JP2020053660A - 磁気記録アレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】製造時における磁壁移動素子の故障を抑制できる磁気記録アレイを提供する。【解決手段】本実施形態にかかる磁気記録アレイは、複数の磁壁移動素子と、基準電位と電気的に接続され、かつ、前記複数の磁壁移動素子のうち少なくとも１つの磁壁移動素子と電気的に接続された第１配線と、前記複数の磁壁移動素子のうち少なくとも２つ以上の磁壁移動素子と電気的に接続された第２配線と、前記磁壁移動素子のそれぞれと前記第１配線との間に接続された第１スイッチング素子と、前記磁壁移動素子のそれぞれと前記第２配線との間に接続された第２スイッチング素子と、を備え、前記第１スイッチング素子のＯＦＦ抵抗は、前記第２スイッチング素子のＯＦＦ抵抗より小さい。【選択図】図１
Description
本発明は、磁気記録アレイに関する。
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。
ＭＲＡＭは、磁化の向きの変化によって生じる抵抗値変化をデータ記録に利用している。記録メモリの大容量化を実現するために、メモリを構成する素子の小型化、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットの多値化が検討されている。
特許文献１及び２には、磁壁移動素子が記載されている。特許文献１は磁壁移動素子をセンサとして用い、特許文献２はデータの記録素子として用いている。例えば磁壁移動素子を記録素子として用いる場合、磁壁移動素子は、磁壁の位置によって情報をアナログに記録する。磁壁の位置は、磁壁移動部に接続されたスイッチング素子により制御する。
磁壁移動素子は、複数の磁壁移動素子が集積された磁気記録アレイとして用いられ、特に和積演算アレイとして用いられる場合が多い。和積演算アレイとして使用する際には、特に低消費電力のために素子の抵抗面積積（ＲＡ）を大きくすることが求められる。磁気記録アレイは、スイッチング素子及び配線等の制御部と磁壁移動素子とを有する。複数の磁壁移動素子は、制御部を作製後に、制御部の所定の位置に作製される。しかしながら、複数の磁壁移動素子の一部は、磁気記録アレイを作製後に、故障している場合がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、製造時における磁壁移動素子の故障を抑制できる磁気記録アレイを提供することを目的とする。
（１）第１の態様に係る磁気記録アレイは、複数の磁壁移動素子と、基準電位と電気的に接続され、かつ、前記複数の磁壁移動素子のうち少なくとも１つの磁壁移動素子と電気的に接続された第１配線と、前記複数の磁壁移動素子のうち少なくとも２つ以上の磁壁移動素子と電気的に接続された第２配線と、前記磁壁移動素子のそれぞれと前記第１配線との間に接続された第１スイッチング素子と、前記磁壁移動素子のそれぞれと前記第２配線との間に接続された第２スイッチング素子と、を備え、前記磁壁移動素子はそれぞれ、前記第１配線及び前記第２配線と電気的に接続され磁壁を含む磁気記録層と、第１強磁性層と、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に位置する非磁性層と、を備え、前記第１スイッチング素子のＯＦＦ抵抗は、前記第２スイッチング素子のＯＦＦ抵抗より小さい。
（２）上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記第１スイッチング素子のＯＦＦ抵抗は、前記非磁性層の抵抗値よりも小さくてもよい。
（３）上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記第１配線は接地されていてもよい。
（４）上記態様にかかる磁気記録アレイは、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を支持し、外部に露出した基板をさらに有し、前記第１配線は、前記基板と電気的に接続されていてもよい。
（５）上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子は、トランジスタであってもよい。
（６）上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記磁壁移動素子の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０５Ωμｍ２以上であってもよい。
上記態様にかかる磁気記録アレイによれば、製造時における磁壁移動素子の故障を抑制できる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
（磁気記録アレイ）
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の回路図である。磁気記録アレイ２００は、磁壁移動素子１００と、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと、第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと、第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎと、第１スイッチング素子１１０と、第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０とを備える。
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の回路図である。磁気記録アレイ２００は、磁壁移動素子１００と、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと、第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと、第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎと、第１スイッチング素子１１０と、第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０とを備える。
＜第１配線、第２配線、第３配線＞
第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、基準電位と電気的に接続されている。例えば、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎが接地されている場合、基準電位はグラウンドとなる。また第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の磁壁移動素子１００のうち少なくとも一つの磁壁移動素子１００に接続されている。第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁壁移動素子１００に亘って設けられてもよい。
第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、基準電位と電気的に接続されている。例えば、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎが接地されている場合、基準電位はグラウンドとなる。また第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の磁壁移動素子１００のうち少なくとも一つの磁壁移動素子１００に接続されている。第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁壁移動素子１００に亘って設けられてもよい。
第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、書き込み配線である。第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、複数の磁壁移動素子１００のうち少なくとも２つ以上の磁壁移動素子１００と電気的に接続されている。第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、磁気記録アレイ２００の使用時に、電源と接続される。第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、磁気記録アレイ２００の製造時には、電源と接続されておらず、第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎの電位は浮遊している。
第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、読み出し配線である。第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、複数の磁壁移動素子１００のうち少なくとも１つ以上の磁壁移動素子１００と電気的に接続されている。第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、磁気記録アレイ２００の使用時に、電源と接続される。第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、磁気記録アレイ２００の製造時には、電源と接続されておらず、第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎの電位は浮遊している。
＜第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子＞
第１スイッチング素子１１０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に接続されている。
第１スイッチング素子１１０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に接続されている。
第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎとの間に書き込み電流が流れる。第１スイッチング素子１１０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。例えば、第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０として、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用したもの、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用したもの、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用したもの、原子位置の変化に伴い伝導性が変化するもの等を用いることができる。
第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗は、第２スイッチング素子１２０のＯＦＦ抵抗より小さい。また第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗は、後述する非磁性層３０の抵抗値よりも小さいことが好ましい。ここでＯＦＦ抵抗とは、電圧を印加していない状態における抵抗値を意味し、例えば製造時における第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０の抵抗を意味する。
第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、一つの第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎ又は一つの第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎに接続された磁壁移動素子１００で、共用してもよい。例えば、いずれかの第２配線Ｗｐｎの上流側に一つの第２スイッチング素子１２０を設けてもよい。また例えば、いずれかの第３配線Ｒｐｎの上流側に一つの第３スイッチング素子１３０を設けてもよい。各磁壁移動素子１００に接続された第１スイッチング素子１１０のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、特定の磁壁移動素子１００を選択できる。
＜磁壁移動素子＞
図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイの磁壁移動素子の断面図である。磁壁移動素子１００は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０とを備える。以下、磁気記録層２０の延びた方向をｘ方向、磁気記録層２０の存在する面内でｘ方向と交差（例えば、略直交）する方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向と交差（例えば、略直交）する方向をｚ方向とする。ｚ方向は、例えば、磁気記録層２０に対する非磁性層３０及び第１強磁性層１０の積層方向である。
図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイの磁壁移動素子の断面図である。磁壁移動素子１００は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０とを備える。以下、磁気記録層２０の延びた方向をｘ方向、磁気記録層２０の存在する面内でｘ方向と交差（例えば、略直交）する方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向と交差（例えば、略直交）する方向をｚ方向とする。ｚ方向は、例えば、磁気記録層２０に対する非磁性層３０及び第１強磁性層１０の積層方向である。
「磁気記録層」
磁気記録層２０は、ｘ方向に延びている。磁気記録層２０は、内部に磁壁２１を有する。磁壁２１は、互いに反対方向の磁化を有する第１の磁区２２と第２の磁区２３との境界である。図２に示す磁壁移動素子１００は、第１の磁区２２が＋ｚ方向、第２の磁区２３が−ｚ方向に配向した磁化を有する。
図２では、磁化がｚ軸方向に沿って配向した例を用いて説明する。磁気記録層２０及び第１強磁性層１０の磁化はｘ軸方向に沿って配向してもよいし、これら以外の方向に配向していてもよい。
磁気記録層２０は、ｘ方向に延びている。磁気記録層２０は、内部に磁壁２１を有する。磁壁２１は、互いに反対方向の磁化を有する第１の磁区２２と第２の磁区２３との境界である。図２に示す磁壁移動素子１００は、第１の磁区２２が＋ｚ方向、第２の磁区２３が−ｚ方向に配向した磁化を有する。
図２では、磁化がｚ軸方向に沿って配向した例を用いて説明する。磁気記録層２０及び第１強磁性層１０の磁化はｘ軸方向に沿って配向してもよいし、これら以外の方向に配向していてもよい。
磁壁移動素子１００は、磁気記録層２０の磁壁２１の位置によって、データを多値又は連続的に記録する。磁気記録層２０に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁壁移動素子１００の抵抗値変化として読み出される。
磁気記録層２０における第１の磁区２２と第２の磁区２３との比率は、磁壁２１が移動すると変化する。第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は、第１の磁区２２の磁化Ｍ２２と同じ方向（平行）であり、第２の磁区２３の磁化Ｍ２３と反対方向（反平行）である。磁壁２１が＋ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重畳する部分における第１の磁区２２の面積が広くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁２１が−ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重畳する部分における第２の磁区２３の面積が広くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は高くなる。
磁壁２１は、磁気記録層２０の延在方向に書き込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。磁気記録層２０は第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎ及び第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎに接続されている。例えば、磁気記録層２０の＋ｘ方向に書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、磁壁２１が移動する。この時、電子は、電流と逆の−ｘ方向に流れる。第１の磁区２２から第２の磁区２３に向って電流が流れる場合、第１の磁区２３でスピン偏極した電子は、第１の磁区２２の磁化Ｍ２２を磁化反転させる。第１の磁区２２の磁化Ｍ２２が磁化反転することで、磁壁２１が移動する。
磁気記録層２０は、磁性体により構成される。磁気記録層２０を構成する磁性体は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
磁気記録層２０は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。磁気記録層２０に用いられる材料として、例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料が挙げられる。ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁を移動するために必要な閾値電流を下げることができる。またＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁の移動速度を抑えることができる。
「第１強磁性層」
第１強磁性層１０は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが磁気記録層２０よりも変化しにくい磁性体からなる層である。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。
第１強磁性層１０は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが磁気記録層２０よりも変化しにくい磁性体からなる層である。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。
第１強磁性層１０は、強磁性体を含む。第１強磁性層１０を構成する強磁性材料としては、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
第１強磁性層１０を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺ又はＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
第１強磁性層１０の膜厚は、第１強磁性層１０の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、１．５ｎｍ以下とすることが好ましく、１．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。第１強磁性層１０の膜厚を薄くすると、第１強磁性層１０と他の層（非磁性層３０）との界面で、第１強磁性層１０に垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を付加できる。第１強磁性層１０の磁化が、ｚ方向に配向しやすくなる。
第１強磁性層１０の磁化は、一例としてｚ方向に固定される。ｚ方向に磁化を固定する際には、第１強磁性層１０をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択された強磁性体とＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈからなる群から選択された非磁性体と積層体とすることが好ましく、中間層としてＩｒ、Ｒｕからなる群から選択された非磁性体を積層体のいずれかの位置に挿入することがより好ましい。強磁性体と非磁性体を積層すると垂直磁気異方性を付加することができ、中間層を挿入することによって強磁性層１０の磁化はより強く垂直方向に固定することができる。
磁壁移動素子１００は、第１強磁性層１０の非磁性層３０と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を有してもよい。第１強磁性層１０と反強磁性層とが反強磁性カップリングすると、第１強磁性層１０の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。
「非磁性層」
非磁性層３０は、例えば、絶縁体からなる。非磁性層３０は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉからなる群からなる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。非磁性層３０は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等である。Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換されていてもよい。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。
非磁性層３０は、例えば、絶縁体からなる。非磁性層３０は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉからなる群からなる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。非磁性層３０は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等である。Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換されていてもよい。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。
非磁性層３０の厚みは、２０Å以上であることが好ましく、３０Å以上であることがより好ましい。非磁性層３０の厚みが厚いと、磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０５Ωμｍ２以上であることが好ましく、１×１０６Ωμｍ２以上であることがより好ましい。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、一つの磁壁移動素子１００の素子抵抗と磁壁移動素子１００の素子断面積（非磁性層３０をｘｙ平面で切断した切断面の面積）の積で表される。
磁気記録アレイ２００は、磁壁移動素子１００が複数集積されている。磁気記録アレイ２００全体には、データの書き込み時及び読み込み時に、磁壁移動素子１００のそれぞれに流す電流の総和の電流が印加される。各磁壁移動素子１００に流す電流量が大きくなると、磁気記録アレイ２００全体に印加する電流量は非常に大きくなる。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）が大きいと、各磁壁移動素子１００に流れる電流量が小さくなる。つまり、磁気記録アレイ２００に印加される電流の総和が小さくなり、磁気記録アレイ２００の消費電力が低減する。
図２に示す磁壁移動素子１００は一例であり、その他の構成でもよい。図３は、第１実施形態に係る磁気記録アレイの磁壁移動素子の別の例の断面図である。図３に示す磁壁移動素子１０１は、磁気記録層２０と非磁性層３０との間に、第２強磁性層４０を備える点が、図２に示す磁壁移動素子１００と異なる。第２強磁性層４０は、磁気記録層２０の磁気状態を反映する。
第２強磁性層４０は、磁性体を含む。第２強磁性層４０を構成する磁性体は、第１強磁性層１０と同様のものを用いることができる。
第２強磁性層４０は、磁気記録層２０と互いに隣り合う。第２強磁性層４０の磁化は、磁気記録層２０の磁化と磁気結合している。第２強磁性層４０は、磁気記録層２０の磁気状態を反映する。第２強磁性層４０と磁気記録層２０とが強磁性カップリングする場合は、第２強磁性層４０の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と同一になる。第２強磁性層４０と磁気記録層２０とが反強磁性カップリングする場合は、第２強磁性層４０の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と反対になる。
磁壁移動素子１０１のＭＲ比は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体（第１強磁性層１０と第２強磁性層４０）の磁気状態の変化により生じる。第２強磁性層４０は、第１強磁性層１０との間で、コヒーレントトンネル効果を得やすい材料を含むことが好ましい。
一方で、磁気記録層２０は、磁壁２１の移動速度が遅くなる材料を含むことが好ましい。図２に示す磁壁移動素子１００の場合、磁気記録層２０は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体の一方である。図２に示す磁壁移動素子１００の場合、磁気記録層２０は、磁壁２１の移動速度が遅く、かつ、磁壁移動素子１００のＭＲ比を向上できる材料により構成されていることが好ましい。これに対し、図３に示す磁壁移動素子１０１の場合、磁気記録層２０は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体ではない。図３に示す磁壁移動素子１０１の場合、磁気記録層２０を構成する材料は、磁壁移動素子１０１のＭＲ比への影響が少ない。したがって、図３に示す磁壁移動素子１０１は、磁気記録層２０の材料選択の自由度が高い。
図４は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイの構成図である。図４は、磁気記録アレイ２００における各構成の接続関係を理解しやすくするためのイメージ図である。磁壁移動素子１００に代えて、上述の磁壁移動素子１０１を用いてもよい。
図４では、第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０が電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）の場合を例に図示している。第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、ソース領域１１２、１２２と、ドレイン領域１１１、１２１と、ゲート電極１１３、１２３と、ゲート絶縁膜１１４、１２４を有する。
図１に示すように、磁気記録アレイ２００は、磁壁移動素子１００と、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと、第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと、第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎと、第１スイッチング素子１１０と、第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０とを備える。第１配線Ｃｍｎは、例えば、それぞれの磁壁移動素子１００に接続された複数のドレイン領域１１１を繋ぐように紙面鉛直方向に配設されている。第２配線Ｗｐｎは、例えば、それぞれの磁壁移動素子１００に接続された複数のソース領域１２２を繋ぐように紙面鉛直方向に配設されている。第３配線Ｒｐｎは、例えば、複数の磁壁移動素子１００の第１強磁性層１０を繋ぐように紙面鉛直方向に配設されている。第３スイッチング素子１３０（図示略）は、紙面と異なる位置に配設されている。
次いで、図４を参照しながら、磁気記録アレイ２００の製造方法の一例について説明する。まず基板Ｓｂを準備する。基板Ｓｂは、例えば、半導体基板である。基板Ｓｂは、第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０を作製するための支持体である。基板Ｓｂは、外部に露出する。基板Ｓｂを接地すると、基板Ｓｂはグラウンドとなる。
基板Ｓｂの一面に、第１層６１を積層する。第１層６１は、例えば、層間絶縁膜、半導体層等が用いられる。第１層６１は、配線等が配設された層間絶縁膜上に、第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０が形成される半導体層が積層されたものでもよい。
第１層６１のｚ方向に、ビア配線７１を形成する。ビア配線７１は、フォトリソグラフィー等で加工される。ビア配線７１は、ホールを加工後、ホール内部を導電体で充填して作製する。ビア配線７１は、製造時において、ドレイン領域１１１と後述するビア配線８１とを介して、第１配線Ｃｍｎに繋がる。ビア配線７１は、製造時において第１配線Ｃｍｎと基板Ｓｂとを繋ぐ。ビア配線７２は、第１配線Ｃｍｎと基板Ｓｂとを等電位にする。ビア配線７１は、第１層６１の第１面と第２面とを等電位にする。ビア配線７１は、電荷が第１層６１に蓄積することを抑制する。第１配線Ｃｍｎは、基板Ｓｂと電気的に接続され、基準電位となる。ビア配線７１は、磁気記録アレイ２００を構成する複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに設けられている必要はなく、いずれか一つの磁壁移動素子１００に設けられていれば、基板Ｓｂと第１配線Ｃｍｎとが等電位となる。
第１層６１の一部に、不純物イオンを注入し、トランジスタを形成する。不純物のドープ量を調整することでトランジスタの抵抗値を変えられる。例えば、第１層６１の表面がｐ型半導体層の場合、ｎ型の不純物をドープする。ｎ型の不純物がドープされた部分は、第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０のソース領域１１２、１２２及びドレイン領域１１１、１２１となる。第１スイッチング素子１１０のソース領域１１２及びドレイン領域１１１には、第２スイッチング素子１２０のソース領域１２２及びドレイン領域１２１より多くの不純物をドープする。第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗が、第２スイッチング素子１２０のＯＦＦ抵抗より小さくなる。また、第１スイッチング素子１１０の拡散層に第２スイッチング素子１２０の拡散層よりも多くのドープを行ってもよい。第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗が、第２スイッチング素子１２０のＯＦＦ抵抗より小さくなる。
第１層６１の基板Ｓｂと反対側の面に、ゲート絶縁膜１１４、１２４及びゲート電極１１３、１２３を積層する。ゲート絶縁膜１１４、１２４及びゲート電極１１３、１２３は、ソース領域１１２、１２２とドレイン領域１１１、１２１との間の領域を覆うように形成する。ゲート絶縁膜１１４、１２４及びゲート電極１１３、１２３は、マスクを介したスパッタリング等を用いて作製してもよいし、層を形成後にエッチングでパターン加工してもよい。
次いで、第１層６１の基板Ｓｂと反対側の面に第２層６２を積層する。第２層６２は、ゲート絶縁膜１１４、１２４及びゲート電極１１３、１２３を覆う。第２層６２は、第１層６１と第３層６３の間に位置する層間絶縁膜である。第２層６２は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ等が用いられる。第２層６２の内部には、例えば、第１配線Ｃｍｎ、第２配線Ｗｐｎが配設される。第１配線Ｃｍｎ及び第２配線Ｗｐｎは、フォトリソグラフィー等で加工される。
第２層６２内に、ビア配線５０、５１、８１、８２を形成する。ビア配線５０は、第１スイッチング素子１１０のソース領域１１２と重なる位置に形成する。ビア配線５１は、第２スイッチング素子１２０のドレイン領域１２１と重なる位置に形成する。ビア配線８１は、第１スイッチング素子１１０のドレイン領域１１１と重なる位置に形成する。ビア配線８２は、第２スイッチング素子１２０のソース領域１２２と重なる位置に形成する。ビア配線８１は、第１配線Ｃｍｎとドレイン領域１１１とを繋ぐ。ビア配線８２は、第２配線Ｗｐｎとソース領域１２２とを繋ぐ。ビア配線５０、５１、８１、８２は、ホールを加工後、ホール内部を導電体で充填して作製する。
次いで、第２層６２の表面に、磁壁移動素子１００を作製する。強磁性層、非磁性層、強磁性層を、第２層６２上に順に積層する。フォトリソグラフィー等を用いて積層した各層を加工して、磁気記録層２０、非磁性層３０、第１強磁性層１０が得られる。磁壁移動素子１００の周囲を層間絶縁膜で覆い、第３層６３が得られる。
最後に、第１強磁性層１０の一面に第３配線Ｒｐｎを作製する。第３配線Ｒｐｎの周囲を層間絶縁膜で覆い、第４層６４が得られる。
第１実施形態にかかる磁気記録アレイは、第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗が、第２スイッチング素子１２０のＯＦＦ抵抗より小さいため、製造時における磁壁移動素子１００の故障を抑制できる。この理由について説明する。
磁壁移動素子１００は、磁気記録アレイ２００の消費電力を抑えるために、抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる場合が多い。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）の主要因は、非磁性層３０である。抵抗が大きい非磁性層３０は、コンデンサのように電荷を蓄積しやすい。磁壁移動素子１００は、様々な処理工程が行われる。例えば、処理面を改質する際は、処理面にプラズマを照射する。プラズマ処理を行うと、非磁性層３０に電荷が蓄積される。非磁性層３０に電荷が蓄積されると、磁壁移動素子１００に異常電圧がかかり、磁壁移動素子１００が故障する場合がある。
製造時において第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、電源と接続されていない。つまり第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、電位的に浮遊している。これに対し、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、基準電位に接続されている。
第２スイッチング素子１２０のＯＦＦ抵抗が、第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗より小さいと、非磁性層３０に蓄積された電荷の一部が、第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎ側に向かう。図１に示すように第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、複数の磁壁移動素子１００のうち少なくとも２つ以上の磁壁移動素子１００と電気的に接続されている。ある磁壁移動素子１００の非磁性層３０に蓄積された電荷は、第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎを介して、他の磁壁移動素子１００に流れる。一方で、第２配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは電位的に浮遊しているため、電荷は磁気記録アレイ２００から除去されない。
これに対し、第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗が、第２スイッチング素子１２０のＯＦＦ抵抗より小さい場合は、非磁性層３０に蓄積された電荷は、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎ側に向かう。第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎの電位は、基準電位である。電荷は、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎを介して効率的に除去される。したがって、電荷は磁気記録アレイ２００内に蓄積されず、異常電圧に伴う磁壁移動素子１００の故障を抑制できる。
第１スイッチング素子１１０のＯＦＦ抵抗が、非磁性層３０の抵抗値より小さいと、第１スイッチング素子１１０に蓄積される電荷は、非磁性層３０に蓄積される電荷よりも小さくなる。そのため、電荷は、第１スイッチング素子１１０、および、第１配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎを介してより効率的に除去される。したがって、電荷は磁気記録アレイ２００内に蓄積されず、異常電圧に伴う磁壁移動素子１００の故障をより抑制できる。
磁壁移動素子１００は、“１”と“０”のデジタル信号ではなく、アナログにデータを記録できる。そのため、磁気記録アレイ２００は、脳を模倣したニューロモロフィックデバイスとして機能する。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 第１強磁性層
２０ 磁気記録層
２１ 磁壁
２２ 第１の磁区
２３ 第２の磁区
３０ 非磁性層
４０ 第２強磁性層
５０、５１、７１、８１、８２ ビア配線
６１ 第１層
６２ 第２層
６３ 第３層
６４ 第４層
１００、１０１ 磁壁移動素子
１１０ 第１スイッチング素子
１２０ 第２スイッチング素子
１３０ 第３スイッチング素子
１１１、１２１ ドレイン領域
１１２、１２２ ソース領域
１１３、１２３ ゲート電極
１１４、１２４ ゲート絶縁膜
２００ 磁気記録アレイ
Ｃｍ１〜Ｃｍｎ 第１配線
Ｗｐ１〜Ｗｐｎ 第２配線
Ｒｐ１〜Ｒｐｎ 第３配線
Ｓｂ 基板
２０ 磁気記録層
２１ 磁壁
２２ 第１の磁区
２３ 第２の磁区
３０ 非磁性層
４０ 第２強磁性層
５０、５１、７１、８１、８２ ビア配線
６１ 第１層
６２ 第２層
６３ 第３層
６４ 第４層
１００、１０１ 磁壁移動素子
１１０ 第１スイッチング素子
１２０ 第２スイッチング素子
１３０ 第３スイッチング素子
１１１、１２１ ドレイン領域
１１２、１２２ ソース領域
１１３、１２３ ゲート電極
１１４、１２４ ゲート絶縁膜
２００ 磁気記録アレイ
Ｃｍ１〜Ｃｍｎ 第１配線
Ｗｐ１〜Ｗｐｎ 第２配線
Ｒｐ１〜Ｒｐｎ 第３配線
Ｓｂ 基板
Claims (6)
- 複数の磁壁移動素子と、
基準電位と電気的に接続され、かつ、前記複数の磁壁移動素子のうち少なくとも１つの磁壁移動素子と電気的に接続された第１配線と、
前記複数の磁壁移動素子のうち少なくとも２つ以上の磁壁移動素子と電気的に接続された第２配線と、
前記磁壁移動素子のそれぞれと前記第１配線との間に接続された第１スイッチング素子と、
前記磁壁移動素子のそれぞれと前記第２配線との間に接続された第２スイッチング素子と、を備え、
前記磁壁移動素子はそれぞれ、前記第１配線及び前記第２配線と電気的に接続され磁壁を含む磁気記録層と、第１強磁性層と、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に位置する非磁性層と、を備え、
前記第１スイッチング素子のＯＦＦ抵抗は、前記第２スイッチング素子のＯＦＦ抵抗より小さい、磁気記録アレイ。 - 前記第１スイッチング素子のＯＦＦ抵抗は、前記非磁性層の抵抗値よりも小さい、請求項１に記載の磁気記録アレイ。
- 前記第１配線は接地されている、請求項１又は２に記載の磁気記録アレイ。
- 前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を支持し、外部に露出した基板をさらに有し、
前記第１配線は、前記基板と電気的に接続されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。 - 前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子はトランジスタである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。
- 前記磁壁移動素子の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０５Ωμｍ２以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。
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