CN113939913A - 磁记录阵列、神经形态器件及磁记录阵列的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本实施方式的磁记录阵列(200)具有多个自旋元件(100)和第一参考元件(101)以及第二参考元件(102)，多个自旋元件、第一参考元件及第二参考元件分别具有配线(20‑24)和层叠于所述配线的包含第一铁磁性层(1)的层叠体(10)，所述第一参考元件的配线(21、23)的电阻比各个自旋元件的配线(20)的电阻高，所述第二参考元件的配线的电阻比各个自旋元件的配线的电阻高，所述第二参考元件的配线(22、24)的电阻比各个自旋元件的配线的电阻低。

Description

磁记录阵列、神经形态器件及磁记录阵列的控制方法
技术领域
本发明涉及磁记录阵列、神经形态器件及磁记录阵列的控制方法。
背景技术
取代微细化中已经看到极限的闪存等的新一代的非易失性存储器备受关注。例如，已知有MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、ReRAM(Resistance RandomeAccess Memory)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory)等作为新一代的非易失性存储器。
MRAM为使用了磁阻效应元件的磁阻元件。磁阻效应元件的电阻值根据两个磁性膜的磁化的方向的相对角的不同而变化。MRAM记录磁阻效应元件的电阻值作为数据。
即使在利用了磁阻变化的自旋元件中，利用了自旋轨道扭矩(SOT)的自旋轨道扭矩型磁阻效应元件(例如，专利文献1)、或利用了磁畴壁的移动的磁畴壁移动型磁记录元件(例如，专利文献2)也备受关注。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017－216286号公报
专利文献2：特许第5441005号公报
发明内容
发明所要解决的问题
自旋元件例如通过电阻值来记录数据。自旋元件的电阻值根据温度及劣化而变动。当自旋元件的电阻值漂移时，成为记录数据的阈值的基准点变动，数据的可靠性降低。
另外，多有自旋元件被集成并用作磁记录阵列的情况。在使用中途难以检查许多自旋元件中的每一个，不能正确地判断故障。
本发明是鉴于上述问题而开发的，其目的在于，提供一种数据的可靠性高的磁记录阵列、神经形态器件及磁记录阵列的控制方法。
用于解决问题的技术方案
(1)第一方式提供一种磁记录阵列，其具有：多个自旋元件、第一参考元件、以及第二参考元件，多个自旋元件、第一参考元件及第二参考元件分别具有配线和层叠于所述配线的包含第一铁磁性层的层叠体，所述第一参考元件的配线的电阻比各个自旋元件的配线的电阻高，所述第二参考元件的配线的电阻比各个自旋元件的配线的电阻低。
(2)在所述方式的磁记录阵列中，也可以是，所述第一参考元件的配线的宽度比所述自旋元件的配线的宽度窄，所述第二参考元件的配线的宽度比所述自旋元件的配线的宽度宽。
(3)在所述方式的磁记录阵列中，也可以是，所述第一参考元件的配线的厚度比所述自旋元件的配线的厚度薄，所述第二参考元件的配线的厚度比所述自旋元件的配线的厚度厚。
(3)在所述方式的磁记录阵列中，也可以是，所述自旋元件、第一参考元件及第二参考元件各自的配线由相同的材料构成。
(4)在所述方式的磁记录阵列中，也可以是，所述第一参考元件的配线的电阻为所述自旋元件的配线的电阻的105％以上，所述第二参考元件的配线的电阻为所述自旋元件的配线的电阻的95％以下。
(5)在所述方式的磁记录阵列中，也可以是，具有电源，其沿所述多个自旋元件、所述第一参考元件及所述第二参考元件各自的配线的长度方向产生电位差，所述电源对所述多个自旋元件、所述第一参考元件及所述第二参考元件各自的配线施加相同的电压。
(6)在所述方式的磁记录阵列中，也可以是，所述层叠体从接近所述配线的一侧起具有所述第一铁磁性层、非磁性层以及第二铁磁性层，所述配线为具有由于电流流动时的自旋霍尔效应而产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任一种。
(7)在所述方式的磁记录阵列中，也可以是，所述层叠体从接近所述配线的一侧起具有非磁性层和所述第一铁磁性层，所述配线为能够在内部具有磁畴壁的铁磁性层。
(8)第二方式提供一种神经形态器件，其具有所述方式的磁记录阵列。
(9)第三方式提供一种磁记录阵列的控制方法，其为所述方式的磁记录阵列的控制方法，其中，具有：对所述多个自旋元件中的写入对象的自旋元件、所述第一参考元件及所述第二参考元件各自的配线施加相同的写入电压的工序；沿施加所述写入电压的元件的层叠方向施加读出电压的工序；比较所述自旋元件的电阻和所述第一参考元件及所述第二参考元件的电阻的工序。
(10)在所述方式的磁记录阵列的控制方法中，也可以是，在比较所述自旋元件的电阻和所述第一参考元件及所述第二参考元件的电阻时，在所述自旋元件的电阻不在所述第一参考元件的电阻和所述第二参考元件的电阻之间的情况下，禁止对所述自旋元件的写入。
(11)在所述方式的磁记录阵列的控制方法中，也可以是，在比较所述自旋元件的电阻和所述第一参考元件及所述第二参考元件的电阻时，在所述自旋元件的电阻不在所述第一参考元件的电阻和所述第二参考元件的电阻之间的情况下，将对所述自旋元件的数据的写入及读出替换为其它元件。
发明效果
所述方式的磁记录阵列、神经形态器件及磁记录阵列的控制方法的数据的可靠性高。
附图说明
图1是第一实施方式的磁记录阵列的示意图。
图2是第一实施方式的磁记录阵列的特征部的剖视图。
图3是第一实施方式的自旋元件的剖视图。
图4是第一实施方式的自旋元件的俯视图。
图5是第一实施方式的第一参考元件的俯视图。
图6是第一实施方式的第二参考元件的俯视图。
图7是第一实施方式的磁记录阵列的动作的一例的流程图。
图8是第一变形例的第一参考元件的剖视图。
图9是第一变形例的第二参考元件的剖视图。
图10是第二实施方式的自旋元件的剖视图。
图11是第三实施方式的自旋元件的剖视图。
具体实施方式
以下，适当参照附图对本实施方式进行详细说明。以下的说明中使用的附图为了使特征易于理解，方便起见有时放大表示成为特征的部分，各结构要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下的说明中所例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限定于这些，可以在实现本发明的效果的范围内实施适当变更。
首先，对方向进行定义。将后述的基板Sub(参照图2)的一面的一方向设为x方向，将与x方向正交的方向设为y方向。x方向为后述的配线延伸的方向，为配线的长度方向。z方向为与x方向及y方向正交的方向。z方向为层叠方向的一例。以下，有时将+z方向表达为“上”、将－z方向表达为“下”。上下未必与施加重力的方向一致。
“第一实施方式”
图1是第一实施方式的磁记录阵列200的结构图。磁记录阵列200具备：多个磁阻效应元件100、多个第一参考元件101、多个第二参考元件102、多个写入配线Wp1～Wpn、多个共通配线Cm1～Cmn、多个读出配线Rp1～Rpn、多个第一开关元件SW1、多个第二开关元件SW2、多个第三开关元件SW3。磁记录阵列200例如能够用于磁存储器等。磁阻效应元件100为自旋元件的一例。
磁阻效应元件100、第一参考元件101及第二参考元件102排列例如排列成行列状。第一参考元件101及第二参考元件102例如与写入配线Wp1～Wpn分别连接。第一参考元件101及第二参考元件102的数量不局限于该情况，只要在一个磁记录阵列200中分别至少有一个即可。
写入配线Wp1～Wpn为用于写入数据时的配线。写入配线Wp1～Wpn例如分别与多个磁阻效应元件100和第一参考元件101以及第二参考元件102连接。写入配线Wp1～Wpn与未图示的电源连接。
共通配线Cm1～Cmn为在数据的写入时及读出时两方使用的配线。共通配线Cm1～Cmn例如以基准电位将磁阻效应元件100、第一参考元件101或第二参考元件102电连接。基准电位例如为接地。共通配线Cm1～Cmn可以设置于磁阻效应元件100、第一参考元件101或第二参考元件102的每一个上，也可以遍及多个元件而设置。
读出配线Rp1～Rpn是在读出数据时所使用的配线。读出配线Rp1～Rpn例如分别与多个磁阻效应元件100、第一参考元件101以及第二参考元件102连接。读出配线Rp1～Rpn与未图示的电源连接。
第一开关元件SW1、第二开关元件SW2、第三开关元件SW3例如与磁阻效应元件100、第一参考元件101、第二参考元件102分别连接。第一开关元件SW1位于写入配线Wp1～Wpn和磁阻效应元件100、第一参考元件101或第二参考元件102之间。第二开关元件SW2位于共通配线Cm1～Cmn和磁阻效应元件100、第一参考元件101或第二参考元件102之间。第三开关元件SW3位于读出配线Rp1～Rpn和磁阻效应元件100、第一参考元件101或第二参考元件102之间。
当将第一开关元件SW1及第二开关元件SW2设为ON时，写入电流在与规定的磁阻效应元件100、第一参考元件101、第二参考元件102连接的写入配线Wp1～Wpn和共通配线Cm1～Cmn之间流动。当将第二开关元件SW2及第三开关元件SW3设为ON时，读出电流在与规定的磁阻效应元件100、第一参考元件101、第二参考元件102连接的共通配线Cm1～Cmn和读出配线Rp1～Rpn之间流动。
第一开关元件SW1、第二开关元件SW2及第三开关元件SW3是控制电流的流动的元件。第一开关元件SW1、第二开关元件SW2及第三开关元件SW3例如为如晶体管、双向阈值开关(OTS：Ovonic Threshold Switch)那样利用了结晶层的相变化的元件、如金属绝缘体过渡(MIT)开关那样利用了带结构的变化的元件、如稳压二极管及雪崩二极管那样利用了击穿电压的元件、传导性随着原子位置的变化而变化的元件。
第一开关元件SW1、第二开关元件SW2、第三开关元件SW3均为为与相同配线连接的元件，也可以共用。例如，在共同拥有第一开关元件SW1的情况下，在写入配线Wp1～Wpn的上游设置一个第一开关元件SW1。例如，在共同拥有第二开关元件SW2的情况下，在共通配线Cm1～Cmn的上游设置一个第二开关元件SW2。例如，在共同拥有第三开关元件SW3的情况下，在读出配线Rp1～Rpn的上游设置一个第三开关元件SW3。
图2是第一实施方式的磁记录阵列200的要部的剖视图。图2是将磁阻效应元件100以穿过后述的配线20的y方向的宽度的中心的xz平面切断的截面。
图2所示的第一开关元件SW1及第二开关元件SW2为晶体管Tr。第三开关元件SW3与电极E电连接，例如，位于图2的y方向上。晶体管Tr例如为场效应型的晶体管，具有栅电极G和形成于栅极绝缘膜GI和基板Sub的源极S及漏极S。基板Sub例如为半导体基板。
晶体管Tr和磁阻效应元件100经由导电部31、32及通孔配线Via电连接。另外，晶体管Tr和写入配线Wp或共通配线Cm通过通孔配线Via连接。通孔配线Via例如沿z方向延伸。
磁阻效应元件100及晶体管Tr的周围被绝缘层In覆盖。绝缘层In为将多层配线的配线间及元件间绝缘的绝缘层。绝缘层In例如为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬、碳氮化硅(SiCN)、氧氮化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
穿过第一参考元件101及第二参考元件102的截面的结构与磁阻效应元件100的截面的结构大致相同。
图3是第一实施方式的磁阻效应元件100的剖视图。图4是第一实施方式的磁阻效应元件100的俯视图。图3是以穿过配线20的y方向的宽度的中心的xz平面将磁阻效应元件100切断的截面。
磁阻效应元件100例如具备层叠体10、配线20以及导电部31、32。层叠体10的z方向的电阻值通过从配线20向层叠体10注入自旋而变化。磁阻效应元件100为利用了自旋轨道扭矩(SOT)的自旋元件，有时称为自旋轨道扭矩型磁阻效应元件、自旋注入型磁阻效应元件、自旋流磁阻效应元件。另外，配线20有时称为自旋轨道扭矩配线。
层叠体10层叠于配线20上。在层叠体10和配线20之间也可以具有其它层。层叠体10在z方向上被配线20和电极E夹着。层叠体10为柱状体。来自层叠体10的z方向的俯视形状例如为圆形、椭圆形、四边形。
层叠体10具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2以及非磁性层3。第一铁磁性层1例如与配线20相接，层叠于配线20上。从配线20向第一铁磁性层1注入自旋。第一铁磁性层1的磁化通过注入的自旋受到自旋轨道扭矩(SOT)，从而取向方向变化。第二铁磁性层2处于第一铁磁性层1的z方向。第一铁磁性层1和第二铁磁性层2在z方向上夹着非磁性层3。
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2分别具有磁化。第二铁磁性层2的磁化在施加了规定的外力时，与第一铁磁性层1的磁化相比，取向方向难以变化。第一铁磁性层1有时称为磁化自由层，第二铁磁性层2有时称为磁化固定层、磁化参照层。层叠体10的电阻值根据夹着非磁性层3的第一铁磁性层1和第二铁磁性层2的磁化的相对角的不同而变化。
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2包含铁磁性体。铁磁性体例如为选自由Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属、包含1种以上这些金属的合金、包含这些金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金等。铁磁性体例如为Co－Fe、Co－Fe－B、Ni－Fe、Co－Ho合金、Sm－Fe合金、Fe－Pt合金、Co－Pt合金、CoCrPt合金。
第一铁磁性层1及第二铁磁性层2也可以包含惠斯勒合金。惠斯勒合金包含具有XYZ或X2YZ的化学组成的金属间化合物。X在周期表上为Co、Fe、Ni、或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y为Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或X的元素种，Z为III族～V族的典型元素。惠斯勒合金例如为Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1－aFeaAlbSi1－b、Co2FeGe1－cGac等。惠斯勒合金具有高的自旋极化率。
层叠体10也可以在第二铁磁性层2的与非磁性层3相反侧的面上经由间隔层具有反铁磁性层。第二铁磁性层2、间隔层、反铁磁性层成为合成反铁磁性结构(SAF结构)。合成反铁磁性结构由夹着非磁性层的两个磁性层构成。通过第二铁磁性层2和反铁磁性层进行反铁磁性耦合，与不具有反铁磁性层的情况相比，第二铁磁性层2的矫顽力变大。反铁磁性层例如为IrMn、PtMn等。间隔层例如包含选自由Ru、Ir、Rh构成的组中的至少一种。
层叠体10也可以具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及非磁性层3以外的层。例如，在配线20和层叠体10之间也可以具有基底层。基底层提高构成层叠体10的各层的结晶性。
配线20例如与层叠体10的一面相接。配线20为用于向磁阻效应元件100写入数据的写入配线。配线20沿x方向延伸。配线20的至少一部分在z方向上与非磁性层3一起夹着第一铁磁性层1。
配线20通过电流I流动时的自旋霍尔效应(Spin Hall Effect)产生自旋流，从而向第一铁磁性层1注入自旋。配线20例如对第一铁磁性层1的磁化给予尽可能反转第一铁磁性层1的磁化的自旋轨道扭矩(SOT)。自旋霍尔效应是在流通电流的情况下，基于自旋轨道相互作用，沿与电流流动的方向正交的方向感应自旋流的现象。自旋霍尔效应在运动(移动)的电荷(电子)在运动(移动)方向上弯曲这一点上与通常的霍尔效应共通。通常的霍尔效应中，在磁场中进行运动的带电颗粒的运动方向通过洛伦兹力而弯曲。与此相对，自旋霍尔效应中，即使不存在磁场，通过仅电子移动(仅流通电流)，自旋的移动方向也会弯曲。
例如，当在配线20中流通电流时，在一方向上取向的第一自旋和在与第一自旋相反方向上取向的第二自旋分别在与电流I流动的方向正交的方向上通过自旋霍尔效应而弯曲。例如，在－y方向上取向的第一自旋向+z方向弯曲，在+y方向上取向的第二自旋向－z方向弯曲。
非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，通过自旋霍尔效应而产生的第一自旋的电子数和第二自旋的电子数相等。即，朝向+z方向的第一自旋的电子数和朝向－z方向的第二自旋的电子数相等。第一自旋和第二自旋在解除自旋的不均的方向上流动。在第一自旋及第二自旋向z方向的移动中，电荷的流动相互抵消，因此，电流量成为零。未伴随电流的自旋流特别被称为纯自旋流。
当将第一自旋的电子的流动表示为J↑，将第二自旋的电子的流动表示为J↓，将自旋流表示为JS时，以JS＝J↑－J↓来定义。自旋流JS在z方向上产生。第一自旋从配线20注入到第一铁磁性层1。
配线20包含具有通过电流I流动时的自旋霍尔效应产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任一种。
配线20例如包含非磁性的重金属作为主元素。主元素是构成配线20的元素中比例最高的元素。配线20例如包含具有钇(Y)以上的比重的重金属。非磁性的重金属中，原子编号39以上的原子编号大，且在最外壳具有d电子或f电子，因此，自旋轨道相互作用强地产生。自旋霍尔效应通过自旋轨道相互作用而产生，从而自旋在配线20内容易不均，容易产生自旋流JS。配线20例如包含选自由Au、Hf、Mo、Pt、W、Ta构成的组中的任一个。
配线20也可以包含磁性金属。磁性金属为铁磁性金属或反铁磁性金属。非磁性体中所含的微量的磁性金属成为自旋的扩散因子。微量例如为构成配线20的元素的总摩尔比的3％以下。当自旋由于磁性金属而扩散时，自旋轨道相互作用被增强，自旋流相对于电流的生成效率变高。
配线20也可以包含拓扑绝缘体。拓扑绝缘体是物质内部为绝缘体或高电阻体，但在其表面产生自旋极化的金属状态的物质。拓扑绝缘体通过自旋轨道相互作用产生内部磁场。拓扑绝缘体即使没有外部磁场，通过自旋轨道相互作用的效果也能够发现新的拓扑相。拓扑绝缘体通过强的自旋轨道相互作用和边缘中的反转对称性的破损而能够高效率得生成纯自旋流。
拓扑绝缘体例如为SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、Bi1－xSbx、(Bi1－ xSbx)2Te3等。拓扑绝缘体能够高效率地生成自旋流。
导电部31和导电部32在从z方向俯视时在x方向上夹着层叠体10。导电部31、32例如将处于不同的层的元件及配线电连接。导电部31、32由导电性优异的材料构成。导电部31、32例如包含选自由Ag、Cu、Co、Al、Au构成的组中的至少一种。
图5是第一实施方式的第一参考元件101的俯视图。第一参考元件101例如具备层叠体10、配线21以及导电部31、32。第一参考元件101除配线21的配线宽度w21比磁阻效应元件100的配线20的配线宽度w20窄这一点以外，由与磁阻效应元件100同样的结构构成。
配线21的配线宽度w21比配线20的配线宽度w20窄。配线宽度w21例如为配线宽度w20的95％以下，也可以为90％以下。配线宽度w20为多个磁阻效应元件100的y方向的配线宽度的平均值。当配线宽度w21足够窄时，即使考虑制造偏差，配线宽度w21也比配线宽度w20足够窄。
配线21例如由与配线20相同的材料构成。配线21的电阻比配线20的电阻高。配线21的电阻例如为配线20的电阻的105％以上，也可以为110％以上。配线20的电阻为多个磁阻效应元件100的配线20的电阻的平均值。
图6是第一实施方式的第二参考元件102的俯视图。第二参考元件102例如具备层叠体10、配线22以及导电部31、32。第二参考元件102除配线22的配线宽度w22比磁阻效应元件100的配线20的配线宽度w20宽这一点以外，由与磁阻效应元件100同样的结构构成。
配线22的配线宽度w22比配线20的配线宽度w20宽。配线宽度w22例如为配线宽度w20的105％以上，也可以为110％以上。当配线宽度w22足够宽时，即使考虑制造偏差，配线宽度w22也比配线宽度w20足够宽。
配线22例如由与配线20相同的材料构成。配线22的电阻比配线20的电阻低。配线22的电阻例如为配线20的电阻的95％以下，也可以为90％以下。
接着，对磁阻效应元件100的制造方法进行说明。磁阻效应元件100通过各层的层叠工序和将各层的一部分加工成规定的形状的加工工序而形成。各层的层叠能够使用溅射法、化学气相生长(CVD)法、电子束沉积法(EB沉积法)、原子激光沉积法等。各层的加工能够使用光刻法等来进行。
首先，在基板Sub的规定的位置掺杂杂质并形成源极S、漏极D。接着，在源极S和漏极D之间形成栅极绝缘膜GI、栅电极G。源极S、漏极D、栅极绝缘膜GI及栅电极G成为晶体管Tr。
接着，形成绝缘层In以覆盖晶体管Tr。另外，在绝缘层In形成开口部，并在开口部内填充导电体，由此形成通孔配线Via、导电部31、32。将绝缘层In层叠至规定的厚度后，在绝缘层In形成槽，并在槽内填充导电体，由此形成写入配线Wp、共通配线Cm。
接着，在绝缘层In、导电部31、32的表面依次形成配线层、铁磁性层、非磁性层、铁磁性层。接着，将配线层加工成规定的形状。配线层通过加工成规定的形状，成为配线20、21、22。接着，将形成于配线层上的层叠体加工成规定的形状，形成层叠体10，由此，能够制作磁阻效应元件100、第一参考元件101及第二参考元件102。
接着，对第一实施方式的磁记录阵列200的动作及控制方法进行说明。图7是第一实施方式的磁记录阵列200的动作的一例的流程图。
首先，对记录数据的磁阻效应元件100进行写入动作(步骤S1)。将与要记录数据的磁阻效应元件100连接的第一开关元件SW1及第二开关元件SW2设为ON。当将第一开关元件SW1及第二开关元件SW2设为ON时，在配线20的长度方向上产生电位差，并且，流通写入电流。当向配线20流通写入电流时，产生自旋霍尔效应，从而自旋注入于第一铁磁性层1。注入于第一铁磁性层1的自旋对第一铁磁性层1的磁化添加自旋轨道扭矩(SOT)，改变第一铁磁性层1的磁化的取向方向。当将电流的流动方向设为相反时，注入于第一铁磁性层1的自旋的方向成为相反，因此，磁化的取向方向能够自由控制。
层叠体10的层叠方向的电阻值在第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化平行的情况下减小，在第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化反平行的情况下变大。作为层叠体10的层叠方向的电阻值，在磁阻效应元件100中记录数据。
另外，在对磁阻效应元件100进行写入动作的情况下，也对磁阻效应元件100和成为对的第一参考元件101及第二参考元件102进行同样的写入动作(步骤S2)。磁阻效应元件100和成为对的第一参考元件101及第二参考元件102例如为与和磁阻效应元件100相同的写入配线Wp1～Wpn连接的第一参考元件101及第二参考元件102。施加于第一参考元件101及第二参考元件102各自的配线21、22的电压与磁阻效应元件100相同。对第一参考元件101及第二参考元件施加与磁阻效应元件100相同的负荷。
接着，确认磁阻效应元件100是否适当地动作。磁阻效应元件100的动作确认通过从进行了写入动作的元件分别读出数据，并对各个数据进行对比而进行。
读出写入了数据的磁阻效应元件100的数据(步骤S3)。将与读出数据的磁阻效应元件100连接的第二开关元件SW2及第三开关元件SW3设为ON。当将第二开关元件SW2及第三开关元件SW3设为ON时，在层叠体10的层叠方向上产生电位差，并流通读出电流。当向层叠体10流通读出电流时，根据欧姆定律得到磁阻效应元件100的层叠方向的电阻值。
对第一参考元件101及第二参考元件102进行同样的动作(步骤S4)。读出第一参考元件101及第二参考元件102的层叠方向的电阻值作为数据。
接着，比较磁阻效应元件100、第一参考元件101及第二参考元件102的电阻值(步骤S5)。电阻值例如为电极E和导电部32之间的电阻。配线21的电阻比配线20的电阻高。因此，在适当动作的情况下，第一参考元件101的电阻比磁阻效应元件100的电阻高。另外，配线22的电阻比配线20的电阻低。因此，在适当动作的情况下，第二参考元件102的电阻比磁阻效应元件100的电阻低。
最后，基于比较结果，判断磁阻效应元件100的状态(步骤S6)。在磁阻效应元件100的电阻位于第一参考元件101的电阻和第二参考元件102的电阻之间的情况下，判断为磁阻效应元件100正常动作。与此相对，在磁阻效应元件100的电阻不在第一参考元件101的电阻和第二参考元件102的电阻之间的情况下，判断为磁阻效应元件100产生故障。
作为磁阻效应元件100的故障的一种情况，有层叠体10和导电部31、32之间的配线20的劣化、破裂。当配线20劣化、破裂时，不能进行适当的写入动作。例如，在图3所示的磁阻效应元件100的情况下，在层叠体10和导电部31之间的配线20劣化、破裂的情况下，不能进行写入动作，但能够进行读出动作。这是因为在导电部31和导电部32之间流动的写入电流不能正常流动，但层叠体10和导电部32之间的读出电流正常流动。该情况下，会在没察觉到未写入数据的状态下读出数据，从而数据的误读出的风险提高。
与之相对，如果将磁阻效应元件100的电阻值与第一参考元件101及第二参考元件102对比，则数据的误读出的风险降低。这是因为即使在磁阻效应元件100的读出路径以外的部分产生劣化、破裂的情况下，也不会对磁阻效应元件100的电阻产生影响。通过对比磁阻效应元件100的电阻和第一参考元件101及第二参考元件102的电阻，能够适当检测磁阻效应元件100的异常。
判断为故障的磁阻效应元件100在以后的动作中设为只读或不可使用。
在将磁阻效应元件100设为只读的情况下，禁止对该磁阻效应元件100的写入动作。磁阻效应元件100总是输出相同的数据。禁止写入动作的磁阻效应元件100例如能够用作数据未变化的基准点。
在将磁阻效应元件100设为不可使用的情况下，禁止对该磁阻效应元件100的写入及读出动作。在以后的动作中，数据对设为不可使用的磁阻效应元件100的写入及读出被替换为其它磁阻效应元件100。在此，替换为其它磁阻效应元件100是指卸下成为不可使用的磁阻效应元件100，不替换为其它元件，而将数据对不可使用的磁阻效应元件100的数据的写入及读出在系统上替换到其它磁阻效应元件100。
如上述，本实施方式的磁记录阵列200通过比较第一参考元件101及第二参考元件102的电阻和磁阻效应元件100的电阻，能够实时评价磁阻效应元件100的故障的有无。
另外，第一参考元件101及第二参考元件102处于与磁阻效应元件100相同的温度环境下，因此，能够抑制成为记录数据的阈值的基准点由于温度变化而变动。进而，第一参考元件101及第二参考元件102因为被给予与磁阻效应元件100相同的负荷，所以能够抑制成为记录数据的阈值的基准点由于劣化而变动。
因此，本实施方式的磁记录阵列200的数据的误读出的风险低，且可靠性高。
迄今为止，例示了第一实施方式的一例，但本发明不限定于该例。
例如，在上述的实施方式中，由配线宽度w20、w21、w22实现配线20、21、22的电阻的不同，但也可以通过配线宽度w20、w21、w22以外的方式产生电阻的不同。
图8是第一变形例的第一参考元件101A的剖视图。图9是第一变形例的第二参考元件102A的剖视图。第一参考元件101A例如具备层叠体10、配线23以及导电部31、32。第二参考元件102A例如具备层叠体10、配线24以及导电部31、32。第一参考元件101A及第二参考元件102A除配线23、24的厚度t23、t24与磁阻效应元件100的配线20的厚度t20不同这一点以外，由与磁阻效应元件100同样的结构构成。
配线23的厚度t23比配线20的厚度t20薄。厚度t23例如为厚度t20的95％以下，也可以为90％以下。当厚度t23足够薄时，即使考虑制造偏差，厚度t23也比厚度t20足够薄。
配线23例如由与配线20相同的材料构成。配线23的电阻比配线20的电阻高。配线23的电阻例如为配线20的电阻的105％以上，也可以为110％以上。
配线24的厚度t24比配线20的厚度t20厚。厚度t24例如为厚度t20的105％以上，也可以为110％以上。当厚度t24足够厚时，即使考虑制造偏差，厚度t24也比厚度t20足够厚。
配线24例如由与配线20相同的材料构成。配线24的电阻比配线20的电阻低。配线24的电阻例如为配线20的电阻的95％以下，也可以为90％以下。
另外，也可以通过改变磁阻效应元件、第一参考元件、第二参考元件各自的配线的材料，改变各自的配线的电阻。另外，也可以组合配线宽度、厚度、材料的参数，改变各个配线的电阻。
“第二实施方式”
图10是第二实施方式的磁化旋转元件110的剖视图。图10是以穿过配线20的y方向的宽度的中心的xz平面将磁化旋转元件110切断的截面。第二实施方式的磁化旋转元件110不具有非磁性层3及第二铁磁性层2这一点与第一实施方式的磁阻效应元件100不同。其它结构与第一实施方式的磁阻效应元件100相同，省略说明。
磁化旋转元件110为自旋元件的一例。磁化旋转元件110例如对第一铁磁性层1入射光，评价由第一铁磁性层1反射的光。当磁化的取向方向由于磁光克尔效应而变化时，反射的光的偏向状态变化。磁化旋转元件110例如能够用作利用光的偏向状态的不同的例如影像显示装置等光学元件。
另外，磁化旋转元件110也可以单独用作利用各向异性磁传感器、磁法拉第效应的光学元件等。
第二实施方式中的第一参考元件及第二参考元件除配线的电阻外，由与磁化旋转元件110同样的结构构成。
第二实施方式的磁化旋转元件110仅除去非磁性层3及第二铁磁性层2，也能够得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。另外，选择与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的变形例。
“第三实施方式”
图11是第三实施方式的磁阻效应元件120的剖视图。图11是以穿过配线40的y方向的宽度的中心的xz平面切断磁阻效应元件120的剖面。磁阻效应元件120的层叠体11从接近配线40的一侧起由非磁性层5及第一铁磁性层4构成这一点与磁阻效应元件100不同。与磁阻效应元件100同样的结构标注同样的符号，并省略说明。
磁阻效应元件120具备层叠体11、配线40以及导电部31、32。层叠体11从接近配线40的一侧起由非磁性层5及第一铁磁性层4构成。磁阻效应元件120为电阻值通过磁畴壁DW的移动而变化的元件，有时称为磁畴壁移动元件、磁畴壁移动型磁阻效应元件。
配线40为磁性层。配线40包含铁磁性体。构成配线40的磁性体能够使用选自由Cr、Mn、Co、Fe及Ni构成的组中的金属、包含1种以上这些金属的合金、包含这些金属和B、C、及N的至少1种以上的元素的合金等。具体而言，举出Co－Fe、Co－Fe－B、Ni－Fe。
配线40为能够根据内部的磁状态的变化而磁记录信息的层。配线21在内部具有第一磁区41和第二磁区42。第一磁区41的磁化和第二磁区42的磁化例如在相反方向上进行取向。第一磁区41和第二磁区42的边界为磁畴壁DW。配线40能够在内部具有磁畴壁DW。
磁阻效应元件120能够通过配线40的磁畴壁DW的位置多值或连续地记录数据。配线40中记录的数据在施加读出电流时，读出为磁阻效应元件120的电阻值变化。
磁畴壁DW通过沿配线40的x方向流通写入电流、或施加外部磁场而进行移动。例如，当向配线40的+x方向施加写入电流(例如，电流脉冲)时，电子向与电流相反的－x方向流动，因此，磁畴壁DW向－x方向进行移动。在电流从第一磁区41朝向第二磁区42流动的情况下，在第二磁区42中自旋极化的电子使第一磁区41的磁化磁化反转。通过第一磁区41的磁化进行磁化反转，磁畴壁DW向－x方向进行移动。
第一铁磁性层4和非磁性层5分别与第一实施方式的第一铁磁性层1和非磁性层3相同。
第三实施方式中的第一参考元件及第二参考元件除配线的电阻外，由与磁阻效应元件120同样的结构构成。
第三实施方式的磁阻效应元件120也能够得到与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的效果。另外，第三实施方式的磁阻效应元件120可选择与第一实施方式的磁阻效应元件100同样的变形例。
第一实施方式～第三实施方式的磁记录阵列能够应用于神经形态器件。神经形态器件为通过神经网络模拟人类的大脑的元件。神经形态器件人工地模拟人类的大脑中的神经元和神经触动的关系。
神经形态器件例如具有配置成阶层状的芯片(大脑中的神经元)和将它们之间连接的传达单元(大脑中的神经触动)。神经形态器件通过传达单元(神经触动)学习，提高问题的正答率。学习是从信息中发现将来使用的知识，在神经形态器件中，对输入的数据进行加权。
各个神经触动在数学上进行积和运算。第一实施方式～第三实施方式的磁记录阵列通过将磁阻效应元件或磁化旋转元件排列成阵列状，能够进行积和运算。例如，当磁阻效应元件的读出路径中流通电流时，输出输入的电流和磁阻效应元件的电阻的积，并进行积运算。当通过共通配线连接多个磁阻效应元件时，积和运算通过共通配线相加，并进行和运算。因此，第一实施方式～第三实施方式的磁记录阵列能够作为积和运算器应用于神经形态器件。
符号说明
1、4 第一铁磁性层
2 第二铁磁性层
3、5 非磁性层
10、11 层叠体
20、21、22、23、24、40 配线
101、101A 第一参考元件
102、102A 第二参考元件
200 磁记录阵列
DW 磁畴壁
t20、t23、t24 厚度
w20、w21、w22 配线宽度。

Claims (12)

1.一种磁记录阵列，其包括：
多个自旋元件、第一参考元件和第二参考元件，
多个自旋元件、第一参考元件和第二参考元件分别具有配线和层叠于所述配线的包含第一铁磁性层的层叠体，
所述第一参考元件的配线的电阻比各个自旋元件的配线的电阻高，
所述第二参考元件的配线的电阻比各个自旋元件的配线的电阻低。
2.根据权利要求1所述的磁记录阵列，其中，
所述第一参考元件的配线的宽度比所述自旋元件的配线的宽度窄，
所述第二参考元件的配线的宽度比所述自旋元件的配线的宽度宽。
3.根据权利要求1或2所述的磁记录阵列，其中，
所述第一参考元件的配线的厚度比所述自旋元件的配线的厚度薄，
所述第二参考元件的配线的厚度比所述自旋元件的配线的厚度厚。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的磁记录阵列，其中，
所述自旋元件、第一参考元件和第二参考元件各自的配线由相同的材料构成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁记录阵列，其中，
所述第一参考元件的配线的电阻为所述自旋元件的配线的电阻的105％以上，
所述第二参考元件的配线的电阻为所述自旋元件的配线的电阻的95％以下。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁记录阵列，其中，
具有电源，其沿所述多个自旋元件、所述第一参考元件和所述第二参考元件各自的配线的长度方向产生电位差，
所述电源对所述多个自旋元件、所述第一参考元件和所述第二参考元件各自的配线施加相同的电压。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁记录阵列，其中，
所述层叠体从接近所述配线的一侧起具有所述第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层，
所述配线为具有由于电流流动时的自旋霍尔效应而产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任一种。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的磁记录阵列，其中，
所述层叠体从接近所述配线的一侧起具有非磁性层和所述第一铁磁性层，
所述配线为能够在内部具有磁畴壁的铁磁性层。
9.一种神经形态器件，其具有权利要求1～8中任一项所述的磁记录阵列。
10.一种磁记录阵列的控制方法，其为权利要求1～8中任一项所述的磁记录阵列的控制方法，包括：
对所述多个自旋元件中的写入对象的自旋元件、所述第一参考元件和所述第二参考元件各自的配线施加相同的写入电压的工序；
沿施加了所述写入电压的元件的层叠方向施加读出电压的工序；和
比较所述自旋元件的电阻和所述第一参考元件以及所述第二参考元件的电阻的工序。
11.根据权利要求10所述的磁记录阵列的控制方法，其中，
在比较所述自旋元件的电阻和所述第一参考元件和所述第二参考元件的电阻时，
在所述自旋元件的电阻不在所述第一参考元件的电阻和所述第二参考元件的电阻之间的情况下，
禁止对所述自旋元件的写入。
12.根据权利要求10或11所述的磁记录阵列的控制方法，其中，
在比较所述自旋元件的电阻和所述第一参考元件和所述第二参考元件的电阻时，
在所述自旋元件的电阻不在所述第一参考元件的电阻和所述第二参考元件的电阻之间的情况下，
将数据对所述自旋元件的写入和读出替换为其它元件。
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