JP2020042880A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパイク電流の発生回数を少なくする。【解決手段】磁気記憶装置は、磁性記憶細線と、スイッチ素子と、シフト制御回路と、基底電流制御回路と、コントローラとを備える。スイッチ素子は、磁性記憶細線に直列に接続され、オフ状態において所定値以上の電圧が印加された場合にオン状態に変化し、オン状態において保持電流値以上の電流が流れ続ける場合にオン状態を維持する。シフト制御回路は、スイッチ素子を介して磁性記憶細線にシフトパルス電流を供給して、磁性記憶細線に保持された磁区をシフトさせる。基底電流制御回路は、保持電流値以上である基底電流をスイッチ素子に供給する。コントローラは、スイッチ素子がオフ状態からオン状態に変化した後、所定の継続供給期間、基底電流制御回路に基底電流をスイッチ素子に供給させ、継続供給期間において、シフト制御回路にシフトパルス電流を複数回供給させる。【選択図】図８

Description

本実施形態は、磁気記憶装置に関する。

磁性記憶細線を含むセルに用いた磁気記憶装置が提案されている。また、セルを選択するためのスイッチとして、所定値以上の電圧が印加された場合にオフ状態からオン状態に変化する２端子間セレクタ素子を用いた記憶装置も知られている。このような記憶装置では、２端子間セレクタ素子がオフ状態からオン状態に変化した時にスパイク電流が発生する。

磁性記憶細線を含むセルを用いた磁気記憶装置では、セルを選択する毎にスパイク電流が発生する。スパイク電流の発生回数が多くなると、保持している磁区を誤ってシフトさせてしまったり、素子を破壊させてしまったりする可能性が高くなる。

米国特許出願公開第２０１６／０２６７９５５号明細書

一つの実施形態は、スパイク電流の発生回数を少なくすることができる磁気記憶装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば磁気記憶装置が提供される。前記磁気記憶装置は、磁性記憶細線と、スイッチ素子と、シフト制御回路と、基底電流制御回路と、コントローラとを備える。前記スイッチ素子は、前記磁性記憶細線に直列に接続され、オフ状態において所定値以上の電圧が印加された場合にオン状態に変化し、前記オン状態において保持電流値以上の電流が流れ続ける場合に前記オン状態を維持する。前記シフト制御回路は、前記スイッチ素子を介して前記磁性記憶細線にシフトパルス電流を供給して、前記磁性記憶細線に保持された磁区をシフトさせる。前記基底電流制御回路は、前記保持電流値以上である基底電流を前記スイッチ素子に供給する。前記コントローラは、前記スイッチ素子が前記オフ状態から前記オン状態に変化した後、所定の継続供給期間、前記基底電流制御回路に前記基底電流を前記スイッチ素子に供給させ、前記継続供給期間において、前記シフト制御回路に前記シフトパルス電流を複数回供給させる。

図１は、実施形態に係る磁気記憶装置の構成を示す図である。 図２は、メモリセルアレイの一部分の構成を示す図である。 図３は、メモリセルアレイの一部分の構造を模式的に示す斜視図である。 図４は、磁性記憶細線が保持する磁区および記録情報の一例を示す図である。 図５は、書き込み時における磁区のシフト例を示す図である。 図６は、読み出し時における磁区のシフト例を示す図である。 図７は、セルに印加される電圧およびセルに流れる電流の特性を示す図である。 図８は、対象のセルから情報を読み出すための構成を示すブロック図である。 図９は、コントローラの処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、コントローラから出力される制御信号のタイミングチャートである。 図１１は、読み出し時におけるセルに流れる電流量の時間変化を示す図である。 図１２は、変形例でのコントローラの処理の流れを示すフローチャートである。 図１３は、変形例において、各継続供給期間で読み出される磁区の範囲を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については同一符号を付す。また、以下に示す各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

図１は、実施形態に係る磁気記憶装置１０の構成を示す図である。磁気記憶装置１０は、半導体装置により実現される記憶装置である。実施形態に係る磁気記憶装置１０は、例えば磁壁移動メモリと称される。

磁気記憶装置１０は、情報処理回路等とバス等を介して接続される。磁気記憶装置１０は、情報処理回路からの指示に応じて、情報処理回路から受け取った記録情報を内部に記憶する。また、磁気記憶装置１０は、情報処理回路からの指示に応じて、内部に記憶している情報を情報処理回路に出力する。

磁気記憶装置１０は、メモリセルアレイ２０と、ビットラインデコーダ２２と、ソースラインデコーダ２４と、書込制御回路３２と、読出制御回路３４と、シフト制御回路３６と、基底電流制御回路３８と、コントローラ４０とを備える。

メモリセルアレイ２０は、複数のビットラインＢＬと、複数のソースラインＳＬと、複数のフィールドラインＦＬとを有する。メモリセルアレイ２０は、マトリクス状に配置された複数のセル５０をさらに有する。複数のセル５０のそれぞれは、磁気的に情報を記憶する。さらに、複数のセル５０のそれぞれは、磁壁移動の原理を用いて、保持して磁化状態をシフトすることができる。なお、セル５０については、さらなる詳細を後述する。

ビットラインデコーダ２２は、コントローラ４０による制御に応じて、書き込み対象または読み出し対象のセル５０が接続されたビットラインＢＬを選択する。ソースラインデコーダ２４は、コントローラ４０による制御に応じて、書き込み対象または読み出し対象のセル５０が接続されたソースラインＳＬを選択する。

書込制御回路３２は、書き込み時において、コントローラ４０による制御に応じて、ビットラインデコーダ２２およびソースラインデコーダ２４により選択された対象のセル５０に記録情報を書き込む。読出制御回路３４は、読み出し時において、コントローラ４０による制御に応じて、ビットラインデコーダ２２およびソースラインデコーダ２４により選択された対象のセル５０から情報を読み出す。シフト制御回路３６は、書き込み時または読み出し時の前において、コントローラ４０による制御に応じて、対象のセル５０が保持している磁区をシフトさせる。なお、書込処理、読出処理、および、シフト処理については、さらなる詳細を後述する。

基底電流制御回路３８は、ビットラインデコーダ２２およびソースラインデコーダ２４により選択された対象のセル５０に対して、連続して情報を読み出しまたは書き込みが可能なように、基底電流を流す。なお、基底電流の供給については、さらなる詳細を後述する。

コントローラ４０は、バス等を介して接続される情報処理回路から読出命令または書込命令等を受け取る。コントローラ４０は、受け取った命令に応じて、ビットラインデコーダ２２、ソースラインデコーダ２４、書込制御回路３２、読出制御回路３４、シフト制御回路３６および基底電流制御回路３８を制御する。これにより、コントローラ４０は、メモリセルアレイ２０に含まれる複数のセル５０のうちの選択したセル５０に対して、情報を書き込んだり、情報を読み出したりすることができる。

図２は、メモリセルアレイ２０の一部分の構成を示す図である。

複数のビットラインＢＬのそれぞれは、半導体装置における所定の層に形成された略直線状の配線である。複数のビットラインＢＬは、均等間隔で平行に形成される。例えば、それぞれのビットラインＢＬは、Ｘ方向に伸びるように形成される。

複数のソースラインＳＬのそれぞれは、半導体装置におけるビットラインＢＬが形成された層とは異なる所定の層に形成された直線状の配線である。複数のソースラインＳＬは、複数のビットラインＢＬに対して直交する方向に、均等間隔で平行に配置される。例えば、それぞれのソースラインＳＬは、Ｘ方向に直交するＹ方向に伸びるように形成される。例えば、複数のソースラインＳＬは、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向における、複数のビットラインＢＬとは異なる層に形成される。

複数のフィールドラインＦＬは、半導体装置におけるビットラインＢＬおよびソースラインＳＬが形成された層とは異なる所定の層に形成された配線である。複数のフィールドラインＦＬは、例えば複数のビットラインＢＬと一対一で設けられる。複数のフィールドラインＦＬは、複数のビットラインＢＬと同一方向に、均等間隔で平行に配置される。例えば、それぞれのフィールドラインＦＬは、Ｘ方向に伸びるように形成される。例えば、複数のソースラインＳＬは、Ｚ方向における、複数のビットラインＢＬおよび複数のソースラインＳＬとは異なる層に形成される。

複数のセル５０は、Ｘ−Ｙ平面に対してマトリクス状に配置される。複数のセル５０は、複数のビットラインＢＬが形成された層と、複数のソースラインＳＬが形成された層との間の層に形成される。複数のセル５０のそれぞれは、Ｘ−Ｙ平面におけるビットラインＢＬとソースラインＳＬとの交点位置に設けられる。複数のセル５０のそれぞれは、Ｚ方向に細長い形状を有し、一方の端部が対応するビットラインＢＬに電気的に接続され、他方の端部が対応するソースラインＳＬに電気的に接続される。また、複数のセル５０のそれぞれは、複数のフィールドラインＦＬのうちの何れか１つに磁気的に接続される。

それぞれのセル５０は、磁性記憶細線５２（ＭＭＬ）と、セレクタ素子５４（スイッチ素子）と、磁気抵抗効果素子５６とを含む。

磁性記憶細線５２は、線状の強磁性体である。磁性記憶細線５２は、ビットラインＢＬおよびソースラインＳＬの両者に直交する方向（Ｚ方向）に伸びるように配置される。

磁性記憶細線５２は、長さ方向（Ｚ方向）に、複数の磁区を保持可能である。それぞれの磁区は、記憶情報に応じて、第１方向または第１方向とは反対の第２方向の何れかに磁化されている。磁性記憶細線５２は、長さ方向（Ｚ方向）に電流が流れることに応じて、保持している磁区を長さ方向（Ｚ方向）にシフトさせる。

磁性記憶細線５２は、Ｚ方向の一端が、対応する１つのソースラインＳＬに電気的に接続される。また、磁性記憶細線５２は、Ｚ方向の他端（ソースラインＳＬとは反対側の端部）が、セレクタ素子５４および磁気抵抗効果素子５６を介して、対応する１つのビットラインＢＬに電気的に接続可能である。従って、磁性記憶細線５２は、セレクタ素子５４がオン状態の場合、対応するビットラインＢＬおよびソースラインＳＬから電流が供給されることにより、保持している磁区を長さ方向（Ｚ方向）に移動させることができる。

セレクタ素子５４は、磁性記憶細線５２に直列に接続される２端子素子である。より具体的には、セレクタ素子５４は、Ｚ方向の一端が、対応する１つのビットラインＢＬに電気的に接続され、他端が、磁気抵抗効果素子５６を介して磁性記憶細線５２のソースラインＳＬが接続されていない側の端部に接続される。

セレクタ素子５４は、２端子間をオフ状態（高抵抗状態、非導通状態）またはオン状態（低抵抗状態、導通状態）に切り換える。セレクタ素子５４は、２端子間に印加される電圧および２端子間に流れる電流に応じて、オフ状態またはオン状態に切り替える。セレクタ素子５４がオフ状態の場合、直列に接続された磁性記憶細線５２には電流が流れない。セレクタ素子５４がオン状態の場合、直列に接続された磁性記憶細線５２に電流が流れる。

セレクタ素子５４は、オフ状態において所定値以上の電圧が印加された場合にオン状態に変化する。さらに、セレクタ素子５４は、オン状態において、保持電流値（Ｉ_ｈｏｌｄ）以上の電流が流れ続ける場合にオン状態を維持する。

セレクタ素子５４は、例えば２端子間スイッチ素子であってもよい。２端子間に印加する電圧が閾値以下の場合、２端子間スイッチ素子は”高抵抗”状態、例えば電気的に非導通状態である。２端子間に印加する電圧が閾値以上の場合、２端子間スイッチ素子は”低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。２端子間スイッチ素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。２端子間スイッチ素子は、Ｔｅ、ＳｅおよびＳからなる群より選択された少なくとも１種以上のカルコゲン元素を含んでもよい。または、２端子間スイッチ素子は、このようなカルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。２端子間スイッチ素子は、他にも、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂからなる群より選択された少なくとも１種以上の元素を含んでもよい。

磁気抵抗効果素子５６は、セレクタ素子５４と磁性記憶細線５２との間に設けられる。磁気抵抗効果素子５６は、導電性を有する。従って、セレクタ素子５４と磁性記憶細線５２とは電気的に接続がされる。これにより、磁性記憶細線５２の一端は、セレクタ素子５４がオン状態の場合、セレクタ素子５４および磁気抵抗効果素子５６を介して、対応するビットラインＢＬに電気的に接続される。

磁気抵抗効果素子５６は、記憶した磁化方向に応じて抵抗値が変化する。本実施形態において、磁気抵抗効果素子５６は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子である。

図３は、メモリセルアレイ２０の一部分の構造を模式的に示す斜視図である。磁性記憶細線５２は、例えば、円筒状である。本実施形態において、磁性記憶細線５２は、内部が中空となっているが、内部が中空となっていない円柱状であってもよいし、円筒状および円柱状でなくてもよい。

磁性記憶細線５２は、一方の底面が何れかのソースラインＳＬに接続されている。磁性記憶細線５２は、ソースラインＳＬとは反対側の底面が磁気抵抗効果素子５６に接続されている。

磁気抵抗効果素子５６は、第１磁性層５６Ｓ（記憶層）と、非磁性層５６Ｎと、第２磁性層５６Ｒ（参照層）とを含む。第１磁性層５６Ｓは、磁性記憶細線５２におけるソースラインＳＬが接続されていない側の底面に接している。第２磁性層５６Ｒは、セレクタ素子５４に接している。非磁性層５６Ｎは、第１磁性層５６Ｓと第２磁性層５６Ｒと間に配置される。

第１磁性層５６Ｓは、第１磁性層５６Ｓ、非磁性層５６Ｎおよび第２磁性層５６Ｒの境界面に対して平行な方向（Ｘ−Ｙ平面の面内方向）に沿って磁化される。読み出し時において、第１磁性層５６Ｓは、磁性記憶細線５２における磁気抵抗効果素子５６側の端部に保持されている磁区の磁化方向に応じて、磁化方向が反転する。非磁性層５６Ｎは、トンネルバリアとして機能する。

第２磁性層５６Ｒは、方向が固定または不変の磁化を有し、例えば、第１磁性層５６Ｓの保磁力より大きい保磁力を有する。第２磁性層５６Ｒは、第１磁性層５６Ｓの磁化方向および磁性記憶細線５２の磁区の磁化方向によっては、磁化方向が反転しない。ここで、方向が固定または不変とは、所定のシフト書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。

第２磁性層５６Ｒ、非磁性層５６Ｎおよび第１磁性層５６Ｓの組は、磁気抵抗効果を示す。より具体的には、第１磁性層５６Ｓの磁化方向と第２磁性層５６Ｒの磁化方向が平行および反平行であると、第２磁性層５６Ｒ、非磁性層５６Ｎおよび第１磁性層５６Ｓの組は、それぞれ最小および最大の抵抗値を示す。磁気抵抗効果素子５６は、第１磁性層５６Ｓと第２磁性層５６Ｒの磁化方向が平行である場合（同一方向である場合）低抵抗状態となり、反平行である場合（反対方向である場合）、高抵抗状態となる。

第１磁性層５６Ｓは、磁性記憶細線５２における磁気抵抗効果素子５６側の端部（読出位置）に保持されている磁区の磁化方向によって磁化方向が変化する。従って、磁気抵抗効果素子５６は、磁性記憶細線５２における磁気抵抗効果素子５６側の端部の磁区が保持している磁化方向によって、抵抗値が変化する。これにより、磁気抵抗効果素子５６は、磁性記憶細線５２における読出位置に保持されている磁区の磁化方向を読み出す読出素子として機能することができる。なお、磁気抵抗効果素子５６は、さらなる層を含んでもよい。

また、磁性記憶細線５２の底面と、第２磁性層５６Ｒおよび非磁性層５６Ｎとは、Ｘ−Ｙ平面における形成範囲が異なる。第１磁性層５６Ｓは、Ｘ−Ｙ平面における、磁性記憶細線５２の底面に接する領域と、第２磁性層５６Ｒおよび非磁性層５６Ｎに接する領域との全てを含むような範囲に形成される。

フィールドラインＦＬは、円筒状の磁性記憶細線５２における、ソースラインＳＬとは反対側の底面の直上の領域を通過するように形成されている。従って、磁性記憶細線５２における磁気抵抗効果素子５６側の端部は、第１磁性層５６Ｓを介して、ソースラインＳＬに近接している。このため、磁性記憶細線５２における磁気抵抗効果素子５６側の端部は、フィールドラインＦＬに流れる電流によって生じる磁界が第１磁性層５６Ｓを介して印加される。

フィールドラインＦＬに流れる電流によって生じる磁界が印加された場合、磁性記憶細線５２における磁気抵抗効果素子５６側の端部（書込位置）には、新たな磁区が誘導磁場により書き込まれる。磁性記憶細線５２における磁気抵抗効果素子５６側の端部に書き込まれる新たな磁区は、フィールドラインＦＬに流れる書き込み電流の方向に応じた方向に磁化される。このように、フィールドラインＦＬおよび第１磁性層５６Ｓは、磁性記憶細線５２における書込位置に記録情報に応じた磁化方向の磁区を書き込む書込素子として機能することができる。

図４は、磁性記憶細線５２が保持する磁区および記録情報の一例を示す図である。より詳しくは、図４の（Ａ）は、磁性記憶細線５２をＺ方向から見た模式的な図である。図４の（Ｂ）は、磁性記憶細線５２における、図４の（Ａ）のＡ−Ａ’線で切断して見える領域が保持する複数の磁区の磁化方向の一例、および、複数の磁区の磁化方向が表す記録情報を示す。

磁性記憶細線５２は、長さ方向（Ｚ方向）に沿って複数の磁区を保持することが可能である。なお、図４の（Ｂ）では、図中の上側が磁気抵抗効果素子５６に接している。図４の（Ｂ）の例では、磁性記憶細線５２は、磁気抵抗効果素子５６側から、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…の磁区を保持している。

各磁区は、第１方向、または、第１方向とは反対の第２方向に磁化される。各磁区は、図４に示すように、外周側からＮ極、Ｓ極の順序で形成される磁化方向と、これと反対に、外周側からＳ極、Ｎ極の順序で形成される磁化方向とを有する。なお、各磁区の磁化方向は、磁性記憶細線５２の長さ方向（Ｚ方向）に対して垂直方向であってもよいし（垂直磁化膜）、磁性記憶細線５２の長さ方向（Ｚ方向）であってもよい（面内磁化膜）。

例えば、磁性記憶細線５２の長さ方向（Ｚ方向）に隣接する２つの磁区の磁化方向が同一の場合、磁性記憶細線５２は、その２つの磁区に第１データを記憶する。隣接する２つの磁区の磁化方向が異なる場合、磁性記憶細線５２は、その２つの磁区に、第１データと異なる第２データを記憶する。例えば、磁性記憶細線５２は、隣接する２つの磁区の磁化方向が同じ場合、その２つの磁区に“０”を記憶する。例えば、磁性記憶細線５２は、隣接する２つの磁区の磁化方向が異なる場合、その２つの磁区に“１”を記憶する。

なお、Ｍ２およびＭ３のように、隣接する２つの磁区の磁化方向が異なる場合には、磁区と磁区との間に磁壁が生じる。しかし、Ｍ１およびＭ２のように、隣接する磁区の磁化方向が同じ場合は、磁区と磁区との間に磁壁は生じない。

図５は、書き込み時における磁性記憶細線５２に保持されている磁区の一例を示す。磁性記憶細線５２は、長さ方向（Ｚ方向）に沿って、保持している磁区をシフトする。より具体的には、磁性記憶細線５２は、シフトパルス電流が１回供給された場合、保持している全ての磁区を、長さ方向に１磁区分シフトする。

磁性記憶細線５２には、一回の書込処理で、書込位置（書込素子側の端部）に、書き込み電流に応じた磁化方向の１つの磁区が書き込まれる。書込処理が１回終了した後、磁性記憶細線５２には、保持している全ての磁区を書込位置から離れる方向にシフトさせるシフトパルス電流が供給される。これにより、磁性記憶細線５２は、書込位置に空きができ、次の新たな有効な磁区を書き込み可能とすることができる。

以後、磁性記憶細線５２は、書込処理とシフトパルス電流の供給とが交互に行われる。そして、最初に書き込まれた磁区が、磁性記憶細線５２における書込素子とは反対側の端部（末尾位置）まで達すると、磁性記憶細線５２は、以後、新たな磁区の書き込みはできなくなる。

以上のように磁性記憶細線５２は、既に書き込まれた磁区を順次に末尾位置の方向にシフトしながら、新たな磁区が書込位置に書き込まれる。

図６は、読み出し時における磁性記憶細線５２に保持されている磁区の一例を示す。

磁性記憶細線５２は、一回の読出処理で、読出位置（読出素子側の端部）に保持された１つの磁区の磁化方向が読み出される。磁性記憶細線５２は、読出処理が１回終了した後、保持している全ての磁区を読出位置に近づけるようなシフトパルス電流が供給される。これにより、磁性記憶細線５２は、直近に読み出された磁区の次の磁区を読み出し可能とすることができる。

以後、磁性記憶細線５２は、読出処理とシフトパルス電流の供給とが交互に行われる。そして、末尾位置に書き込まれていた磁区が読出位置まで達すると、磁性記憶細線５２は、全ての磁区が読み出された状態となる。

以上のように磁性記憶細線５２は、保持している磁区を順次に読出位置の方向にシフトしながら、順次に磁区が読み出される。なお、磁性記憶細線５２は、書き込み時と読み出し時とで、磁区のシフト方向が異なる。従って、磁性記憶細線５２は、書き込み時と読み出し時とで、異なる方向のシフトパルス電流が流される。

図７は、セル５０に印加される電圧およびセル５０に流れる電流の特性を示す図である。

セル５０に印加されるセル電圧が０、および、セル５０に流れるセル電流が０の初期状態では、セレクタ素子５４はオフ状態である。セレクタ素子５４がオフ状態において、セル電圧が徐々に上昇したとする。この場合、セレクタ素子５４は、セル電圧が所定の閾電圧値（Ｖ_ｔｈ）に達するまではオフ状態を維持する。しかし、セル電圧が閾電圧値（Ｖ_ｔｈ）以上となり、セル電流が閾電流値（Ｉ_ｔｈ）以上となると、セレクタ素子５４は、オフ状態からオン状態に変化する。

セレクタ素子５４がオフ状態からオン状態に変化すると、セレクタ素子５４の抵抗値が急激に減少する。従って、セレクタ素子５４がオン状態からオフ状態に変化するとセル電圧は、保持電圧値（Ｖ_ｈｏｌｄ）まで急峻に下がる。一方、セル電流は、保持電流値（Ｉ_ｈｏｌｄ）まで急峻に上がる。

セレクタ素子５４は、オン状態において、保持電流値（Ｉ_ｈｏｌｄ）以上の電流が流れ続けると、オン状態を維持する。しかし、セレクタ素子５４は、オン状態において、流れる電流が保持電流値（Ｉ_ｈｏｌｄ）より小さくなると、オン状態を維持できず、オフ状態へと変化してしまう。

また、磁気抵抗効果素子５６は、記録している磁化方向に応じて、抵抗値が異なる。例えば、磁気抵抗効果素子５６は、第１方向に磁化された場合には、低抵抗状態（ＬＲＳ）となり、第１方向とは反対の第２方向に磁化された場合に、高抵抗状態（ＨＲＳ）となる。従って、セル５０は、オン状態において、磁気抵抗効果素子５６が低抵抗状態（ＬＲＳ）であるか、高抵抗状態（ＨＲＳ）であるかによって、電圧−電流特性が異なる。

このため、読出制御回路３４は、セレクタ素子５４をオン状態において、セル５０に定電圧を印加して、流れる電流の値を測定することにより、磁気抵抗効果素子５６が記憶した磁化方向を検出することができる。あるいは、読出制御回路３４は、セレクタ素子５４をオン状態において、セル５０に定電流を印加して、加わる電圧の値を測定することにより、磁気抵抗効果素子５６が記憶した磁化方向を検出することができる。

図８は、対象のセル５０から情報を読み出すための構成を示すブロック図である。対象のセル５０から情報を読み出すための構成として、磁気記憶装置１０は、ビットラインスイッチ６２と、ソースラインスイッチ６４と、読出制御回路３４と、読出電流スイッチ６６と、シフト制御回路３６と、シフト電流スイッチ６８と、基底電流制御回路３８と、基底電流スイッチ７０と、コントローラ４０とを備える。

ビットラインスイッチ６２は、複数のビットラインＢＬの接続を切り替えるマルチプレクサの一つのスイッチ要素であってもよい。このマルチプレクサは、例えば、ビットラインデコーダ２２による選択動作に応じて切り替え制御される。

ソースラインスイッチ６４は、対象のセル５０が接続されたソースラインＳＬと、グランドとの間を接続または切断する。ソースラインスイッチ６４は、複数のソースラインＳＬと、グランドとの接続を切り替えるマルチプレクサの一つのスイッチ要素であってもよい。このマルチプレクサは、例えば、ソースラインデコーダ２４による選択動作に応じて切り替え制御される。

読出制御回路３４は、対象のセル５０に含まれる磁気抵抗効果素子５６にビットラインＢＬを介して読出電流（Ｉ_ｒｅａｄ）を供給する。これにより、読出制御回路３４は、読出位置に保持された磁区の磁化方向の情報を取得することができる。

読出電流スイッチ６６は、読出制御回路３４とセレクタ素子５４との間に設けられる。本実施形態においては、読出電流スイッチ６６は、ビットラインスイッチ６２を介してセレクタ素子５４に電気的に接続される。読出電流スイッチ６６は、読出制御回路３４とセレクタ素子５４との間を、電気的に接続または切断する。読出電流スイッチ６６は、コントローラ４０の制御に応じて、読出制御回路３４から読出電流（Ｉ_ｒｅａｄ）が出力される場合に、接続状態となり、それ以外の場合に切断状態となる。

シフト制御回路３６は、対象のセル５０に含まれる磁性記憶細線５２にセレクタ素子５４を介してシフトパルス電流（Ｉ_{ｓｈｉｆｔ}）を供給して、磁性記憶細線５２に保持された磁区を長さ方向にシフトさせる。シフトパルス電流は、磁性記憶細線５２に保持された全ての磁区を、１個の磁区の長さ分シフトさせる電流量である。

シフト電流スイッチ６８は、シフト制御回路３６とセレクタ素子５４との間に設けられる。本実施形態においては、シフト電流スイッチ６８は、ビットラインスイッチ６２を介してセレクタ素子５４に電気的に接続される。シフト電流スイッチ６８は、シフト制御回路３６とセレクタ素子５４との間を、電気的に接続または切断する。シフト電流スイッチ６８は、コントローラ４０の制御に応じて、シフト制御回路３６からシフトパルス電流が出力される場合に、接続状態となり、それ以外の場合に切断状態となる。

磁性記憶細線５２に保持された磁区の磁化方向を読み出す場合、シフト制御回路３６は、磁性記憶細線５２に保持された磁区を読出位置に近づくようにシフトさせるシフトパルス電流を、磁性記憶細線５２に供給する。そして、磁性記憶細線５２に保持された磁区の磁化方向を読み出す場合、読出制御回路３４は、１個の磁区の長さ分シフトされた後、読出位置に保持された磁区の磁化方向の情報を取得する。

また、磁性記憶細線５２に記録情報に応じた磁化方向の磁区を書き込む場合、シフト制御回路３６は、磁性記憶細線５２に保持された磁区を書込位置から離れるようにシフトさせるシフトパルス電流を、磁性記憶細線５２に供給する。そして、磁性記憶細線５２に記録情報に応じた磁化方向の磁区を書き込む場合、書込制御回路３２は、１個の磁区の長さ分シフトされた後、対象のセル５０に接続されたフィールドラインＦＬに記録情報に応じた書き込み電流を供給する。これにより、書込制御回路３２は、記録情報に応じた磁化方向の磁区を、磁性記憶細線５２における書込位置に書き込むことができる。

基底電流制御回路３８は、所定の継続供給期間、対象のセル５０に含まれるセレクタ素子５４にビットラインＢＬを介して保持電流値（Ｉ_ｈｏｌｄ）以上である基底電流（Ｉ_ｂａｓｅ）を供給する。基底電流制御回路３８は、基底電流（Ｉ_ｂａｓｅ）でビットラインＢＬを充電することにより、セレクタ素子５４の電圧を保持電圧値（Ｖ_ｈｏｌｄ）以上にして、セレクタ素子５４をオン状態に変化させる。これにより、基底電流制御回路３８は、セレクタ素子５４のオフ状態からオン状態に変化した後、継続供給期間、セレクタ素子５４をオン状態に維持させることができる。

基底電流スイッチ７０は、基底電流制御回路３８とセレクタ素子５４との間に設けられる。本実施形態においては、基底電流スイッチ７０は、ビットラインスイッチ６２を介してセレクタ素子５４に電気的に接続される。基底電流スイッチ７０は、基底電流制御回路３８とセレクタ素子５４との間を、電気的に接続または切断する。基底電流スイッチ７０は、コントローラ４０の制御に応じて、基底電流制御回路３８から基底電流（Ｉ_ｂａｓｅ）が出力される場合に、接続状態となり、それ以外の場合に切断状態となる。

コントローラ４０は、ビットラインスイッチ６２およびソースラインスイッチ６４の切り替え制御を実行する。また、コントローラ４０は、読出電流スイッチ６６、シフト電流スイッチ６８および基底電流スイッチ７０の切り替え制御を実行する。また、コントローラ４０は、書込制御回路３２、読出制御回路３４、シフト制御回路３６および基底電流制御回路３８の動作制御を実行する。

コントローラ４０は、セレクタ素子５４がオフ状態からオン状態に変化した後、所定の継続供給期間、基底電流制御回路３８に基底電流（Ｉ_ｂａｓｅ）をセレクタ素子５４に供給させる。そして、コントローラ４０は、継続供給期間において、シフト制御回路３６にシフトパルス電流を複数回供給させる。

さらに、磁性記憶細線５２に保持された磁区の磁化方向を読み出す場合、コントローラ４０は、シフト制御回路３６からシフトパルス電流を供給させた後、読出制御回路３４を制御して読出処理をさせる。すなわち、磁性記憶細線５２に保持された磁区の磁化方向を読み出す場合、コントローラ４０は、シフトパルス電流が磁性記憶細線５２に１回供給される毎に、読出制御回路３４に磁気抵抗効果素子５６により読み出された磁化方向の情報を取得させる。これにより、コントローラ４０は、磁性記憶細線５２に保持された磁区の磁化方向を読み出す場合、シフトパルス電流の供給と、読出処理と交互に実行させることができる。

また、磁性記憶細線５２に記録情報に応じた磁化方向の磁区を書き込む場合、コントローラ４０は、シフト制御回路３６からシフトパルス電流を供給させた後、図８には示していない書込制御回路３２を制御して、書込処理をさせる。すなわち、磁性記憶細線５２に記録情報に応じた磁化方向の磁区を書き込む場合、コントローラ４０は、シフトパルス電流が磁性記憶細線５２に１回供給される毎に、書込制御回路３２に記録情報に応じた磁化方向の磁区を磁性記憶細線５２に書き込ませる。これにより、コントローラ４０は、磁性記憶細線５２に記録情報に応じた磁化方向の磁区を書き込む場合、シフトパルス電流の供給と、書込処理と交互に実行させることができる。

また、コントローラ４０は、継続供給期間において、磁性記憶細線５２に保持可能な磁区の個数と同一回数分、シフトパルス電流を供給させてもよい。これにより、コントローラ４０は、１回の継続供給期間において、磁性記憶細線５２に保持された全ての磁区の磁化方向の情報を取得することができる。また、コントローラ４０は、１回の継続供給期間において、保持可能な最大の数の磁区を磁性記憶細線５２に書き込むことができる。

図９は、コントローラ４０の処理の流れを示すフローチャートである。コントローラ４０は、対象のセル５０に含まれる磁性記憶細線５２から磁化状態を読み出す場合、図９に示す流れで処理を実行する。

まず、Ｓ１１において、コントローラ４０は、基底電流制御回路３８に基底電流の供給開始を指示する。基底電流制御回路３８は、供給開始の指示を受けると、基底電流をセル５０に供給する。なお、基底電流制御回路３８は、以後、コントローラ４０から供給終了の指示を受けるまで、基底電流をセル５０に供給し続ける。これにより、セル５０に含まれるセレクタ素子５４は、基底電流が供給され続けている期間（継続供給期間）、オン状態を維持し続けることができる。

続いて、Ｓ１２において、コントローラ４０は、シフト制御回路３６に、読出位置に近づく方向に磁区をシフトさせるシフトパルス電流の供給を指示する。シフト制御回路３６は、供給の指示を受けると、セル５０に、読出位置に近づく方向に磁区をシフトさせるシフトパルス電流を供給する。これにより、セル５０に含まれる磁性記憶細線５２は、保持している全ての磁区を、１個の磁区の長さ分、読出位置に近づく方向にシフトさせることができる。

なお、対象のセル５０に含まれる磁性記憶細線５２に磁区を書き込む場合には、Ｓ１２において、コントローラ４０は、シフト制御回路３６に、書込位置から離れる方向に磁区をシフトさせるシフトパルス電流の供給を指示する。シフト制御回路３６は、供給の指示を受けると、セル５０に、書込位置から離れる方向に磁区をシフトさせるシフトパルス電流を供給する。これにより、セル５０に含まれる磁性記憶細線５２は、保持している全ての磁区を、１個の磁区の長さ分、書込位置から離れる方向にシフトさせることができる。

続いて、Ｓ１３において、コントローラ４０は、読出制御回路３４に読出処理の実行を指示する。読出制御回路３４は、読出処理の実行指示を受けると、読出処理を実行する。これにより、読出制御回路３４は、磁性記憶細線５２における読出位置に保持された磁区の磁化方向の情報を取得することができる。

なお、対象のセル５０に含まれる磁性記憶細線５２に磁区を書き込む場合には、Ｓ１３において、コントローラ４０は、書込制御回路３２に書込処理の実行を指示する。書込制御回路３２は、書込処理の実行指示を受けると、書込処理を実行する。これにより、書込制御回路３２は、磁性記憶細線５２における書込位置に、記録情報に応じた磁化方向の新たな磁区を書き込むことができる。

続いて、Ｓ１４において、コントローラ４０は、Ｓ１３の処理をＮ回実行したか否かを判断する。

Ｎは、磁性記憶細線５２に保持可能な磁区の個数である。すなわち、コントローラ４０は、磁性記憶細線５２に保持されている全ての磁区の磁化方向を読み出したか（または、磁性記憶細線５２が保持可能な数の磁区を書き込んだか）を判断する。

Ｓ１３の処理をＮ回実行していない場合には（Ｓ１４のＮｏ）、コントローラ４０は、処理をＳ１２に戻して、Ｓ１２から処理を繰り返す。Ｓ１３の処理をＮ回実行した場合には（Ｓ１４のＹｅｓ）、コントローラ４０は、処理をＳ１５に進める。

Ｓ１５において、コントローラ４０は、基底電流制御回路３８に基底電流の供給終了を指示する。基底電流制御回路３８は、供給終了の指示を受けると、セル５０への基底電流の供給を終了する。これにより、セル５０に含まれるセレクタ素子５４は、オン状態からオフ状態に変化する。そして、Ｓ１６の処理を終えると、コントローラ４０は、対象のセル５０に対する本フローの処理を終了する。

図１０は、コントローラ４０から出力される制御信号のタイミングチャートである。図１０のＳＥＬは、コントローラ４０から基底電流制御回路３８および基底電流スイッチ７０に与えられる、基底電流の出力を指示する制御信号である。図１０のＳＦＴは、コントローラ４０からシフト制御回路３６およびシフト電流スイッチ６８に与えられる、シフトパルス電流の出力を指示する制御信号である。図１０のＲＥは、コントローラ４０から読出制御回路３４および読出電流スイッチ６６に与えられる、読出処理の実行を指示する制御信号である。

基底電流制御回路３８は、コントローラ４０からＳＥＬが供給されている期間（継続供給期間）、基底電流をセレクタ素子５４に供給し続ける。これにより、セレクタ素子５４は、継続供給期間、オン状態を継続することができる。

また、継続供給期間において、コントローラ４０は、ＳＦＴおよびＲＥを交互に発生する。これにより、コントローラ４０は、セレクタ素子５４をオフ状態からオン状態に１回変化させただけで、複数の磁区から磁化方向を読み出させることができる。

なお、書き込み時においては、コントローラ４０は、ＲＥの発生タイミングにおいて、書込制御回路３２に対して書込処理の実行を指示する制御信号を与える。これにより、コントローラ４０は、書き込み時においては、セレクタ素子５４をオフ状態からオン状態に１回変化させただけで、複数の磁区を書き込むことができる。

図１１は、読み出し時におけるセル５０に流れる電流量の時間変化を示す図である。セレクタ素子５４がオフ状態からオン状態に変化した場合、セル５０には、スパイク電流が流れる。スパイク電流は、セル５０に含まれる素子の破壊の原因となったり、磁性記憶細線５２が保持している磁区を誤ってシフトさせる原因となったりする。

例えば、１個の磁区に保持された磁化方向を読み出す毎（または書き込む毎）に、セレクタ素子５４をオフ状態からオン状態に変化させた場合、セル５０には、非常に多くの回数、スパイク電流が流れてしまい、素子の破壊および磁区の誤シフトの可能性が高くなる。

これに対して、磁気記憶装置１０は、セレクタ素子５４をオフ状態からオン状態に１回変化させる毎に、複数回の読出処理（または複数回の書込処理）を実行する。従って、磁気記憶装置１０では、読出処理（および書込処理）の回数に対するスパイク電流の発生回数が少なくなる。

以上のように、本実施形態に係る磁気記憶装置１０では、スパイク電流の発生回数を少なくすることができる。これにより、本実施形態に係る磁気記憶装置１０によれば、誤シフトを無くして精度良く情報を記憶することができる。また、本実施形態に係る磁気記憶装置１０によれば、素子の破壊等の可能性を小さくすることができる。なお、図１１では、読み出し時におけるセル５０に流れる電流の時間変化を示しているが、書き込み時においては、読み出し電流が流れている期間に基底電流が流れる。

図１２は、変形例に係るコントローラ４０の処理の流れを示すフローチャートである。コントローラ４０は、図９に示す処理に代えて、図１２に示す流れで処理を実行してもよい。

まず、Ｓ１１からＳ１３までにおいて、コントローラ４０は、図９に示した処理と同一の処理を実行する。Ｓ１３を終了すると、コントローラ４０は、処理をＳ２１に進める。

Ｓ２１において、コントローラ４０は、Ｓ１３の処理をＭ回実行したか否かを判断する。

Ｍは、磁性記憶細線５２に保持可能な磁区の個数よりも少ない所定の数である。例えば、信頼性の観点からセレクタ素子５４をオン状態にし続けることが可能な連続動作可能期間が定まっている場合、Ｍは、少なくとも連続動作可能期間を超えないような繰り返し回数であってもよい。

コントローラ４０は、Ｓ１３の処理をＭ回実行していない場合には（Ｓ２１のＮｏ）、処理をＳ１２に戻して、Ｓ１２から処理を繰り返す。コントローラ４０は、Ｓ１３の処理をＭ回実行した場合には（Ｓ２１のＹｅｓ）、処理をＳ１５に進める。

Ｓ１５において、コントローラ４０は、図９に示した処理と同一の処理を実行する。Ｓ１５を終了すると、コントローラ４０は、処理をＳ２２に進める。

Ｓ２２において、コントローラ４０は、Ｓ１３の処理を、合計でＮ回実行したか否かを判断する。Ｎは、磁性記憶細線５２に保持可能な磁区の個数である。すなわち、コントローラ４０は、磁性記憶細線５２に保持されている全ての磁区の磁化方向を読み出したか（または、磁性記憶細線５２が保持可能な数の磁区を書き込んだか）を判断する。

Ｓ１３の処理を合計でＮ回実行していない場合には（Ｓ２２のＮｏ）、コントローラ４０は、処理をＳ１１に戻して、Ｓ１１から処理を繰り返す。Ｓ１３の処理を合計でＮ回実行した場合には（Ｓ２２のＹｅｓ）、コントローラ４０は、対象のセル５０に対する本フローの処理を終了する。

なお、Ｍは、Ｎの約数であってもよい。これにより、全ての継続供給期間において、同一の数の磁区の磁化方向を読み出すこと、または、同一の数の磁区を書き込むことができる。また、コントローラ４０は、Ｓ２１の処理として、セレクタ素子５４がオン状態となってから所定期間経過したか否かを判断してもよい。ここで、所定期間は、連続動作可能期間より短い期間である。これにより、コントローラ４０は、セレクタ素子５４がオン状態となっている期間を、確実に、連続動作可能期間より短くすることができる。

図１３は、変形例において、各継続供給期間で読み出される磁区の範囲を示す図である。変形例において、磁気記憶装置１０は、１つの磁性記憶細線５２に対して複数の継続供給期間を設定して、読出処理および書込処理を実行する。

例えば、磁気記憶装置１０は、１回目の継続供給期間において、磁性記憶細線５２の１番目からＭ番目までの磁区の磁化方向を読み出し、２回目の継続供給期間において、（Ｍ＋１）番目から（２×Ｍ）番目までの磁区の磁化方向を読み出す。そして、例えば、磁気記憶装置１０は、ｘ回目（ｘは３以上の整数）の継続供給期間において、（（（ｘ−１）×Ｍ）＋１）番目からＮ番目までの磁区の磁化方向を読み出す。

このように磁気記憶装置１０は、磁性記憶細線５２に保持可能な磁区の個数よりも少ない回数毎に、セレクタ素子５４をオン状態とすることにより、スパイク電流の発生を抑制しつつ、セレクタ素子５４の信頼性を高くすることができる。

また、上述の各実施形態ではセレクタ素子５４として、２端子間スイッチ素子が適用される場合について説明したが、セレクタ素子５４として、３端子間スイッチ素子である電界効果トランジスタなど、ＭＯＳ（Metal oxide semiconductor）トランジスタ、ＦＩＮトランジスタが適用されてもよい。またダイオード素子が適用されてもよい。すなわち、メモリセルアレイ２０は、クロスポイント型の構造に限らず、任意のアレイ構造が適用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 磁気記憶装置、２０ メモリセルアレイ、２２ ビットラインデコーダ、２４ ソースラインデコーダ、３２ 書込制御回路、３４ 読出制御回路、３６ シフト制御回路、３８ 基底電流制御回路、４０ コントローラ、５０ セル、５２ 磁性記憶細線、５４ セレクタ素子、５６ 磁気抵抗効果素子、６２ ビットラインスイッチ、６４ ソースラインスイッチ

Claims (12)

1. 磁性記憶細線と、
   前記磁性記憶細線に直列に接続され、オフ状態において所定値以上の電圧が印加された場合にオン状態に変化し、前記オン状態において保持電流値以上の電流が流れ続ける場合に前記オン状態を維持するスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子を介して前記磁性記憶細線にシフトパルス電流を供給して、前記磁性記憶細線に保持された磁区をシフトさせるシフト制御回路と、
   前記保持電流値以上である基底電流を前記スイッチ素子に供給する基底電流制御回路と、
   前記スイッチ素子が前記オフ状態から前記オン状態に変化した後、所定の継続供給期間、前記基底電流制御回路に前記基底電流を前記スイッチ素子に供給させ、前記継続供給期間において、前記シフト制御回路に前記シフトパルス電流を複数回供給させるコントローラと、
   を備える磁気記憶装置。
2. 前記磁性記憶細線は、線状の強磁性体である
   請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記磁性記憶細線は、長さ方向に複数の磁区を保持可能であり、前記長さ方向に電流が流れることに応じて保持している磁区を移動させる
   請求項２に記載の磁気記憶装置。
4. 前記スイッチ素子は、前記磁性記憶細線の前記長さ方向の端部に電気的に接続される
   請求項３に記載の磁気記憶装置。
5. 前記シフトパルス電流は、前記磁性記憶細線に保持された全ての磁区を、１個の磁区の長さ分シフトさせる電流量である
   請求項１から４の何れか１項に記載の磁気記憶装置。
6. 前記コントローラは、前記継続供給期間において、前記磁性記憶細線に保持可能な磁区の個数と同一回数分、前記シフトパルス電流を供給させる
   請求項５に記載の磁気記憶装置。
7. 前記コントローラは、前記継続供給期間において、前記磁性記憶細線に保持可能な磁区の個数よりも少ない回数分、前記シフトパルス電流を供給させる
   請求項５に記載の磁気記憶装置。
8. 前記磁性記憶細線における読出位置に保持された磁区の磁化方向を読み出す読出素子を更に備え、
   前記磁性記憶細線に保持された磁区の磁化方向を読み出す場合、前記シフト制御回路は、前記磁性記憶細線に保持された磁区を前記読出位置に近づく方向にシフトさせる方向の前記シフトパルス電流を供給する
   請求項１から７の何れか１項に記載の磁気記憶装置。
9. 前記読出素子は、磁気抵抗効果素子である
   請求項８に記載の磁気記憶装置。
10. 前記読出素子に電流を供給して、前記読出素子により読み出された磁区の磁化方向の情報を取得する読出制御回路をさらに備え、
    前記コントローラは、前記シフトパルス電流が前記磁性記憶細線に供給される毎に、前記読出制御回路に前記読出素子により読み出された磁化方向の情報を取得させる
    請求項９に記載の磁気記憶装置。
11. 前記磁気抵抗効果素子は、前記スイッチ素子と前記磁性記憶細線との間に設けられる
    請求項９または１０に記載の磁気記憶装置。
12. 前記磁気抵抗効果素子は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子である
    請求項１１に記載の磁気記憶装置。

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