シフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法
【課題】信頼性が高いシフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法を提供する。
【解決手段】一態様によれば、一方向に沿って連なり、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を備えたシフトレジスタが提供される。前記複数の回転子には一軸異方性が付与され、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用する。
【解決手段】一態様によれば、一方向に沿って連なり、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を備えたシフトレジスタが提供される。前記複数の回転子には一軸異方性が付与され、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、シフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでメモリの高集積化は、微細化によりメモリセルを縮小することにより進められてきた。従来の記憶装置においては、各メモリセルにおいて、データを記憶する記憶素子、この記憶素子を選択してデータの書き込み及び読み出しを行う書込読出手段、並びに記憶素子に対してデータを伝達する配線が作り込まれていた。このため、メモリセルの高集積化を進めるには、上記メモリセルの全ての要素を含め微細化を進める必要があり、高集積化に限界があった。一方、記憶素子のみを高密度に配置し、記憶素子列内においてデータを順送りし、別の場所に設けられた書込読出手段まで転送するシフトレジスタ型の記憶装置も提案されている。しかしながら、この場合、実用的には１本の記憶素子列に百桁以上のデータを記憶させる必要があるが、百桁以上のデータを正確に同期して移動させることは極めて困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６８９８１３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態の目的は、信頼性が高いシフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、シフトレジスタと、書込読出部と、回転力印加部と、を備えたシフトレジスタ型記憶装置が提供される。シフトレジスタは、一方向に沿って連なり、一軸異方性が付与され、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を有する。書込読出部は、前記シフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることによって前記シフトレジスタにデータを書き込むと共に、前記特徴方向を検出することによって前記データを読み出す。回転力印加部は、前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を回転させるような回転力を印加する。そして、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用する。
【０００６】
本発明の他の一態様によれば、一方向に沿って連なり、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を含み、前記複数の回転子には一軸異方性が付与されており、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用するシフトレジスタを用いたデータ記憶方法が提供される。このデータ記憶方法は、前記シフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を、一回転方向に回転させて前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることにより、前記一端部に位置する前記対にデータを書き込む工程と、前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部から遠ざかる方向に桁送りする工程と、前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向の逆方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部に近づく方向に桁送りする工程と、前記一端に位置する前記回転子の前記特徴方向を検出することにより、前記一端部に位置する前記対に書き込まれたデータを読み出す工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
【図２】第１の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態において１つの回転子対がとり得る状態を例示する図である。
【図５】（ａ）は、隣り合う回転子対に相互に同じデータが記憶された場合を例示する図であり、（ｂ）は、隣り合う回転子対に相互に異なるデータが記憶された場合を例示する図である。
【図６】第１の実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時刻をとり、縦軸に配線を流れる電流をとって、回転力印加部の動作を例示するグラフ図であり、（ｃ）はシフトレジスタに印加される磁場の方向を例示する図である。
【図８】第１の実施形態の第１の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
【図９】第１の実施形態の第２の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
【図１０】第１の実施形態の第３の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
【図１１】第２に実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
【図１２】第２の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図である。
【図１３】第３の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する斜視図である。
【図１４】第２の実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
【０００９】
図１に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ１においては、強磁性体層１１、薄いルテニウム層１２、強磁性体層１３及び厚いルテニウム層１４がこの順に繰り返し積層されている。強磁性体層１１及び１３は、例えば、強磁性体材料、例えば、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ合金）からなり、その厚さは例えばそれぞれ４ｎｍである。ルテニウム層１２及び１４はルテニウム（Ｒｕ）からなり、厚いルテニウム層１４の厚さは薄いルテニウム層１２の厚さよりも厚い。薄いルテニウム層１２の厚さは例えば０．８ｎｍであり、厚いルテニウム層１４の厚さは２．１ｎｍである。
【００１０】
各層の積層方向から見て、シフトレジスタ１の形状は一軸に沿って伸びた形状であり、例えば、楕円、長円、菱形又は長方形等である。従って、シフトレジスタ１の形状は、例えば積層方向に延びる楕円柱形、長円柱形、菱形柱状又は長方柱形等である。以下、シフトレジスタ１を積層方向から見たときの長径方向を「長軸方向」といい、短径方向を「短軸方向」という。積層方向、長軸方向及び短軸方向は、相互に直交している。
【００１１】
本実施形態においては、各強磁性体層１１及び１３を「回転子」とし、その磁化方向Ｖｍを「特徴方向」とする。すなわち、シフトレジスタ１においては、複数の回転子が各層の積層方向に沿って一列に連なっている。各強磁性体層１１及び１３の磁化方向（特徴方向）は、その面内、すなわち、積層方向に対して垂直な平面内において、任意の方向をとることができる。すなわち、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍは、積層方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能である。
【００１２】
但し、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍに対しては、いくつかの力が作用する。
先ず、一軸異方性に起因する力がある。「一軸異方性」とは、あるベクトルが回転軸周りのある特定の方向（向きでなない）を向いたときにエネルギーが最小となるような性質をいう。積層方向から見て、シフトレジスタ１は長径方向に沿って伸びた形状とされているため、強磁性体層１１及び１３の形状も長軸方向に伸びた形状である。これにより、強磁性体層１１及び１３の磁化方向Ｖｍには形状に起因した一軸異方性（形状磁気異方性）が付与され、長軸方向のいずれかに向きやすくなる。すなわち、長軸方向が磁化容易方向となる。
【００１３】
また、強い反結合作用による力がある。薄いルテニウム層１２の作用により、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には反強磁性的結合状態が生じるため、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍと強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍとは、相互に反対の方向を向こうとする。以下、この作用を、本明細書では便宜的に「強い反結合作用」という。これにより、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には、磁化方向Ｖｍを反平行とするような力（第１の力）が作用する。以下、この力を「強い力」という。薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う一対の強磁性体層１１及び１３は、強い反結合作用を介して結合（カップリング）して回転子対を構成する。これにより、シフトレジスタ１に属するそれぞれ複数の強磁性体層１１及び１３は、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３毎に複数の回転子対に組分けされる。
【００１４】
更に、弱い反結合作用による力がある。厚いルテニウム層１４の作用により、厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には反強磁性的結合状態が生じ、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍと強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍとは、相互に反対の方向を向こうとする。以下、この作用を「弱い反結合作用」という。これにより、ルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には、磁化方向を反平行とするような力（第２の力）が作用する。ルテニウム層１４はルテニウム層１２よりも厚いため、第２の力は第１の力よりも弱い。以下、この第２の力を「弱い力」という。厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う一対の強磁性体層１１及び１３、すなわち、隣り合う回転子対に属する隣り合う２つの回転子は、弱い反結合作用を介して結合（カップリング）している。
【００１５】
これらの一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用は、シフトレジスタ１自体の内的な構成によって生じる作用であり、それ自体には時間依存性がない静的な作用である。但し、これらの作用によって個々の強磁性体層の磁化方向Ｖｍに作用する力、すなわち、一軸異方性に起因する力、強い力及び弱い力は、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍ及び隣り合う強磁性体層の磁化方向Ｖｍ間の関係に応じて変化する。一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用以外の作用が働かない場合は、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍが長軸方向に沿っており、且つ、隣り合う強磁性体層の磁化方向Ｖｍが相互に逆方向である状態、すなわち、全ての強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍが相互に同一であり、全ての強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍが強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍに対して逆方向となるような状態が、エネルギーが最も低く最も安定した状態である。
【００１６】
これらの内的な力に加えて、各強磁性体層の磁化方向には、シフトレジスタ１の外部から外的な力が印加される。外的な力には、磁場を回転させることによって生じる回転力、及び、データを書き込むために磁化方向を長軸方向のいずれか一方にセットする書き込みのための力がある。これらの力は、シフトレジスタ１の動作に伴って変化する動的な力である。これらについては後述する。
【００１７】
次に、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置について説明する。
図２は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図であり、
図３は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する断面図である。
図２に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１においては、下側から順に、書込読出部２２、記憶部２３、回転力印加部２４が設けられている。
【００１８】
記憶部２３においては、上述のシフトレジスタ１が複数本設けられており、マトリクス状に配列されている。各シフトレジスタ１は上下方向に延びている。すなわち、シフトレジスタ１の積層方向はシフトレジスタ型記憶装置２１の上下方向と一致している。また、シフトレジスタ１の長軸方向は相互に一致している。すなわち、各シフトレジスタ１に付与された一軸異方性の方向は相互に同一である。更に、シフトレジスタ１同士は相互に離隔している。各シフトレジスタ１の下端は、書込読出部２２に接続されている。
【００１９】
回転力印加部２４には、相互に直交する方向に延びる配線２５ａ及び２５ｂが設けられている。配線２５ａはシフトレジスタ１の長軸方向に延びており、配線２５ｂはシフトレジスタ１の短軸方向に延びている。後述するように、配線２５ａ及び２５ｂに電流を流すことにより、記憶部２３のシフトレジスタ１に対して磁場を印加し、シフトレジスタ１の各回転子の磁化方向に対して回転力を印加する。例えば、配線２５ａは配線２５ｂよりも下方に設けられており、シフトレジスタ１には接続されておらず、配線２５ｂにも接続されていない。回転力印加部２４は、記憶部２３に属する複数本のシフトレジスタ１について共通に設けられている。
【００２０】
図３に示すように、書込読出部２２においては、書込ワード線３１が設けられており、その上にはビット線３２が設けられている。書込ワード線３１とビット線３２とは相互に直交しており、例えば、書込ワード線３１はシフトレジスタ１の長軸方向に延びており、ビット線３２は短軸方向に延びている。書込ワード線３１及びビット線３２は、それぞれ、銅（Ｃｕ）又はタングステン（Ｗ）等の低抵抗材料からなる配線本体３４の下面上及び側面上に、鉄ニッケル合金等の強磁性体材料からなる強磁性体層３５が設けられたヨーク構造となっている。すなわち、書込ワード線３１及びビット線３２においては、これらの配線が延びる方向に対して垂直な断面において、強磁性体層３５がコ字形状に形成されている。
【００２１】
ビット線３２上には、参照層３６が設けられており、ビット線３２に接続されている。参照層３６においては、下方、すなわち、ビット線３２側から順に、白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金層３７、鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）合金層３８、ルテニウム（Ｒｕ）層３９及び鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）合金層４０が積層されており、白金マンガン合金層３７の下面はビット線３２の上面に接している。参照層３６上には、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなるトンネルバリア膜４１が設けられており、その上には、例えば鉄ニッケル合金等の強磁性体材料からなる最下端強磁性体層４２が設けられている。最下端強磁性体層４２は、シフトレジスタ１の最下層である薄いルテニウム層１２に接している。これにより、最下端強磁性体層４２はシフトレジスタ１の最下層の強磁性体層として機能するが、その面積はシフトレジスタ１内に設けられた各強磁性体層の面積よりも大きい。また、上方から見て、参照層３６及びトンネルバリア膜４１は、シフトレジスタ１よりも大きく、最下端強磁性体層４２よりも小さい。最下端強磁性体層４２はビア４３を介して選択トランジスタ４４の一方の端子に接続されており、選択トランジスタ４４の他方の端子はソース線４５に接続されている。選択トランジスタ４４のゲートには、読出ワード線４６が接続されている。なお、ビア４３は書込ワード線３１には接続されていない。ビット線３２及びソース線４５は、センス回路（図示せず）に接続されている。
【００２２】
上述の書込読出部２２を構成する各構成要素のうち、参照層３６、トンネルバリア膜４１、最下端強磁性体層４２、ビア４３及び選択トランジスタ４４を含む書込読出ユニット４９は、シフトレジスタ１毎に設けられている。一方、書込ワード線３１、ビット線３２、ソース線４５及び読出ワード線４６は、それぞれ、複数のシフトレジスタ１毎に設けられている。
【００２３】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１の動作、すなわち、本実施形態に係るシフトレジスタ１の使用方法、すなわち、本実施形態に係るデータ記憶方法について説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態において１つの回転子対がとり得る状態を例示する図であり、
図５（ａ）は、隣り合う回転子対に相互に同じデータが記憶された場合を例示する図であり、（ｂ）は、隣り合う回転子対に相互に異なるデータが記憶された場合を例示する図であり、
図６は、本実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図であり、
図７（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時刻をとり、縦軸に配線を流れる電流をとって、回転力印加部の動作を例示するグラフ図であり、（ｃ）はシフトレジスタに印加される磁場の方向を例示する図である。
【００２４】
先ず、静的な状態について説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態においては、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３が一対の回転子対５１を構成し、この回転子対５１が積層方向に沿って一列に配列される。このとき、強い反結合作用の要請により、１つの回転子対５１に属する２つの回転子の特徴方向、すなわち、強磁性体層１１の磁化方向と強磁性体層１３の磁化方向とは、相互に逆の方向を向く。また、一軸異方性の要請から、各強磁性体層の磁化方向は長軸方向を向こうとする。これにより、１つの回転子対５１は２つの状態をとり得る。すなわち、長軸方向に沿った相互に逆方向となる２方向のうち、時計の文字盤を模して一方を「３時方向」と表記し他方を「９時方向」と表記するとき、回転子対５１は、図４（ａ）に示すように、上側の回転子、すなわち、強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍｕが３時方向側であり、下側の回転子、すなわち、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍｌが９時方向側である第１の状態と、図４（ｂ）に示すように、上側の回転子（強磁性体層１３）の磁化方向Ｖｍｕが９時方向側であり、下側の回転子（強磁性体層１１）の磁化方向Ｖｍｌが３時方向側である第２の状態の２通りの状態をとり得る。
【００２５】
従って、１つの回転子対５１には、値が「０」又は「１」となるデータを記憶可能である。なお、「３時方向側」とは、１２時から６時までの範囲であって、３時方向を含む範囲をいい、「９時方向側」とは、６時から１２時までの範囲であって、９時方向を含む範囲をいう。図４（ａ）及び（ｂ）においては、上述の第１の状態を値「０」とし、第２の状態を値「１」とする例を示している。
【００２６】
図５（ａ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に同じ値が記憶されている場合には、連続して配列された４つの強磁性体層の磁化方向が交互に３時方向側と９時方向側に向く。この場合、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子、すなわち、厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１３及び１１においては、磁化方向が相互に逆方向になるため、弱い反結合作用の要請を満たす。従って、強い反結合作用の要請、一軸異方性の要請及び弱い反結合作用の要請が相互に抵触することはなく、磁化方向はほぼ３時方向又は９時方向となる。この場合、回転子対全体としては、磁化方向がほぼ打ち消し合い、磁化方向の合成成分はほぼゼロとなる。
【００２７】
一方、図５（ｂ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に相互に異なる値が記憶されている場合には、連続して配列された４つの強磁性体層の磁化方向は、例えば、３時方向側、９時方向側、９時方向側、３時方向側となる。このとき、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子（強磁性体層）の磁化方向は相互に同じ側となるため、弱い反結合作用の要請は満たされなくなる。この場合、磁化方向は、強い反結合作用に起因する強い力、弱い反結合作用に起因する弱い力、及び一軸異方性に起因する力がつり合い、エネルギーが極小となるような方向となる。換言すれば、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子の磁化方向が完全に反平行となるような状態は、エネルギー的に安定ではなくなる。この結果、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子、すなわち、厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１３及び１１の磁化方向は、同じ側ではあるが、互いに遠ざかるように少しねじれた方向を向く。この場合、回転子対全体としては、磁化方向が完全には相殺されず、磁化方向の合成成分が発生する。
【００２８】
次に、データの書込方法について説明する。
図３に示すように、書込ワード線３１に電流を流すことにより、書込ワード線３１を中心とした環状の磁力線が発生する。この磁力線は、最下端強磁性体層４２の位置においては、紙面に対して垂直な方向、例えば、短軸方向に向かう。一方、ビット線３２に電流を流すことにより、ビット線３２を中心とした環状の磁力線が発生する。この磁力線は、最下端強磁性体層４２の位置においては、紙面の横方向、例えば、長軸方向に向かう。これにより、書込ワード線３１及びビット線３２のそれぞれについて、所定の方向に所定の大きさの電流を流すことにより、最下端強磁性体層４２に対して、短軸方向及び長軸方向を含む平面内における任意の方向の磁場を印加することができる。このようにして、最下端強磁性体層４２の磁化方向を、長軸方向のうちの１つに一致させて、セットする。
【００２９】
最下端強磁性体層４２の磁化方向がセットされると、その１段上の強磁性体層、すなわち、シフトレジスタ１の最下段の強磁性体層１３の磁化方向は、薄いルテニウム層１２を介した強い反結合作用により、最下端強磁性体層４２の磁化方向に対して逆方向にセットされる。これにより、最下端強磁性体層４２及びシフトレジスタ１の最下段の強磁性体層１３からなる最下段の回転子対５１にデータが書き込まれる。すなわち、書込ワード線３１は下側書込配線として機能し、ビット線３２は上側書込配線として機能する。このとき、書込ワード線３１及びビット線３２の構造はヨーク構造となっているため、コ字形状の強磁性体層３５及び最下端強磁性体層４２によって疑似ループが構成され、最下端強磁性体層４２に対して効率的に磁場を印加することができる。
【００３０】
最下段の回転子対５１にデータを書き込んだ後、シフトレジスタ１全体についてデータを上方に１桁分桁送りして、最下段の回転子対５１に書き込まれたデータを１段上の回転子対５１に移動させる。なお、「桁送り」とは、シフトレジスタ１の全ての回転子対５１に記憶されたデータを、同じ方向に同期して移動させることをいう。この桁送りの方法については後述する。そして、再び、最下端強磁性体層４２の磁化方向をセットすることにより、最下段の回転子対５１にデータを書き込む。これを繰り返すことにより、シフトレジスタ１にデータ列を書き込んでいく。
【００３１】
このとき、データを書き込むために最下端強磁性体層４２に印加する磁場の方向は、一定の回転方向、例えば、上方から見て時計回りとなる回転方向に回転させて、所定の方向とする。これにより、隣り合う回転子対５１に属する隣り合う２つの回転子においては、先に磁化方向がセットされた回転子、すなわち、上側の回転子対５１の下側の回転子の磁化方向が、後に磁化方向がセットされた回転子、すなわち、下側の回転子対の上側の回転子の磁化方向により、弱い力によって上方から見て時計回りに押しやられ、時計回りにねじれる。この結果、長軸方向を基準として、上側の回転子対５１の下側の回転子の磁化方向は時計回りにねじれ、下側の回転子対５１の上側の回転子の磁化方向は反時計回りにねじれる。このため、「ねじれ」の方向は１本のシフトレジスタを通じて一定となり、例えば、下から上に向けて左ねじの方向となる。
【００３２】
また、このとき、連続して配列された少なくとも３つの回転子対に対して、同じ値を書き込むことが望ましい。これにより、連続して配列された少なくとも３つの回転子対を使って、１ビットのデータを記憶する。
【００３３】
次に、データの読出方法について説明する。
図３に示すように、参照層３６においては、鉄ニッケル合金層３８及び４０の磁化方向が、ルテニウム層３９によって反平行となる状態で固定されている。そして、鉄ニッケル合金層４０の磁化方向と最下端強磁性体層４２の磁化方向とが同じであると、トンネルバリア膜４１を流れるトンネル電流の抵抗が、所謂トンネル磁気抵抗効果により相対的に低くなり、鉄ニッケル合金層４０の磁化方向と最下端強磁性体層４２の磁化方向とが逆であると、トンネルバリア膜４１を流れるトンネル磁気抵抗が相対的に高くなる。このため、トンネルバリア膜４１の抵抗値を評価することにより、最下端強磁性体層４２の磁化方向を検出することができ、最下段の回転子対５１のデータを読み出すことができる。具体的には、最下端強磁性体層４２はビア４３及び選択トランジスタ４４を介してソース線４５に接続されているため、所望の読出ワード線４６を選択し、選択トランジスタ４４をオン状態とした上で、ビット線３２とソース線４５との間に電圧を印加することにより、参照層３６と最下端強磁性体層４２との間に電圧を印加する。そして、ビット線３２に流れる電流値を測定することにより、トンネルバリア膜４１のトンネル磁気抵抗の大きさを評価することができる。
【００３４】
最下段の回転子対５１のデータを読み出した後、シフトレジスタ１に記憶されているデータを、１段ずつ下段に桁送りする。この桁送りの方法については後述する。そして、再び、最下端強磁性体層４２の磁化方向を検出することにより、最下段の回転子対５１のデータを読み出す。これを繰り返すことにより、シフトレジスタ１に記憶されたデータ列を読み出していく。
【００３５】
次に、データの桁送り方法について説明する。
図６は、１つのシフトレジスタの経時変化のシミュレーション結果を示している。図６においては、１つの回転子対５１を１つの楕円で表しており、１つの回転子対５１に属する上側の回転子、すなわち、強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍｕを白い矢印で表し、下側の回転子、すなわち、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍｌを黒い矢印で表している。
【００３６】
図６に示すように、時刻ｔ＝０においては、回転力印加部２４の配線２５ａ及び２５ｂ（図２参照）には電流が流れておらず、シフトレジスタ１には磁場が印加されていない。従って、各磁化方向には回転力が印加されていない。このとき、回転子対５１ａ及び５１ｂを含む連続して配列された複数の回転子対には値「０」が書き込まれており、回転子対５１ｃ、５１ｄ及び５１ｅを含む連続して配列された複数の回転子対には値「１」が書き込まれており、回転子対５１ｆ及び５１ｇを含む連続して配列された複数の回転子対には値「０」が書き込まれており、回転子対５１ｈを含む連続して配列された複数の回転子対には値「１」が書き込まれているものとする。また、回転子対５１ｂと回転子対５１ｃとは隣り合っており、回転子対５１ｅと回転子対５１ｆとは隣り合っており、回転子対５１ｇと回転子対５１ｈとは隣り合っている。
【００３７】
この状態で、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、配線２５ａ及び２５ｂに電流を流す。これにより、磁場が発生し、この磁場が記憶部２３に設けられた複数のシフトレジスタ１に対して均一に印加される。そして、図７（ｃ）に示すように、この磁場の方向Ｆｍは、上方から見て反時計回りに回転する。この磁場の回転により、各回転子対の磁化方向Ｖｍに回転力が印加される。回転力とは、回転子（強磁性体層）の磁化方向Ｖｍを回転力印加部２４によって生成された磁場の方向Ｆｍに向けようとする力である。従って、各磁化方向に働く回転力の方向及び大きさは、磁場の方向Ｆｍと磁化方向Ｖｍとの相対的な関係によって異なり、磁場の方向Ｆｍが磁化方向Ｖｍを追い抜くときには、回転力の方向が反転する。
【００３８】
回転子対の挙動を概略的に表現すると、以下のようになる。
（ａ）磁化方向の合成成分が小さい回転子対については、合成成分が磁場に対して鈍感であるため、磁場の方向が回転しても磁化方向はほとんど影響を受けない。このため、磁化方向が短軸方向を越えて回転することはなく、回転子対の値は変化しない。上述の如く、合成成分が小さい回転子対とは、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対であり、例えば、回転子対５１ａ及び５１ｄである。
【００３９】
（ｂ）磁化方向の合成成分が大きい回転子対については、合成成分が磁場に対して敏感であるため、合成成分が回転する。これにより、磁場方向が短軸方向を越えて回転し、値が変化する場合がある。上述の如く、合成成分が大きい回転子対とは、隣の回転子対と異なる値が書き込まれた回転子対である。そして、合成成分が大きい回転子対の挙動については、概略以下のように２つに分類できる。
【００４０】
（ｂ−１）相互に異なる値が書き込まれた回転子対同士が隣り合う境界の下側に位置する回転子対、例えば、回転子対５１ｃ、５１ｆ及び５１ｈについては、上側の回転子の磁化方向Ｖｍｕが大きくねじれている。上述の如く、データの書き込みは時計回りに回転する磁場によって行われるため、上側の回転子の磁化方向Ｖｍｕには反時計回りに弱い力が働き、上側の回転子の磁化方向Ｖｍｕは長軸方向に対して反時計回りにねじれている。従って、磁場の方向Ｆｍが反時計回りに回転して合成成分を追い抜くときには、上側の磁化方向Ｖｍｕが先に追い抜かれ、その後、下側の磁化方向Ｖｍｌが追い抜かれる。また、反時計回りに回転する磁場の方向Ｆｍが上側の磁化方向Ｖｍｕを追い抜くと、この磁化方向Ｖｍｕに働く回転力は時計回りから反時計回りに反転する。
【００４１】
このため、上側の磁化方向Ｖｍｕが磁場の方向Ｆｍに追い抜かれると、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して、反時計回りに、弱い反結合作用に起因する弱い力と回転力が重畳的に働き、この反時計回りの力が時計回りに働く強い力と一軸異方性に起因する力に打ち勝ち、上側の磁化方向Ｖｍｕが短軸方向を越える。上側の磁化方向Ｖｍｕが短軸方向を越えると、上側の磁化方向Ｖｍｕに働く一軸異方性に起因する力の方向は反時計回りに転じるため、上側の磁化方向Ｖｍｕは短軸方向から離隔した方向で安定する。この結果、先行する下側の磁化方向Ｖｍｌに対して反時計回りに働く強い力が増加する。更に、下側の磁化方向Ｖｍｌが磁場の方向Ｆｍに追い抜かれると、下側の磁化方向Ｖｍｌに働く回転力が反時計回りに転じる。これにより、下側の磁化方向Ｖｍｌが短軸方向を越える。このようにして、この回転子対の値が変化する。
【００４２】
（ｂ−２）これに対して、相互に異なる値が書き込まれた回転子対同士が隣り合う境界の上側に位置する回転子対、例えば、回転子対５１ｂ、５１ｅ及び５１ｇについては、下側の回転子の磁化方向Ｖｍｌが時計回りに大きくねじれている。このため、磁場の方向Ｆｍが反時計回りに回転して合成成分を追い抜くときには、上側の磁化方向Ｖｍｕが先に追い抜かれ、その後、下側の磁化方向Ｖｍｌが追い抜かれる。上側の磁化方向Ｖｍｕが磁場の方向Ｆｍに追い抜かれると、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して回転力が反時計回りに働くが、上側の磁化方向Ｖｍｕには弱い力が働いていないため、回転力と弱い力が重畳されることはない。このため、上側の磁化方向Ｖｍｕが短軸方向を越えることがなく、従って、下側の磁化方向Ｖｍｌが短軸方向を越えることもない。この結果、この回転子対の値は変化しない。
【００４３】
なお、上述の（ａ）の場合においては、そもそも弱い力が発生していないため、回転力に弱い力が重畳されることが起こり得ず、磁化方向が短軸方向を越えることがないとも言える。
以下、各回転子対の経時変化について具体的に説明する。
【００４４】
（１）回転子対５１ａ
時刻ｔ＝０において、回転子対５１ａには値「０」が書き込まれており、その上下隣の回転子対にも同じ値「０」が書き込まれている。このため、回転子対５１ａにおいては、磁化方向のねじれが少なく、上側の回転子（強磁性体層１３）の磁化方向Ｖｍｕと下側の回転子（強磁性体層１１）の磁化方向Ｖｍｌとが長軸方向に沿ってほぼ反平行となっている。すなわち、上側の磁化方向Ｖｍｕがほぼ３時方向であり、下側の磁化方向Ｖｍｌがほぼ９時方向である。
【００４５】
回転子対５１ａにおいては、磁化方向Ｖｍｕと磁化方向Ｖｍｌとがほぼ反平行となっているため、回転子対５１ａ全体では、磁化方向の合成成分がほぼ０となる。また、強い反結合作用に起因する強い力、弱い反結合作用に起因する弱い力、及び一軸異方性に起因する力は、いずれも反平行を安定させるように働く。このため、弱い力が磁化方向に短軸方向（１２時方向及び６時方向）を越えさせるように働くことがなく、磁化方向に短軸方向を越えさせるような回転力が働いても、この回転力に弱い力が重畳することはない。従って、磁化方向が短軸方向を越えることはなく、値は「０」のままである。
【００４６】
（２）回転子対５１ｄ
値「１」が書き込まれた回転子対５１ｄについても、その上下の回転子対にも同じ値「１」が書き込まれているため、磁化方向のねじれが少なく、上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとが長軸方向に沿ってほぼ反平行となる。このため、弱い力が磁化方向に短軸方向を越えさせるように働くことがなく、値は「１」のままである。
【００４７】
（３）回転子対５１ｃ
これに対して、上述の如く、上隣の回転子対が異なる値を持つ回転子対においては、挙動が異なる。
時刻ｔ＝０において、値「１」が書き込まれた回転子対５１ｃにおいては、上隣の回転子対５１ｂが値「０」を持つため、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕは、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌとの間に働く弱い力により、９時方向から反時計回りに大きくねじれ、約７時方向を向いている。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌには弱い力は働かないが、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕとの間に働く強い力により、約２時方向を向く。このため、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとは完全な反平行にはならず、磁化方向の合成成分が約４時方向に発生する。
【００４８】
時刻ｔ＝１においては、磁化方向が６時方向を向くように磁場が印加される。これにより、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕには反時計回りの回転力が働き、６時方向に近づく。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、時計回りの回転力が作用するが、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕの回転により、反時計回りの強い力が増加するため、これらの力が相殺され、下側の磁化方向Ｖｍｌはあまり変わらない。この結果、磁化方向の合成成分がより増大する。このとき、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕについては、回転力及び弱い力が反時計回りに働き、強い力及び一軸異方性に起因する力が時計回りに働く。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、強い力が反時計回りに働き、回転力及び一軸異方性に起因する力が時計回りに働く。
【００４９】
時刻ｔ＝２においては、磁化方向が３時方向を向くように磁場が印加さる。これにより、上側の磁化方向Ｖｍｕに働く反時計回りの回転力がさらに増大し、弱い力と重畳されて、上側の磁化方向Ｖｍｕが６時方向を越える。上側の磁化方向Ｖｍｕが一旦６時方向を越えると、一軸異方性に起因する力がそれまでとは逆の方向、すなわち、反時計回りに働くため、時計回りに働く力は強い力だけになる。この結果、上側の磁化方向Ｖｍｕは約５時方向で安定する。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、上側の磁化方向Ｖｍｕが回転したことにより強い力が増大し、反時計回りに少し押し戻される。この結果、下側の磁化方向Ｖｍｌは約１時方向で安定する。このとき、回転子対５１ｃにおいては、磁化方向Ｖｍｕ及びＶｍｌの双方が３時方向側を向いているため、値は「１」ではなくなる。
【００５０】
時刻ｔ＝３においては、磁化方向が１２時方向を向くように磁場が印加される。磁場の方向が下側の磁化方向Ｖｍｌを追い抜くと、下側の磁化方向Ｖｍｌに働く回転力が反時計回りに転じる。また、上側の磁化方向Ｖｍｕが反時計回りに回転することにより、下側の磁化方向Ｖｍｌに反時計回りに働く強い力が増大する。この結果、下側の磁化方向Ｖｍｌが１２時方向を越える。磁化方向が一旦１２時方向を越えると、回転力は時計回りに転じるものの、一軸異方性に起因する力は反時計回りに転じ、上側の磁化方向Ｖｍｕは約１１時方向で安定する。これにより、回転子対５１ｃの値は「０」となる。
【００５１】
時刻ｔ＝４においては、磁化方向が９時方向を向くように磁場が印加される。これにより、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、回転力が反時計回りに働くようになり、約１０時方向で安定する。一方、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕについては、磁場の方向がほぼ逆方向となるため、回転力があまり働かない。このため、上側の磁化方向Ｖｍｕはあまり変化せず、約４時方向のままである。これにより、回転子対５１ｃについては、上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとがほぼ反平行となり、合成成分が減少する。このため、以後磁場が回転しても、回転子対５１ｃの磁化方向はあまり影響を受けなくなり、値が変わることはない。このように、磁場が１回転することにより、回転子対５１ｃの値は「１」から「０」に切り替わる。回転子対５１ｈの動作も同様である。
【００５２】
（４）回転子対５１ｆ
時刻ｔ＝０において、回転子対５１ｆには値「０」が書き込まれており、上隣の回転子対５１ｅには値「１」が書き込まれている。このため、回転子対５１ｆの上側の磁化方向Ｖｍｕは、回転子対５１ｅの下側の磁化方向Ｖｍｌとの間に働く弱い力により、３時方向から反時計回りに大きくねじれ、約１時方向となっている。一方、回転子対５１ｆの下側の磁化方向Ｖｍｌには弱い力は働いていないが、強い力が働き、約８時方向となっている。このため、回転子対５１ｆの上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとは完全な反平行にはならず、磁化方向の合成成分が発生する。
【００５３】
時刻ｔ＝１及びｔ＝２においては、回転力は回転子対５１ｆの合成成分の逆側を向いているため、合成成分を減少させる方向に働き、上側の磁化方向Ｖｍｕ及び下側の磁化方向Ｖｍｌはあまり変化しない。
【００５４】
時刻ｔ＝３においては、磁化方向が１２時方向を向くように磁場が印加される。これにより、磁場の方向が上側の磁化方向Ｖｍｕを追い抜き、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して反時計回りの回転力が働く。また、上側の磁化方向Ｖｍｕには、反時計回りの弱い力が働く。一方、下側の磁化方向Ｖｍｌについては、時計回りの回転力が印加されるが、上側の磁化方向Ｖｍｕの回転によって反時計回りの強い力が増加するため、これらの力が相殺され、約８時方向のままである。
【００５５】
時刻ｔ＝４においては、磁化方向が９時方向を向くように磁場が印加される。この結果、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して時計回りに働く回転力が増大し、上側の磁化方向Ｖｍｕが１２時方向を越える。これにより、上側の磁化方向Ｖｍｕに働く一軸異方性に起因する力の方向が反転して反時計回りになる。この結果、回転子対５１ｆの上側の磁化方向Ｖｍｕについては、回転力及び一軸異方性に起因する力が時計回りに働き、強い力が反時計回りに働き、約１１時方向で安定する。一方、回転子対５１ｆの下側の磁化方向Ｖｍｌは、上側の磁化方向Ｖｍｕによって反時計回りに押しやられ、約７時方向となる。この結果、回転子対５１ｆにおいては、磁化方向Ｖｍｕ及びＶｍｌの双方が９時方向側を向き、値は「０」ではなくなる。
【００５６】
時刻ｔ＝５においては、磁化方向が６時方向を向くように磁場が印加される。これにより、磁場の方向が下側の磁化方向Ｖｍｌを追い抜き、下側の磁化方向Ｖｍｌに対して反時計回りの回転力が働く。また、上側の磁化方向Ｖｍｕにも反時計回りの回転力が働き、反時計回りに回転する。これにより、下側の磁化方向Ｖｍｌに働く反時計回りの強い力が増大する。この結果、下側の磁化方向Ｖｍｌが反時計回りに回転し、６時方向を越える。これにより、一軸異方性に起因する力が反時計回りに働き、下側の磁化方向Ｖｍｌは５時方向で安定する。この結果、上側の磁化方向Ｖｍｕは９時方向側となり、下側の磁化方向Ｖｍｌは３時方向側となるため、回転子対５１ｆの値は「１」となる。
【００５７】
時刻ｔ＝６においては、磁場が消失する。これにより、回転力が消失し、回転子対５１ｆの下側の磁化方向Ｖｍｌが少しだけ反時計回りに回転するが、回転子対５１ｆの値は変化しない。このように、磁場が１回転することにより、回転子対５１ｆの値は「０」から「１」に切り替わる。
【００５８】
（５）回転子対５１ｂ
時刻ｔ＝０において、回転子対５１ｂには値「０」が書き込まれている。また、下隣の回転子対５１ｃには値「１」が書き込まれている。このため、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌは、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕとの間に働く弱い力により、９時方向から時計回りに大きくねじれており、約１１時方向となっている。一方、回転子対５１ｂの上側の磁化方向Ｖｍｕには弱い力は働かないが、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌのねじれに伴い、３時方向から少し時計回りにねじれ、約４時方向となる。このため、回転子対５１ｂの上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとは完全な反平行にはならず、磁化方向の合成成分が発生する。
【００５９】
時刻ｔ＝１においては、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌに反時計回りの回転力が働き、約１０時方向となる。
時刻ｔ＝２においては、磁化方向が３時方向を向くような方向に磁場が印加され、上側の磁化方向Ｖｍｕは約３時方向となる。このとき、磁場の方向Ｆｍが上側の磁化方向Ｖｍｕを追い抜くが、上側の磁化方向Ｖｍｕには弱い力が働いていないため、回転力に弱い力が重なることはなく、上側の磁化方向Ｖｍｕは大きくは変化しない。
時刻ｔ＝３以降においては、下隣の回転子対５１ｃの値が「０」となるため、下側の磁化方向Ｖｍｌに対しても弱い力が働かなくなり、磁化方向はほとんど変化しなくなる。
このように、磁場の方向が回転しても、回転子対５１ｂの値は変化しない。回転子対５１ｇ及び５１ｅについても同様である。
【００６０】
以上の動作をまとめると、以下のようになる。すなわち、時計回りに回転する磁場によってデータが書き込まれたシフトレジスタ１に対して、反時計回りに回転する磁場を印加すると、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対（例えば、回転子対５１ａ及び５１ｄ）の値は変化せず、値が切り替わる境界面の下側に位置する回転子対（例えば、回転子対５１ｃ、５１ｆ、５１ｈ）の値は切り替わり、境界面の上側に位置する回転子対（例えば、回転子対５１ｂ、５１ｅ、５１ｇ）の値は変化しない。これにより、データ列は下方、すなわち、書込読出部２２に向かって、１桁分シフトする。
【００６１】
同様な原理により、時計回りに回転する磁場によってデータが書き込まれたシフトレジスタ１に対して、時計回りに回転する磁場を印加すると、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対の値は変化せず、値が切り替わる境界面の下側に位置する回転子対の値も変化せず、境界面の上側に位置する回転子対の値は切り替わる。これにより、データ列は上方、すなわち、書込読出部２２から離れる方向に、１桁分シフトする。このようにして、データ列を正逆方向に桁送りすることができる。同様に、反時計回りに回転する磁場によってデータが書き込まれたシフトレジスタに対して、時計回りに回転する磁場を印加すると、データ列は下方、すなわち、書込読出部２２に向かって、桁送りされる。逆に、反時計回りに回転する磁場を印加すると、データ列は上方、すなわち、書込読出部２２から離れる方向に、桁送りされる。
【００６２】
また、連続して配列された３つの回転子対に同じ値を書き込むことにより、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対、境界の上側に位置する回転子対、及び、境界の下側に位置する回転子対を明確に区別できるようになり、上述の桁送り動作を確実に実施することができる。
【００６３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１においては、書込読出部２２と記憶部２３とを別々に設けている。これにより、記憶部２３においては、記憶素子、すなわち、回転子対を高密度に集積させることができる。この結果、単位面積当たりの記憶容量を増加させ、ビット単価を低減することができる。特に、本実施形態においては、複数本のシフトレジスタ１をマトリクス状に配列させているため、記憶素子を３次元的に配列させることができ、記憶素子の集積度を向上させる効果が特に大きい。
【００６４】
また、本実施形態においては、回転力印加部２４の配線２５ａ及び２５ｂに電流を流すことにより、シフトレジスタ１の全体に対して、回転する磁場を均一に印加することができる。この結果、シフトレジスタ１に書き込まれているデータ列を、正確に同期して桁送りすることができる。このため、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１は、データを桁送りする際の信頼性が高い。特に、磁場は電場と比較して透過性が高く、遮蔽されにくいため、マトリクス状に配列された複数本のシフトレジスタからなるアレイ全体に磁場を印加しても、場所による磁場のばらつきが小さく、安定した動作を実現できる。
【００６５】
なお、シフトレジスタ自体にパルス電流を流してデータを押し出す方法も考えられる。しかしながら、この場合、シフトレジスタを大容量化しようとしてシフトレジスタの物理的な長さを長くすると、シフトレジスタの寄生容量及び寄生インダクタンスも大きくなる。このため、パルス電流の波形が鈍り、誤動作する可能性が増加してしまう。これに対して、本実施形態によれば、桁送り動作の原理として確率的事象を用いておらず、自由エネルギーが極小となる点を辿った遷移を用いているため、シフトレジスタを長くして桁数を例えば数キロ桁としても、桁送り間違いが少なく信頼性が高いシフトレジスタを実現することができる。
【００６６】
更に、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１においては、機械的に動作する部分がないため、書き込みや読み出しの繰り返し動作に対する信頼性が高い。
更にまた、本実施形態によれば、鉄ニッケル合金層とルテニウム層とを交互に積層させることにより、シフトレジスタ１を容易に作製することができる。また、２本の配線２５ａ及び２５ｂを設け、これらの配線に電流を流すことにより、シフトレジスタ１の回転子に対して、回転力を容易に印加することができる。
【００６７】
なお、本実施形態においては、記憶部２３の上方、すなわち、書込読出部２２の反対側に回転力印加部２４を配置する例を示したが、本発明はこれに限定されず、回転力印加部２４は記憶部２３の下方に配置してもよい。また、図示しないが、小さい電流でより効果的に回転力を与える方法として、配線２５ａ及び配線２５ｂをシフトレジスタ列の下部に設け、ソレノイドコイルのようにシフトレジスタ列の上下を螺旋状に取り囲む構造とすることも可能である。これにより、より小さい電流でデータを桁送りすることが可能となり、シフトレジスタ型記憶装置の低電力動作が可能となる。また、回転力印加部２４の配線２５ａ及び２５ｂは、ヨーク構造としてもよい。更に、記憶部２３全体に対して１つの回転力印加部２４を設けるのではなく、１本のシフトレジスタ１に対して１つの回転力印加部を設けてもよい。更にまた、本実施形態においては、ルテニウム層の厚さを２水準とすることにより、反結合作用に強弱をつける例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、厚いルテニウム層１４の代わりに、ルテニウム以外の材料からなる層を設けてもよい。この場合、この層の厚さは、薄いルテニウム層１２と同じであってもよい。
【００６８】
次に、本実施形態の第１の変形例について説明する。
図８は、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
図８に示すように、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１においては、記憶部２３に少なくとも２本のシフトレジスタ１ａ及び１ｂが設けられており、書込読出部２２には少なくとも２つの書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂが設けられている。そして、シフトレジスタ１ａの下端は書込読出ユニット４９ａの最下端強磁性体層４２に接続されており、シフトレジスタ１ｂの下端は書込読出ユニット４９ｂの最下端強磁性体層４２に接続されている。また、書込ワード線３１、ビット線３２、ソース線４５及び読出ワード線４６に接続された制御回路６２が設けられている。シフトレジスタ１ａ及び１ｂ並びに書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂの構成は、それぞれ、前述の第１の実施形態におけるシフトレジスタ１及び書込読出ユニット４９の構成と同様である。このように、本変形例においては、一対のシフトレジスタの下端同士を接続して、擬似的にＵ字型のシフトレジスタを実現している。
【００６９】
本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１においては、制御回路６２が書込読出ユニット４９ａを駆動してシフトレジスタ１ａに書き込まれているデータ列を読み出し、このデータ列を書込読出ユニット４９ｂを駆動してシフトレジスタ１ｂに書き込む。また、書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂは、相互に逆方向に回転する磁場を用いてシフトレジスタ１ａ及び１ｂにデータを書き込む。これにより、回転力印加部２４（図２参照）によって同じ回転磁場を印加したときに、シフトレジスタ１ａにおいてはデータ列が下方に向けて桁送りされ、シフトレジスタ１ｂにおいてはデータ列が上方に向けて桁送りされる。
【００７０】
シフトレジスタ１ａに書き込まれているデータ列を書込読出ユニット４９ａの位置まで桁送りして読み出すと、シフトレジスタ１ａからはこのデータ列が消えてしまう。このため、このデータ列を一時的に記憶しておくために、外部のバッファメモリが必要となる。そこで、本変形例においては、シフトレジスタ１ａから読み出したデータ列をシフトレジスタ１ｂに書き込んでいる。これにより、データ列を保存するためのバッファメモリが不要となるため、回路面積を低減することができると共に、シフトレジスタ型記憶装置６１のコストを低減することができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００７１】
次に、本実施形態の第２の変形例について説明する。
図９は、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
図９に示すように、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６３においては、前述の第１の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１（図８参照）の構成に加えて、シフトレジスタ１ａの最上層を構成する薄いルテニウム層１２及びシフトレジスタ１ｂの最上層を構成する薄いルテニウム層１２の双方に接続された強磁性体層６４が設けられている。
【００７２】
本変形例によれば、シフトレジスタ１ａ及び１ｂが最上層の回転子として強磁性体層６４を共有することにより、シフトレジスタ１ａ及び１ｂの最上層の回転子対を連動させることができる。これにより、シフトレジスタ１ｂ内を上方に向けて桁送りされ、最上部の回転子対に到達したデータが、シフトレジスタ１ａの最上部の回転子対に複製され、シフトレジスタ１ａ内を下方に向けて桁送りされる。これにより、２本のシフトレジスタ１ａ及び１ｂを、擬似的にループ状に接続して使用することができる。
【００７３】
前述の第１の変形例においては、データ列を移動させるためのスペースを確保するために、２本のシフトレジスタに１本分のデータしか書き込むことができない。これに対して、本変形例によれば、シフトレジスタ１ｂの上端に到達したデータを、シフトレジスタ１ａの上部に発生した空きスペースに移動させることができるため、２本のシフトレジスタに２本分のデータを書き込むことができる。この結果、実効的な記憶容量を増加させることができる。また、所望のデータにアクセスする際に、正逆方向のうちより近い方向にデータ列を桁送りすることができるため、データにアクセスするための時間を短縮することができ、より一層の高速動作が可能となる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の変形例と同様である。
【００７４】
次に、本実施形態の第３の変形例について説明する。
図１０は、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
図１０に示すように、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６５は、前述の第１の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１（図８参照）と比較して、シフトレジスタ１ａ及び１ｂ（図８参照）の代わりに、Ｕ字形状のシフトレジスタ１ｃが設けられている点が異なっている。また、配線２５ａ（図８参照）の代わりに、シフトレジスタ１ｃに沿ったＵ字形状の配線２５ｃが設けられている。シフトレジスタ１ｃの両端部は、それぞれ、書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂに接続されている。本変形例によっても、前述の第２の変形例と同様に、シフトレジスタを擬似的にループ状に接続して、実効的な記憶容量を増加させることができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の変形例と同様である。
【００７５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１１は、本実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
本実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、シフトレジスタが強磁性体層の積層体ではなく極性分子が直鎖状に重合した重合体によって構成されていること、回転子が強磁性体層ではなく極性分子であること、回転可能な特徴方向が強磁性体層の磁化方向ではなく極性分子の極性方向であること、反結合作用が磁力ではなく電気力（クーロン力）によって生じること、回転力が磁場ではなく電場を回転させることによって生じること、が異なっている。
【００７６】
以下、具体例を挙げて説明する。
図１１に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ２は、ニトロベンゼン重合体により構成されている。このニトロベンゼン重合体においては、多数のニトロベンゼン分子７１が一方向（以下、「重合方向」という）に沿って直鎖状に重合されている。各ニトロベンゼン分子においては、１つのベンゼン環７２に１つのニトロ基（−ＮＯ２基）７３が結合されている。ニトロベンゼン重合体においては、ニトロ基７３が重合方向の一方側（便宜上、「下側」という）に結合したニトロベンゼン分子７１と、ニトロ基７３が重合方向の他方側（便宜上、「上側」という）に結合したニトロベンゼン分子７１とが、交互に配列されている。ベンゼン環７２同士は、π結合によって回転自在に結合されている。従って、各ニトロベンゼン分子７１は、その上下のニトロベンゼン分子７１に対して、重合方向に延びる軸を回転軸として回転可能である。
【００７７】
また、ベンゼン環７２は電子供与性基であり、ニトロ基７３は電子求引性基であるため、ニトロベンゼン分子７１は極性分子であり、双極子モーメントを持った単量体である。シフトレジスタ２においては、極性分子であるニトロベンゼン分子７１を回転子とし、ニトロベンゼン分子７１における正極、すなわちベンゼン環７２から、負極、すなわちニトロ基７３に向かう極性方向Ｖｐを、各回転子（ニトロベンゼン分子）の特徴方向とする。すなわち、回転子であるニトロベンゼン分子７１は、重合方向に沿って連なっており、ニトロベンゼン分子７１が回転することにより、その特徴方向（極性方向Ｖｐ）が回転する。
【００７８】
シフトレジスタ２を構成するニトロベンゼン重合体は、その結晶構造が配向しており、これにより、各回転子を構成するニトロベンゼン分子７１には、一軸異方性が付与されている。ニトロベンゼン重合体の結晶構造は、例えば、シフトレジスタの製造時に複数本のニトロベンゼン重合体を束ねて電場下でアニールすることにより、配向させることができる。この結果、ニトロベンゼン分子７１の極性方向Ｖｐは、重合方向に対して直交し相互に反対の２方向のうちのいずれかを向きやすくなる。以下、この２方向を便宜上、「長軸方向」という。また、重合方向及び長軸方向の双方に対して直交する方向を「短軸方向」という。このように、各ニトロベンゼン分子には、極性方向を長軸方向のいずれかに向けようとする一軸異方性が作用し、この一軸異方性に起因する力が働く。
【００７９】
また、ニトロ基７３は負に帯電しているため、隣り合うニトロベンゼン分子７１間には、ニトロ基７３を互いに遠ざけようとするクーロン力（反発力）が働く。シフトレジスタ２を構成するニトロベンゼン重合体においては、ニトロ基７３がベンゼン環７２の下側に結合したニトロベンゼン分子７１と、ニトロ基７３がベンゼン環７２の上側に結合したニトロベンゼン分子７１とが交互に配列されているため、ニトロ基７３間の距離が一定ではない。この結果、この反発力は２種類に分類される。
【００８０】
ニトロ基７３同士が近いニトロベンゼン分子７１間、すなわち、隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１からなる対であって、ベンゼン環７２の下側にニトロ基７３が結合した分子が上方に配置され、ベンゼン環７２の上側にニトロ基７３が結合した分子が下方に配置された対においては、この２つのニトロベンゼン分子７１間に、極性方向を反平行とするような強い反結合作用が生じる。この結果、これらのニトロベンゼン分子７１間には、極性方向を反平行とするような強い力（第１の力）が働く。これにより、シフトレジスタ２に属する複数のニトロベンゼン分子は、隣り合い、ニトロ基同士が近い２つのニトロベンゼン分子毎に、複数の回転子対７４に組分けされる。
【００８１】
一方、ニトロ基７３同士が遠いニトロベンゼン分子７１間、すなわち、隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１からなる対であって、ベンゼン環７２の下側にニトロ基７３が結合した分子が下方に配置され、ベンゼン環７２の上側にニトロ基７３が結合した分子が上方に配置された対においては、この２つのニトロベンゼン分子７１間に、極性方向を反平行とするよう弱い反結合作用が生じる。この結果、隣り合う回転子対７４に属する隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１（回転子）には、極性方向を反平行とするような弱い力（第２の力）が働く。隣り合う回転子対７４に属する隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１の重心間の距離は、同一の回転子対７４に属する２つのニトロベンゼン分子７１の重心間の距離よりも大きく、前者の場合のニトロ基７３間の距離は、後者の場合のニトロ基７３間の距離よりも小さい。このため、上述の強い力（第１の力）は、弱い力（第２の力）よりも強い。
【００８２】
このように、本実施形態においても、前述の第１の実施形態と同様に、各回転子（ニトロベンゼン分子）は一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用の影響を受け、各回転子には、一軸異方性に起因する力、強い力及び弱い力が働く。また、これらの内的な力に加えて、各回転子には、シフトレジスタ２の外部から外的な力が印加される。前述の第１の実施形態と同様に、外的な力には、特徴方向（極性方向）を回転させるような回転力、及びデータを書き込むための力がある。但し、本実施形態においては、第１の実施形態とは異なり、これらの外的な力は、磁場ではなく電場を回転させることによって印加される。これらについては後述する。
【００８３】
次に、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置について説明する。
図１２は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図であり、
図１３は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する斜視図である。
なお、図１３においては、図を簡略化するために、分極を持つニトロベンゼンの単量体を、正負の電荷を持つ白玉・黒玉が結びついた電気双極子として模式的に表している。後述する図１４についても同様である。
【００８４】
図１２に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置８１においては、書込読出部８２が設けられており、その上に、記憶部８３及び回転力印加部８４が設けられている。
記憶部８３においては、上述のシフトレジスタ２が複数本設けられており、マトリクス状に配列されている。各シフトレジスタ２は上下方向に延びている。すなわち、シフトレジスタ２の重合方向はシフトレジスタ型記憶装置８１の上下方向と一致している。また、シフトレジスタ２の長軸方向は相互に一致している。シフトレジスタ２同士は相互に離隔しているが、各シフトレジスタ２の下端は書込読出部８２に接続されている。
【００８５】
回転力印加部８４においては、記憶部８３の側方に配置された２対の電極板８５ａ及び８５ｂが設けられている。なお、図１２においては、電極板８５ｂの一方は図示を省略されている。一対の電極板８５ａは、記憶部８３から見て長軸方向の両側に配置されており、記憶部８３を挟んで相互に対向している。また、一対の電極板８５ｂは、記憶部８３から見て短軸方向の両側に配置されており、記憶部８３を挟んで相互に対向している。回転力印加部８４は、記憶部８３に属する複数本のシフトレジスタ２について共通に設けられている。
【００８６】
図１３に示すように、書込読出部８２においては、シフトレジスタ２毎に、２対の制御電極８６ａ及び８６ｂが設けられている。一対の制御電極８６ａは、シフトレジスタ２から見て長軸方向の両側に配置されている。また、他の一対の制御電極８６ｂは、シフトレジスタ２から見て短軸方向の両側に配置されている。更に、シフトレジスタ２の下端には回転双極子８７が結合されている。回転双極子８７は、例えば、分子半径がニトロベンゼン分子７１の分子半径よりも大きい極性分子である。回転双極子８７の極性方向はシフトレジスタ２の最下部を構成するニトロベンゼン分子７１の極性方向に対して固定されている。
【００８７】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置８１の動作、すなわち、本実施形態に係るシフトレジスタ２の使用方法、すなわち、本実施形態に係るデータ記憶方法について説明する。
図１４は、本実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図である。
【００８８】
上述の如く、シフトレジスタ２を構成するニトロベンゼン重合体においては、回転子としてのニトロベンゼン分子７１が重合方向に沿って一列に配列されており、各ニトロベンゼン分子７１は重合方向に延びる軸を回転軸として回転可能である。そして、前述の第１の実施形態と同様に、各回転子には、一軸異方性に起因する力、強い力及び弱い力が働く。このため、前述の第１の実施形態（図４（ａ）及び（ｂ）参照）と同様に、外力が印加されない静的な状態では、各回転子対７４は２通りの状態をとり得る。つまり、各回転子対７４は、上側の回転子、すなわち、ニトロ基がベンゼン環の下側に結合されたニトロベンゼン分子の極性方向が３時方向側であり、下側の回転子、すなわち、ニトロ基がベンゼン環の上側に結合されたニトロベンゼン分子の極性方向が９時方向側である第１の状態と、上側の回転子の極性方向が９時方向側であり、下側の回転子の極性方向が３時方向側である第２の状態と、をとり得る。これにより、各回転子対７４は「０」及び「１」の２つの値を記憶可能である。
【００８９】
そして、前述の第１の実施形態と同様に、隣り合う回転子対に異なる値が書き込まれた場合には、この隣り合う回転子対にそれぞれ属し隣り合う２つの回転子の極性方向には「ねじれ」が発生する。すなわち、図５（ａ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に同じ値が記憶されている場合には、各回転子の極性方向は、一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用の各要請を全て満たすため、極性方向はほぼ３時方向又はほぼ９時方向となり、その合成成分はほぼゼロとなる。一方、図５（ｂ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に異なる値が記憶されている場合には、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子の極性方向が相互に同じ側となるため、弱い反結合作用の要請は満たされなくなる。この場合、極性方向は、各力がつり合いエネルギーが極小となるような方向で安定する。すなわち、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子の極性方向は、同じ側ではあるが、互いに遠ざかるように少しねじれた方向を向く。これにより、回転子対全体としては、極性方向の合成成分が発生する。
【００９０】
次に、データの書込方法について説明する。
図１３に示すように、書込読出部８２の制御電極８６ａ間及び制御電極８６ｂ間に電圧を印加することにより、回転双極子８７に対してクーロン力を作用させ、回転双極子８７の極性方向を３時方向又は９時方向にセットする。これにより、シフトレジスタ２の最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向が、回転双極子８７と同じ方向にセットされる。最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向がセットされると、その１段上のニトロベンゼン分子７１の極性方向は、最下端のニトロベンゼン分子７１の極性方向に対して逆方向にセットされる。これにより、最下段の回転子対７４にデータが書き込まれる。
【００９１】
そして、最下段の回転子対７４に対するデータの書き込みと、データの上方への桁送りとを交互に繰り返すことにより、シフトレジスタ２にデータ列を書き込んでいく。このとき、データを書き込むために回転双極子８７に印加する電場の方向は、一定の回転方向、例えば、上方から見て時計回りとなる回転方向に回転させて所定の方向とする。これにより、隣り合う回転子対７４に属する隣り合う２つの回転子においては、先にセットされた回転子の極性方向が、後にセットされた回転子によって時計回りに押しやられる。この結果、長軸方向を基準として、上側の回転子対７４の下側の回転子の極性方向は時計回りにねじれ、下側の回転子対７４の上側の回転子の極性方向は反時計回りにねじれる。また、このとき、連続して配列された少なくとも３つの回転子対に対して、同じ値を書き込む。例えば、連続して配列された３つの回転子対を使って、１ビットのデータを記憶する。
【００９２】
次に、データの読出方法について説明する。
シフトレジスタ２の最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向がある方向に向いていると、回転双極子８７の極性方向も同じ方向を向き、これにより、制御電極８７ａ及び８７ｂに所定の電荷が誘起される。このため、制御電極８７ａ及び８７ｂの電位又は電荷量を測定することにより、最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向を検出し、最下段の回転子対７４に書き込まれたデータを読み出すことができる。そして、最下段の回転子対７４に対するデータの読み出しと、データの下方への桁送りとを交互に繰り返すことにより、シフトレジスタ２からデータ列を読み出していく。
【００９３】
次に、データの桁送り方法について説明する。
図１４は、１つのシフトレジスタの経時変化のシミュレーション結果を示している。図１４においては、１つの回転子（ニトロベンゼン分子７１）を１つの楕円で表しており、１つの回転子対７４を相互に接した２つの楕円で表している。また、図１３と同様に、分極を持つニトロベンゼンの単量体を、正負の電荷を持つ白玉・黒玉が結びついた電気双極子として模式的に表している。
【００９４】
本実施形態においては、書込読出部８２の制御電極８６ａ間及び制御電極８６ｂ間に経時的に変化する電圧を印加することにより、記憶部８３に対して回転する電場を印加する。この回転電場が各シフトレジスタ２の各回転子（極性分子）に対して作用することにより、各回転子に対して回転力が印加される。この結果、前述の第１の実施形態と同様な原理により、データ列を上方及び下方に向けて桁送りすることができる。
【００９５】
すなわち、図１４に示すように、電場の方向Ｆｅを時計回りに一回転させることにより、データ列を１桁分下方に移動させることができる。また、電場の方向Ｆｅを反時計回りに一回転させることにより、データ列を１桁分上方に移動させることができる。これは、上述の「ねじれ」が存在し、２つの回転子の双極子モーメントが打ち消し合っていない回転子対が特に電場に敏感に反応することを利用したものである。
【００９６】
本実施形態によれば、ニトロベンゼン分子のような分極した単量体による回転双極子によって回転子を構成することにより、前述の第１の実施形態と同様な原理で動作するシフトレジスタを実現することができる。そして、本実施形態においては、回転子として高分子の構造を利用しているため、より少ない工程数でより多くの桁数のシフトレジスタ型メモリを実現することができる。また、実際に質量を持った分子（単量体）が回転することで情報を保持するため、熱擾乱等の量子力学的揺らぎに対して安定なデータ保持特性を実現できる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００９７】
なお、本実施形態においては、シフトレジスタとして、電子供与性基としてのベンゼン環に電子求引性基としてのニトロ基が結合されたニトロベンゼン重合体を用いる例を示したが、本発明はこれに限定されない。電子求引性基としては、ニトロ基以外にも、例えば、シアノ基、トシル基、メシル基、フェニル基、アシル基又はハロゲン等を用いることができる。また、シフトレジスタは、電子供与性基を含む直鎖状の重合体によって構成してもよく、電子供与性基及び電子求引性基の双方を含む直鎖状の重合体によって構成してもよい。更に、電子供与性基としては、例えば、メトキシ基、アミノ基、メチルアミノ基又はメチル基等を用いることができる。更にまた、重合体には必ずしもベンゼン環が含まれている必要はない。
【００９８】
また、本実施形態に係るシフトレジスタにおいては、ニトロ基がベンゼン環の下側に結合されたニトロベンゼン分子と、ニトロ基がベンゼン環の上側に結合されたニトロベンゼン分子とが交互に配列されているために、ニトロ基間の距離が２水準となり、２水準の強さの反結合作用、すなわち、強い反結合作用及び弱い反結合作用が発生する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電子求引性基又は電子供与性基が回転子の中央に位置していても、回転子間の距離が非対称となるように直鎖が形成されていれば、反結合作用に強弱をつけることができる。
【００９９】
更に、本実施形態においては、記憶部８３に属する複数本のシフトレジスタ２の全体に対して、２対の電極板８５ａ及び８５ｂによって一括で電場を印加する例を示したが、本発明はこれに限定されず、１本のシフトレジスタ又は束ねて結晶化させた複数本のシフトレジスタのブロック毎に電極板を設け、各ブロックが鞘によって囲まれたような構造にしてもよい。これにより、各シフトレジスタに確実に電場を印加することができる。
更にまた、本実施形態についても、前述の第１の実施形態の第１〜第３の変形例と同様な変形例を実現することができる。
【０１００】
以上説明した第１及び第２の実施形態を上位概念化すると、以下のように記述できる。
シフトレジスタは、一方向に沿って連なった複数の回転子によって構成されている。各回転子は、その特徴方向が一方向に延びる回転軸について回転可能である。そして、これらの回転子には一軸異方性が付与されており、一方向に対して直交する一つの方向（長軸方向）のいずれかを向く傾向がある。また、これらの回転子は、隣り合う２つの回転子毎に複数の回転子対に組分けされており、同一の回転子対に属する２つの回転子には、特徴方向を反平行とするような強い力（第１の力）が作用し、隣り合う回転子対に属する隣り合う２つの回転子には、特徴方向を反平行とするような弱い力（第２の力）が作用する。
【０１０１】
また、シフトレジスタ型記憶装置は、上述のシフトレジスタに加えて、書込読出部及び回転力印加部が設けられている。書込読出部は、シフトレジスタの一端部に配置された回転子の特徴方向を例えば時計回りに回転させて、一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることによって、シフトレジスタにデータを書き込む。また、書込読出部は、一端部に配置された回転子の特徴方向を検出することによってデータを読み出す。更に、回転力印加部は、シフトレジスタに対して、特徴方向を時計回りに回転させるような回転力を印加することによって、データ列を一端部から遠ざかる方向に桁送り（シフト）する。また、シフトレジスタに対して、特徴方向を反時計回りに回転させるような回転力を印加することによって、データ列を一端部に近づく方向に桁送り（シフト）する。
【０１０２】
前述の第１の実施形態においては、回転子を強磁性体層とし、特徴方向を強磁性体層の磁化方向とし、回転力は磁場を回転させることによって生じさせる例を示し、前述の第２の実施形態においては、回転子を極性分子とし、特徴方向を極性分子の正極から負極に向かう方向とし、回転力は電場を回転させることにより生じさせる例を示した。しかし、本発明はこれらには限定されない。例えば、回転子はそれ自体が機械的に回転する微小な物体であってもよく、特徴方向はその微小な物体の長手方向であってもよい。又は、回転子は機械的には固定されており、その性質の異方性が回転できるものでもよい。
【０１０３】
また、前述の第１及び第２の実施形態においては、各シフトレジスタが単一で所定のデータ列を記憶する例を示したが、本発明はこれに限定されず、複数本、望ましくは３本以上のシフトレジスタを束ねて使用し、これらの複数本のシフトレジスタが同一のデータ列を記憶してもよい。これにより、シフトレジスタ型記憶装置に冗長性を持たせ、信頼性を高めることができる。
【０１０４】
更に、前述の第１及び第２の実施形態においては、３桁を１ビットとして使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、同じ値の連続する桁数を情報として用いることも可能である。例えば、３桁連続して同じ値である場合を値「００」とし、４桁連続して同じ値である場合を「０１」とし、５桁連続して同じ値である場合を「１０」とし、６桁連続して同じ値である場合を「１１」とすることができる。
【０１０５】
更にまた、前述の第１及び第２の実施形態においては、２つの回転子からなる回転子対を基本単位として動作させる例を示したが、３つ以上の回転子を基本単位として動作させてもよい。
【０１０６】
以上説明した本発明の実施形態によれば、信頼性が高いシフトレジスタ、シフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法を実現することができる。
【０１０７】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【符号の説明】
【０１０８】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、２ シフトレジスタ、１１ 強磁性体層、１２ ルテニウム層、１３ 強磁性体層、１４ ルテニウム層、２１ シフトレジスタ型記憶装置、２２ 書込読出部、２３ 記憶部、２４ 回転力印加部、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 配線、３１ 書込ワード線、３２ ビット線、３４ 配線本体、３５ 強磁性体層、３６ 参照層、３７ 白金マンガン合金層、３８ 鉄ニッケル合金層、３９ ルテニウム層、４０ 鉄ニッケル合金層、４１ トンネルバリア膜、４２ 最下端強磁性体層、４３ ビア、４４ 選択トランジスタ、４５ ソース線、４６ 読出ワード線、４９、４９ａ、４９ｂ 書込読出ユニット、５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇ、５１ｈ 回転子対、６１ シフトレジスタ型記憶装置、６２ 制御回路、６３ シフトレジスタ型記憶装置、６４ 強磁性体層、６５ シフトレジスタ型記憶装置、７１ ニトロベンゼン分子、７２ ベンゼン環、７３ ニトロ基、７４ 回転子対、８１ シフトレジスタ型記憶装置、８２ 書込読出部、８３ 記憶部、８４ 回転力印加部、８５ａ、８５ｂ 電極板、８６ａ、８６ｂ 制御電極、８７ 回転双極子、Ｆｅ 電場の方向、Ｆｍ 磁場の方向、Ｖｍ、Ｖｍｌ、Ｖｍｕ 磁化方向、Ｖｐ 極性方向
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、シフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでメモリの高集積化は、微細化によりメモリセルを縮小することにより進められてきた。従来の記憶装置においては、各メモリセルにおいて、データを記憶する記憶素子、この記憶素子を選択してデータの書き込み及び読み出しを行う書込読出手段、並びに記憶素子に対してデータを伝達する配線が作り込まれていた。このため、メモリセルの高集積化を進めるには、上記メモリセルの全ての要素を含め微細化を進める必要があり、高集積化に限界があった。一方、記憶素子のみを高密度に配置し、記憶素子列内においてデータを順送りし、別の場所に設けられた書込読出手段まで転送するシフトレジスタ型の記憶装置も提案されている。しかしながら、この場合、実用的には１本の記憶素子列に百桁以上のデータを記憶させる必要があるが、百桁以上のデータを正確に同期して移動させることは極めて困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６８９８１３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態の目的は、信頼性が高いシフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、シフトレジスタと、書込読出部と、回転力印加部と、を備えたシフトレジスタ型記憶装置が提供される。シフトレジスタは、一方向に沿って連なり、一軸異方性が付与され、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を有する。書込読出部は、前記シフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることによって前記シフトレジスタにデータを書き込むと共に、前記特徴方向を検出することによって前記データを読み出す。回転力印加部は、前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を回転させるような回転力を印加する。そして、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用する。
【０００６】
本発明の他の一態様によれば、一方向に沿って連なり、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を含み、前記複数の回転子には一軸異方性が付与されており、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用するシフトレジスタを用いたデータ記憶方法が提供される。このデータ記憶方法は、前記シフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を、一回転方向に回転させて前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることにより、前記一端部に位置する前記対にデータを書き込む工程と、前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部から遠ざかる方向に桁送りする工程と、前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向の逆方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部に近づく方向に桁送りする工程と、前記一端に位置する前記回転子の前記特徴方向を検出することにより、前記一端部に位置する前記対に書き込まれたデータを読み出す工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
【図２】第１の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態において１つの回転子対がとり得る状態を例示する図である。
【図５】（ａ）は、隣り合う回転子対に相互に同じデータが記憶された場合を例示する図であり、（ｂ）は、隣り合う回転子対に相互に異なるデータが記憶された場合を例示する図である。
【図６】第１の実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時刻をとり、縦軸に配線を流れる電流をとって、回転力印加部の動作を例示するグラフ図であり、（ｃ）はシフトレジスタに印加される磁場の方向を例示する図である。
【図８】第１の実施形態の第１の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
【図９】第１の実施形態の第２の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
【図１０】第１の実施形態の第３の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
【図１１】第２に実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
【図１２】第２の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図である。
【図１３】第３の実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する斜視図である。
【図１４】第２の実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
【０００９】
図１に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ１においては、強磁性体層１１、薄いルテニウム層１２、強磁性体層１３及び厚いルテニウム層１４がこの順に繰り返し積層されている。強磁性体層１１及び１３は、例えば、強磁性体材料、例えば、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ合金）からなり、その厚さは例えばそれぞれ４ｎｍである。ルテニウム層１２及び１４はルテニウム（Ｒｕ）からなり、厚いルテニウム層１４の厚さは薄いルテニウム層１２の厚さよりも厚い。薄いルテニウム層１２の厚さは例えば０．８ｎｍであり、厚いルテニウム層１４の厚さは２．１ｎｍである。
【００１０】
各層の積層方向から見て、シフトレジスタ１の形状は一軸に沿って伸びた形状であり、例えば、楕円、長円、菱形又は長方形等である。従って、シフトレジスタ１の形状は、例えば積層方向に延びる楕円柱形、長円柱形、菱形柱状又は長方柱形等である。以下、シフトレジスタ１を積層方向から見たときの長径方向を「長軸方向」といい、短径方向を「短軸方向」という。積層方向、長軸方向及び短軸方向は、相互に直交している。
【００１１】
本実施形態においては、各強磁性体層１１及び１３を「回転子」とし、その磁化方向Ｖｍを「特徴方向」とする。すなわち、シフトレジスタ１においては、複数の回転子が各層の積層方向に沿って一列に連なっている。各強磁性体層１１及び１３の磁化方向（特徴方向）は、その面内、すなわち、積層方向に対して垂直な平面内において、任意の方向をとることができる。すなわち、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍは、積層方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能である。
【００１２】
但し、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍに対しては、いくつかの力が作用する。
先ず、一軸異方性に起因する力がある。「一軸異方性」とは、あるベクトルが回転軸周りのある特定の方向（向きでなない）を向いたときにエネルギーが最小となるような性質をいう。積層方向から見て、シフトレジスタ１は長径方向に沿って伸びた形状とされているため、強磁性体層１１及び１３の形状も長軸方向に伸びた形状である。これにより、強磁性体層１１及び１３の磁化方向Ｖｍには形状に起因した一軸異方性（形状磁気異方性）が付与され、長軸方向のいずれかに向きやすくなる。すなわち、長軸方向が磁化容易方向となる。
【００１３】
また、強い反結合作用による力がある。薄いルテニウム層１２の作用により、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には反強磁性的結合状態が生じるため、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍと強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍとは、相互に反対の方向を向こうとする。以下、この作用を、本明細書では便宜的に「強い反結合作用」という。これにより、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には、磁化方向Ｖｍを反平行とするような力（第１の力）が作用する。以下、この力を「強い力」という。薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う一対の強磁性体層１１及び１３は、強い反結合作用を介して結合（カップリング）して回転子対を構成する。これにより、シフトレジスタ１に属するそれぞれ複数の強磁性体層１１及び１３は、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３毎に複数の回転子対に組分けされる。
【００１４】
更に、弱い反結合作用による力がある。厚いルテニウム層１４の作用により、厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には反強磁性的結合状態が生じ、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍと強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍとは、相互に反対の方向を向こうとする。以下、この作用を「弱い反結合作用」という。これにより、ルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３の間には、磁化方向を反平行とするような力（第２の力）が作用する。ルテニウム層１４はルテニウム層１２よりも厚いため、第２の力は第１の力よりも弱い。以下、この第２の力を「弱い力」という。厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う一対の強磁性体層１１及び１３、すなわち、隣り合う回転子対に属する隣り合う２つの回転子は、弱い反結合作用を介して結合（カップリング）している。
【００１５】
これらの一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用は、シフトレジスタ１自体の内的な構成によって生じる作用であり、それ自体には時間依存性がない静的な作用である。但し、これらの作用によって個々の強磁性体層の磁化方向Ｖｍに作用する力、すなわち、一軸異方性に起因する力、強い力及び弱い力は、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍ及び隣り合う強磁性体層の磁化方向Ｖｍ間の関係に応じて変化する。一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用以外の作用が働かない場合は、各強磁性体層の磁化方向Ｖｍが長軸方向に沿っており、且つ、隣り合う強磁性体層の磁化方向Ｖｍが相互に逆方向である状態、すなわち、全ての強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍが相互に同一であり、全ての強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍが強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍに対して逆方向となるような状態が、エネルギーが最も低く最も安定した状態である。
【００１６】
これらの内的な力に加えて、各強磁性体層の磁化方向には、シフトレジスタ１の外部から外的な力が印加される。外的な力には、磁場を回転させることによって生じる回転力、及び、データを書き込むために磁化方向を長軸方向のいずれか一方にセットする書き込みのための力がある。これらの力は、シフトレジスタ１の動作に伴って変化する動的な力である。これらについては後述する。
【００１７】
次に、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置について説明する。
図２は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図であり、
図３は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する断面図である。
図２に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１においては、下側から順に、書込読出部２２、記憶部２３、回転力印加部２４が設けられている。
【００１８】
記憶部２３においては、上述のシフトレジスタ１が複数本設けられており、マトリクス状に配列されている。各シフトレジスタ１は上下方向に延びている。すなわち、シフトレジスタ１の積層方向はシフトレジスタ型記憶装置２１の上下方向と一致している。また、シフトレジスタ１の長軸方向は相互に一致している。すなわち、各シフトレジスタ１に付与された一軸異方性の方向は相互に同一である。更に、シフトレジスタ１同士は相互に離隔している。各シフトレジスタ１の下端は、書込読出部２２に接続されている。
【００１９】
回転力印加部２４には、相互に直交する方向に延びる配線２５ａ及び２５ｂが設けられている。配線２５ａはシフトレジスタ１の長軸方向に延びており、配線２５ｂはシフトレジスタ１の短軸方向に延びている。後述するように、配線２５ａ及び２５ｂに電流を流すことにより、記憶部２３のシフトレジスタ１に対して磁場を印加し、シフトレジスタ１の各回転子の磁化方向に対して回転力を印加する。例えば、配線２５ａは配線２５ｂよりも下方に設けられており、シフトレジスタ１には接続されておらず、配線２５ｂにも接続されていない。回転力印加部２４は、記憶部２３に属する複数本のシフトレジスタ１について共通に設けられている。
【００２０】
図３に示すように、書込読出部２２においては、書込ワード線３１が設けられており、その上にはビット線３２が設けられている。書込ワード線３１とビット線３２とは相互に直交しており、例えば、書込ワード線３１はシフトレジスタ１の長軸方向に延びており、ビット線３２は短軸方向に延びている。書込ワード線３１及びビット線３２は、それぞれ、銅（Ｃｕ）又はタングステン（Ｗ）等の低抵抗材料からなる配線本体３４の下面上及び側面上に、鉄ニッケル合金等の強磁性体材料からなる強磁性体層３５が設けられたヨーク構造となっている。すなわち、書込ワード線３１及びビット線３２においては、これらの配線が延びる方向に対して垂直な断面において、強磁性体層３５がコ字形状に形成されている。
【００２１】
ビット線３２上には、参照層３６が設けられており、ビット線３２に接続されている。参照層３６においては、下方、すなわち、ビット線３２側から順に、白金マンガン（ＰｔＭｎ）合金層３７、鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）合金層３８、ルテニウム（Ｒｕ）層３９及び鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）合金層４０が積層されており、白金マンガン合金層３７の下面はビット線３２の上面に接している。参照層３６上には、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなるトンネルバリア膜４１が設けられており、その上には、例えば鉄ニッケル合金等の強磁性体材料からなる最下端強磁性体層４２が設けられている。最下端強磁性体層４２は、シフトレジスタ１の最下層である薄いルテニウム層１２に接している。これにより、最下端強磁性体層４２はシフトレジスタ１の最下層の強磁性体層として機能するが、その面積はシフトレジスタ１内に設けられた各強磁性体層の面積よりも大きい。また、上方から見て、参照層３６及びトンネルバリア膜４１は、シフトレジスタ１よりも大きく、最下端強磁性体層４２よりも小さい。最下端強磁性体層４２はビア４３を介して選択トランジスタ４４の一方の端子に接続されており、選択トランジスタ４４の他方の端子はソース線４５に接続されている。選択トランジスタ４４のゲートには、読出ワード線４６が接続されている。なお、ビア４３は書込ワード線３１には接続されていない。ビット線３２及びソース線４５は、センス回路（図示せず）に接続されている。
【００２２】
上述の書込読出部２２を構成する各構成要素のうち、参照層３６、トンネルバリア膜４１、最下端強磁性体層４２、ビア４３及び選択トランジスタ４４を含む書込読出ユニット４９は、シフトレジスタ１毎に設けられている。一方、書込ワード線３１、ビット線３２、ソース線４５及び読出ワード線４６は、それぞれ、複数のシフトレジスタ１毎に設けられている。
【００２３】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１の動作、すなわち、本実施形態に係るシフトレジスタ１の使用方法、すなわち、本実施形態に係るデータ記憶方法について説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態において１つの回転子対がとり得る状態を例示する図であり、
図５（ａ）は、隣り合う回転子対に相互に同じデータが記憶された場合を例示する図であり、（ｂ）は、隣り合う回転子対に相互に異なるデータが記憶された場合を例示する図であり、
図６は、本実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図であり、
図７（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時刻をとり、縦軸に配線を流れる電流をとって、回転力印加部の動作を例示するグラフ図であり、（ｃ）はシフトレジスタに印加される磁場の方向を例示する図である。
【００２４】
先ず、静的な状態について説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態においては、薄いルテニウム層１２を挟んで隣り合う強磁性体層１１及び１３が一対の回転子対５１を構成し、この回転子対５１が積層方向に沿って一列に配列される。このとき、強い反結合作用の要請により、１つの回転子対５１に属する２つの回転子の特徴方向、すなわち、強磁性体層１１の磁化方向と強磁性体層１３の磁化方向とは、相互に逆の方向を向く。また、一軸異方性の要請から、各強磁性体層の磁化方向は長軸方向を向こうとする。これにより、１つの回転子対５１は２つの状態をとり得る。すなわち、長軸方向に沿った相互に逆方向となる２方向のうち、時計の文字盤を模して一方を「３時方向」と表記し他方を「９時方向」と表記するとき、回転子対５１は、図４（ａ）に示すように、上側の回転子、すなわち、強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍｕが３時方向側であり、下側の回転子、すなわち、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍｌが９時方向側である第１の状態と、図４（ｂ）に示すように、上側の回転子（強磁性体層１３）の磁化方向Ｖｍｕが９時方向側であり、下側の回転子（強磁性体層１１）の磁化方向Ｖｍｌが３時方向側である第２の状態の２通りの状態をとり得る。
【００２５】
従って、１つの回転子対５１には、値が「０」又は「１」となるデータを記憶可能である。なお、「３時方向側」とは、１２時から６時までの範囲であって、３時方向を含む範囲をいい、「９時方向側」とは、６時から１２時までの範囲であって、９時方向を含む範囲をいう。図４（ａ）及び（ｂ）においては、上述の第１の状態を値「０」とし、第２の状態を値「１」とする例を示している。
【００２６】
図５（ａ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に同じ値が記憶されている場合には、連続して配列された４つの強磁性体層の磁化方向が交互に３時方向側と９時方向側に向く。この場合、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子、すなわち、厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１３及び１１においては、磁化方向が相互に逆方向になるため、弱い反結合作用の要請を満たす。従って、強い反結合作用の要請、一軸異方性の要請及び弱い反結合作用の要請が相互に抵触することはなく、磁化方向はほぼ３時方向又は９時方向となる。この場合、回転子対全体としては、磁化方向がほぼ打ち消し合い、磁化方向の合成成分はほぼゼロとなる。
【００２７】
一方、図５（ｂ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に相互に異なる値が記憶されている場合には、連続して配列された４つの強磁性体層の磁化方向は、例えば、３時方向側、９時方向側、９時方向側、３時方向側となる。このとき、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子（強磁性体層）の磁化方向は相互に同じ側となるため、弱い反結合作用の要請は満たされなくなる。この場合、磁化方向は、強い反結合作用に起因する強い力、弱い反結合作用に起因する弱い力、及び一軸異方性に起因する力がつり合い、エネルギーが極小となるような方向となる。換言すれば、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子の磁化方向が完全に反平行となるような状態は、エネルギー的に安定ではなくなる。この結果、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子、すなわち、厚いルテニウム層１４を挟んで隣り合う強磁性体層１３及び１１の磁化方向は、同じ側ではあるが、互いに遠ざかるように少しねじれた方向を向く。この場合、回転子対全体としては、磁化方向が完全には相殺されず、磁化方向の合成成分が発生する。
【００２８】
次に、データの書込方法について説明する。
図３に示すように、書込ワード線３１に電流を流すことにより、書込ワード線３１を中心とした環状の磁力線が発生する。この磁力線は、最下端強磁性体層４２の位置においては、紙面に対して垂直な方向、例えば、短軸方向に向かう。一方、ビット線３２に電流を流すことにより、ビット線３２を中心とした環状の磁力線が発生する。この磁力線は、最下端強磁性体層４２の位置においては、紙面の横方向、例えば、長軸方向に向かう。これにより、書込ワード線３１及びビット線３２のそれぞれについて、所定の方向に所定の大きさの電流を流すことにより、最下端強磁性体層４２に対して、短軸方向及び長軸方向を含む平面内における任意の方向の磁場を印加することができる。このようにして、最下端強磁性体層４２の磁化方向を、長軸方向のうちの１つに一致させて、セットする。
【００２９】
最下端強磁性体層４２の磁化方向がセットされると、その１段上の強磁性体層、すなわち、シフトレジスタ１の最下段の強磁性体層１３の磁化方向は、薄いルテニウム層１２を介した強い反結合作用により、最下端強磁性体層４２の磁化方向に対して逆方向にセットされる。これにより、最下端強磁性体層４２及びシフトレジスタ１の最下段の強磁性体層１３からなる最下段の回転子対５１にデータが書き込まれる。すなわち、書込ワード線３１は下側書込配線として機能し、ビット線３２は上側書込配線として機能する。このとき、書込ワード線３１及びビット線３２の構造はヨーク構造となっているため、コ字形状の強磁性体層３５及び最下端強磁性体層４２によって疑似ループが構成され、最下端強磁性体層４２に対して効率的に磁場を印加することができる。
【００３０】
最下段の回転子対５１にデータを書き込んだ後、シフトレジスタ１全体についてデータを上方に１桁分桁送りして、最下段の回転子対５１に書き込まれたデータを１段上の回転子対５１に移動させる。なお、「桁送り」とは、シフトレジスタ１の全ての回転子対５１に記憶されたデータを、同じ方向に同期して移動させることをいう。この桁送りの方法については後述する。そして、再び、最下端強磁性体層４２の磁化方向をセットすることにより、最下段の回転子対５１にデータを書き込む。これを繰り返すことにより、シフトレジスタ１にデータ列を書き込んでいく。
【００３１】
このとき、データを書き込むために最下端強磁性体層４２に印加する磁場の方向は、一定の回転方向、例えば、上方から見て時計回りとなる回転方向に回転させて、所定の方向とする。これにより、隣り合う回転子対５１に属する隣り合う２つの回転子においては、先に磁化方向がセットされた回転子、すなわち、上側の回転子対５１の下側の回転子の磁化方向が、後に磁化方向がセットされた回転子、すなわち、下側の回転子対の上側の回転子の磁化方向により、弱い力によって上方から見て時計回りに押しやられ、時計回りにねじれる。この結果、長軸方向を基準として、上側の回転子対５１の下側の回転子の磁化方向は時計回りにねじれ、下側の回転子対５１の上側の回転子の磁化方向は反時計回りにねじれる。このため、「ねじれ」の方向は１本のシフトレジスタを通じて一定となり、例えば、下から上に向けて左ねじの方向となる。
【００３２】
また、このとき、連続して配列された少なくとも３つの回転子対に対して、同じ値を書き込むことが望ましい。これにより、連続して配列された少なくとも３つの回転子対を使って、１ビットのデータを記憶する。
【００３３】
次に、データの読出方法について説明する。
図３に示すように、参照層３６においては、鉄ニッケル合金層３８及び４０の磁化方向が、ルテニウム層３９によって反平行となる状態で固定されている。そして、鉄ニッケル合金層４０の磁化方向と最下端強磁性体層４２の磁化方向とが同じであると、トンネルバリア膜４１を流れるトンネル電流の抵抗が、所謂トンネル磁気抵抗効果により相対的に低くなり、鉄ニッケル合金層４０の磁化方向と最下端強磁性体層４２の磁化方向とが逆であると、トンネルバリア膜４１を流れるトンネル磁気抵抗が相対的に高くなる。このため、トンネルバリア膜４１の抵抗値を評価することにより、最下端強磁性体層４２の磁化方向を検出することができ、最下段の回転子対５１のデータを読み出すことができる。具体的には、最下端強磁性体層４２はビア４３及び選択トランジスタ４４を介してソース線４５に接続されているため、所望の読出ワード線４６を選択し、選択トランジスタ４４をオン状態とした上で、ビット線３２とソース線４５との間に電圧を印加することにより、参照層３６と最下端強磁性体層４２との間に電圧を印加する。そして、ビット線３２に流れる電流値を測定することにより、トンネルバリア膜４１のトンネル磁気抵抗の大きさを評価することができる。
【００３４】
最下段の回転子対５１のデータを読み出した後、シフトレジスタ１に記憶されているデータを、１段ずつ下段に桁送りする。この桁送りの方法については後述する。そして、再び、最下端強磁性体層４２の磁化方向を検出することにより、最下段の回転子対５１のデータを読み出す。これを繰り返すことにより、シフトレジスタ１に記憶されたデータ列を読み出していく。
【００３５】
次に、データの桁送り方法について説明する。
図６は、１つのシフトレジスタの経時変化のシミュレーション結果を示している。図６においては、１つの回転子対５１を１つの楕円で表しており、１つの回転子対５１に属する上側の回転子、すなわち、強磁性体層１３の磁化方向Ｖｍｕを白い矢印で表し、下側の回転子、すなわち、強磁性体層１１の磁化方向Ｖｍｌを黒い矢印で表している。
【００３６】
図６に示すように、時刻ｔ＝０においては、回転力印加部２４の配線２５ａ及び２５ｂ（図２参照）には電流が流れておらず、シフトレジスタ１には磁場が印加されていない。従って、各磁化方向には回転力が印加されていない。このとき、回転子対５１ａ及び５１ｂを含む連続して配列された複数の回転子対には値「０」が書き込まれており、回転子対５１ｃ、５１ｄ及び５１ｅを含む連続して配列された複数の回転子対には値「１」が書き込まれており、回転子対５１ｆ及び５１ｇを含む連続して配列された複数の回転子対には値「０」が書き込まれており、回転子対５１ｈを含む連続して配列された複数の回転子対には値「１」が書き込まれているものとする。また、回転子対５１ｂと回転子対５１ｃとは隣り合っており、回転子対５１ｅと回転子対５１ｆとは隣り合っており、回転子対５１ｇと回転子対５１ｈとは隣り合っている。
【００３７】
この状態で、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、配線２５ａ及び２５ｂに電流を流す。これにより、磁場が発生し、この磁場が記憶部２３に設けられた複数のシフトレジスタ１に対して均一に印加される。そして、図７（ｃ）に示すように、この磁場の方向Ｆｍは、上方から見て反時計回りに回転する。この磁場の回転により、各回転子対の磁化方向Ｖｍに回転力が印加される。回転力とは、回転子（強磁性体層）の磁化方向Ｖｍを回転力印加部２４によって生成された磁場の方向Ｆｍに向けようとする力である。従って、各磁化方向に働く回転力の方向及び大きさは、磁場の方向Ｆｍと磁化方向Ｖｍとの相対的な関係によって異なり、磁場の方向Ｆｍが磁化方向Ｖｍを追い抜くときには、回転力の方向が反転する。
【００３８】
回転子対の挙動を概略的に表現すると、以下のようになる。
（ａ）磁化方向の合成成分が小さい回転子対については、合成成分が磁場に対して鈍感であるため、磁場の方向が回転しても磁化方向はほとんど影響を受けない。このため、磁化方向が短軸方向を越えて回転することはなく、回転子対の値は変化しない。上述の如く、合成成分が小さい回転子対とは、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対であり、例えば、回転子対５１ａ及び５１ｄである。
【００３９】
（ｂ）磁化方向の合成成分が大きい回転子対については、合成成分が磁場に対して敏感であるため、合成成分が回転する。これにより、磁場方向が短軸方向を越えて回転し、値が変化する場合がある。上述の如く、合成成分が大きい回転子対とは、隣の回転子対と異なる値が書き込まれた回転子対である。そして、合成成分が大きい回転子対の挙動については、概略以下のように２つに分類できる。
【００４０】
（ｂ−１）相互に異なる値が書き込まれた回転子対同士が隣り合う境界の下側に位置する回転子対、例えば、回転子対５１ｃ、５１ｆ及び５１ｈについては、上側の回転子の磁化方向Ｖｍｕが大きくねじれている。上述の如く、データの書き込みは時計回りに回転する磁場によって行われるため、上側の回転子の磁化方向Ｖｍｕには反時計回りに弱い力が働き、上側の回転子の磁化方向Ｖｍｕは長軸方向に対して反時計回りにねじれている。従って、磁場の方向Ｆｍが反時計回りに回転して合成成分を追い抜くときには、上側の磁化方向Ｖｍｕが先に追い抜かれ、その後、下側の磁化方向Ｖｍｌが追い抜かれる。また、反時計回りに回転する磁場の方向Ｆｍが上側の磁化方向Ｖｍｕを追い抜くと、この磁化方向Ｖｍｕに働く回転力は時計回りから反時計回りに反転する。
【００４１】
このため、上側の磁化方向Ｖｍｕが磁場の方向Ｆｍに追い抜かれると、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して、反時計回りに、弱い反結合作用に起因する弱い力と回転力が重畳的に働き、この反時計回りの力が時計回りに働く強い力と一軸異方性に起因する力に打ち勝ち、上側の磁化方向Ｖｍｕが短軸方向を越える。上側の磁化方向Ｖｍｕが短軸方向を越えると、上側の磁化方向Ｖｍｕに働く一軸異方性に起因する力の方向は反時計回りに転じるため、上側の磁化方向Ｖｍｕは短軸方向から離隔した方向で安定する。この結果、先行する下側の磁化方向Ｖｍｌに対して反時計回りに働く強い力が増加する。更に、下側の磁化方向Ｖｍｌが磁場の方向Ｆｍに追い抜かれると、下側の磁化方向Ｖｍｌに働く回転力が反時計回りに転じる。これにより、下側の磁化方向Ｖｍｌが短軸方向を越える。このようにして、この回転子対の値が変化する。
【００４２】
（ｂ−２）これに対して、相互に異なる値が書き込まれた回転子対同士が隣り合う境界の上側に位置する回転子対、例えば、回転子対５１ｂ、５１ｅ及び５１ｇについては、下側の回転子の磁化方向Ｖｍｌが時計回りに大きくねじれている。このため、磁場の方向Ｆｍが反時計回りに回転して合成成分を追い抜くときには、上側の磁化方向Ｖｍｕが先に追い抜かれ、その後、下側の磁化方向Ｖｍｌが追い抜かれる。上側の磁化方向Ｖｍｕが磁場の方向Ｆｍに追い抜かれると、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して回転力が反時計回りに働くが、上側の磁化方向Ｖｍｕには弱い力が働いていないため、回転力と弱い力が重畳されることはない。このため、上側の磁化方向Ｖｍｕが短軸方向を越えることがなく、従って、下側の磁化方向Ｖｍｌが短軸方向を越えることもない。この結果、この回転子対の値は変化しない。
【００４３】
なお、上述の（ａ）の場合においては、そもそも弱い力が発生していないため、回転力に弱い力が重畳されることが起こり得ず、磁化方向が短軸方向を越えることがないとも言える。
以下、各回転子対の経時変化について具体的に説明する。
【００４４】
（１）回転子対５１ａ
時刻ｔ＝０において、回転子対５１ａには値「０」が書き込まれており、その上下隣の回転子対にも同じ値「０」が書き込まれている。このため、回転子対５１ａにおいては、磁化方向のねじれが少なく、上側の回転子（強磁性体層１３）の磁化方向Ｖｍｕと下側の回転子（強磁性体層１１）の磁化方向Ｖｍｌとが長軸方向に沿ってほぼ反平行となっている。すなわち、上側の磁化方向Ｖｍｕがほぼ３時方向であり、下側の磁化方向Ｖｍｌがほぼ９時方向である。
【００４５】
回転子対５１ａにおいては、磁化方向Ｖｍｕと磁化方向Ｖｍｌとがほぼ反平行となっているため、回転子対５１ａ全体では、磁化方向の合成成分がほぼ０となる。また、強い反結合作用に起因する強い力、弱い反結合作用に起因する弱い力、及び一軸異方性に起因する力は、いずれも反平行を安定させるように働く。このため、弱い力が磁化方向に短軸方向（１２時方向及び６時方向）を越えさせるように働くことがなく、磁化方向に短軸方向を越えさせるような回転力が働いても、この回転力に弱い力が重畳することはない。従って、磁化方向が短軸方向を越えることはなく、値は「０」のままである。
【００４６】
（２）回転子対５１ｄ
値「１」が書き込まれた回転子対５１ｄについても、その上下の回転子対にも同じ値「１」が書き込まれているため、磁化方向のねじれが少なく、上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとが長軸方向に沿ってほぼ反平行となる。このため、弱い力が磁化方向に短軸方向を越えさせるように働くことがなく、値は「１」のままである。
【００４７】
（３）回転子対５１ｃ
これに対して、上述の如く、上隣の回転子対が異なる値を持つ回転子対においては、挙動が異なる。
時刻ｔ＝０において、値「１」が書き込まれた回転子対５１ｃにおいては、上隣の回転子対５１ｂが値「０」を持つため、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕは、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌとの間に働く弱い力により、９時方向から反時計回りに大きくねじれ、約７時方向を向いている。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌには弱い力は働かないが、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕとの間に働く強い力により、約２時方向を向く。このため、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとは完全な反平行にはならず、磁化方向の合成成分が約４時方向に発生する。
【００４８】
時刻ｔ＝１においては、磁化方向が６時方向を向くように磁場が印加される。これにより、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕには反時計回りの回転力が働き、６時方向に近づく。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、時計回りの回転力が作用するが、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕの回転により、反時計回りの強い力が増加するため、これらの力が相殺され、下側の磁化方向Ｖｍｌはあまり変わらない。この結果、磁化方向の合成成分がより増大する。このとき、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕについては、回転力及び弱い力が反時計回りに働き、強い力及び一軸異方性に起因する力が時計回りに働く。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、強い力が反時計回りに働き、回転力及び一軸異方性に起因する力が時計回りに働く。
【００４９】
時刻ｔ＝２においては、磁化方向が３時方向を向くように磁場が印加さる。これにより、上側の磁化方向Ｖｍｕに働く反時計回りの回転力がさらに増大し、弱い力と重畳されて、上側の磁化方向Ｖｍｕが６時方向を越える。上側の磁化方向Ｖｍｕが一旦６時方向を越えると、一軸異方性に起因する力がそれまでとは逆の方向、すなわち、反時計回りに働くため、時計回りに働く力は強い力だけになる。この結果、上側の磁化方向Ｖｍｕは約５時方向で安定する。一方、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、上側の磁化方向Ｖｍｕが回転したことにより強い力が増大し、反時計回りに少し押し戻される。この結果、下側の磁化方向Ｖｍｌは約１時方向で安定する。このとき、回転子対５１ｃにおいては、磁化方向Ｖｍｕ及びＶｍｌの双方が３時方向側を向いているため、値は「１」ではなくなる。
【００５０】
時刻ｔ＝３においては、磁化方向が１２時方向を向くように磁場が印加される。磁場の方向が下側の磁化方向Ｖｍｌを追い抜くと、下側の磁化方向Ｖｍｌに働く回転力が反時計回りに転じる。また、上側の磁化方向Ｖｍｕが反時計回りに回転することにより、下側の磁化方向Ｖｍｌに反時計回りに働く強い力が増大する。この結果、下側の磁化方向Ｖｍｌが１２時方向を越える。磁化方向が一旦１２時方向を越えると、回転力は時計回りに転じるものの、一軸異方性に起因する力は反時計回りに転じ、上側の磁化方向Ｖｍｕは約１１時方向で安定する。これにより、回転子対５１ｃの値は「０」となる。
【００５１】
時刻ｔ＝４においては、磁化方向が９時方向を向くように磁場が印加される。これにより、回転子対５１ｃの下側の磁化方向Ｖｍｌについては、回転力が反時計回りに働くようになり、約１０時方向で安定する。一方、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕについては、磁場の方向がほぼ逆方向となるため、回転力があまり働かない。このため、上側の磁化方向Ｖｍｕはあまり変化せず、約４時方向のままである。これにより、回転子対５１ｃについては、上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとがほぼ反平行となり、合成成分が減少する。このため、以後磁場が回転しても、回転子対５１ｃの磁化方向はあまり影響を受けなくなり、値が変わることはない。このように、磁場が１回転することにより、回転子対５１ｃの値は「１」から「０」に切り替わる。回転子対５１ｈの動作も同様である。
【００５２】
（４）回転子対５１ｆ
時刻ｔ＝０において、回転子対５１ｆには値「０」が書き込まれており、上隣の回転子対５１ｅには値「１」が書き込まれている。このため、回転子対５１ｆの上側の磁化方向Ｖｍｕは、回転子対５１ｅの下側の磁化方向Ｖｍｌとの間に働く弱い力により、３時方向から反時計回りに大きくねじれ、約１時方向となっている。一方、回転子対５１ｆの下側の磁化方向Ｖｍｌには弱い力は働いていないが、強い力が働き、約８時方向となっている。このため、回転子対５１ｆの上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとは完全な反平行にはならず、磁化方向の合成成分が発生する。
【００５３】
時刻ｔ＝１及びｔ＝２においては、回転力は回転子対５１ｆの合成成分の逆側を向いているため、合成成分を減少させる方向に働き、上側の磁化方向Ｖｍｕ及び下側の磁化方向Ｖｍｌはあまり変化しない。
【００５４】
時刻ｔ＝３においては、磁化方向が１２時方向を向くように磁場が印加される。これにより、磁場の方向が上側の磁化方向Ｖｍｕを追い抜き、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して反時計回りの回転力が働く。また、上側の磁化方向Ｖｍｕには、反時計回りの弱い力が働く。一方、下側の磁化方向Ｖｍｌについては、時計回りの回転力が印加されるが、上側の磁化方向Ｖｍｕの回転によって反時計回りの強い力が増加するため、これらの力が相殺され、約８時方向のままである。
【００５５】
時刻ｔ＝４においては、磁化方向が９時方向を向くように磁場が印加される。この結果、上側の磁化方向Ｖｍｕに対して時計回りに働く回転力が増大し、上側の磁化方向Ｖｍｕが１２時方向を越える。これにより、上側の磁化方向Ｖｍｕに働く一軸異方性に起因する力の方向が反転して反時計回りになる。この結果、回転子対５１ｆの上側の磁化方向Ｖｍｕについては、回転力及び一軸異方性に起因する力が時計回りに働き、強い力が反時計回りに働き、約１１時方向で安定する。一方、回転子対５１ｆの下側の磁化方向Ｖｍｌは、上側の磁化方向Ｖｍｕによって反時計回りに押しやられ、約７時方向となる。この結果、回転子対５１ｆにおいては、磁化方向Ｖｍｕ及びＶｍｌの双方が９時方向側を向き、値は「０」ではなくなる。
【００５６】
時刻ｔ＝５においては、磁化方向が６時方向を向くように磁場が印加される。これにより、磁場の方向が下側の磁化方向Ｖｍｌを追い抜き、下側の磁化方向Ｖｍｌに対して反時計回りの回転力が働く。また、上側の磁化方向Ｖｍｕにも反時計回りの回転力が働き、反時計回りに回転する。これにより、下側の磁化方向Ｖｍｌに働く反時計回りの強い力が増大する。この結果、下側の磁化方向Ｖｍｌが反時計回りに回転し、６時方向を越える。これにより、一軸異方性に起因する力が反時計回りに働き、下側の磁化方向Ｖｍｌは５時方向で安定する。この結果、上側の磁化方向Ｖｍｕは９時方向側となり、下側の磁化方向Ｖｍｌは３時方向側となるため、回転子対５１ｆの値は「１」となる。
【００５７】
時刻ｔ＝６においては、磁場が消失する。これにより、回転力が消失し、回転子対５１ｆの下側の磁化方向Ｖｍｌが少しだけ反時計回りに回転するが、回転子対５１ｆの値は変化しない。このように、磁場が１回転することにより、回転子対５１ｆの値は「０」から「１」に切り替わる。
【００５８】
（５）回転子対５１ｂ
時刻ｔ＝０において、回転子対５１ｂには値「０」が書き込まれている。また、下隣の回転子対５１ｃには値「１」が書き込まれている。このため、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌは、回転子対５１ｃの上側の磁化方向Ｖｍｕとの間に働く弱い力により、９時方向から時計回りに大きくねじれており、約１１時方向となっている。一方、回転子対５１ｂの上側の磁化方向Ｖｍｕには弱い力は働かないが、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌのねじれに伴い、３時方向から少し時計回りにねじれ、約４時方向となる。このため、回転子対５１ｂの上側の磁化方向Ｖｍｕと下側の磁化方向Ｖｍｌとは完全な反平行にはならず、磁化方向の合成成分が発生する。
【００５９】
時刻ｔ＝１においては、回転子対５１ｂの下側の磁化方向Ｖｍｌに反時計回りの回転力が働き、約１０時方向となる。
時刻ｔ＝２においては、磁化方向が３時方向を向くような方向に磁場が印加され、上側の磁化方向Ｖｍｕは約３時方向となる。このとき、磁場の方向Ｆｍが上側の磁化方向Ｖｍｕを追い抜くが、上側の磁化方向Ｖｍｕには弱い力が働いていないため、回転力に弱い力が重なることはなく、上側の磁化方向Ｖｍｕは大きくは変化しない。
時刻ｔ＝３以降においては、下隣の回転子対５１ｃの値が「０」となるため、下側の磁化方向Ｖｍｌに対しても弱い力が働かなくなり、磁化方向はほとんど変化しなくなる。
このように、磁場の方向が回転しても、回転子対５１ｂの値は変化しない。回転子対５１ｇ及び５１ｅについても同様である。
【００６０】
以上の動作をまとめると、以下のようになる。すなわち、時計回りに回転する磁場によってデータが書き込まれたシフトレジスタ１に対して、反時計回りに回転する磁場を印加すると、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対（例えば、回転子対５１ａ及び５１ｄ）の値は変化せず、値が切り替わる境界面の下側に位置する回転子対（例えば、回転子対５１ｃ、５１ｆ、５１ｈ）の値は切り替わり、境界面の上側に位置する回転子対（例えば、回転子対５１ｂ、５１ｅ、５１ｇ）の値は変化しない。これにより、データ列は下方、すなわち、書込読出部２２に向かって、１桁分シフトする。
【００６１】
同様な原理により、時計回りに回転する磁場によってデータが書き込まれたシフトレジスタ１に対して、時計回りに回転する磁場を印加すると、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対の値は変化せず、値が切り替わる境界面の下側に位置する回転子対の値も変化せず、境界面の上側に位置する回転子対の値は切り替わる。これにより、データ列は上方、すなわち、書込読出部２２から離れる方向に、１桁分シフトする。このようにして、データ列を正逆方向に桁送りすることができる。同様に、反時計回りに回転する磁場によってデータが書き込まれたシフトレジスタに対して、時計回りに回転する磁場を印加すると、データ列は下方、すなわち、書込読出部２２に向かって、桁送りされる。逆に、反時計回りに回転する磁場を印加すると、データ列は上方、すなわち、書込読出部２２から離れる方向に、桁送りされる。
【００６２】
また、連続して配列された３つの回転子対に同じ値を書き込むことにより、上下隣の回転子対と同じ値が書き込まれた回転子対、境界の上側に位置する回転子対、及び、境界の下側に位置する回転子対を明確に区別できるようになり、上述の桁送り動作を確実に実施することができる。
【００６３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１においては、書込読出部２２と記憶部２３とを別々に設けている。これにより、記憶部２３においては、記憶素子、すなわち、回転子対を高密度に集積させることができる。この結果、単位面積当たりの記憶容量を増加させ、ビット単価を低減することができる。特に、本実施形態においては、複数本のシフトレジスタ１をマトリクス状に配列させているため、記憶素子を３次元的に配列させることができ、記憶素子の集積度を向上させる効果が特に大きい。
【００６４】
また、本実施形態においては、回転力印加部２４の配線２５ａ及び２５ｂに電流を流すことにより、シフトレジスタ１の全体に対して、回転する磁場を均一に印加することができる。この結果、シフトレジスタ１に書き込まれているデータ列を、正確に同期して桁送りすることができる。このため、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１は、データを桁送りする際の信頼性が高い。特に、磁場は電場と比較して透過性が高く、遮蔽されにくいため、マトリクス状に配列された複数本のシフトレジスタからなるアレイ全体に磁場を印加しても、場所による磁場のばらつきが小さく、安定した動作を実現できる。
【００６５】
なお、シフトレジスタ自体にパルス電流を流してデータを押し出す方法も考えられる。しかしながら、この場合、シフトレジスタを大容量化しようとしてシフトレジスタの物理的な長さを長くすると、シフトレジスタの寄生容量及び寄生インダクタンスも大きくなる。このため、パルス電流の波形が鈍り、誤動作する可能性が増加してしまう。これに対して、本実施形態によれば、桁送り動作の原理として確率的事象を用いておらず、自由エネルギーが極小となる点を辿った遷移を用いているため、シフトレジスタを長くして桁数を例えば数キロ桁としても、桁送り間違いが少なく信頼性が高いシフトレジスタを実現することができる。
【００６６】
更に、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置２１においては、機械的に動作する部分がないため、書き込みや読み出しの繰り返し動作に対する信頼性が高い。
更にまた、本実施形態によれば、鉄ニッケル合金層とルテニウム層とを交互に積層させることにより、シフトレジスタ１を容易に作製することができる。また、２本の配線２５ａ及び２５ｂを設け、これらの配線に電流を流すことにより、シフトレジスタ１の回転子に対して、回転力を容易に印加することができる。
【００６７】
なお、本実施形態においては、記憶部２３の上方、すなわち、書込読出部２２の反対側に回転力印加部２４を配置する例を示したが、本発明はこれに限定されず、回転力印加部２４は記憶部２３の下方に配置してもよい。また、図示しないが、小さい電流でより効果的に回転力を与える方法として、配線２５ａ及び配線２５ｂをシフトレジスタ列の下部に設け、ソレノイドコイルのようにシフトレジスタ列の上下を螺旋状に取り囲む構造とすることも可能である。これにより、より小さい電流でデータを桁送りすることが可能となり、シフトレジスタ型記憶装置の低電力動作が可能となる。また、回転力印加部２４の配線２５ａ及び２５ｂは、ヨーク構造としてもよい。更に、記憶部２３全体に対して１つの回転力印加部２４を設けるのではなく、１本のシフトレジスタ１に対して１つの回転力印加部を設けてもよい。更にまた、本実施形態においては、ルテニウム層の厚さを２水準とすることにより、反結合作用に強弱をつける例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、厚いルテニウム層１４の代わりに、ルテニウム以外の材料からなる層を設けてもよい。この場合、この層の厚さは、薄いルテニウム層１２と同じであってもよい。
【００６８】
次に、本実施形態の第１の変形例について説明する。
図８は、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
図８に示すように、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１においては、記憶部２３に少なくとも２本のシフトレジスタ１ａ及び１ｂが設けられており、書込読出部２２には少なくとも２つの書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂが設けられている。そして、シフトレジスタ１ａの下端は書込読出ユニット４９ａの最下端強磁性体層４２に接続されており、シフトレジスタ１ｂの下端は書込読出ユニット４９ｂの最下端強磁性体層４２に接続されている。また、書込ワード線３１、ビット線３２、ソース線４５及び読出ワード線４６に接続された制御回路６２が設けられている。シフトレジスタ１ａ及び１ｂ並びに書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂの構成は、それぞれ、前述の第１の実施形態におけるシフトレジスタ１及び書込読出ユニット４９の構成と同様である。このように、本変形例においては、一対のシフトレジスタの下端同士を接続して、擬似的にＵ字型のシフトレジスタを実現している。
【００６９】
本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１においては、制御回路６２が書込読出ユニット４９ａを駆動してシフトレジスタ１ａに書き込まれているデータ列を読み出し、このデータ列を書込読出ユニット４９ｂを駆動してシフトレジスタ１ｂに書き込む。また、書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂは、相互に逆方向に回転する磁場を用いてシフトレジスタ１ａ及び１ｂにデータを書き込む。これにより、回転力印加部２４（図２参照）によって同じ回転磁場を印加したときに、シフトレジスタ１ａにおいてはデータ列が下方に向けて桁送りされ、シフトレジスタ１ｂにおいてはデータ列が上方に向けて桁送りされる。
【００７０】
シフトレジスタ１ａに書き込まれているデータ列を書込読出ユニット４９ａの位置まで桁送りして読み出すと、シフトレジスタ１ａからはこのデータ列が消えてしまう。このため、このデータ列を一時的に記憶しておくために、外部のバッファメモリが必要となる。そこで、本変形例においては、シフトレジスタ１ａから読み出したデータ列をシフトレジスタ１ｂに書き込んでいる。これにより、データ列を保存するためのバッファメモリが不要となるため、回路面積を低減することができると共に、シフトレジスタ型記憶装置６１のコストを低減することができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００７１】
次に、本実施形態の第２の変形例について説明する。
図９は、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
図９に示すように、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６３においては、前述の第１の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１（図８参照）の構成に加えて、シフトレジスタ１ａの最上層を構成する薄いルテニウム層１２及びシフトレジスタ１ｂの最上層を構成する薄いルテニウム層１２の双方に接続された強磁性体層６４が設けられている。
【００７２】
本変形例によれば、シフトレジスタ１ａ及び１ｂが最上層の回転子として強磁性体層６４を共有することにより、シフトレジスタ１ａ及び１ｂの最上層の回転子対を連動させることができる。これにより、シフトレジスタ１ｂ内を上方に向けて桁送りされ、最上部の回転子対に到達したデータが、シフトレジスタ１ａの最上部の回転子対に複製され、シフトレジスタ１ａ内を下方に向けて桁送りされる。これにより、２本のシフトレジスタ１ａ及び１ｂを、擬似的にループ状に接続して使用することができる。
【００７３】
前述の第１の変形例においては、データ列を移動させるためのスペースを確保するために、２本のシフトレジスタに１本分のデータしか書き込むことができない。これに対して、本変形例によれば、シフトレジスタ１ｂの上端に到達したデータを、シフトレジスタ１ａの上部に発生した空きスペースに移動させることができるため、２本のシフトレジスタに２本分のデータを書き込むことができる。この結果、実効的な記憶容量を増加させることができる。また、所望のデータにアクセスする際に、正逆方向のうちより近い方向にデータ列を桁送りすることができるため、データにアクセスするための時間を短縮することができ、より一層の高速動作が可能となる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の変形例と同様である。
【００７４】
次に、本実施形態の第３の変形例について説明する。
図１０は、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する断面図である。
図１０に示すように、本変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６５は、前述の第１の変形例に係るシフトレジスタ型記憶装置６１（図８参照）と比較して、シフトレジスタ１ａ及び１ｂ（図８参照）の代わりに、Ｕ字形状のシフトレジスタ１ｃが設けられている点が異なっている。また、配線２５ａ（図８参照）の代わりに、シフトレジスタ１ｃに沿ったＵ字形状の配線２５ｃが設けられている。シフトレジスタ１ｃの両端部は、それぞれ、書込読出ユニット４９ａ及び４９ｂに接続されている。本変形例によっても、前述の第２の変形例と同様に、シフトレジスタを擬似的にループ状に接続して、実効的な記憶容量を増加させることができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の変形例と同様である。
【００７５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１１は、本実施形態に係るシフトレジスタを例示する図である。
本実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、シフトレジスタが強磁性体層の積層体ではなく極性分子が直鎖状に重合した重合体によって構成されていること、回転子が強磁性体層ではなく極性分子であること、回転可能な特徴方向が強磁性体層の磁化方向ではなく極性分子の極性方向であること、反結合作用が磁力ではなく電気力（クーロン力）によって生じること、回転力が磁場ではなく電場を回転させることによって生じること、が異なっている。
【００７６】
以下、具体例を挙げて説明する。
図１１に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ２は、ニトロベンゼン重合体により構成されている。このニトロベンゼン重合体においては、多数のニトロベンゼン分子７１が一方向（以下、「重合方向」という）に沿って直鎖状に重合されている。各ニトロベンゼン分子においては、１つのベンゼン環７２に１つのニトロ基（−ＮＯ２基）７３が結合されている。ニトロベンゼン重合体においては、ニトロ基７３が重合方向の一方側（便宜上、「下側」という）に結合したニトロベンゼン分子７１と、ニトロ基７３が重合方向の他方側（便宜上、「上側」という）に結合したニトロベンゼン分子７１とが、交互に配列されている。ベンゼン環７２同士は、π結合によって回転自在に結合されている。従って、各ニトロベンゼン分子７１は、その上下のニトロベンゼン分子７１に対して、重合方向に延びる軸を回転軸として回転可能である。
【００７７】
また、ベンゼン環７２は電子供与性基であり、ニトロ基７３は電子求引性基であるため、ニトロベンゼン分子７１は極性分子であり、双極子モーメントを持った単量体である。シフトレジスタ２においては、極性分子であるニトロベンゼン分子７１を回転子とし、ニトロベンゼン分子７１における正極、すなわちベンゼン環７２から、負極、すなわちニトロ基７３に向かう極性方向Ｖｐを、各回転子（ニトロベンゼン分子）の特徴方向とする。すなわち、回転子であるニトロベンゼン分子７１は、重合方向に沿って連なっており、ニトロベンゼン分子７１が回転することにより、その特徴方向（極性方向Ｖｐ）が回転する。
【００７８】
シフトレジスタ２を構成するニトロベンゼン重合体は、その結晶構造が配向しており、これにより、各回転子を構成するニトロベンゼン分子７１には、一軸異方性が付与されている。ニトロベンゼン重合体の結晶構造は、例えば、シフトレジスタの製造時に複数本のニトロベンゼン重合体を束ねて電場下でアニールすることにより、配向させることができる。この結果、ニトロベンゼン分子７１の極性方向Ｖｐは、重合方向に対して直交し相互に反対の２方向のうちのいずれかを向きやすくなる。以下、この２方向を便宜上、「長軸方向」という。また、重合方向及び長軸方向の双方に対して直交する方向を「短軸方向」という。このように、各ニトロベンゼン分子には、極性方向を長軸方向のいずれかに向けようとする一軸異方性が作用し、この一軸異方性に起因する力が働く。
【００７９】
また、ニトロ基７３は負に帯電しているため、隣り合うニトロベンゼン分子７１間には、ニトロ基７３を互いに遠ざけようとするクーロン力（反発力）が働く。シフトレジスタ２を構成するニトロベンゼン重合体においては、ニトロ基７３がベンゼン環７２の下側に結合したニトロベンゼン分子７１と、ニトロ基７３がベンゼン環７２の上側に結合したニトロベンゼン分子７１とが交互に配列されているため、ニトロ基７３間の距離が一定ではない。この結果、この反発力は２種類に分類される。
【００８０】
ニトロ基７３同士が近いニトロベンゼン分子７１間、すなわち、隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１からなる対であって、ベンゼン環７２の下側にニトロ基７３が結合した分子が上方に配置され、ベンゼン環７２の上側にニトロ基７３が結合した分子が下方に配置された対においては、この２つのニトロベンゼン分子７１間に、極性方向を反平行とするような強い反結合作用が生じる。この結果、これらのニトロベンゼン分子７１間には、極性方向を反平行とするような強い力（第１の力）が働く。これにより、シフトレジスタ２に属する複数のニトロベンゼン分子は、隣り合い、ニトロ基同士が近い２つのニトロベンゼン分子毎に、複数の回転子対７４に組分けされる。
【００８１】
一方、ニトロ基７３同士が遠いニトロベンゼン分子７１間、すなわち、隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１からなる対であって、ベンゼン環７２の下側にニトロ基７３が結合した分子が下方に配置され、ベンゼン環７２の上側にニトロ基７３が結合した分子が上方に配置された対においては、この２つのニトロベンゼン分子７１間に、極性方向を反平行とするよう弱い反結合作用が生じる。この結果、隣り合う回転子対７４に属する隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１（回転子）には、極性方向を反平行とするような弱い力（第２の力）が働く。隣り合う回転子対７４に属する隣り合う２つのニトロベンゼン分子７１の重心間の距離は、同一の回転子対７４に属する２つのニトロベンゼン分子７１の重心間の距離よりも大きく、前者の場合のニトロ基７３間の距離は、後者の場合のニトロ基７３間の距離よりも小さい。このため、上述の強い力（第１の力）は、弱い力（第２の力）よりも強い。
【００８２】
このように、本実施形態においても、前述の第１の実施形態と同様に、各回転子（ニトロベンゼン分子）は一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用の影響を受け、各回転子には、一軸異方性に起因する力、強い力及び弱い力が働く。また、これらの内的な力に加えて、各回転子には、シフトレジスタ２の外部から外的な力が印加される。前述の第１の実施形態と同様に、外的な力には、特徴方向（極性方向）を回転させるような回転力、及びデータを書き込むための力がある。但し、本実施形態においては、第１の実施形態とは異なり、これらの外的な力は、磁場ではなく電場を回転させることによって印加される。これらについては後述する。
【００８３】
次に、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置について説明する。
図１２は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置を例示する斜視図であり、
図１３は、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置の書込読出部を例示する斜視図である。
なお、図１３においては、図を簡略化するために、分極を持つニトロベンゼンの単量体を、正負の電荷を持つ白玉・黒玉が結びついた電気双極子として模式的に表している。後述する図１４についても同様である。
【００８４】
図１２に示すように、本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置８１においては、書込読出部８２が設けられており、その上に、記憶部８３及び回転力印加部８４が設けられている。
記憶部８３においては、上述のシフトレジスタ２が複数本設けられており、マトリクス状に配列されている。各シフトレジスタ２は上下方向に延びている。すなわち、シフトレジスタ２の重合方向はシフトレジスタ型記憶装置８１の上下方向と一致している。また、シフトレジスタ２の長軸方向は相互に一致している。シフトレジスタ２同士は相互に離隔しているが、各シフトレジスタ２の下端は書込読出部８２に接続されている。
【００８５】
回転力印加部８４においては、記憶部８３の側方に配置された２対の電極板８５ａ及び８５ｂが設けられている。なお、図１２においては、電極板８５ｂの一方は図示を省略されている。一対の電極板８５ａは、記憶部８３から見て長軸方向の両側に配置されており、記憶部８３を挟んで相互に対向している。また、一対の電極板８５ｂは、記憶部８３から見て短軸方向の両側に配置されており、記憶部８３を挟んで相互に対向している。回転力印加部８４は、記憶部８３に属する複数本のシフトレジスタ２について共通に設けられている。
【００８６】
図１３に示すように、書込読出部８２においては、シフトレジスタ２毎に、２対の制御電極８６ａ及び８６ｂが設けられている。一対の制御電極８６ａは、シフトレジスタ２から見て長軸方向の両側に配置されている。また、他の一対の制御電極８６ｂは、シフトレジスタ２から見て短軸方向の両側に配置されている。更に、シフトレジスタ２の下端には回転双極子８７が結合されている。回転双極子８７は、例えば、分子半径がニトロベンゼン分子７１の分子半径よりも大きい極性分子である。回転双極子８７の極性方向はシフトレジスタ２の最下部を構成するニトロベンゼン分子７１の極性方向に対して固定されている。
【００８７】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係るシフトレジスタ型記憶装置８１の動作、すなわち、本実施形態に係るシフトレジスタ２の使用方法、すなわち、本実施形態に係るデータ記憶方法について説明する。
図１４は、本実施形態におけるデータの桁送り方法を例示する図である。
【００８８】
上述の如く、シフトレジスタ２を構成するニトロベンゼン重合体においては、回転子としてのニトロベンゼン分子７１が重合方向に沿って一列に配列されており、各ニトロベンゼン分子７１は重合方向に延びる軸を回転軸として回転可能である。そして、前述の第１の実施形態と同様に、各回転子には、一軸異方性に起因する力、強い力及び弱い力が働く。このため、前述の第１の実施形態（図４（ａ）及び（ｂ）参照）と同様に、外力が印加されない静的な状態では、各回転子対７４は２通りの状態をとり得る。つまり、各回転子対７４は、上側の回転子、すなわち、ニトロ基がベンゼン環の下側に結合されたニトロベンゼン分子の極性方向が３時方向側であり、下側の回転子、すなわち、ニトロ基がベンゼン環の上側に結合されたニトロベンゼン分子の極性方向が９時方向側である第１の状態と、上側の回転子の極性方向が９時方向側であり、下側の回転子の極性方向が３時方向側である第２の状態と、をとり得る。これにより、各回転子対７４は「０」及び「１」の２つの値を記憶可能である。
【００８９】
そして、前述の第１の実施形態と同様に、隣り合う回転子対に異なる値が書き込まれた場合には、この隣り合う回転子対にそれぞれ属し隣り合う２つの回転子の極性方向には「ねじれ」が発生する。すなわち、図５（ａ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に同じ値が記憶されている場合には、各回転子の極性方向は、一軸異方性、強い反結合作用及び弱い反結合作用の各要請を全て満たすため、極性方向はほぼ３時方向又はほぼ９時方向となり、その合成成分はほぼゼロとなる。一方、図５（ｂ）に示すように、隣り合う２つの回転子対に異なる値が記憶されている場合には、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子の極性方向が相互に同じ側となるため、弱い反結合作用の要請は満たされなくなる。この場合、極性方向は、各力がつり合いエネルギーが極小となるような方向で安定する。すなわち、隣り合う２つの回転子対に属する隣り合う２つの回転子の極性方向は、同じ側ではあるが、互いに遠ざかるように少しねじれた方向を向く。これにより、回転子対全体としては、極性方向の合成成分が発生する。
【００９０】
次に、データの書込方法について説明する。
図１３に示すように、書込読出部８２の制御電極８６ａ間及び制御電極８６ｂ間に電圧を印加することにより、回転双極子８７に対してクーロン力を作用させ、回転双極子８７の極性方向を３時方向又は９時方向にセットする。これにより、シフトレジスタ２の最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向が、回転双極子８７と同じ方向にセットされる。最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向がセットされると、その１段上のニトロベンゼン分子７１の極性方向は、最下端のニトロベンゼン分子７１の極性方向に対して逆方向にセットされる。これにより、最下段の回転子対７４にデータが書き込まれる。
【００９１】
そして、最下段の回転子対７４に対するデータの書き込みと、データの上方への桁送りとを交互に繰り返すことにより、シフトレジスタ２にデータ列を書き込んでいく。このとき、データを書き込むために回転双極子８７に印加する電場の方向は、一定の回転方向、例えば、上方から見て時計回りとなる回転方向に回転させて所定の方向とする。これにより、隣り合う回転子対７４に属する隣り合う２つの回転子においては、先にセットされた回転子の極性方向が、後にセットされた回転子によって時計回りに押しやられる。この結果、長軸方向を基準として、上側の回転子対７４の下側の回転子の極性方向は時計回りにねじれ、下側の回転子対７４の上側の回転子の極性方向は反時計回りにねじれる。また、このとき、連続して配列された少なくとも３つの回転子対に対して、同じ値を書き込む。例えば、連続して配列された３つの回転子対を使って、１ビットのデータを記憶する。
【００９２】
次に、データの読出方法について説明する。
シフトレジスタ２の最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向がある方向に向いていると、回転双極子８７の極性方向も同じ方向を向き、これにより、制御電極８７ａ及び８７ｂに所定の電荷が誘起される。このため、制御電極８７ａ及び８７ｂの電位又は電荷量を測定することにより、最下段のニトロベンゼン分子７１の極性方向を検出し、最下段の回転子対７４に書き込まれたデータを読み出すことができる。そして、最下段の回転子対７４に対するデータの読み出しと、データの下方への桁送りとを交互に繰り返すことにより、シフトレジスタ２からデータ列を読み出していく。
【００９３】
次に、データの桁送り方法について説明する。
図１４は、１つのシフトレジスタの経時変化のシミュレーション結果を示している。図１４においては、１つの回転子（ニトロベンゼン分子７１）を１つの楕円で表しており、１つの回転子対７４を相互に接した２つの楕円で表している。また、図１３と同様に、分極を持つニトロベンゼンの単量体を、正負の電荷を持つ白玉・黒玉が結びついた電気双極子として模式的に表している。
【００９４】
本実施形態においては、書込読出部８２の制御電極８６ａ間及び制御電極８６ｂ間に経時的に変化する電圧を印加することにより、記憶部８３に対して回転する電場を印加する。この回転電場が各シフトレジスタ２の各回転子（極性分子）に対して作用することにより、各回転子に対して回転力が印加される。この結果、前述の第１の実施形態と同様な原理により、データ列を上方及び下方に向けて桁送りすることができる。
【００９５】
すなわち、図１４に示すように、電場の方向Ｆｅを時計回りに一回転させることにより、データ列を１桁分下方に移動させることができる。また、電場の方向Ｆｅを反時計回りに一回転させることにより、データ列を１桁分上方に移動させることができる。これは、上述の「ねじれ」が存在し、２つの回転子の双極子モーメントが打ち消し合っていない回転子対が特に電場に敏感に反応することを利用したものである。
【００９６】
本実施形態によれば、ニトロベンゼン分子のような分極した単量体による回転双極子によって回転子を構成することにより、前述の第１の実施形態と同様な原理で動作するシフトレジスタを実現することができる。そして、本実施形態においては、回転子として高分子の構造を利用しているため、より少ない工程数でより多くの桁数のシフトレジスタ型メモリを実現することができる。また、実際に質量を持った分子（単量体）が回転することで情報を保持するため、熱擾乱等の量子力学的揺らぎに対して安定なデータ保持特性を実現できる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００９７】
なお、本実施形態においては、シフトレジスタとして、電子供与性基としてのベンゼン環に電子求引性基としてのニトロ基が結合されたニトロベンゼン重合体を用いる例を示したが、本発明はこれに限定されない。電子求引性基としては、ニトロ基以外にも、例えば、シアノ基、トシル基、メシル基、フェニル基、アシル基又はハロゲン等を用いることができる。また、シフトレジスタは、電子供与性基を含む直鎖状の重合体によって構成してもよく、電子供与性基及び電子求引性基の双方を含む直鎖状の重合体によって構成してもよい。更に、電子供与性基としては、例えば、メトキシ基、アミノ基、メチルアミノ基又はメチル基等を用いることができる。更にまた、重合体には必ずしもベンゼン環が含まれている必要はない。
【００９８】
また、本実施形態に係るシフトレジスタにおいては、ニトロ基がベンゼン環の下側に結合されたニトロベンゼン分子と、ニトロ基がベンゼン環の上側に結合されたニトロベンゼン分子とが交互に配列されているために、ニトロ基間の距離が２水準となり、２水準の強さの反結合作用、すなわち、強い反結合作用及び弱い反結合作用が発生する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電子求引性基又は電子供与性基が回転子の中央に位置していても、回転子間の距離が非対称となるように直鎖が形成されていれば、反結合作用に強弱をつけることができる。
【００９９】
更に、本実施形態においては、記憶部８３に属する複数本のシフトレジスタ２の全体に対して、２対の電極板８５ａ及び８５ｂによって一括で電場を印加する例を示したが、本発明はこれに限定されず、１本のシフトレジスタ又は束ねて結晶化させた複数本のシフトレジスタのブロック毎に電極板を設け、各ブロックが鞘によって囲まれたような構造にしてもよい。これにより、各シフトレジスタに確実に電場を印加することができる。
更にまた、本実施形態についても、前述の第１の実施形態の第１〜第３の変形例と同様な変形例を実現することができる。
【０１００】
以上説明した第１及び第２の実施形態を上位概念化すると、以下のように記述できる。
シフトレジスタは、一方向に沿って連なった複数の回転子によって構成されている。各回転子は、その特徴方向が一方向に延びる回転軸について回転可能である。そして、これらの回転子には一軸異方性が付与されており、一方向に対して直交する一つの方向（長軸方向）のいずれかを向く傾向がある。また、これらの回転子は、隣り合う２つの回転子毎に複数の回転子対に組分けされており、同一の回転子対に属する２つの回転子には、特徴方向を反平行とするような強い力（第１の力）が作用し、隣り合う回転子対に属する隣り合う２つの回転子には、特徴方向を反平行とするような弱い力（第２の力）が作用する。
【０１０１】
また、シフトレジスタ型記憶装置は、上述のシフトレジスタに加えて、書込読出部及び回転力印加部が設けられている。書込読出部は、シフトレジスタの一端部に配置された回転子の特徴方向を例えば時計回りに回転させて、一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることによって、シフトレジスタにデータを書き込む。また、書込読出部は、一端部に配置された回転子の特徴方向を検出することによってデータを読み出す。更に、回転力印加部は、シフトレジスタに対して、特徴方向を時計回りに回転させるような回転力を印加することによって、データ列を一端部から遠ざかる方向に桁送り（シフト）する。また、シフトレジスタに対して、特徴方向を反時計回りに回転させるような回転力を印加することによって、データ列を一端部に近づく方向に桁送り（シフト）する。
【０１０２】
前述の第１の実施形態においては、回転子を強磁性体層とし、特徴方向を強磁性体層の磁化方向とし、回転力は磁場を回転させることによって生じさせる例を示し、前述の第２の実施形態においては、回転子を極性分子とし、特徴方向を極性分子の正極から負極に向かう方向とし、回転力は電場を回転させることにより生じさせる例を示した。しかし、本発明はこれらには限定されない。例えば、回転子はそれ自体が機械的に回転する微小な物体であってもよく、特徴方向はその微小な物体の長手方向であってもよい。又は、回転子は機械的には固定されており、その性質の異方性が回転できるものでもよい。
【０１０３】
また、前述の第１及び第２の実施形態においては、各シフトレジスタが単一で所定のデータ列を記憶する例を示したが、本発明はこれに限定されず、複数本、望ましくは３本以上のシフトレジスタを束ねて使用し、これらの複数本のシフトレジスタが同一のデータ列を記憶してもよい。これにより、シフトレジスタ型記憶装置に冗長性を持たせ、信頼性を高めることができる。
【０１０４】
更に、前述の第１及び第２の実施形態においては、３桁を１ビットとして使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、同じ値の連続する桁数を情報として用いることも可能である。例えば、３桁連続して同じ値である場合を値「００」とし、４桁連続して同じ値である場合を「０１」とし、５桁連続して同じ値である場合を「１０」とし、６桁連続して同じ値である場合を「１１」とすることができる。
【０１０５】
更にまた、前述の第１及び第２の実施形態においては、２つの回転子からなる回転子対を基本単位として動作させる例を示したが、３つ以上の回転子を基本単位として動作させてもよい。
【０１０６】
以上説明した本発明の実施形態によれば、信頼性が高いシフトレジスタ、シフトレジスタ型記憶装置及びデータ記憶方法を実現することができる。
【０１０７】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【符号の説明】
【０１０８】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、２ シフトレジスタ、１１ 強磁性体層、１２ ルテニウム層、１３ 強磁性体層、１４ ルテニウム層、２１ シフトレジスタ型記憶装置、２２ 書込読出部、２３ 記憶部、２４ 回転力印加部、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 配線、３１ 書込ワード線、３２ ビット線、３４ 配線本体、３５ 強磁性体層、３６ 参照層、３７ 白金マンガン合金層、３８ 鉄ニッケル合金層、３９ ルテニウム層、４０ 鉄ニッケル合金層、４１ トンネルバリア膜、４２ 最下端強磁性体層、４３ ビア、４４ 選択トランジスタ、４５ ソース線、４６ 読出ワード線、４９、４９ａ、４９ｂ 書込読出ユニット、５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇ、５１ｈ 回転子対、６１ シフトレジスタ型記憶装置、６２ 制御回路、６３ シフトレジスタ型記憶装置、６４ 強磁性体層、６５ シフトレジスタ型記憶装置、７１ ニトロベンゼン分子、７２ ベンゼン環、７３ ニトロ基、７４ 回転子対、８１ シフトレジスタ型記憶装置、８２ 書込読出部、８３ 記憶部、８４ 回転力印加部、８５ａ、８５ｂ 電極板、８６ａ、８６ｂ 制御電極、８７ 回転双極子、Ｆｅ 電場の方向、Ｆｍ 磁場の方向、Ｖｍ、Ｖｍｌ、Ｖｍｕ 磁化方向、Ｖｐ 極性方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に沿って連なり、一軸異方性が付与され、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を有するシフトレジスタと、
前記シフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることによって前記シフトレジスタにデータを書き込むと共に、前記特徴方向を検出することによって前記データを読み出す書込読出部と、
前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を回転させるような回転力を印加する回転力印加部と、
を備え、
前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、
同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、
隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用することを特徴とするシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項２】
前記書込読出部は、前記一端部に配置された前記回転子の前記特徴方向を一回転方向に回転させて前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させ、
前記回転力印加部は、前記複数の回転子に対して、前記特徴方向を前記一回転方向に回転させるような回転力を印加することによって、前記データを前記一端部から遠ざかる方向に桁送りし、前記特徴方向を前記一回転方向の逆方向に回転させるような回転力を印加することによって、前記データを前記一端部に近づく方向に桁送りすることを特徴とする請求項１記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項３】
前記回転子は強磁性体からなり、
前記特徴方向は前記強磁性体の磁化方向であり、
前記回転力印加部は磁場を回転させることを特徴とする請求項１または２に記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項４】
前記回転子は極性分子であり、
前記特徴方向は前記極性分子の一方の極から他方の極に向かう方向であり、
前記回転力印加部は電場を回転させることを特徴とする請求項１または２に記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項５】
前記シフトレジスタは複数本設けられており、
前記複数本のシフトレジスタは相互に平行にマトリクス状に配列されており、
各シフトレジスタに付与された前記一軸異方性の方向は相互に同一であり、
前記回転力印加部は、前記複数本のシフトレジスタについて共通に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項６】
一方向に沿って連なり、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を含み、前記複数の回転子には一軸異方性が付与されており、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用するシフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を、一回転方向に回転させて前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることにより、前記一端部に位置する前記対にデータを書き込む工程と、
前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部から遠ざかる方向に桁送りする工程と、
前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向の逆方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部に近づく方向に桁送りする工程と、
前記一端に位置する前記回転子の前記特徴方向を検出することにより、前記一端部に位置する前記対に書き込まれたデータを読み出す工程と、
を備えたことを特徴とするデータ記憶方法。
【請求項１】
一方向に沿って連なり、一軸異方性が付与され、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を有するシフトレジスタと、
前記シフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることによって前記シフトレジスタにデータを書き込むと共に、前記特徴方向を検出することによって前記データを読み出す書込読出部と、
前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を回転させるような回転力を印加する回転力印加部と、
を備え、
前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、
同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、
隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用することを特徴とするシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項２】
前記書込読出部は、前記一端部に配置された前記回転子の前記特徴方向を一回転方向に回転させて前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させ、
前記回転力印加部は、前記複数の回転子に対して、前記特徴方向を前記一回転方向に回転させるような回転力を印加することによって、前記データを前記一端部から遠ざかる方向に桁送りし、前記特徴方向を前記一回転方向の逆方向に回転させるような回転力を印加することによって、前記データを前記一端部に近づく方向に桁送りすることを特徴とする請求項１記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項３】
前記回転子は強磁性体からなり、
前記特徴方向は前記強磁性体の磁化方向であり、
前記回転力印加部は磁場を回転させることを特徴とする請求項１または２に記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項４】
前記回転子は極性分子であり、
前記特徴方向は前記極性分子の一方の極から他方の極に向かう方向であり、
前記回転力印加部は電場を回転させることを特徴とする請求項１または２に記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項５】
前記シフトレジスタは複数本設けられており、
前記複数本のシフトレジスタは相互に平行にマトリクス状に配列されており、
各シフトレジスタに付与された前記一軸異方性の方向は相互に同一であり、
前記回転力印加部は、前記複数本のシフトレジスタについて共通に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のシフトレジスタ型記憶装置。
【請求項６】
一方向に沿って連なり、その特徴方向が前記一方向に延びる回転軸についてそれぞれ回転可能な複数の回転子を含み、前記複数の回転子には一軸異方性が付与されており、前記複数の回転子は、隣り合う２つの前記回転子毎に複数の対に組分けされており、同一の前記対に属する２つの前記回転子には、前記特徴方向を反平行とするような第１の力が作用し、隣り合う前記対に属する隣り合う２つの前記回転子には、前記第１の力よりも弱く、前記特徴方向を反平行とするような第２の力が作用するシフトレジスタの一端部に位置する前記回転子の前記特徴方向を、一回転方向に回転させて前記一軸異方性に適合する２つの方向のうちの１つに一致させることにより、前記一端部に位置する前記対にデータを書き込む工程と、
前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部から遠ざかる方向に桁送りする工程と、
前記シフトレジスタに対して、前記特徴方向を前記一回転方向の逆方向に回転させるような回転力を印加することにより、データを前記一端部に近づく方向に桁送りする工程と、
前記一端に位置する前記回転子の前記特徴方向を検出することにより、前記一端部に位置する前記対に書き込まれたデータを読み出す工程と、
を備えたことを特徴とするデータ記憶方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２３３２０６（Ｐ２０１１−２３３２０６Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０３６０４（Ｐ２０１０−１０３６０４）
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２８日（２０１０．４．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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