JPH041990A - 磁気記憶素子とそのアクセス方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、随時読み出しｌ書き込み可能な情報不揮発性
のランダム・アクセス型メモリとそのアクセス方法に関
する。

（従来の技術） かつて、二枚の磁性薄膜を用いた情報非破壊型のメモリ
が試作されたことがあった。保磁力が互いに異なる二枚
の磁性薄膜の間に非磁性絶縁膜をはさんで重ねあわせ、
保磁力Ｈｃの大きい方の膜を情報保持用とし、保磁力Ｈ
ｅの小さい方の膜を情報読み出し専用として構成したも
ので、磁性薄膜は相互に静磁的に結合するので、情報保
持用磁性薄膜の磁界によって情報読み出し専用磁性薄膜
の磁化が制御される。第１２図は、両磁性薄膜の磁気的
結合の状態を模式的断面図で示したもので、磁化の方向
によって“０゛メモリ状態（ａ）及び“１′′メモリ状
態（ｂ）として示しである。図では非磁性絶縁膜は省略
しである。読み出し磁界を図の左がら右へがけるものと
すると、１０″メモリ状態からの読み出し電圧は０であ
るが、“１′′メモリ状態から読み出す場合には、読み
出し専用膜８の磁化反転による出力電圧が検出される。

読み出し磁界が消失すると、読み出し専用膜の磁化は元
の状態に戻り、記憶情報を保持することになる。情報の
書き込みの場合には、情報保持用磁性薄膜９のＨｅより
大きい磁界を印加してメモリ状態を変えることができる
。（参考文献：飯田信組　磁気工学講座５磁性薄膜工学
　丸首（株）（発明が解決しようとする課題） 上記の方式に基づくメモリは、情報不揮発性で情報非破
壊型のメモリではあるが、その高密度・高集積化のため
のセル・サイズの微小化にともなって、磁気記憶情報の
センス感度が低下する、制御電流によるパワー消費が増
大する、などの問題点があり、１メガ・ビット１ｃｍ２
あたりまでしか高密度化できなかった。また、磁性体の
磁化の回転の機構が磁壁移動に基づいていたので、情報
アクセス速度がアイクロ秒からミリ秒のオーダで半導体
ＩＣメモリより二相以上遅かった。

（課題を解決するための手段） 本発明の磁気記憶素子は、二種類の磁性体薄膜を非磁性
薄膜を介して重ねた“三層構造体″を情報記憶ユニット
とし、その上・下に、Ｘ−導体線、Ｙ−導体線を三層構
造体の位置で互いに交差するように配置し、センス線を
Ｘ−導体線に関してＹ−導体線とは反対側に絶縁層を介
してＸ、導体線に重なるように配置した磁気記憶素子で
あり、二種類の該磁性体は互いに飽和磁束量が等しく、
それぞれは膜面内に一軸磁気異方性をもつが、磁気異方
性または保磁力の少なくともいずれかが互いに異なり、
Ｘ−導体線、Ｙ−導体線、及びセンス線は超伝導体で形
成され、センス線はセンス部として、三層構造体の位置
にジョセフソン接合（超伝導弱結合部）を有しているこ
とを特徴とする。

本発明の磁気記憶素子においては、磁性薄膜からの記憶
情報の読み出しあるいは書き込みの際の磁性薄膜に対す
る制御磁界の印加方法として、磁化容易方向の磁界と磁
化困難方向の磁界の両方を使用し、磁界印加時には、磁
化容易方向に磁界を印加するある一定時間まえから磁化
困難方向に磁界を印加し、磁界消去時には、磁化容易方
向の磁界を消去してからも磁化困難方向の磁界をある一
定時間の間印加しつづける。さらに該磁性薄膜を、その
磁壁の厚み（通常数１０００オングストロ一ム程度）と
同じかそれ以下の形状寸法をもった微小な磁性体の配列
集合体で置き換えて構成する。

本発明の磁気記憶素子では、磁性体の磁化を反転させる
際、そのメカニズムが磁化のスピン−前回転モードにな
る動作領域を使用する。そこで、磁化の回転が磁壁移動
である場合の用語との類似性から、ここでは上記の二種
類の磁性薄膜のうち、磁化のスピン−前回転が容易な方
を“′ソフ）　−前回転磁性体″、困難な方を“ハード
−前回転磁性体″と呼ぶことにする。

（作用） １、それぞれ膜面内に一軸磁気異方性をもち、かつ互い
に飽和磁束量が等しいソフト−前回転磁性体とハード−
前回転磁性体を薄い非磁性膜を介して重ね合わせること
により、記憶情報の保持時においては前記二種類の磁性
体間に強い静磁結合が存在し、素子から空間への漏洩磁
界がないため、前記二種類の磁性体が擬似閉磁路構造を
とることになり、反磁界効果や磁壁のクリープ現象など
を防ぐことができるだけでなく、セル間の磁気的干渉効
果を小さくすることができる。

２、磁界に敏感なジョセフソン接合（超伝導弱結合部）
で磁気記憶情報を感度よくセンスできるため、磁気記憶
部ひいては素子のセル構造を微小化することができる。

次にこのことを実例で示す。

日常的に通常用いられている磁石の磁化の強さ、すなわ
ち飽和磁束密度ＭｓはＭｓ〜０．５［Ｔ］＝０．５［Ｗ
／ｂｍ２１程度である。これを集積回路でよく現れる微
細薄膜構造体の寸法２ｐｍＸ２μｍ　Ｘ　０．２ｐｍに
加工し、その２ｐｍＸ０．２ｐｍの断面を磁極としてそ
こから磁束が発せられるとすると、この磁束の量は、０
．５［Ｗｂ／ｍ２］Ｘ２Ｘ１０−６［ｍ１Ｘ０．２Ｘ１
０−６［ｍ１＝２．０ｘｌＯ−１３［Ｗｂｌ　　　　　
　　　　　（１）となる。単位磁束量子−個Φ。はΦ。

〜２．０Ｘ１０−１５［Ｗｂｌであるから、この磁性体
から発せられる磁束の量は、約１００Φ０である。

−個のジョセフソン接合は、その電流（Ｉ）−磁束（Φ
）のフラウンホーファ回折パターンかられかるとおり、
磁束量子−個Φ。でスイッチするから、本磁気記憶素子
の構造においては、ジョセフソン接合は磁性体からの磁
界を十分にセンスできる。

ジョセフソン侵入長λＪより寸法の小さな接合では、接
合に磁界が侵入しにくいことが懸念されるかもしれない
が、通常の微細加工によって形成された寸法の接合には
十分に磁界は侵入できる。２ｐｍ角の接合でも磁束の侵
入長λ〜数１０００オングストロームを考慮すると、接
合のエツジ部において磁束の侵入する面積ＳはＳ＝２ｐ
ｍＸ０．２ｐｍと見積れる。

ここに磁束量子−個Φ。が貫通するのに必要な磁束密度
Ｂは、Φｏ＝ＢＳから、Ｂ　〜５．０Ｘ１０−３［Ｗｂ
／ｍ２１＝　５０［Ｇａｕｓｓｌ程度の小さな値でよい
。

３、Ｘ−配線、Ｙ−配線、センス線を超伝導体で形成す
るため、素子を微小化してもこれらの配線抵抗は小さく
、しかもスタンバイ状態のとき電源のバックアップを必
要とせず（情報不揮発性メモリ）、そのうえ前述のよう
に記憶情報を感度よくセンスできることから、消費電力
を大幅に低減できる。

４、本発明の磁気記憶素子の情報アクセス方法において
は、磁性薄膜からの記憶情報の読み出しあるいは書き込
みの際の磁性薄膜に対する制御磁界の印加方法として、
磁化容易方向の磁界と磁化困難方向の磁界の両方を使用
し、磁界印加時には、磁化容易方向に磁界を印加するあ
る一定時間まえからすでに磁化困難方向に磁界を印加し
、磁界消去時には、磁化容易方向の磁界を消去してから
も磁化困難方向の磁界をある一定時間の間印加しつづけ
る。その結果、磁性体の磁化の回転の機構がスピン−斉
回転モードとなる動作領域が拡張される。

本磁気記憶素子においては、このスピン−斉回転の動作
領域を用いることにより、情報アクセス速度は従来より
も大幅に向上し、数十ナノ秒のオーダとなる。

５、磁気センス部はジョセフソン ５ＩＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／　Ｉｎ５ｕｌ
ａｔｏｒ／　５ｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）　）ンネ
ル接合構造でなく超伝導近接効果を利用するジ　ョ　セ
　フ　ソ　ン５ＮＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／
Ｎｏｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／５ｕｐｅｒｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）接合構造を利用すればよいため、電子波の
コヒーレンス長が極めて短い酸化物高温超電導体も超伝
導体として適用できる。

すなわち素子の高温（液体窒素温度７７Ｋ）動作が可能
となる。

以上の１〜５の特長から、従来の磁性薄膜メモリの性能
が大幅に改善・向上することになる。

６、なお本発明の磁気記憶素子において、磁性薄膜をそ
の磁壁の厚み（通常数１０００オングストロ一ム程度）
と同じかそれ以下の形状寸法をもった微小な磁性体の配
列集合体で置き換えて構成してもよい。具体的には、通
常の磁性薄膜（第３図（ａ））を１０００人角以下の寸
法の微小な磁性体に均等に分割して構成する（第３図（
ｂ））。磁壁の厚みと同じかそれ以下の形状寸法をもっ
た微小な磁性体においては、そのサイズ・形状効果から
磁性体の磁化は単磁区構造をとりやすく、磁化の回転の
機構もスピン−斉回転が主となる。その結果、磁性体の
磁化の回転の機構がスピン−斉回転モードとなる動作領
域がさらに広がる。

（実施例） 〈素子の構造と材料〉 本磁気記憶素子の素子構造を第１図に示す。まず、基板
上に超伝導接地層（図示せず）を形成したうえで、その
上に５ｉ０２などの絶縁層を介して超伝導体層を形成し
、これをＹ一方向に延びた線状に加工し、Ｙ−導体線１
を形成する。線幅は２ｐｍ、厚さは２０００〜３０００
人である。その上に第一の磁性体薄膜２、非磁性薄膜３
、第二の磁性体薄膜４を順に積層して三層構造を形成し
、これを図に示すように所定の形状に加工する。第一、
第二の磁性体薄膜２．４の厚さは５００人と薄くする。

非磁性薄膜３は、上下の磁性膜の間で交換相互作用によ
る磁気的間接結合が生じないように、１００ＯＡとやや
厚くする。ここで−旦つエバー上の素子構造の凹凸をエ
ッチ・バック平坦化法などのプロセスで平坦化する。そ
の上に再び超伝導体層を形成し、これをＸ一方向に延び
た線状に加工し、Ｘ−導体線５を形成する。線幅、厚さ
Ｙ−導体線１と同じである。その上に８ｉ０２などの絶
縁層を介して再び超伝導体層を形成し、これをＸ−導体
線５に重なるような所定の線状に加工し、超伝導センス
線６ａとする。その後その上に金（Ａｕ）などの金属７
（原理的には電子のフェルミ速度が大きい金属はど望ま
しい）の層を形成し、これを図に示すように所定の形状
に加工する。その上に再び超伝導体層を形成し、これを
Ｘ−導体線５に重なるような所定の形状に加工し、超伝
導センス線６ｂとする。この三層構造体の位置にできた
センス線６ａ、６ｂのギャップ構造部分にジョセフソン
接合（超伝導弱結合部）１０を形成する。第２図は素子
をＸ−軸方向からみた断面図である。ただし、第５図以
降の断面図では、簡単のためセンス線６及びジョセフソ
ン接合部１０を斜め斜線部１０に示すように模式的に表
すことにする。

前記の超伝導接地層の膜厚は、そこに磁束がトラップさ
れるのを防ぐため、通常のジョセフソン。

デバイスの場合よりも厚めにし、１．０μｍから１．２
ｐｍとする。また、上記の第一、第二の二種類の磁性体
薄膜２．４は、製造工程において互いに異なる磁界を印
加して成膜する、あるいは、互いに異なる基板温度で成
膜する等の方法で、互いに異なる強さの誘導磁気異方性
をつけ、第一の磁性体２は一斉回転臨界磁界が高いハー
ド−前回転磁性体、第二の磁性体４は一斉回転臨界磁界
が低いソフト−前回転磁性体とする。尚、磁化容易方向
はＹ−軸方向とする（第１図中ではＲＭｌ？で示した）
。また、この二種類の磁性体の飽和磁束量は互いに等し
くしておき、両者が完全に静磁的に結合した磁化安定時
において空間への磁性体からの磁束のもれが最小限に抑
えられるようにする。

デバイス全体は、以上で規定した素子構造を１つの記憶
ユニット・セルとして、記憶ユニット・セルが第４図の
ようにマトリックス状に配置された情報記憶部と、その
周辺に配置された記憶情報の書き込みｌ読み出しを制御
するデコーダやドライバなどの周辺制御回路部からなる
。

超伝導材料に関しては、超伝導材料であるならば原理的
にはあらゆる超伝導材料がＸ−導体線５、Ｙ−導体線１
、センス線６、周辺制御回路部の超伝導材料として適用
可能であるが、やはり素子が高温（液体窒素温度７７Ｋ
）動作できることが望ましいので、最近量に登場して脚
光を浴びているＹＢＧＯなどの（銅酸化物系の）高温超
伝導体を用いる。

通常、超伝導体で磁気センス部やロジック回路を構成す
るときには、ジョセフソンＳＩＳトンネル型接合を用い
る。しかし、現在までに登場した酸化物系の高温超伝導
体はどれも皆電子波のコヒーレンス長が短く、これを用
いて特性の良いトンネル型接合を形成することは、たい
へん困難である。

というのは、極めて微細（オングストローム・オーダ）
な構造を精度よく加工して形成しなければならないこと
や接合界面近傍の構造・物性の制御が難しいからである
。

そこで本実施例では、゛ジョセフソンＳＩＳ　）ンネル
型接合の代わりに超伝導近接効果を利用したＳＮＳタイ
プのジョセフソン接合（超伝導弱結合部）を適用する。

この構造では弱結合部を形成する常伝導金属や半導体な
どの常伝導体に超電導体から近接効果によってクーパー
電子対がしみだすが、ＳＩＳ　）ンネル接合での絶縁体
トンネル障壁部に相当する超伝導弱結合部のクーパ一対
電子波のコヒーレンス長は、超伝導体によらす、弱結合
部を形成する“常伝導体中のクーパ一対電子波のコヒー
レンス長″で決まり、これは低温では数１００〜数１０
０ＯＡにも及ぶ。

従って、ＳＮＳタイプのジョセフソン接合は、その素子
構造の形成に際して微細加工プロセスからの厳しい制約
がなく、比較的容易に形成できるメリットがある。

ジョセフソンＳＮＳ接合の代わりに、超伝導薄膜にイオ
ン注入などの手段で人工的に形成した粒界ジョセフソン
接合を用いる方法も考えられる。具体的には、Ｘ、Ｙ−
超伝導線５．１と同様に超伝導センス線６を一本の超伝
導配線で形成し、超伝導弱結合部を作製したい部分にだ
けイオン注入する。この方法のメリットは、構造が簡単
であるため微細加工を要しないこと、電子波のコヒーレ
ンス長がきわめて短い酸化物高温超電導体でも磁場に弱
い部分を簡単に形成できることである。

磁性材料に要求される特性は、ハード−前回転磁性体及
びソフト−前回転磁性体ともに、−軸異方性をもってい
ること、保磁力が比較的低いこと、そして飽和磁束密度
を比較的低いところから高いところまで幅広くされるこ
とである。具体的には例えば、絶縁性をもち、飽和磁束
密度を制御しゃすいＹＩＧ（イツトリウム、鉄、ガーネ
ット）系のガーネット型フェライトを用いる。また、誘
導磁気異方性をもったアモルファス金属ＣｏＺｒの薄膜
を用いることもできる。

く情報アクセスの方法〉 記憶情報のく０〉、〈１〉に対応させたハード−前回転
磁性体２の安定磁化の向きを、Ｘ−導体線５、Ｙ−導体
線１、センス線６に電流を印加することによって制御す
る。（第５図は記憶情報“０″に対応する磁性体の磁化
状態を、第６図は記憶情報“１゛′に対応する磁性体の
磁化状態を示す。）Ｘ−導体線５、Ｙ−導体線１に対す
る各制御電流の印加のタイミングや印加電流の大きさを
適当に設定することによって、セル選択と選択されたセ
ルの記憶情報のアクセスを行う訳であるが、その具体的
な値の設定は、磁化の一斉回転モデルを用いたストーナ
ー＆ウオール７７−ス（Ｓｔｏｎｅｒ　＆　Ｗｏｈｌｆ
ａｒｔｈ）の磁性薄膜の静磁化スイッチ過程に関するア
ステロイド曲線の方法（金属、藤原著：応用物理学選書
３　′′薄膜パ　裳華房　昭和５４年）を用いて電流一
致方式にて行うことができる。本磁気記憶素子において
は、磁性体の磁化を反転させる際、そのメカニズムが磁
化のスピン−前回転モードである動作領域を使用する。

特定セルをアクセスする基本機構を述べる。Ｘ−ライン
に並んだ半選択されたセルには、Ｙ−導体ｆｆＪＡｌに
よって磁化困難方向の磁界が印加されず、Ｘ−導体線５
による磁化容易方向の磁界のみが印加される。その場合
の磁化反転に関するスピン系ダイナミックスはスピン−
前回転ではなく磁壁移動に基づく。従って、半選択され
たセルの磁化回転速度は選択されたセルの磁化回転速度
より１００倍以上遅くなり、半選択されたセルの磁化は
実際のアクセス動作時間内ではほとんど回転しない。

記憶セルに対するアクセス動作の順序は次のようになる
。

く書き込み〉 まず、第７図にタイミング波形を示すように、Ｙ−導体
線１に電流Ｉｗｙを印加、その電流磁界Ｈｗｙによって
ハード−前回転磁性体２の磁化を困難方向に傾ける。そ
れに加えて、書き込む情報の種類〈０．１〉に応じてＸ
−導体線５に（＋）方向からが（−）方向からかパイポ
ーラスに電流Ｉｗｙを印加する。例えば第８図（ａ）〜
（Ｃ）は書き込みの手順を示すが、ここでは記憶情報′
０パを保持したセルに記憶情報（（Ｉｌｌをオーバー、
ライトする場合を示している（第８図（ａ））。電流磁
界Ｈｗｘによってハード−前回転磁性体２の磁化を反転
させる（第８図（ｂ））。情報の＜Ｑ＞、〈１〉如何に
よってはハード−前回転磁性体２の磁化の向きが保持さ
れ、代わりにソフト−前回転磁性体４の磁化の向きが反
転することになる。電流Ｉｗｙを残し、Ｉｗｘだけを切
ると、一定時間経過の後、第７図でいえばＩｗｘを切っ
てからＩｗｙを切るまでの２０ｎｓの内に、ソフト−前
回転磁性体４とハード−前回転磁性体２の間の強い静磁
的結合力により、ソフト−前回転磁性体４の磁化の向き
がハード−前回転磁性体２の磁化の向きと逆になり、両
者を貫く磁束が循環閉ループ状態（擬似閉磁路状態）に
なって落ち着く（第８図（Ｃ））。従って、反磁界効果
や磁壁のクリープのよ、うなデバイスの正常動作を妨げ
る現象を防ぐことができ、記憶情報はたいへん安定に保
持されることになる。すなわち、記憶情報はハード−前
回転磁性体２によって保持さ°れ、その保持時において
は、ソフト−前回転磁性体４はハード−前回転磁性体２
のフラックス・キーパの役割を果たしているといえる。

第７図では、サイクル・タイム（Ｔｃｙｃ）は８０ｎｓ
としている。しかし、Ｉｗｙを切ったあとの２０ｎｓは
ほとんど動作余裕（マージン）なので、Ｔｃｙｃをもう
少し短縮することもできる。

〈読み出し〉 原理的には、センス線６に比較的小さなパルス・バイア
ス電流Ｉｂを印加し、その両端に電位差が発生するかど
うかで記憶情報のくＯ〉、〈１〉を読み取る。第９図に
タイミング波形を示すように、Ｙ−導体線１に制御電流
Ｉｒｙを印加、その電流磁界Ｈｒｙによってソフト−前
回転磁性体４の磁化を困難方向に傾ける。それに加えて
、一方向からユニポーラスにＸ−導体線５に制御電流Ｉ
ｒｘを印加するが、その電流磁界Ｈｒｘの値を、“ソフ
ト−前回転磁性体４の磁化を反転させるが、ハード−前
回転磁性体２の磁化を反転させない大きさ″、に設定し
ておく。書き込まれていた記憶情報の種類く０〉、く１
〉によって、電流磁界Ｈｒｘの印加によってソフト−前
回転磁性体４の磁化の向きは反転されるかｌ保持される
かの２通りに分かれる。いま仮に、記憶情報が１のとき
磁化方向反転（次のＡの場合。第１０図（ａ））、０の
とき磁化方向保持（次のＢの場合。第１１図（ａ））と
しよう。

Ａ、記憶情報が１のとき（ソフト−前回転磁性体４の磁
化方向が反転） ソフト−前回転磁性体４の磁化の反転が完了すると、ソ
フト−前回転磁性体４とハード−前回転磁性体２の磁化
の向きが同じ向きに揃うので、両者から発生する磁束が
超伝導弱結合部１０に漏洩している（第１０図（ｂ））
。この１１時点Ｔｒｏｔ”で制御電流をＩｒＸ、　Ｉｒ
ｙの順で切り、Ｉｒｘの立ち下がりをトリガーとして直
後からセンス線６に比較的小さなパルス・バイアス電流
Ｉｂを印加する。制御電流Ｉｒｘの印加を切るとソフト
−前回転磁性体４の磁化の向きは元の向きにもどってゆ
くが、磁性体の磁化の反転には数ｎｓ程度かかるため、
電流Ｉｒｘの印加を切った直後では、磁性体からの磁界
Ｈｍ（弱結合部での値）が超伝導弱結合部１０の臨界電
流値Ｉｃを低下させていることになる。このときの臨界
電流値をＩｃ（Ｈｍ）と表すとする。ここで、超伝導弱
結合部１０の臨界電流値とバイアス電流値Ｉｂが Ｉｂ　＞　Ｉｃ　（Ｈｍ）　　　　　　　　　　　　　
　　（２）の関係を満たすようにデバイス設計しておけ
ば、選択されたセルの超伝導弱結合部１０は常伝導状態
（有限抵抗状態）に転移しており、センス線６の両端に
電位差が観測（磁気センス）される（第１０図（Ｃ））
。磁気センス動作の終了後、パルス、バイアス電流Ｉｂ
の印加を切る。一定時間経過の後、第９図でいえばＩｒ
ｘを切ってからＩｒｙを切るまでの２０ｎｓの内に、ソ
フト−前回転磁性体４の磁化はハード−前回転磁性体２
の磁化との強い静磁的結合によって循環閉ループ磁束状
態をとるように元の向きに戻ってゆく。第９図では、サ
イクル・タイム（Ｔｃｙｃ）は８０ｎｓとしている。

しかし、ｌｒｙを切った後の２０ｎｓはほとんど動作余
裕（マージン）なので、Ｔｃｙｃをもう少し短縮するこ
ともできる。このことは、次に示す記憶情報が０のとき
も同様である。

Ｂ、記憶情報がＯのとき（ソフト−前回転磁性体４の磁
化方向が保持） このときにはソフト−前回転磁性体４の磁化の向きは元
の向きに保持されたままであるので、ソフト及びハード
−前回転磁性体４．２の両者から発生する磁束は、循環
閉ループ状態を形成しており、超伝導弱結合部１０には
ほとんど達していない（第１１図（ｂ））。前述と同じ
“時点Ｔｒｏｔ”で制御電流をＩｒＸ、Ｉｒｙの順で切
り、Ｉｒｘの立ち下がりをトリガーとして直後からセン
ス線６に比較的小さなパルス・バイアス電流Ｉｂを印加
する。ゼロ磁場状態下での超伝導弱結合部１０の磁場無
変調な臨界電流値をＩｃ（０）と表すとする（この素子
の構造とマイスナー効果から、磁化困難方向の臨界Ｈｒ
ｙは接合には影響をほとんど与えない）。ここで、超伝
導弱結合部１０の臨界電流値とバイアス電流値Ｉｂが Ｉｂ　＜　Ｉｃ　（０）　　　　　　　　　　　　　　
　（３）の関係を満たすようにデバイス設計しておけば
、選択されたセルの超伝導弱結合部１０は超伝導状態の
ままであり、センス線６の両端に電位差は観測されない
（第１１図（ｄ））。磁気センス動作の終了後、パルス
・バイアス電流Ｉｂの印加を切る。

かくして以上のＡ、　Ｂより、ソフト−斉回転磁性体４
のスピン・フリップが記憶情報のセンスに使われ、ハー
ド−斉回転磁性体２の磁化の向きは記憶情報の読み出し
動作のあいだ保持されたままであり、非破壊情報読み出
しが可能であることがわかる。

なお、以上で説明した実施例では、第一、第二の磁性体
薄膜２．４として第３図（ａ）に示すような通常の磁性
薄膜を用いたが、第３図（ｂ）で示すような１ｏｏｏＡ
角以下の寸法の微小な磁性薄膜の集合体で構成すると、
磁性体の磁化の回転の機構がスピン−斉回転である領域
が広がり、素子動作の性能の向上につながる。

（発明の効果） 本発明の磁気記憶素子とは、従来の磁性薄膜メモリの性
能を大幅に向上させる。本発明の磁気記憶素子の特長を
列挙すると、次のようである。

（１）情報アクセス速度（書き込みｌ読み出しとも）は
、磁性体の磁化の回転速度に制約されるが、数１０［ｎ
ｓ］にまで高速化でき、主記憶装置に迫る速度である。

（２）このデバイスは、縦方向に積み上げられた素子構
造をもっており、かつ比例縮小側が適用できるため、情
報記憶密度は〜１００メガ・ピッ）　／ｃｍまで可能と
期待され、半導体ＤＲＡＭを凌駕する。

（３）読み出しｌ書き込み可能な“′情報不揮発性゛の
ランダム・アクセス・メモリであり、情報の非破壊読み
出しが可能である。

（４）情報アクセス動作時においても極めて低いパワー
消費。

（５）半導体ＩＣメモリのようなソフトエラーはなく、
長年にわたる高い信頼性を期待できる。

（６）超伝導体と磁性体を組み合せていることや、ジョ
セフソンＳＩＳ　）ンネル型接合の代わりにジョセフソ
ンＳＮＳ接合（超伝導弱結合部）を用いればよいことな
どから、酸化物高温超伝導体のＨｉｇｈ−Ｔｃ（高転移
温度）や短いコヒーレンス長などの特異な特性をフルに
生かすことができるデバイス構成である。

以上の特性から本発明の磁気記憶素子は、メイン・フレ
ーム（汎用大型計算機）のメモリ階層構造におけるメモ
１月アクセス・ギャップを埋めるメモリとして適してい
る。この他に、ライタプル、コントロール・スト−リッ
ジ（Ｗｒｉｔａｂｌｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｏｒａｇ
ｅ）等の装置にも適用できる。

それだけではなく、もしも価格や７７に動作という問題
が解決されるかあるいは問題でなくなれば、情報不揮発
性という特長から、本発明の磁気記憶素子は、その周辺
装置に位置する半導体ディスクや磁気ハード・ディスク
などの、ＭＳＳ（ＭａｓｓＳｔｏｒａｇｅ　Ｓｙｓｔｅ
ｍ）以外の２次記憶装置を不要のものとし、メモリ・シ
ステムの階層構成を一挙に簡素化する。そして、データ
・ベース・マシンへと進化しつつあるメイン・フレーム
にデータ・ベース・マシンとしての本格的な機能を付与
することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の素子の構造を示す斜視概
略図。第２図は、本発明の素子をＸ−軸方向からみた断
面図。第３図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、通常の磁性薄
膜と、１ｏｏｏＡ角以下の微小な寸法の磁性薄膜の集合
体（ｂ）の斜視概略図である。第４図は、情報記憶部の
記憶セルのマトリックス状レイアウト図。、第５図、第
６図はそれぞれ、記憶情報“θ″、“Ｉｌ＋に対応する
磁化状態を示す図。第７図は、情報書き込みの際の各制
御電流のタイミング波形図。第８図（ａ）〜（Ｃ）は、
情報書き込みの順序を示す図。第９図は、情報読み出し
の際の各制御電流とバイアス電流のタイミング波形図。 第１０図（ａ）〜（Ｃ）は、情報読み出しの順序（記憶
情報″１”′の場合）を示す図。第１１図（ａ）〜（Ｃ
）は、情報読み出しの順序（記憶情報“０”′の場合）
を示す図。第１２図は、２枚の磁性薄膜を用いた情報非
破壊型メモリの原理図。 図において、１．Ｙ−超伝導体線、２．ハード−斉回転
磁性体薄膜、３．非磁性体薄膜、４．ソフト−斉回転磁
性体薄膜、５．Ｘ−超伝導体線、６（ａ）、６（ｂ）、
超伝導センス線（配線部）、７．金属、８．情報読み出
し用薄膜、９．情報保持用薄膜、１０．ジョセフソン接
合（超伝導弱結合部）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｘ−導体線とＹ−導体線が互いに交差するように
   配され、このＸ−導体線及びＹ−導体線は、交差した場
   所において、第一の磁性薄膜と第二の磁性薄膜を非磁性
   層を介して重ねた三層構造体を挟み、Ｘ−導体線に関し
   て三層構造体と反対側に、絶縁層を介してＸ−導体線と
   重なるようにセンス線が配されている磁気記憶素子であ
   って、Ｘ−導体線、Ｙ−導体線、センス線は超伝導体で
   形成され、センス線は、Ｘ、Ｙ−導体線が交差した場所
   にジョセフソン接合（超伝導弱結合部）を有しており、
   第一及び第二の磁性薄膜は互いに飽和磁束量が等しく、
   いずれも膜面内に一軸磁気異方性を有し、かつそれぞれ
   は磁気異方性または保磁力のいずれかが互いに異なって
   いることを特徴とする磁気記憶素子。
2. （２）前記の磁性薄膜を、その磁壁の厚みと同じかそれ
   以下の形状寸法をもった微小な磁性体の配列集合体で置
   き換えて構成したことを特徴とする、請求項１に記載の
   磁気記憶素子。
3. （３）前記の磁気記憶素子において、磁性薄膜からの記
   憶情報の読み出しあるいは書き込みの際の磁性薄膜に対
   する制御磁界の印加方法として、磁化容易方向の磁界と
   磁化困難方向の磁界の両方を使用し、磁界印加時には、
   磁化容易方向に磁界を印加する前から磁化困難方向に磁
   界を印加しておき、磁界消去時には、磁化容易方向の磁
   界を消去してからも磁化困難方向の磁界をある一定時間
   の間印加しつづけることを特徴とする情報アクセス方法
   。