CN108604573B - 磁壁利用型模拟存储元件以及磁壁利用型模拟存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的磁壁利用型模拟存储元件(100)具备：磁壁驱动层(1)，具有磁壁(DW)、第1区域(1a)、第2区域(1b)、位于第1区域与第2区域之间的第3区域(1c)；磁化固定层(5)，经由非磁性层(6)被设置于第3区域；下部电极层(4)，在第3区域的设置有磁化固定层的第1面的相反的第2面上被设置于从俯视图看与磁化固定层相重叠的位置。

Description

磁壁利用型模拟存储元件以及磁壁利用型模拟存储器
技术领域
本发明涉及磁壁利用型模拟存储元件以及磁壁利用型模拟存储器。
本申请基于2016年4月21日在日本提出申请的特愿2016-085530号要求优先权，并将该专利申请内容引用于此。
背景技术
作为取代在微型化方面已显现出限制的闪存器(flash memory)等的下一代非易失性存储器，为人们所关注的有利用电阻变化型元件来存储数据的电阻变化型存储器例如MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、ReRAM(Resistance Random AccessMemory)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory)等。
作为存储器的高密度化(大容量化)的方法除了减小构成存储器的元件自身的方法之外，还有将构成存储器的每一个元件的存储位(recording bit)多值化的方法，并且有方案提出各种各样的多值化方法(例如专利文献1～3)。
对于MRAM中的一个来说有被称作为磁壁驱动型或者磁壁移动型的类型(例如专利文献4)。磁壁驱动型MRAM是通过以下所述步骤来实行数据的写入，即，在磁壁驱动层(或者磁化自由层)的面内方向上流过电流，由凭借自旋极化电子(spin-polarized electrons)的自旋转移(spin transfer)效应来使磁壁移动并且在对应于写入电流方向的方向上使铁磁薄膜的磁化翻转。
在专利文献4中记载了有关磁壁驱动型MRAM和有关多值存储或模拟存储的方法。
就MRAM而言有方案提出数据的不同写入方法，除了磁壁驱动型MRAM之外为人们所知晓的还有磁场写入型、轭磁场写入型、STT(Spin Transfer Torque)型、SOT(Spin OrbitTorque)型MRAM等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-088669号公报
专利文献2：国际公开2009/072213号
专利文献3：日本特开2016-004924号公报
专利文献4：国际公开2009/101827号
专利文献5：国际公开2009/054180号
发明内容
发明所要解决的技术问题
就现有的磁壁驱动型MRAM而言因为有必要在读出时在磁壁驱动层(或者磁化自由层)的面内方向上流过电流，所以会有磁壁驱动层的磁壁由在读出时流过的电流而进行移动的可能性。如果磁壁移动至磁壁驱动层与磁阻效应元件重叠的部分的外侧，则信号在磁壁驱动型MRAM中最终成为0或1的数字信号，作为模拟存储器来进行使用是困难的。
相反，俯视时，如果直至磁壁驱动层(或者磁化自由层)与磁阻效应元件重叠的部分的外侧，磁壁移动还没有终止的话，则在读入时磁壁移动从而误写入或读出初始时的信号发生变化。即，就现有的磁壁驱动型MRAM而言，即使能够多值地或者模拟地写入数据，也没有稳定地读出数据的方法。如果能够稳定地读出模拟地写入的数据，则多值地写入的数据也能够被稳定地读出。
本发明就是借鉴了以上所述技术问题而做出的不懈努力之结果，其目的在于提供一种能够稳定地读出模拟存储数据的磁壁利用型模拟存储元件以及磁壁利用型模拟存储器。
解决技术问题的手段
本发明的第1形态的特征在于：是一种磁壁利用型模拟存储元件，并且具备：磁壁驱动层，具有磁壁、第1区域、第2区域、位于所述第1区域与所述第2区域之间的第3区域；磁化固定层，经由非磁性层而设置于所述第3区域；以及下部电极层，在所述第3区域的设置有所述磁化固定层的第1面的相反的第2面上被设置于俯视时与所述磁化固定层相重叠的位置。
本发明的第2形态的特征在于：上述第1形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件中，也可以在所述磁壁驱动层与所述下部电极层之间进一步具备高阻层。
本发明的第3形态的特征在于：上述第1或者第2形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件中，所述磁壁驱动层的长度也可以是60nm以上。
本发明的第4形态的特征在于：上述第1～第3形态中的任意一种形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件中，也可以进一步具备与所述第1区域相接并具有第1磁化方向的第1磁化供给层、与所述第2区域相接并具有与所述第1磁化方向相反的第2磁化方向的第2磁化供给层。
本发明的第5形态的特征在于：上述第4形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件中，所述磁壁驱动层、所述第1磁化供给层、所述第2磁化供给层、以及所述磁化固定层各自的磁化方向也可以分别平行于各层。
本发明的第6形态的特征在于：上述第4形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件中，所述磁壁驱动层、所述第1磁化供给层、所述第2磁化供给层、以及所述磁化固定层各自的磁化方向也可以分别垂直于各层。
本发明的第7形态的特征在于：上述第1～第6形态中的任意一种形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件中，所述磁壁驱动层也可以具有磁壁销止部。
本发明的第8形态的特征在于：上述第4～第7形态中的任意一种形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件中，也可以为双极元件被连接于所述第1磁化供给层或者所述第2磁化供给层的任意一方。
本发明的第9形态的特征在于：是一种磁壁利用型模拟存储器，并具备多个上述第1～第8形态中的任意一种形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件。
本发明的第10形态的特征在于：对于上述第9形态所涉及的磁壁利用型模拟存储器来说，也可以具备读出在读出时所述下部电极层与所述磁化固定层之间的电阻变化的机构。
本发明的第11形态的特征在于：是一种非易失性逻辑电路，具备上述第1～第8形态中的任意一种形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件被配置成阵列状的磁壁利用型模拟存储器、STT-MRAM，具有存储功能和逻辑功能并且作为存储功能而具备所述磁壁利用型模拟存储器以及所述STT-MRAM。
本发明的第12形态的特征在于：是一种磁神经元元件(magnetic neuronelement)，具备上述第1～第8形态中的任意一种形态所涉及的磁壁利用型模拟存储元件，所述磁壁驱动层的所述第3区域具有第1存储部和在长边方向上排列并夹着该第1存储部而配置的第2存储部以及第3存储部，并且所述磁神经元元件具备电流源，该电流源具有控制电路，该控制电路能够控制写入电流的流动，以使磁壁能够按顺序以至少一次停留于所述第1存储部、所述第2存储部以及所述第3存储部的所有存储部的方式移动。
发明效果
如果由上述本发明所涉及的形态，能够稳定地读出多值存储数据或者模拟存储数据。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的磁壁利用型模拟存储元件的一个例子的截面示意图。
图2是本发明的一个实施方式所涉及的磁壁利用型模拟存储元件的另一个例子的截面示意图。
图3是表示现有磁壁驱动型磁阻效应元件的一个例子的截面示意图。
图4A是用于说明现有磁壁驱动型磁阻效应元件的磁壁的移动方法的截面示意图。
图4B是说明在与图4A相反的方向上使磁壁移动的磁壁移动方法的截面示意图。
图5是说明现有磁壁驱动型磁阻效应元件中读出电流所流过的路径的截面示意图。
图6是说明本发明的磁壁利用型模拟存储元件中读出电流所流过的路径的截面示意图。
图7是说明本发明的磁壁利用型模拟存储元件的写入以及读出的原理的截面示意图。
图8是概念性地表示与磁化固定层的磁化方向相平行的部分的面积的比例与磁阻效应元件部的电阻值的关系的图表。
图9是本发明的磁壁利用型模拟存储器中的单元(cell)主要部分的截面示意图。
图10是示意性地表示本发明的磁壁利用型模拟存储器的电路结构的一个例子的示意图。
图11是本发明的一个实施方式所涉及的磁壁利用型模拟存储元件的其他例子的截面示意图。
图12是本发明的一个实施方式所涉及的磁壁利用型模拟存储元件的其他例子的截面示意图。
图13是本发明的一个实施方式所涉及的磁神经元元件的一个例子的截面示意图。
图14是表示使用了本发明的一个实施方式所涉及的磁神经元元件的人工大脑的概念的示意图。
具体实施方式
以下是参照附图并就适用了本发明的磁壁利用型模拟存储元件以及磁壁利用型模拟存储器说明其结构。还有，在以下的说明中所使用附图会有为了容易理解而方便起见扩大表示成为特征的部分的情况，各个结构要素的尺寸比例等不限于与实际相同。另外，在以下说明中被例示的材料和尺寸等只是一个例子，本发明并不限定于那些例子，只要是在能够取得本发明的效果的范围内作适当变更来实施本发明是可能的。对于本发明的元件来说，在能够取得本发明的效果的范围内也可以具备其他层。
(磁壁利用型模拟存储元件)
图1是本发明的一个实施方式所涉及的磁壁利用型模拟存储元件的一个例子的截面示意图。
图1所表示的磁壁利用型模拟存储元件100具有磁壁DW，并具备由第1区域1a以及第2区域1b和位于这两个区域之间的第3区域1c构成的磁壁驱动层1、与第3区域相接的下部电极层4、经由非磁性层6被设置于第3区域的与下部电极层4相接的面的相反面上的磁化固定层5。
在图1所表示的磁壁利用型模拟存储元件100中进一步具备与第1区域1a相接并具有第1磁化方向的第1磁化供给层2、与第2区域相接并具有与第1磁化方向相反方向的第2磁化方向的第2磁化供给层3。在不具备第1磁化供给层2以及第2磁化供给层3的情况下，如果将流到磁壁驱动层1的写入电流作为自旋极化电流的话即可。
另外，在图1所表示的磁壁利用型模拟存储元件100中进一步在磁壁驱动层1与下部电极层4之间具备高阻层7。高阻层7是电阻率高于磁壁驱动层1的层。还有，高阻层7是在驱动磁壁驱动层1的磁壁的时候通过电流流到下部电极层4从而防止磁壁的驱动被阻碍的层，如果是能够取得上述防止功能的材料的话则对于高阻层7的材料没有特别的限制。即使是非磁性的材料也可以。高阻层7也可以是隧道势垒层(tunnel barrier layer)。因此，高阻层7也可以是能够使隧道电流流过的绝缘材料。
在图1中，将各层的层叠方向即垂直于各层主面的方向(法线方向)定义为Z方向。各层被平行地形成于垂直于Z方向的XY面上。
还有，所谓磁化固定层是指在使用写入电流来进行写入前后磁化方向不发生变化的(磁化被固定的)层，如果是满足此条件的层的话则对于使用来说没有特别的限定。
磁壁驱动层1为由铁磁性体材料构成的磁化自由层，其磁化的方向进行翻转是可能的。磁壁驱动层1具有磁壁，通过在贯通磁壁的方向(X方向)上流过阈值以上的电流，从而由在磁壁驱动层1的磁域(domain)(磁区)中生成的自旋极化电流就能够在传导电子流过的方向上使磁壁移动。
第1磁化供给层2和第2磁化供给层3以及磁化固定层5任一个都是由磁化被固定的铁磁性体材料构成的层(铁磁性层)。第1磁化供给层2以及第2磁化供给层3是以夹着磁壁驱动层1并与磁化固定层5相对的形式被配置。另外，第1磁化供给层2以及第2磁化供给层3与磁壁驱动层1相磁耦合。数据写入的时候就是写入电流从磁壁驱动层1的一端流向另一端的时候。
在图1中，箭头M1和箭头M2以及箭头M3表示各层的磁化方向，箭头M4以及箭头M5分别是将磁壁驱动层1中的磁壁DW作为边界来表示第1磁化供给层2侧的部分的磁化方向，将磁壁DW作为边界来表示第2磁化供给层3侧的部分的磁化方向。
在图1所表示的例子中，磁壁驱动层1、第1磁化供给层2、第2磁化供给层3以及磁化固定层5为具有面内磁各向异性(面内易磁化轴)的面内磁化膜，但是如图2所示那些层也可以是具有垂直磁各向异性(垂直易磁化轴)的垂直磁化膜。作为容易形成面内磁化膜的材料例如有NiFe。另外，作为容易形成垂直磁化膜的膜例如有Co/Ni层叠膜。
如果使用面内磁化膜的话，则因为具有高MR比并且在读入时难以做到凭靠STT的写入，所以能够使用大的读取电压。另外，在想让元件微小化的情况下优选使用磁各向异性大且反磁场(退磁场)小的垂直磁化膜。因为相对于热扰动的忍耐性大所以数据变得难以被消去。
以下是就本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件稳定地写入数据并且能够读出的原理作如下说明。
本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件与现有的磁壁驱动型MRAM的各个元件相比，相对来说因为在读入的时候的磁壁移动被急剧抑制，所以就现有的磁壁驱动型MRAM而言是不能够实现的能够获得稳定的模拟信号输出的元件。
因此，首先就现有的磁壁驱动型MARAM作如下说明。
MRAM具备作为存储单元(memory cell)的利用GMR(Giant Magneto Resistance)效应和TMR(Tunnel Magneto Resistance)效应等磁阻效应的磁阻效应元件。磁阻效应元件例如具有介有非磁性层来层叠2层铁磁性层的层叠结构。2层铁磁性层分别为磁化方向被固定的磁化固定层(pin层)以及磁化方向翻转为可能的磁化自由层(free层)。磁阻效应元件的电阻值其在磁化固定层和磁化自由层的磁化方向为反平行的时候的电阻值大于它们的方向为平行的时候的电阻值。作为MRAM的存储单元(memory cell)的磁阻效应元件中，利用上述电阻值之差通过磁化将平行的状态对应于数据“0”并且将反平行的状态对应于数据“1”，从而非易失性地存储数据。数据的读出是通过以贯通磁阻效应元件的形式(以贯通层叠结构的形式)使读出电流流过并测定磁阻效应元件的电阻值来实行的。另外，数据的写入是通过使自旋极化电流流过并使磁化自由层的磁化方向翻转来实行的。
作为目前主流的数据写入方式众所周知有利用了自旋转移力矩(spin transfertorque)的“STT方式”。就STT方式而言，自旋极化电流被注入到磁化自由层，由承担自旋极化电流的传导电子的自旋与磁化自由层的磁矩之间的相互作用而在磁化自由层上产生扭矩，在扭矩充分大的情况下磁化进行翻转。磁化的翻转因为电流密度越大就变得越容易发生，所以随着存储单元尺寸被缩小而使写入电流减小就成为了可能。
另外，作为STT方式众所周知有以贯通磁阻效应元件的形式流过写入电流的方式(例如参考专利文献1)、不使磁阻效应元件贯通而就在磁化自由层的面内方向上流过写入电流的方式(例如参照专利文献4)。
就前者的方式而言，具有与磁化固定层相同的自旋状态的自旋极化电子从磁化固定层被提供到磁化自由层，或者从磁化自由层被拉到磁化固定层。其结果为磁化自由层的磁化由自旋转移(spin transfer)效应而进行翻转。如以上所述，根据贯通磁阻效应元件的写入电流的方向，就能够规定磁化自由层的磁化方向。还有，具备多个前者的方式的磁阻效应元件的磁壁驱动型磁存储器被称作为磁壁驱动型MRAM。
另外，参照图3并就后者的方式作如下说明。图3是表示现有磁壁驱动型磁阻效应元件的一个例子的截面示意图，如果与图1所表示的磁壁利用型模拟存储元件的结构相比较的话则在不具有下部电极层4以及高阻层7这一点上有所不同。
对于图3所表示的现有的磁壁驱动型磁阻效应元件来说，数据的写入是通过使被形成于磁化自由层11内的磁壁DW移动来实行的。磁化自由层11具有磁化被互相大致反平行地固定的第1区域11a和第2区域11b、位于第1区域11a与第2区域11b之间的第3区域11c，第3区域11c的磁化的方向成为与第1区域11a或第2区域中的任意一个大致相平行的方向。由如此磁化状态的制约，磁壁被导入到磁化自由层11内。磁壁通过电流流到磁化自由层11内从而就能够使位置移动。
例如，在用图4A的虚线来表示的方向上如果电流从第2磁化供给层3流向磁化自由层11并进一步流向第1磁化供给层2的话，则传导电子在与电流方向相反并以实线进行表示的方向上流动。如果电子从第1磁化供给层2向磁化自由层11进入的话，则电子成为对应于第1磁化供给层2以及磁化自由层11的与第1磁化供给层2相磁耦合的磁域(domain)的磁化方向的自旋极化电子。如果自旋极化电子到达磁壁的话，则在磁壁上自旋极化电子所持有的自旋相对于磁壁发生自旋转移(spin transfer)，且磁壁在与传导电子的流动方向相同的方向上进行移动。同样，如果电流在以图4B的虚线进行表示的方向上从第1磁化供给层2流向磁化自由层11并进一步流向第2磁化供给层3的话，则传导电子在与电流方向相反并以实线进行表示的方向上流动。如果电子从第2磁化供给层3向磁化自由层11进入的话，则电子成为对应于第2磁化供给层3以及磁化自由层11的与第2磁化供给层3相磁耦合的磁域(domain)的磁化方向的自旋极化电流。如果自旋极化电子到达磁壁的话，则在磁壁上自旋极化电子所持有的自旋相对于磁壁发生自旋转移(spin transfer)，且磁壁在与传导电子的流动方向相同的方向上进行移动。
由如此磁壁的移动，就能够在磁化自由层11中将磁化固定层5的正下方部分的磁化做到与磁化固定层5的磁化方向相平行的状态或者能够做到反平行的状态。因此，在“0”状态与“1”状态之间的信息改写是可能的。
数据的读出是通过以下所述方式来实行的，即，电流在介有非磁性层6的磁化固定层5与磁化自由层11之间流过并检测对应于磁化固定层5的磁化与磁化自由层11的磁化的相对角的电阻变化。在磁化自由层11当中，在将磁化固定层5的正下方部分的磁化做到与磁化固定层5的磁化方向相平行的状态的时候为低电阻，另外，在反平行的状态的时候为高电阻，通过检测如此电阻的变化从而判别数据。
对于使用了现有磁壁驱动型磁阻效应元件的MRAM来说，数据的写入电流不贯通磁阻效应元件(图3中的由介有非磁性层6的磁化固定层5以及磁化自由层11构成的层叠结构)而在磁化自由层的面内方向(平行于层叠方向的方向)上进行流动(参照图4A以及图4B)。另外，数据的读出电流如图5的点划线所示在层叠方向上贯通磁阻效应元件(由介有非磁性层6的磁化固定层5以及磁化自由层11构成层叠结构)，之后，流过写入电流所流过的路径的一部分(例如参照专利文献5)。即，读出电流的路径其一部分与写入电流的路径相重叠。
如以上所述，对于现有的磁壁驱动型MRAM的结构来说在读出时有必要电流在磁壁驱动层(磁化自由层)的磁壁驱动方向(面内方向)上流过。因此，所获得的输出信号最终成为0或1的数据信号。另外，俯视时如果直至磁壁驱动层(磁化自由层)与磁阻效应元件部相重叠的部分的外侧，磁壁移动没有结束的话，则在读入时磁壁发生移动并且误写入或读出初始时的信号发生变化。
相对于此，本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件在俯视时重叠于构成磁阻效应元件的磁化固定层的位置上具备下部电极。因此，读出电流如在图6中以双点划线进行表示的那样在垂直(面直)方向上流过磁壁驱动层(磁化自由层)。因此，读出电流因为没有在磁壁驱动层的磁壁驱动方向(面内方向)上流过，所以读入时的磁壁移动能够被抑制。另外，因为读出电流所流过的磁壁驱动层的距离短，所以能够减少磁噪声。
图7是表示磁壁DW俯视时位于磁化固定层5以及非磁性层6与下部电极层4之间的部分1cA的情况的截面示意图。在图7中省略了隧道势垒层(tunnel barrier layer)7和下部电极层4。
磁壁DW能够通过写入电流(自旋极化电流)在磁壁驱动层1的面内方向上流过来进行移动。
磁壁DW的移动方向能够根据写入电流(自旋极化电流)的流动方向进行设定。即，在想要以-X方向使磁壁DW移动的时候，以自旋极化了的电子的流动从磁壁DW的右方向碰到的形式在X方向上流过写入电流(自旋极化电流)(参照图4B)。相反，在想要以X方向使磁壁DW移动的时候，以自旋极化了的电子的流动从磁壁DW的左方向碰到的形式在-X方向上流过写入电流(自旋极化电流)(参照图4A)。
另外，磁壁DW的移动量(移动距离)能够通过调整写入电流的大小和时间来可变地进行控制。写入电流的大小和时间例如也可以由脉冲数或者脉冲宽度来设定。
如以上所述，通过调整写入电流(自旋极化电流)的流动方向、大小、时间、脉冲数或者脉冲宽度，从而就能够使磁壁驱动层1中的磁壁DW的位置移动到所希望的位置。
在磁化固定层5以及非磁性层6俯视时为相同尺寸并且其X方向的宽度W与下部电极层的X方向的宽度相同的情况下，磁化固定层5、非磁性层6、磁壁驱动层1中实质上俯视时与磁化固定层5以及非磁性层6相重叠的部分1cA形成了磁阻效应元件10(以下称之为“磁阻效应元件部”)。在磁阻效应元件10中，电阻值会由磁壁DW的位置而发生变化。
在磁壁DW处于图7所表示的位置的时候，磁阻效应元件部10具备低阻部与高阻部的并联电路，低阻部是由磁化固定层5、非磁性层6、磁壁驱动层1当中的从磁壁DW向第2磁化供给层3侧的部分(磁化方向与磁化固定层5的磁化方向相平行的部分)1cb来形成，高阻部是由磁化固定层5、非磁性层6、磁壁驱动层1当中的从磁壁DW向第1磁化供给层2侧的部分(磁化方向与磁化固定层5的磁化方向相反平行的部分)1ca来形成。
由上述结构就能够输出作为磁阻效应元件部10电阻值的模拟的电阻值。另外，通过将磁壁DW的位置设定成多个位置，从而就能够输出对应于其数量的多值性的电阻值。
图8是概念性地表示与磁化固定层5的磁化方向相平行的部分1cb的面积(对应于磁壁DW的位置)的比例与磁阻效应元件部10的电阻值的关系的图表。
一直以来就有通过将磁壁驱动层中的磁壁的位置移动到所希望的位置从而设定多值的电阻值或者模拟的电阻值的方法，但是没有稳定地读出那些电阻值的方法。
就本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件而言，通过将读出电流通过的下部电极层设置于磁化固定层5的正下方，从而就能够在垂直方向上使读出电流流过磁壁驱动层。即，通过使读出电流(自旋极化了的电子的流动)流向与磁壁相平行的方向，从而与现有技术相比相对来说能够急剧减少读出时的对磁壁的影响。其结果与现有技术相比相对来说稳定的读出是可能的。
在磁壁驱动层1的材料中可以使用能够被用于磁化自由层的公知的材料。特别能够适用软磁性材料。例如，能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe以及Ni当中的金属、包含这些金属当中1种以上金属的合金、包含这些金属和选自B和C以及N当中至少1种以上元素的合金等。具体地来说可以列举Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
磁壁驱动层1的长度即将第1区域以及第2区域和位于这两个区域之间的第3区域合起来的长度优选为60nm以上。小于60nm的话容易成为单磁区且会有不具有磁壁的情况。
磁壁驱动层1的厚度只要作为磁壁驱动层来行使其功能就没有特别的限制，例如能够做到2～60nm。如果磁壁驱动层1的厚度成为60nm以上的话，则会有在层叠方向上出现磁壁的可能性。然而，是否能够在层叠方向上出现磁壁因为是由与磁壁驱动层的形状各向异性的平衡而来决定，所以磁壁驱动层1的厚度只要是小于60nm就不能够做出该磁壁。
磁壁驱动层1也可以在层的侧面上具有阻止磁壁移动的磁壁销止部。作为磁壁销止部的具体结构是公知的结构，例如能够使用凹凸、沟槽、鼓起、中间变细、缺口等。通过具备如此磁壁销止部从而就能够阻止磁壁移动(钉住)，如果不流过阈值以上的电流的话则能够做成磁壁不在该程度以上移动的结构。由上述结构就能够使输出信号成为非模拟而进行多值化。
例如，通过以每个规定距离形成磁壁销止部从而就能够更加稳定地保持磁壁，能够做到稳定的多值存储，并且能够读出更加稳定地被多值化的输出信号。
在磁化固定层5的材料中可以使用能够被用于磁化固定层的公知的材料。例如，能够使用选自Cr、Mn、Co、Fe以及Ni当中的金属、以及包含这些金属当中1种以上金属并显示出铁磁性的合金。另外，还能够使用包含这些金属和选自B和C以及N当中至少1种以上元素的合金。具体地来说可以列举Co-Fe或Co-Fe-B。
另外，为了获得更高的输出而优选使用Co2FeSi等赫斯勒合金(Heusler alloys)。赫斯勒合金包含持有X2YZ化学组成的金属间化合物，X在元素周期表上为Co、Fe、Ni、或者铜族过渡金属元素或者贵金属元素，Y为Mn、V、Cr或者Ti族过渡金属也可以选取X元素类，Z为从第III族到第V族的典型元素。例如可以列举Co2FeSi、Co2MnSi或Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b等。
再有，磁化固定层5也可以是由反铁磁性层、铁磁性层、非磁性层构成的合成结构。在合成结构中因为磁化方向由反铁磁性层而被强力保持，所以作为难以受到来自外部的影响的磁化固定层能够行使其功能。
再有，在将磁化固定层5的磁化方向相对于层叠面做到垂直的情况下，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体地来说磁化固定层5能够做成[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)。
通过磁化固定层5的磁化被固定在一个方向并且磁壁驱动层1(更加准确地来说是被磁化固定层5以及非磁性层6和下部电极层4夹着的部分1cA)的磁化方向相对性进行变化，从而就作为磁阻效应元件部10来行使其功能。磁化固定层5的磁化方法能够使用公知的方法。在如矫顽力差异型(伪自旋阀型：Pseudo spin valve型)的MRAM那样进行使用的情况下，磁化固定层的矫顽力大于磁壁驱动层1的矫顽力。另外，在如交换偏置(Exchange bias)型(自旋阀：spin valve)的MRAM那样进行使用的情况下，磁化方向由在磁化固定层5上与反铁磁性层的交换耦合而被固定。
另外，磁阻效应元件部10在非磁性层6是由绝缘体构成的情况下起到一个隧道磁阻(TMR)元件的作用，在非磁性层6是由金属构成的情况下起到一个巨磁阻(GMR)元件的作用。
作为非磁性层6的材料可以使用能够被用于非磁性层的公知的材料。
例如，在非磁性层6是由绝缘体构成的情况下(是隧道势垒层的情况下)，作为其材料可以使用Al2O3、SiO2、MgO、MgAl2O4、ZnAl2O4、MgGa2O4、ZnGa2O4、MgIn2O4、ZnIn2O4、以及这些材料的多层膜和混合组成膜等。另外，除了这些之外还可以使用Al,Si,Mg的一部分被Zn和Be等置换的材料等。在这些当中尤其因为MgO或MgAl2O4为能够实现相干隧道(coherenttunnel)的材料，所以能够高效率地注入自旋。
另外，在非磁性层6是由金属构成的情况下，作为其材料可以使用Cu、Au、Ag等。
如图11所示，磁结合层8也可以被设置于磁壁驱动层1与非磁性层6之间。磁壁驱动层1的主要功能为驱动磁壁的层，不限于选择适合于经由非磁性层6而与磁化固定层5产生的磁阻效应的材料。一般来说，众所周知为了产生使用了非磁性层6的相干隧道效应，磁化固定层5或磁结合层8优选为BCC结构的铁磁性材料。特别是为人们所知的是作为磁化固定层5或磁结合层8的材料在Co-Fe-B的组合材料由溅射来进行制作的时候能够获得大的输出。
如图12所示，磁壁驱动层1中俯视时重叠于磁化固定层5的部分的厚度可以大于其他部分。因为磁壁在移动非磁性层6的下部的时候因为其面积增大所以电流密度减小，并且磁壁的驱动速度变慢。由此，就能够容易地控制输出的模拟值。另外，在制作如此结构的情况下，用连续成膜来制作磁壁驱动层1和非磁性层6以及磁化固定层5，并且去掉多余的部分来进行形成。在实施连续成膜的情况下，进行接合的层之间的结合变强，并且能够获得更加高效率的磁耦合或输出。
作为本实施方式所具备的磁阻效应元件部10能够使用公知的磁阻效应元件的结构。例如，各层既可以具备多层又可以具备固定磁化固定层5的磁化方向的反铁磁性层等的其他层。
下部电极层4的形状优选以导致使磁壁移动的读入电流(自旋极化电流)的水平成分不出现的形式，俯视时为与磁化固定层5相同的尺寸，但是即使不是相同的尺寸与现有的磁壁驱动型磁阻效应元件相比，也能够发挥出其效果。例如，俯视时优选下部电极层4与磁化固定层5的重叠程度为50％以上，进一步优选为90％以上，更加优选为100％。
例如，在下部电极层4与磁化固定层5的重叠程度为100％以外的情况下，在读出时会有磁壁发生移动的可能性。在读出时磁壁是否会发生移动取决于下部电极层4与磁化固定层5的重叠的位置和读出电流的方向。
作为下部电极层4的材料可以使用作为电极材料来进行使用的公知的材料。例如，可以使用铝、银、铜、金等。
在高阻层7为绝缘材料的情况下，高阻层7的厚度优选以写入电流不会流入到下部电极层4的形式做到0.8nm以上。另外，对于做到能够无视读入动作中的影响的程度来说，从不使写入电流流入到下部电极层4的观点出发优选做到2nm以下。
作为高阻层7的材料如果是在驱动磁壁驱动层1的磁壁的时候能够抑制(实质上是进行防止)用于磁壁驱动的电流流到下部电极层4的层的话，则没有特别的限制。高阻层7既可以是隧道势垒层(tunnel barrier layer)，又可以使用能够被用于隧道势垒层的公知的绝缘材料。例如，可以使用Al2O3、SiO2、MgO、以及MgAl2O4等。另外，除了以上所述的之外还可以使用Al,Si,Mg的一部分被Zn和Be等置换的材料等。高阻层7的材料如果至少电阻率高于磁壁驱动层1的话，则能够行使其功能。例如，也可以是Si、SiGe或Ge等的半导体、铋和镍铬合金等金属。
磁化固定层5的X方向的端部与第1磁化供给层2以及第2磁化供给层3的X方向的端部之间的距离能够被任意设计。磁壁驱动层1中的磁壁其接近于与第1磁化供给层2以及第2磁化供给层3相接触的磁化固定层5的端部具有最大的可移动范围。这就是因为第1磁化供给层2以及第2磁化供给层3与磁壁驱动层1进行磁耦合，且即使磁壁被驱动工作，如果停止磁壁驱动层1中的通电的话则磁壁在端部也能够稳定下来。另外，磁壁从端部进行移动，直至移动到磁化固定层5的端部为止期间不会影响到读取输出。
(磁壁利用型模拟存储器)
本实施方式的磁壁利用型模拟存储器具备多个本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件。
在图9中表示了磁壁利用型模拟存储器中的单元(cell)主要部分的截面示意图。
图1等所表示的磁壁利用型模拟存储元件100分别在第1磁化供给层2以及第2磁化供给层3上连接第1配线11和第2配线12。另外，在磁化固定层5上连接第3配线13，进一步在下部电极层4上连接第4配线14。符号15表示层间绝缘层。
图10是示意性地表示本实施方式所涉及的磁壁利用型模拟存储器1000的电路结构的一个例子的示意图。
第1控制元件15经由多个磁壁利用型模拟存储元件100的各个第2配线12被连接于磁壁驱动层1。第1控制元件15被连接于没有图示的外部电源，并控制流到磁壁驱动层1的电流。
第1单元(cell)选择元件16经由多个磁壁利用型模拟存储元件100的各个第1配线11被连接于磁壁驱动层1。对应于一个磁壁利用型模拟存储元件100设置一个第1单元选择元件16。第1单元选择元件16控制是否使写入电流流到哪个磁壁利用型模拟存储元件100。第1单元选择元件16被接地。
第2控制元件17被连接于第3配线13。
第2控制元件17被连接于没有图示的外部电源，并控制流到第3配线13的电流。
第2单元(cell)选择元件18经由多个磁壁利用型模拟存储元件100的各个第4配线14被连接于下部电极层4。对应于一个磁壁利用型模拟存储元件100设置一个第2单元选择元件18。第2单元选择元件18控制是否使读出电流流到哪个磁壁利用型模拟存储元件100。第2单元选择元件18被接地。
第1控制元件15、第2控制元件17、第1单元选择元件16以及第2单元选择元件18能够使用公知的开关元件。例如，能够使用以场效应晶体管等为代表的晶体管元件等。
第1配线11、第2配线12、第3配线以及第4配线14能够使用作为通常的配线材料而被使用的材料。例如，能够使用铝、银、铜、金等。
以下是参照图10并就凭借磁壁利用型模拟存储器1000的写入动作以及读出动作进行说明。
写入动作是由第1控制元件15和第1单元选择元件16来控制写入。
首先，开放(连接)第1控制元件15，并选择所开放的第1单元选择元件16。第1控制元件15被连接于外部电源，第1单元选择元件16被接地。因此，按第1控制元件15、第2配线12、第2磁化供给层3、磁壁驱动层1、第1配线11、被选择的第1单元选择元件16这个顺序流过写入电流。省略以相反顺序流过电流的情况的说明。
读入动作是由第2控制元件17和第2单元选择元件18来控制读入。
首先，开放(连接)第2控制元件17，并选择所开放的第2单元选择元件18。第2控制元件17被连接于外部电源，第2单元选择元件18被接地。因此，按第2控制元件17、第3配线13、磁化固定层5、非磁性层6、磁壁驱动层1、下部电极层4、被选择的第2单元选择元件18这个顺序流过读入电流。省略以相反顺序流过电流的情况的说明。
第2控制元件17以及第2单元选择元件18作为读出机构行使其功能。
本实施方式的磁壁利用型模拟存储器也可以做成双极元件被连接于第1磁化供给层2或者第2磁化供给层3当中的任意一方的结构。由如此结构就能够通过改变电流方向从而在任意方向上移动磁壁。
本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件以及磁壁利用型模拟存储器如果与现有的磁壁驱动型磁阻效应元件以及在各单元具备如此磁阻效应元件的磁壁驱动型磁存储器相比较，主要结构的差异仅为具备下部电极层(以及隧道势垒层)，能够使用公知的制造方法来进行制造。
(非易失性逻辑电路)
本实施方式的非易失性逻辑电路具备本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件被配置成阵列状的磁壁利用型模拟存储器、STT-MRAM，并具有存储功能和逻辑功能，作为存储功能可以具备上述磁壁利用型模拟存储器以及STT-MRAM。
磁壁利用型模拟存储器和STT-MRAM因为以相同的工序进行制作是可能的，所以成本的削减是可能的。另外，通过数字的STT-MRAM被设置于与被配置成阵列状的磁壁利用型模拟存储器相同的电路，从而对输入输出实行数字化，在内部能够形成以模拟进行处理为可能的逻辑。
[磁神经元元件(magnetic neuron element)]
图13是本发明的一个实施方式所涉及的磁神经元元件(magnetic neuronelement)的一个例子的截面示意图。
本实施方式的磁神经元元件具备本实施方式的磁壁利用型模拟存储元件，磁壁驱动层1的第3区域1c具有第1存储部21b和在长边方向上进行排列的夹着第1存储部21b的第2存储部21a以及第3存储部21c。另外，磁神经元元件具备一种电流源(没有图示)，其具有控制电路，该控制电路能够控制写入电流的流动，以使磁壁按顺序以至少一次停留于第1存储部21b、第2存储部21a以及第3存储部21c所有存储部的形式移动。
第1存储部21b为磁壁驱动层1的第3区域1c中俯视时与磁化固定层5相重叠的部分，第2存储部21a俯视时为磁化固定层5与第1磁化供给层2之间的部分(不重叠于磁化固定层5以及第1磁化供给层2的部分)，第3存储部21c俯视时为磁化固定层5与第2磁化供给层3之间的部分(不重叠于磁化固定层5以及第2磁化供给层3的部分)。
本实施方式的磁壁利用型模拟存储器能够作为模拟突触(synapse)动作的元件即磁神经元元件来进行利用。就突触而言优选相对于来自外部的刺激持有线性输出。另外，在逆向的负荷被给予的时候没有磁滞现象(hysteresis)，优选进行可逆。如图8所示，磁化固定层5和磁壁驱动层1各自的磁化方向为平行的部分的面积由磁壁的驱动(移动)而发生连续变化。即，形成了由磁化固定层5和磁壁驱动层1各自的磁化方向为平行的部分的面积和反平行的部分的面积构成的并联电路。图8的横轴能够看作为磁壁的驱动距离，并且能够表示比较线性的电阻变化。另外，磁壁的驱动因为能够依存于施加电流大小的电流脉冲的时间来实现的，所以能够将电流的大小和方向再有被施加的电流脉冲的时间看作为来自外部的负荷。
(存储的初始阶段)
例如，在磁壁驱动层1的磁壁在-X方向最大地进行移动的情况下，磁壁在第1磁化供给层2的磁化固定层5侧的端部21aA稳定化。如果电流从第2磁化供给层3流到第1磁化供给层2，则电子从第1磁化供给层2流到第2磁化供给层3，在第1磁化供给层2以及磁壁驱动层11的内部自旋极化了的电子在磁壁上发生自旋转移，磁壁在+X方向上进行移动。即使直至磁壁到达磁化固定层5的第1磁化供给层2侧的端部21aB为止进行磁壁移动，读出的电阻也不会发生变化。能够将该状态称作为存储的初始阶段。即，能够将磁壁被配置于第2存储部21a内的情况称作为存储的初始阶段。在存储的初始阶段不实行作为数据的存储，但是所处的状态是存储数据的准备已备齐。
(主存储阶段)
磁壁通过磁化固定层5的下部(俯视时为重叠的部分)期间如图8所示读出时的电阻发生变化。通过电流从第2磁化供给层3流到第1磁化供给层2从而设定为来自外部的负荷，并成为在读出时与负荷大致成比例的那样的电阻变化。这就是主存储阶段。即，能够将磁壁被配置于第1存储部21b内的情况称作为存储的主存储阶段。能够将磁壁处于比磁化固定层5的端部更外侧的状态定义为存储或者定义为无存储，并且将磁壁处于比相反侧的磁化固定层5的端部更外侧的状态定义为无存储或者定义为存储。当然，如果流到第2磁化供给层3与第1磁化供给层2之间的电流为逆向的话则成为相反的作用。
(存储的深层化阶段)
磁壁到达磁化固定层5的第2磁化供给层3侧的端部21cB并且在从磁化固定层5离开的方向上即使进行移动，读入时的输出也不会发生变化。但是，在磁壁从磁化固定层5完全离开之后即使逆向的负荷被施加，直至磁壁到达磁化固定层5的端部21cB为止读入时的输出也不会发生变化。即，意味着即使来自外部的负荷被给予也不会失去存储，能够将此称作为存储的深层化阶段。即，能够将磁壁被配置于第3存储部21c内的情况称作为存储的深层化阶段。
如果流过第2磁化供给层3与第1磁化供给层2之间的电流为逆向，则存储的初始阶段和主存储阶段以及存储的深层化阶段与各个存储部的对应成为相反。
为了将本实施方式的磁壁利用型模拟存储器作为模拟突触(synapse)动作的元件来使用并作为本实施方式的磁神经元元件，而要具备能够以按顺序使磁壁的移动经过存储的初始阶段和主存储阶段以及存储的深层化阶段的形式流过写入电流的电流源。即，要具备一种电流源(没有图示)，具有控制电路，该控制电路控制该写入电流，以使磁壁按顺序以至少一次停留于第1存储部和第2存储部以及第3存储部所有存储部的形式移动。
根据写入电流的条件，能够决定磁壁是否以多次移动而通过完各个第1存储部和第2存储部以及第3存储部。
(存储的忘却阶段)
通过在无存储状态下使磁壁驱动层1的磁壁移动从而就能够忘却存储。另外，即使通过给予外部磁场和热以及物理性扭曲从而也能够发生磁壁的驱动或消失。就本实施方式的磁壁利用型模拟存储器而言，因为显示输出为一定的低电阻和高电阻的值，所以由定义来决定存储和无存储。另外，在以电流流到磁壁驱动层1的以外的方法来使磁壁移动或消失的情况下因为成为随机无规则，所以在多个磁壁利用型模拟存储器之间的信息的关联失去。能够将这些称作为存储的忘却阶段。
(使用了磁神经元元件的人工大脑)
本实施方式的磁神经元元件是一种模拟突触(synapse)的活动并且能够经过存储的初始阶段、主存储阶段、还有存储的深层化阶段的存储器。将本实施方式的磁壁利用型模拟存储器设置于多个电路上，并且实行大脑的模拟是可能的。就如一般的存储器那样纵横均等地进行阵列的配置而言形成集成度高的大脑是可能的。
另外，如图14所示将持有特定电路的多个磁神经元元件作为一个块，就进行阵列的配置而言形成来自外部负荷的认识度不同的大脑是可能的。例如，能够孕育出对于颜色有高灵敏度的大脑或语言的理解度高的大脑等的个性。总之，在使从外部的传感器入手的信息对视觉、味觉、触觉、嗅觉以及听觉认识最适化的五感区域实行认识的处理，进一步通过在逻辑思考区域进行判断从而形成被称作为决定接下来的行动的过程是可能的。再有，因为如果使磁壁驱动层1的材料变化的话则相对于负荷的磁壁的驱动速度或磁壁的形成方法会发生变化，所以形成将该变化作为个性的人工大脑成为可能。
符号说明
1.磁壁驱动层
1a.第1区域
1b.第2区域
1c.第3区域
2.第1磁化供给层
3.第2磁化供给层
4.下部电极层
5.磁化固定层
6.非磁性层
7.隧道势垒层(tunnel barrier layer)
8.磁结合层
21a.第2存储部
21b.第1存储部
21c.第3存储部
100.磁壁利用型模拟存储元件
1000.磁壁利用型模拟存储器

Claims (12)

1.一种磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，
具备：
磁壁驱动层，具有磁壁、第1区域、第2区域、和位于所述第1区域与所述第2区域之间的第3区域；
磁化固定层，经由非磁性层而设置于所述第3区域；以及
下部电极层，在所述第3区域的设置有所述磁化固定层的第1面的相反的第2面上被设置于俯视时与所述磁化固定层相重叠的位置，
所述磁壁驱动层中的、所述俯视时重叠于所述磁化固定层的部分的厚度大于其他部分。
2.如权利要求1所述的磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，在所述磁壁驱动层与所述下部电极层之间进一步具备高阻层。
3.如权利要求1或者2所述的磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，
所述磁壁驱动层的长度为60nm以上。
4.如权利要求1或者2所述的磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，
进一步具备：
与所述第1区域相接并具有第1磁化方向的第1磁化供给层；以及
与所述第2区域相接并具有与所述第1磁化方向相反的第2磁化方向的第2磁化供给层。
5.如权利要求4所述的磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，
所述磁壁驱动层、所述第1磁化供给层、所述第2磁化供给层、以及所述磁化固定层各自的磁化方向分别平行于各层。
6.如权利要求4所述的磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，
所述磁壁驱动层、所述第1磁化供给层、所述第2磁化供给层、以及所述磁化固定层各自的磁化方向分别垂直于各层。
7.如权利要求1、2、5、6中任意一项所述的磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，
所述磁壁驱动层具有磁壁销止部。
8.如权利要求5或者6所述的磁壁利用型模拟存储元件，其特征在于，
双极元件被连接于所述第1磁化供给层或者所述第2磁化供给层的任意一方。
9.一种磁壁利用型模拟存储器，其特征在于，
具备多个权利要求1～8中任意一项所述的磁壁利用型模拟存储元件。
10.如权利要求9所述的磁壁利用型模拟存储器，其特征在于，
具备读出在读出时所述下部电极层与所述磁化固定层之间的电阻变化的机构。
11.一种非易失性逻辑电路，其特征在于，
具备权利要求1～8中任意一项所述的磁壁利用型模拟存储元件被配置成阵列状的磁壁利用型模拟存储器、和自旋转移力矩型磁阻式随机存取存储器，
具有存储功能和逻辑功能并且作为存储功能而具备所述磁壁利用型模拟存储器以及所述自旋转移力矩型磁阻式随机存取存储器。
12.一种磁神经元元件，其特征在于，
具备权利要求1～8中任意一项所述的磁壁利用型模拟存储元件，
所述磁壁驱动层的所述第3区域具有第1存储部和在长边方向上排列并夹着该第1存储部而配置的第2存储部以及第3存储部，
所述磁神经元元件具备电流源，该电流源具有控制电路，该控制电路能够控制写入电流的流动，以使磁壁能够按顺序以至少一次停留于所述第1存储部、所述第2存储部以及所述第3存储部的所有存储部的方式移动。
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