係についても図5に示す例と同様に、8つの応答信号の波形が互いに異なっている。したがって、基準応答信号とビット列との予め準備した対応関係に基づいて、層構造9から読み取った応答信号に対応するビット列を特定することができる。
As with the example shown in FIG. 5, the eight correspondence relationships shown in FIG. 6 have different waveforms for the eight response signals. Therefore, based on the previously prepared correspondence relationships between the reference response signals and the bit strings, it is possible to identify the bit strings that correspond to the response signals read from the
このように、基準応答信号とビット列との対応関係(図示する例では16通り)を予め準備しておき、予め準備しておいた基準応答信号と、層構造9から読み取った応答信号との間で信号の類似度を算出する。その後、算出した類似度に基づいて、層構造9から読み取った応答信号に対応する基準応答信号を一つ特定し、その特定した基準応答信号に対応するビット列を特定する。これにより、層構造9からの応答信号に対応するビット列を特定することが可能である。
In this way, correspondences between reference response signals and bit strings (16 in the illustrated example) are prepared in advance, and the signal similarity is calculated between the prepared reference response signals and the response signals read from the
一方で、図5に示す対応関係と図6に示す対応関係とを参照すると、ビット列は異なるものの、周波数領域の応答信号の波形が類似または概ね一致する場合が存在する。例えば図5に示すビット列[0001]と図6に示すビット列[1110]とを参照すると、ビット列は異なるものの、周波数領域の応答信号の波形は概ね同じである。このような場合、層構造9から読み取った時間領域の応答信号を周波数領域に変換し、変換後の周波数領域の応答信号を、予め準備しておいた周波数領域の基準応答信号と比較するだけでは、読み取った応答信号に対応するビット列を一意に特定することができない。
On the other hand, when referring to the correspondence relationship shown in FIG. 5 and the correspondence relationship shown in FIG. 6, there are cases where the waveforms of the response signals in the frequency domain are similar or roughly the same, even though the bit strings are different. For example, when referring to the bit string [0001] shown in FIG. 5 and the bit string [1110] shown in FIG. 6, the waveforms of the response signals in the frequency domain are roughly the same, even though the bit strings are different. In such cases, it is not possible to uniquely identify the bit string corresponding to the read response signal by simply converting the time domain response signal read from the
このような場合は、次に説明するように、ビット列の特定に周波数領域の応答信号だけではなく時間領域の応答信号も用いることにより、層構造9から読み取った応答信号に対応するビット列を一意に特定することが可能である。
In such a case, as described below, by using not only the frequency domain response signal but also the time domain response signal to identify the bit string, it is possible to uniquely identify the bit string corresponding to the response signal read from the
図7および図8は、周波数領域の応答信号が類似または概ね一致する場合に、4つのメモリセルが表すビット列を区別して特定する方法を説明するための図である。(A)はシミュレーションに用いた磁気メモリ素子の層構造を模式的に表す図である。(B)は時間領域の応答信号のシミュレーション結果であり、(C)は周波数領域の応答信号のシミュレーション結果である。(D)は、磁気トンネル接合を構成するメモリセル(セルNo.4の記憶層1d)の抵抗値のシミュレーション結果である。
Figures 7 and 8 are diagrams for explaining a method for distinguishing and identifying bit strings represented by four memory cells when the response signals in the frequency domain are similar or roughly the same. (A) is a diagram showing a schematic representation of the layer structure of a magnetic memory element used in the simulation. (B) is a simulation result of the response signal in the time domain, and (C) is a simulation result of the response signal in the frequency domain. (D) is a simulation result of the resistance value of a memory cell (
4つのメモリセルが表すビット列は、図7に示す例では[0001]であり、図8に示す例では[1110]である。図7に示す例と図8に示す例とでは、4つのメモリセルが表すビット列は異なっているものの、図7の(C)および図8の(C)に示すように、周波数領域の応答信号の波形は類似または概ね一致する。このような場合、ビット列の特定に周波数領域の応答信号を用いるだけでは、層構造9から読み取った応答信号に対応するビット列を一意に特定することができない。
The bit string represented by the four memory cells is [0001] in the example shown in FIG. 7, and [1110] in the example shown in FIG. 8. Although the bit strings represented by the four memory cells are different in the example shown in FIG. 7 and the example shown in FIG. 8, as shown in (C) of FIG. 7 and (C) of FIG. 8, the waveforms of the response signals in the frequency domain are similar or roughly the same. In such a case, simply using the response signal in the frequency domain to identify the bit string cannot uniquely identify the bit string corresponding to the response signal read from
このような場合、一実施形態に係るデータ読み出し方法では、ビット列の特定に周波数領域の応答信号だけではなく時間領域の応答信号も用いる。これにより、層構造9から読み取った応答信号に対応するビット列を一意に特定することが可能である。
In such a case, in one embodiment of the data reading method, not only the response signal in the frequency domain but also the response signal in the time domain is used to identify the bit string. This makes it possible to uniquely identify the bit string corresponding to the response signal read from the
上記したように、周波数領域の応答信号の波形は、図7に示す例と図8に示す例とで類似または概ね一致するものの、図7の(B)および図8の(B)に示すように、時間領域の応答信号の波形には違いが生じている。具体的には、図7に示す例と図8に示す例とでは、時間領域の応答信号について位相差が発生している。より具体的には、図7に示す例と図8に示す例とでは、時間領域の応答信号について位相が反転している。位相が反転する理由は、磁気トンネル接合を構成する、層構造9中の図中上側に位置するメモリセル(セルNo.4の記憶層1d)におけるスピン状態の違いが、層構造9から読み取った時間領域の応答信号に反映されているからである。このことは、図7の(D)に示す、磁気トンネル接合を構成するメモリセルの抵抗値のシミュレーション結果が、図7の(B)に示す時間領域の応答信号のシミュレーション結果に対応することからも理解することができる。図8についても図7と同様に、(D)に示すシミュレーション結果が(B)に示すシミュレーション結果に対応している。
[データ読み出しの手順]
As described above, the waveforms of the response signals in the frequency domain are similar or almost the same in the example shown in FIG. 7 and the example shown in FIG. 8, but there is a difference in the waveforms of the response signals in the time domain as shown in FIG. 7B and FIG. 8B. Specifically, a phase difference occurs in the response signals in the time domain between the example shown in FIG. 7 and the example shown in FIG. 8. More specifically, the phase of the response signals in the time domain is inverted between the example shown in FIG. 7 and the example shown in FIG. 8. The reason for the phase inversion is that the difference in the spin state in the memory cell (
[Data reading procedure]
図9は、本発明の一実施形態に係るデータ読み出し方法の手順を説明するためのフローチャートである。 Figure 9 is a flowchart illustrating the steps of a data reading method according to one embodiment of the present invention.
本実施形態においてデータ読み出しの対象とする磁気メモリ素子は、図1を参照して説明した構成を有する磁気メモリ素子10である。磁気メモリ素子10は、スピン状態が切り替え可能な複数の記憶層1と、複数の記憶層1間に配置されて磁壁を構成する境界層2とを備えている。
In this embodiment, the magnetic memory element from which data is read is a
一実施形態に係るデータ読み出し方法では、複数のメモリセルが表すビット列を、周波数領域の応答信号と時間領域の応答信号とを用いて特定する。図5および図6を参照して説明した基準応答信号とビット列との対応関係は、本実施形態に係るデータ読み出し方法を実施する前に予め準備しておくこととする。 In one embodiment of the data read method, the bit strings represented by the multiple memory cells are identified using a response signal in the frequency domain and a response signal in the time domain. The correspondence between the reference response signal and the bit strings described with reference to Figures 5 and 6 is prepared in advance before implementing the data read method according to this embodiment.
なお本実施形態では、上記したように、複数のメモリセルが表すビット列を、周波数領域の応答信号と時間領域の応答信号とを用いて特定するため、基準応答信号に関して予め準備しておく上記した対応関係も、周波数領域の応答信号とビット列との対応関係に関する第1のセットと、時間領域の応答信号とビット列との対応関係に関する第2のセットとの合計2セットを準備しておく。例えば磁気メモリ素子10が合計で4ビットのバイナリ情報を記憶する場合、必要となるメモリセルの数は図示するように4つであり、この場合、予め準備しておく第1のセットの数は24=16個であり、予め準備しておく第2のセットの数は24=16個である。
In this embodiment, as described above, the bit strings represented by the multiple memory cells are identified using the response signal in the frequency domain and the response signal in the time domain, so that the above-mentioned correspondence relationships prepared in advance for the reference response signal are prepared in total of two sets, a first set relating to the correspondence relationship between the response signal in the frequency domain and the bit string, and a second set relating to the correspondence relationship between the response signal in the time domain and the bit string. For example, when the
ステップS1において、データ読み出しの対象とする磁気メモリ素子の層構造にパルス電流を流す。磁気メモリ素子10の層構造9にパルス電流が流されることにより、層構造9には、スピントルク効果に基づく磁化ダイナミクスが誘起される。
In step S1, a pulse current is passed through the layer structure of the magnetic memory element from which data is to be read. When a pulse current is passed through the
ステップS2において、パルス電流を流した層構造からの応答信号を読み取る。本実施形態では、時間領域の応答信号を層構造9から読み取る。応答信号には、層構造9内のビット列の違いに起因する磁化ダイナミクスの違いが反映されている。
In step S2, a response signal is read from the layer structure through which the pulse current has been passed. In this embodiment, a time domain response signal is read from the
ステップS3において、S2において読み取った応答信号を、時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する。本実施形態では、層構造9から読み取った時間領域の応答信号をフーリエ変換することにより、周波数領域の応答信号に変換する。
In step S3, the response signal read in S2 is converted from a time domain signal to a frequency domain signal. In this embodiment, the time domain response signal read from the
ステップS4において、S3において変換された周波数領域の応答信号と、予め準備しておいた周波数領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する第1の指標を算出する。本実施形態では、第1の指標は相互相関係数である。二つの異なる信号に対して相互相関解析を行う方法は公知であるので、本明細書におけるこれ以上の詳細な説明は省略する。 In step S4, a first index of signal similarity is calculated between the frequency domain response signal converted in S3 and each of a plurality of reference frequency domain response signals prepared in advance. In this embodiment, the first index is a cross-correlation coefficient. Since a method for performing cross-correlation analysis on two different signals is well known, further detailed explanation is omitted in this specification.
ステップS5において、S2において読み取った時間領域の応答信号と、予め準備しておいた時間領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する第2の指標を算出する。本実施形態では、第2の指標は位相差である。二つの異なる信号間の位相差を算出する方法には種々の方法がありそれらはいずれも公知であるので、本明細書におけるこれ以上の詳細な説明は省略する。 In step S5, a second index of signal similarity is calculated between the time-domain response signal read in S2 and each of a plurality of time-domain reference response signals prepared in advance. In this embodiment, the second index is a phase difference. There are various methods for calculating the phase difference between two different signals, and all of these methods are publicly known, so further detailed explanation is omitted in this specification.
ステップS6において、ステップS4およびS5において算出した、信号の類似度に関する第1の指標および第2の指標に基づいて、S2において読み取った時間領域の応答信号に対応するビット列を特定する。まず、図3~図8を参照して説明したように、信号の類似度に関する指標に基づいて、S2において読み取った時間領域の応答信号に最も確かに対応する基準応答信号を一つ特定する。次に、予め準備しておいた基準応答信号とビット列との対応関係に基づいて、その特定した基準応答信号に対応するビット列を特定する。これにより、層構造9から読み取った応答信号に対応するビット列を一意に特定する。特定したビット列は、層構造9に含まれる複数のメモリセルが表すビット列であり、これら複数のメモリセルが表すスピン状態の組合せである。
In step S6, a bit string corresponding to the time domain response signal read in S2 is identified based on the first and second indices of signal similarity calculated in steps S4 and S5. First, as described with reference to Figures 3 to 8, one reference response signal that most certainly corresponds to the time domain response signal read in S2 is identified based on the indices of signal similarity. Next, a bit string corresponding to the identified reference response signal is identified based on the correspondence between the reference response signal and the bit string that has been prepared in advance. This uniquely identifies the bit string corresponding to the response signal read from the
以上、本発明の一実施形態に係るデータ読み出し方法によると、記憶層(メモリセル)のデータを破壊することなく、記憶層からデータを読み出すことができる。
[データ読み出し装置]
As described above, according to the data reading method according to one embodiment of the present invention, data can be read from the memory layer (memory cell) without destroying the data in the memory layer.
[Data Readout Device]
図10は、本発明の一実施形態に係るデータ読み出し装置の概略的な構成を模式的に示す図である。 Figure 10 is a diagram showing a schematic configuration of a data reading device according to one embodiment of the present invention.
一実施形態に係るデータ読み出し装置20は、磁気メモリ素子10から、スピン状態で表されるデータを読み出す装置であり、電流源24と、センサ25と、スピン状態特定部29とを備える。スピン状態特定部29は、例えば種々の半導体集積回路および電気回路を用いて実装することができる。
The
電流源24は、磁気メモリ素子10の第2の電極7から第1の電極4に、データ読み出し用のパルス電流を流す。センサ25は、磁気メモリ素子10の層構造9を流れる電流の電流値を測定する。電流源24、センサ25およびスピン状態特定部29は、メモリコントローラ26に接続されている。メモリコントローラ26は、これら電流源24、センサ25およびスピン状態特定部29の動作を制御することにより、図2~図9を参照して説明した、磁気メモリ素子10からのデータ読み出し動作を制御する。スピン状態特定部29を介して読み取られるデータは、データバス27を通じて送受信される。電流源24から磁気メモリ素子10の第1の電極4および第2の電極7への接続は、例えばスイッチ28a,28bを用いて切り替えられる。スイッチ28a,28bの動作は、例えばメモリコントローラ26により制御される。磁気メモリ素子10は、複数がアレイ状に配置されてメモリアレイを構成することができる。
The
電流源24は、データ読み出しの対象とする磁気メモリ素子10の層構造9に、データ読み出し用のパルス電流を流して、スピントルク効果に基づく磁化ダイナミクスを層構造9に誘起する。センサ25は、パルス電流が流された層構造9からの応答信号を読み取る。
The
スピン状態特定部29は、センサ25が読み取った応答信号に基づいて、複数のメモリセルが表すビット列を特定する。本実施形態では、スピン状態特定部29(29a)は、信号変換部291と、第1指標算出部292と、バンドパスフィルタ293と、第2指標算出部294と、組合せ特定部295と、基準データ保持部299とを備える。なお、第1指標算出部292と第2指標算出部294とは一体化して構成され、指標算出部を構成してもよい。図11を参照して後述するように、他の実施形態では、スピン状態特定部29(29b)は、バンドパスフィルタ293および第2指標算出部294を備えない構成にすることができる。
The spin
信号変換部291は、センサ25により読み取った応答信号を、時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する。本実施形態では、層構造9から読み取った時間領域の応答信号をフーリエ変換する。この場合、信号変換部291はフーリエ変換部291と呼ぶことができる。
The
第1指標算出部292は、信号変換部291において変換された周波数領域の応答信号と、予め準備しておいた周波数領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する第1の指標を算出する。本実施形態では、第1の指標は相互相関係数である。算出した第1の指標は、後段の回路である組合せ特定部295に入力する。
The first
また、センサ25により読み取った応答信号は、本実施形態ではバンドパスフィルタ293を介して第2指標算出部294に入力される。
In addition, in this embodiment, the response signal read by the
第2指標算出部294は、センサ25により読み取った応答信号と、予め準備しておいた時間領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する第2の指標を算出する。本実施形態では、第2の指標は位相差である。算出した第2の指標は、後段の回路である組合せ特定部295に入力する。
The second
組合せ特定部295は、第1指標算出部292および第2指標算出部294において算出された、信号の類似度に関する第1の指標および第2の指標に基づいて、S2において読み取った時間領域の応答信号に対応するビット列を特定する。
The
基準データ保持部299は、スピン状態を特定する際に基準として利用するデータとして、基準応答信号と複数のメモリセルが表すビット列との対応関係に関するデータを保持する。本実施形態では、基準データ保持部299には、予め準備された、周波数領域の応答信号とビット列との対応関係に関する第1のデータセットと、時間領域の応答信号とビット列との対応関係に関する第2のデータセットとが保持される。基準データ保持部299は、例えばEEPROM等の不揮発性の記憶回路を用いて実装することができる。
The reference
以上、本発明の一実施形態に係るデータ読み出し装置によると、記憶層(メモリセル)のデータを破壊することなく、記憶層からデータを読み出すことができる。
[その他の形態]
As described above, the data reading device according to one embodiment of the present invention can read data from a memory layer (memory cell) without destroying the data in the memory layer.
[Other forms]
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。 Although the present invention has been described above using specific embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments.
例示する磁気メモリ素子10が備えるメモリセルの数は4つに制限されず、磁気メモリ素子10はより多くの複数のメモリセルを備えることができる。
The number of memory cells in the illustrated
例示する磁気メモリ素子10の構造は、種々の層を垂直方向に積層した三次元の立体構造であるが、磁気メモリ素子の構造は、種々の層に相当する領域を水平方向に並べて平面上に実装した構造とすることもできる。特許請求の範囲に記載する層構造とは、種々の層を垂直方向に積層した三次元の立体構造のみを意味するのではなく、種々の領域をこのように水平方向に並べて平面上に実装した構造をも意味する。
The structure of the
上記した実施形態では、時間領域の信号から周波数領域の信号への変換にフーリエ変換を行っているが、信号の変換に用いる演算の方法はフーリエ変換に制限されない。フーリエ変換に代えて例えば高速フーリエ変換や離散フーリエ変換によって、時間領域の信号を周波数領域の信号へ変換してもよい。 In the above embodiment, a Fourier transform is used to convert a time domain signal into a frequency domain signal, but the calculation method used to convert the signal is not limited to a Fourier transform. Instead of a Fourier transform, a time domain signal may be converted into a frequency domain signal by, for example, a fast Fourier transform or a discrete Fourier transform.
上記した実施形態では、目視による比較を可能にして発明の理解を促進するために、メモリセルが表すビット列と応答信号との対応関係は、応答信号が周波数領域の応答信号である場合について例示しているが、例示するビット列と応答信号との対応関係は、応答信号が周波数領域の応答信号である場合に限られない。応答信号が時間領域の応答信号の場合についても図5および図6と同様に、メモリセルが表すビット列と応答信号との対応関係を示すことができる。 In the above embodiment, in order to facilitate visual comparison and understanding of the invention, the correspondence between the bit strings represented by the memory cells and the response signals is illustrated as an example in which the response signals are frequency domain response signals, but the illustrated correspondence between the bit strings and the response signals is not limited to the case in which the response signals are frequency domain response signals. Similarly to Figures 5 and 6, the correspondence between the bit strings represented by the memory cells and the response signals can also be shown in the case in which the response signals are time domain response signals.
上記した実施形態では、ステップS5において、時間領域の応答信号と、予め準備しておいた時間領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する第2の指標として位相差を算出しているが、ステップS5において算出する第2の指標は位相差に制限されない。ステップS5において算出する指標は、信号の類似度に関する指標であり信号の位相差が反映された指標であればよく、例えば相互相関係数を算出してもよい。この場合、ステップS4において、周波数領域の応答信号と、予め準備しておいた周波数領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、第1の指標として相互相関係数を算出し、ステップS5において、時間領域の応答信号と、予め準備しておいた時間領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、第2の指標として相互相関係数を算出する。 In the above embodiment, in step S5, a phase difference is calculated as a second index of signal similarity between the time domain response signal and each of the multiple reference response signals in the time domain that have been prepared in advance, but the second index calculated in step S5 is not limited to a phase difference. The index calculated in step S5 may be an index of signal similarity that reflects the phase difference of the signals, and may be, for example, a cross-correlation coefficient. In this case, in step S4, a cross-correlation coefficient is calculated as a first index between the frequency domain response signal and each of the multiple reference response signals in the frequency domain that have been prepared in advance, and in step S5, a cross-correlation coefficient is calculated as a second index between the time domain response signal and each of the multiple reference response signals in the time domain that have been prepared in advance.
図11は、本発明の他の実施形態に係るデータ読み出し装置の概略的な構成を模式的に示す図である。上記した実施形態では、複数のメモリセルが表すビット列を、周波数領域の応答信号と時間領域の応答信号とを用いて特定しているが、ビット列の特定に用いる応答信号は、周波数領域の応答信号と時間領域の応答信号との両方を用いる必要は無い。上記した実施形態において、図3の(B)および(C)と図4の(B)および(C)とを対比して示したように、時間領域の応答信号を用いるよりも周波数領域の応答信号を用いる方が、より精度良くビット列を区別することが可能ではあるものの、例えば時間領域の応答信号のみを用いて、複数のメモリセルが表すビット列を特定することもできる。この場合、時間領域の応答信号と、予め準備しておいた時間領域の複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する指標として、例えば相互相関係数を算出すればよい。この場合、スピン状態特定部29(29b)は、図11に例示するように、信号変換部291および第2指標算出部294を備えない構成にすることができる。
FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a data reading device according to another embodiment of the present invention. In the above embodiment, the bit strings represented by the multiple memory cells are identified using a frequency domain response signal and a time domain response signal, but the response signal used to identify the bit string does not need to use both the frequency domain response signal and the time domain response signal. In the above embodiment, as shown by comparing (B) and (C) of FIG. 3 with (B) and (C) of FIG. 4, it is possible to distinguish the bit strings more accurately by using the frequency domain response signal than by using the time domain response signal, but it is also possible to identify the bit strings represented by the multiple memory cells using, for example, only the time domain response signal. In this case, for example, a cross-correlation coefficient may be calculated as an index of the similarity of the signals between the time domain response signal and each of the multiple reference response signals in the time domain prepared in advance. In this case, the spin state identification unit 29 (29b) may be configured without the
上記した実施形態では、図1に例示する磁気メモリ素子10をデータ読み出しの対象としているが、データ読み出しの対象とする磁気メモリ素子は図1に例示する磁気メモリ素子10に制限されない。本発明においてデータ読み出しの対象とする磁気メモリ素子は、磁壁運動に基づく情報の伝達を行うタイプの磁気メモリ素子であればよく、スピントルク効果に基づく磁化ダイナミクスが層構造に誘起される磁気メモリ素子であればよい。本発明においてデータ読み出しの対象とする磁気メモリ素子の他の例を図12に示す。
In the above embodiment, the
図12は、データ読み出しの対象とする磁気メモリ素子の概略的な構成の他の例を模式的に示す断面図である。図12に例示する磁気メモリ素子は、特許文献3に例示する磁気メモリ素子である。以下において説明する磁気メモリ素子の他の例の構成は、特に言及しない限り、上記した実施形態においてデータ読み出しの対象として例示した磁気メモリ素子10の構成と同様であるので、重複する説明は省略する。
Figure 12 is a cross-sectional view showing another example of the general configuration of a magnetic memory element from which data is read. The magnetic memory element shown in Figure 12 is the magnetic memory element shown in
図12に示すように、データ読み出しの対象として例示する磁気メモリ素子10の他の例では、記憶層1は反強磁性層である。境界層2の厚さは、その内部に磁壁が構成されて磁壁層として動作可能な厚さである。記憶層1として機能するこの反強磁性層1では全体としての磁化は持たないものの、ミクロには磁気的な秩序があり、この状態に対して「0」または「1」の1ビットのバイナリ情報を割り当てることができる。すなわち反強磁性層1(記憶層1)においてスピン状態が切り替え可能とは、1ビットのバイナリ情報に対応するスピン状態が割り当てられる層と表現することができる。
As shown in FIG. 12, in another example of a
反強磁性層1(記憶層1)は、積層された複数の強磁性層11,12と、複数の強磁性層11,12間に配置された図示しない非磁性層とを備える。反強磁性層1において非磁性層は任意の構成であり、さらに別の例では非磁性層を省略することができる。反強磁性層1では、スピンの向きを互いに反対方向に維持する相互作用Jexが、積層された複数の強磁性層11,12間に生じている。これにより、一つの反強磁性層1内において、一方の強磁性層11内のスピンの向きと他方の強磁性層12内のスピンの向きとは互いに反対方向に維持されている。例えば、反強磁性層1において、強磁性層11内のスピンの矢印が上向きであり強磁性層12内のスピンの矢印が下向きである状態に、バイナリ情報「0」を割り当てることができ、強磁性層11内のスピンの矢印が下向きであり強磁性層12内のスピンの矢印が上向きである状態に、バイナリ情報「1」を割り当てることができる。なお、反強磁性層1におけるバイナリ情報の割り当ては例示するこの態様に限定されず、割り当てるバイナリ情報を例示する態様とは逆の論理としてもよい。
The antiferromagnetic layer 1 (memory layer 1) comprises a plurality of stacked
例示的には、反強磁性層1は、コバルト、白金、およびガドリニウムを積層したCo/Pt/Gdの積層構造や、コバルトおよび白金の2つの積層間にイリジウムを積層した(Co/Pt)6/Ir/(Co/Pt)6の積層構造を用いて形成することができる。記号「/」は層構造の積層を意味する。これら積層構造は例えばスパッタリング法により形成することができる。反強磁性層1を構成するCo/Pt/Gdの積層構造において、Co層およびGd層が強磁性層11,12に対応し、Pt層が非磁性層に対応する。例示的には、Co層の厚さは約1nmであり、Pt層の厚さは約0.1nmであり、Gd層の厚さは約1nmである。(Co/Pt)6/Ir/(Co/Pt)6の層構造において、2つの(Co/Pt)層が強磁性層11,12に対応し、Ir層が非磁性層に対応する。例示的には、(Co/Pt)6層の厚さは約2.4nmであり、Ir層の厚さは約0.5nmである。
Exemplarily, the
図12に示す磁気メモリ素子10の他の例では、境界層2は、酸化マグネシウム(MgO)等の酸化膜を用いて形成されている。例示的には、境界層2に用いるMgO層の厚さは約1nmである。境界層2は例えばスパッタリング法により形成することができる。
In another example of the
1(1a~1d) 記憶層(強磁性層または反強磁性層)
2(2a~2d) 境界層
3 第1の強磁性層
4 第1の電極
5 絶縁膜
6 第2の強磁性層
7 第2の電極
9 層構造
10 磁気メモリ素子
11 強磁性層
12 強磁性層
20 データ読み出し装置
21~23 端子
24 電流源
25 センサ
26 メモリコントローラ
27 データバス
28(28a,28b) スイッチ
29(29a,29b) スピン状態特定部
291 信号変換部
292 第1指標算出部
293 バンドパスフィルタ
294 第2指標算出部
295 組合せ特定部
299 基準データ保持部
41 スピン軌道トルク層
42(42a,42b) 底部電極
Aex 強磁性相互作用
Id 磁壁駆動電流
Iw 書込電流
1 (1a to 1d) Memory layer (ferromagnetic layer or antiferromagnetic layer)
2 (2a to 2d)
Claims (7)
スピン状態が切り替え可能な複数の記憶層と、複数の前記記憶層間に配置されて磁壁を構成する境界層とを備える磁気メモリ素子の層構造にパルス電流を流す工程と、
前記パルス電流を流した前記層構造からの応答信号を読み取り、前記応答信号に基づいて、複数の前記記憶層のそれぞれについて前記スピン状態を特定する工程と、
を含む、磁気メモリ素子からデータを読み出す方法。 A method for reading data represented by a spin state from a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion, comprising the steps of:
A step of passing a pulse current through a layer structure of a magnetic memory element including a plurality of memory layers whose spin states are switchable and boundary layers disposed between the plurality of memory layers and constituting a domain wall;
reading a response signal from the layer structure through which the pulse current has been passed, and identifying the spin state for each of the plurality of memory layers based on the response signal;
23. A method for reading data from a magnetic memory element, comprising:
読み取った前記応答信号と、前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間で、信号の類似度に関する指標を算出する工程と、
算出した前記指標に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する工程と、
を含む、請求項2に記載の方法。 The step of identifying the spin state includes:
calculating an index of signal similarity between the read response signal and each of the plurality of reference response signals;
Identifying the combination of the spin states corresponding to the read response signal based on the calculated index;
The method of claim 2 , comprising:
読み取った前記応答信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する工程をさらに含み、
前記指標を算出する工程は、
周波数領域の前記応答信号と、周波数領域の前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間の類似度に関する第1の指標を算出する工程と、
時間領域の前記応答信号と、時間領域の前記複数の基準応答信号のそれぞれとの間の類似度に関する第2の指標を算出する工程と、
を含み、
前記組合せを特定する工程は、算出した前記第1の指標および前記第2の指標に基づいて、読み取った前記応答信号に対応する前記スピン状態の組合せを特定する、請求項3に記載の方法。 The step of identifying the spin state includes:
The method further includes converting the read response signal from a time domain signal to a frequency domain signal;
The step of calculating the index comprises:
calculating a first measure of similarity between the response signal in the frequency domain and each of the plurality of reference response signals in the frequency domain;
calculating a second measure of similarity between the response signal in the time domain and each of the plurality of reference response signals in the time domain;
Including,
The method according to claim 3 , wherein the step of identifying a combination includes identifying a combination of the spin states corresponding to the read response signal based on the calculated first index and second index.
スピン状態が切り替え可能な複数の記憶層と、複数の前記記憶層間に配置されて磁壁を構成する境界層とを備える磁気メモリ素子の層構造にパルス電流を流す電流源と、
前記パルス電流を流した前記層構造からの応答信号を読み取るセンサと、
前記応答信号に基づいて、複数の前記記憶層のそれぞれについて前記スピン状態を特定するスピン状態特定部と、
を備える、磁気メモリ素子からデータを読み出す装置。 An apparatus for reading data represented by a spin state from a magnetic memory element that transmits information based on domain wall motion,
a current source that supplies a pulse current to a layer structure of a magnetic memory element including a plurality of memory layers whose spin states are switchable and boundary layers that are disposed between the plurality of memory layers and form domain walls;
a sensor for reading a response signal from the layer structure to which the pulse current has been applied;
a spin state specifying unit that specifies the spin state for each of the plurality of memory layers based on the response signal;
1. An apparatus for reading data from a magnetic memory element, comprising:
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|---|---|---|---|
| JP2023201703A JP2025087204A (en) | 2023-11-29 | 2023-11-29 | Data reading method and device |
| PCT/JP2024/038966 WO2025115511A1 (en) | 2023-11-29 | 2024-10-31 | Method and device for reading data |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023201703A JP2025087204A (en) | 2023-11-29 | 2023-11-29 | Data reading method and device |
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- 2023-11-29 JP JP2023201703A patent/JP2025087204A/en active Pending
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2024
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