JP6885399B2 - 磁気ニューロ素子 - Google Patents
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Description
本願は、2016年4月21日に、日本に出願された特願2016−085530号に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。
特許文献4には、磁壁駆動型MRAMについて、多値記録やアナログ記録の方法について記載されている。
MRAMでは、データの異なる書き込み方法が提案されており、磁壁駆動型MRAM以外にも、磁場書き込み型、ヨーク磁場書き込み型、STT(Spin Transfer Torque)型、SOT(Spin Orbit Torque)型MRAMなどが知られている。
図1は、本発明の一実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ素子の一例の断面模式図である。
図1に示す磁壁利用型アナログメモリ素子100は、磁壁DWを有し、第1領域1aおよび第2領域1bとそれらの領域の間に位置する第3領域1cとからなる磁壁駆動層1と、第3領域に接する下部電極層4と、第3領域の、下部電極層4が接する面の反対の面に非磁性層6を介して設置された磁化固定層5と、を備える。
図1に示す磁壁利用型アナログメモリ素子100ではさらに、第1領域1aに接し、第1の磁化の向きを有する第1磁化供給層2と、第2領域に接し、第1の磁化の向きと反対向きの第2の磁化の向きを有する第2磁化供給層3と、を備えている。第1磁化供給層2および第2磁化供給層3を備えない場合には、磁壁駆動層1に流す書き込み電流をスピン偏極電流とすればよい。
また、図1に示す磁壁利用型アナログメモリ素子100ではさらに、磁壁駆動層1と下部電極層4の間に高抵抗層7を備えている。高抵抗層7は磁壁駆動層1よりも電気抵抗率が高い層である。なお、高抵抗層7は、磁壁駆動層1の磁壁を駆動する際に、電流が下部電極層4に流れることで磁壁の駆動が阻害されることを防止する層であり、上記防止機能を奏する材料であれば、高抵抗層7の材料に特に制限はない。非磁性の材料でもよい。高抵抗層7は、トンネルバリア層であってもよい。従って、高抵抗層7は、トンネル電流を流すことができる絶縁材料であってもよい。
図1において、各層の積層方向すなわち、各層の主面に直交する方向(面直方向)をZ方向として定義している。各層はZ方向に直交するXY面に平行に形成されている。
なお、磁化固定層とは、書き込み電流を用いた書き込み前後において磁化方向が変化しない(磁化が固定されている)層の意味であり、それを満たす層であれば、特に限定なく用いることとができる。
図1に示す例では、磁壁駆動層1、第1磁化供給層2、第2磁化供給層3および磁化固定層5は、面内磁気異方性(面内磁化容易軸)を有する面内磁化膜であるが、図2に示すように、それらの層は垂直磁気異方性(垂直磁化容易軸)を有する垂直磁化膜であってもよい。面内磁化膜を形成しやすい材料としては例えば、NiFeがある。また、垂直磁化膜を形成しやすい膜としては例えば、Co/Ni積層膜がある。
面内磁化膜を用いると、高いMR比を有し、読み込み時にSTTによる書き込みがされ難いために大きな読み取り電圧を用いることができる。一方、素子を微小化したい場合には磁気異方性が大きく、反磁界が小さい、垂直磁化膜を用いることが好ましい。熱擾乱に対する耐性が大きいため、データが消去されにくくなる。
本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子は従来の磁壁駆動型MRAMの各素子に比べて、読み込み時における磁壁の移動が劇的に抑制されているため、従来の磁壁駆動型MRAMでは実現できなかった安定したアナログ的信号出力を得ることが可能な素子である。
そこでまず、従来の磁壁駆動型MRAMについて説明する。
前者の方式では、磁化固定層と同じスピン状態を有するスピン偏極電子が磁化固定層から磁化自由層へ供給される、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれる。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。上記のように、磁気抵抗効果素子を貫通する書き込み電流の方向により、磁化自由層の磁化方向を規定することができる。なお、前者の方式の磁気抵抗効果素子を複数備える磁壁駆動型磁気メモリは、磁壁駆動型MRAMと呼ばれる。
例えば、図4Aの点線で示す向きに、第2磁化供給層3から磁化自由層11へさらに第1磁化供給層2へと電流を流すと、伝導電子は電流の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第1磁化供給層2から電子が磁化自由層11へ入ると、電子は第1磁化供給層2及び磁化自由層11の第1磁化供給層2と磁気結合したドメインの磁化の向きに対応したスピン偏極電子となる。スピン偏極電子が磁壁に到達すると、磁壁においてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁に対してスピントランスファーを起こし、磁壁は伝導電子の流れる向きと同じ向きに移動する。同様に、図4Bの点線で示す向きに、第1磁化供給層2から磁化自由層11へさらに第2磁化供給層3へと電流を流すと、伝導電子は電流の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第2磁化供給層3から、電子が磁化自由層11へ入ると、電子は第2磁化供給層3及び磁化自由層11の第2磁化供給層3と磁気結合したドメインの磁化の向きに対応したスピン偏極電流となる。スピン偏極電子が磁壁に到達すると、磁壁においてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁に対してスピントランスファーを起こし、磁壁は伝導電子の流れる向きと同じ向きに移動する。
このような磁壁の移動により、磁化自由層11のうち、磁化固定層5の直下の部分の磁化を磁化固定層5の磁化の向きと平行の状態にしたり、あるいは、反平行の状態にすることができる。従って、“0”状態と“1”状態との間での情報の書き換えが可能である。
データの読み出しは、非磁性層6を介した磁化固定層5と磁化自由層11との間で電流を流し、磁化固定層5の磁化と磁化自由層11の磁化との相対角に応じた抵抗の変化を検出することで行う。磁化自由層11のうち、磁化固定層5の直下の部分の磁化を磁化固定層5の磁化の向きと平行の状態のときは低抵抗であり、一方、反平行の状態のときは高抵抗である。このような抵抗の変化を検知することにより、データが判別される。
上記のように、従来の磁壁駆動型MRAMの構成においては、読み出し時に、磁壁駆動層(磁化自由層)の磁壁駆動の方向(面内方向)に電流を流す必要がある。そのため、得られる出力信号は最終的には0か1のデジタルの信号になる。また、平面視して、磁壁駆動層(磁化自由層)と磁気抵抗効果素子部とが重なる部分よりも外側に磁壁移動が完了していないと、読み込み時に磁壁が移動して誤書き込みや読み出し初期時の信号が変化する。
磁壁DWは、磁壁駆動層1の面内方向に書き込み電流(スピン偏極電流)を流すことによって移動させることができる。
磁壁DWの移動方向は、書き込み電流(スピン偏極電流)の流す方向によって設定することができる。すなわち、磁壁DWを−X方向に移動させたいときには、スピン偏極した電子の流れが磁壁DWの右方向から当たるように、X方向に書き込み電流(スピン偏極電流)を流す(図4B参照)。逆に、磁壁DWをX方向に移動させたいときには、スピン偏極した電子の流れが磁壁DWの左方向から当たるように、−X方向に書き込み電流(スピン偏極電流)を流す(図4A参照)。
また、磁壁DWの移動量(移動距離)は、書き込み電流の大きさ、時間を調整することによって可変に制御することができる。書き込み電流の大きさ、時間は例えば、パルス数あるいはパルス幅によって設定してもよい。
上記のように、書き込み電流(スピン偏極電流)の流す方向、大きさ、時間、パルス数あるいはパルス幅を調整することによって、磁壁駆動層1中の磁壁DWの位置を所望の位置に移動できる。
磁壁DWが図7で示す位置にあるときは、磁気抵抗効果素子部10は、磁化固定層5と、非磁性層6と、磁壁駆動層1のうちの磁壁DWから第2磁化供給層3側の部分(磁化の向きが磁化固定層5の磁化の向きと平行な部分)1cbとによって形成される低抵抗部と、磁化固定層5と、非磁性層6と、磁壁駆動層1のうちの磁壁DWから第1磁化供給層2側の部分(磁化の向きが磁化固定層5の磁化の向きと反平行な部分)1caとによって形成される高抵抗部との並列回路を備える。
上記構成によって、磁気抵抗効果素子部10の抵抗値としてアナログ的な抵抗値を出力できる。また、磁壁DWの位置を複数の位置に設定することにより、その数に応じた多値的な抵抗値を出力できる。
本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子では、磁化固定層5の直下に読み出し電流が通る下部電極層を設けることにより、読み出し電流を、磁壁駆動層を垂直方向に流すことを可能にした。すなわち、読み出し電流(スピン偏極した電子の流れ)を磁壁と平行する方向を流すことにより、読み出し時の磁壁への影響を従来技術に比べて劇的に低減することができる。その結果、従来技術に比べて安定な読み出しが可能である。
例えば、磁壁ピン止め部を所定の距離ごとに形成することにより、磁壁をより安定的に保持することができ、安定的な多値記録を可能にし、より安定的に多値化された出力信号を読み出すことを可能にする。
また、磁気抵抗効果素子部10は、非磁性層6が絶縁体からなる場合はトンネル磁気抵抗(TMR)素子の役割を果たし、非磁性層6が金属からなる場合は巨大磁気抵抗(GMR)素子の役割を果たす。
例えば、非磁性層6が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al2O3、SiO2、MgO、MgAl2O4、ZnAl2O4、MgGa 2O4、ZnGa2O4、MgIn2O4、ZnIn2O4、及び、これらの材料の多層膜や混合組成膜等を用いることができる。またこれらの他にも、Al,Si,Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、非磁性層6が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
例えば、下部電極層4と磁化固定層5との重なり程度が100%以外である場合、読み出し時に磁壁が移動する可能性がある。読み出し時に磁壁が移動するか否かは、下部電極層4と磁化固定層5との重なりの位置と読出し電流の向きに依存する。
本実施形態の磁壁利用型アナログメモリは、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備える。
図1等で示した磁壁利用型アナログメモリ素子100は、第1磁化供給層2及び第2磁化供給層3のそれぞれには第1配線11、第2配線12が接続されている。また、磁化固定層5には第3配線13に接続され、さらに、下部電極層4には第4配線14が接続されている。符号15は、層間絶縁層である。
第1制御素子15は、複数の磁壁利用型アナログメモリ素子100のそれぞれの第2配線12を介して磁壁駆動層1に接続されている。第1制御素子15は、図示略の外部電源に接続され、磁壁駆動層1に流す電流を制御する。
第1セル選択素子16は、複数の磁壁利用型アナログメモリ素子100のそれぞれの第1配線11を介して磁壁駆動層1に接続されている。第1セル選択素子16は、一つの磁壁利用型アナログメモリ素子100に対して一つ設けられている。第1セル選択素子16は、いずれの磁壁利用型アナログメモリ素子100に書き込み電流を流すかを制御する。第1セル選択素子16は、接地されている。
第2制御素子17は、第3配線13に接続されている。
第2制御素子17は、図示略の外部電源に接続され、第3配線13に流す電流を制御する。
第2セル選択素子18は、複数の磁壁利用型アナログメモリ素子100のそれぞれの第4配線14を介して下部電極層4に接続されている。第2セル選択素子18は、一つの磁壁利用型アナログメモリ素子100に対して一つ設けられている。第2セル選択素子18は、いずれの磁壁利用型アナログメモリ素子100に読み出し電流を流すかを制御する。第2セル選択素子18は、接地されている。
第2制御素子17及び第2セル選択素子18は読み出し機構として機能する。
本実施形態の不揮発性ロジック回路は、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子がアレイ状に配置された磁壁利用型アナログメモリと、STT−MRAMとを備え、記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として上記磁壁利用型アナログメモリ及びSTT−MRAMを備える。
磁壁利用型アナログメモリとSTT−MRAMは同一の工程で作製することが可能であるため、コストの削減が可能である。また、デジタル的であるSTT−MRAMがアレイ上に配置された磁壁利用型アナログメモリと同一回路に設置されることで、入出力をデジタル化し、内部ではアナログで処理することが可能なロジックを形成することができる。
図13は、本実施形態の一実施形態に係る磁気ニューロ素子の一例の断面模式図である。
本実施形態の磁気ニューロ素子は、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子を備え、磁壁駆動層1の第3領域1cが長手方向に並ぶ、第1記憶部21bと第1記憶部21bを挟む第2記憶部21aおよび第3記憶部21cとを有する。また、磁気ニューロ素子は、第1記憶部21b、第2記憶部21aおよび第3記憶部21cのすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を流すように制御可能な制御回路を有する、電流源(図示略)を備えている。
第1記憶部21bは、磁壁駆動層1の第3領域1cのうち、平面視して磁化固定層5と重なる部分であり、第2記憶部21aは、平面視して磁化固定層5と第1磁化供給層2との間の部分(磁化固定層5及び第1磁化供給層2に重ならない部分)であり、第3記憶部21cは、平面視して磁化固定層5と第2磁化供給層3との間の部分(磁化固定層5及び第2磁化供給層3に重ならない部分)である。
例えば、磁壁駆動層1の磁壁が−X方向に最大に移動した場合、磁壁は第1磁化供給層2の磁化固定層5側の端部21aAで安定化する。電流を第2磁化供給層3から第1磁化供給層2に流すと、電子が第1磁化供給層2から第2磁化供給層3に流れ、第1磁化供給層2及び磁壁駆動層11の内部でスピン偏極した電子が磁壁にスピントランスファーを起こし、磁壁が+X方向に移動する。磁壁が磁化固定層5の第1磁化供給層2側の端部21aBに達するまでは磁壁が移動しても、読出しの抵抗が変化しない。この状態を記憶の初期段階と呼ぶことができる。すなわち、第2記憶部21a内に磁壁が配置する場合を記憶の初期段階と呼ぶことができる。記憶の初期段階ではデータとしての記録がされていないが、データを記録する準備が整えられている状態である。
磁壁が磁化固定層5の下部(平面視して重なる部分)を通過している間は図8のように読出し時の抵抗が変化する。電流を第2磁化供給層3から第1磁化供給層2に流すことで外部からの負荷とし、読出し時には負荷に略比例したような抵抗変化となる。これが主記憶段階である。すなわち、第1記憶部21b内に磁壁が配置する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶことができる。磁壁が磁化固定層5の端部より外側にいる状態を記憶、あるいは、無記憶と定義し、磁壁が逆側の磁化固定層5の端部より外側にいる状態を無記憶、あるいは、記憶と定義することができる。当然、第2磁化供給層3と第1磁化供給層2の間に流れる電流を逆向きにすると、逆の作用となる。
磁壁が磁化固定層5の第2磁化供給層3側の端部21cBに達して、磁化固定層5から離れる方向に移動しても読み込み時の出力は変化しない。しかし、磁壁は磁化固定層5から離れてしまった後は、逆向きの負荷が印可されても、磁壁が磁化固定層5の端部21cBに達するまでは読み込み時の出力は変化しない。すなわち、外部からの負荷が与えられても記憶を失わないことを意味し、これを記憶の深層化段階と呼ぶことができる。すなわち、第3記憶部21c内に磁壁が配置する場合を記憶の深層化段階と呼ぶことができる。
第2磁化供給層3と第1磁化供給層2の間に流れる電流を逆向きにすると、記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階と各記憶部との対応は逆となる。
書き込み電流の条件によって、第1記憶部、第2記憶部および第3記憶部のそれぞれを何回の移動で磁壁が通過し切るかを決めることができる。
無記憶状態に磁壁駆動層1の磁壁を移動させることによって、記憶を忘却することができる。また、外部磁場、熱、及び物理的な歪みを与えることによっても、磁壁の駆動や消失を生じさせることができる。本実施形態の磁壁利用型アナログメモリでは出力が一定の低抵抗と高抵抗の値を示すため、記憶と無記憶は定義によって決定される。また、磁壁駆動層1に電流を流す以外の方法で磁壁を移動や消失させる場合にはランダムとなるため、複数の磁壁利用型アナログメモリ間での情報の相関が失われる。これらを記憶の忘却段階と呼ぶことができる。
本実施形態の磁気ニューロ素子はシナプスの動きを模擬し、記憶の初期段階、主記憶段階、そして、記憶の深層化段階を経ることができるメモリである。本実施形態の磁壁利用型アナログメモリを複数回路上に設置し、脳の模擬をすることが可能である。一般的なメモリのように縦横に均等にアレイさせた配置では集積度が高い脳を形成することが可能である。
また、図14に示したように特定の回路を持った複数の磁気ニューロ素子を一つの塊として、アレイさせた配置では、外部負荷からの認識度が異なる脳を形成することが可能である。例えば、色について感度の良い脳や言語の理解度が高い脳などの個性を生むことができる。つまり、外部のセンサから入手された情報を、視覚、味覚、触覚、嗅覚及び聴覚認識に最適化された五感領域で認識の処理を行い、さらに、論理的思考領域で判断することによって、次の行動を決定するというプロセスを形成させることが可能である。さらに、磁壁駆動層1の材料を変化させると、負荷に対する磁壁の駆動速度や磁壁の形成方法が変化するため、その変化を個性とした人工的な脳を形成することが可能となる。
1a 第1領域
1b 第2領域
1c 第3領域
2 第1磁化供給層
3 第2磁化供給層
4 下部電極層
5 磁化固定層
6 非磁性層
7 トンネルバリア層
8 磁気結合層
21a 第2記憶部
21b 第1記憶部
21c 第3記憶部
100 磁壁利用型アナログメモリ素子
1000 磁壁利用型アナログメモリ
Claims (10)
- 磁壁と、第1領域と、第2領域と、前記第1領域および前記第2領域の間に位置する第3領域と、を有する磁壁駆動層と、前記第3領域に非磁性層を介して設置された磁化固定層と、前記第3領域の、前記磁化固定層が設置された第1面の反対の第2面に、平面視して前記磁化固定層と重なる位置に設置された下部電極層と、を備える磁壁利用型アナログメモリ素子を備え、
前記第3領域は長手方向において前記磁化固定層よりも長く、平面視で前記第3領域において、前記磁化固定層は前記第1領域及び前記第2領域のいずれとも離間して配置しており、
前記磁壁駆動層の前記第3領域が、長手方向に並び、かつ第1記憶部と該第1記憶部を挟んで配置される第2記憶部および第3記憶部とを有し、
平面視して、前記第1記憶部は前記磁化固定層と重なる位置の部分であり、前記第2記憶部は前記第1記憶部と前記第1領域との間の部分であり、前記第3記憶部は前記第1記憶部と前記第2領域との間の部分であり、
前記第1記憶部、前記第2記憶部、および前記第3記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させる書き込み電流を流すように制御可能な制御回路を有する電流源を備える、磁気ニューロ素子。 - 前記磁壁駆動層と前記下部電極層との間に高抵抗層をさらに備える、請求項1に記載の磁気ニューロ素子。
- 前記磁壁駆動層の長さが60nm以上である、請求項1又は2のいずれかに記載の磁気ニューロ素子。
- 前記第1領域に接し、第1の磁化の向きを有する第1磁化供給層と、
前記第2領域に接し、前記第1の磁化の向きと反対向きの第2の磁化の向きを有する第2磁化供給層と、
をさらに備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁気ニューロ素子。 - 前記磁壁駆動層、前記第1磁化供給層、前記第2磁化供給層、および前記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きが、それぞれの層に平行である、請求項4に記載の磁気ニューロ素子。
- 前記磁壁駆動層、前記第1磁化供給層、前記第2磁化供給層、および前記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きが、それぞれの層に垂直である、請求項4に記載の磁気ニューロ素子。
- 前記磁壁駆動層が磁壁ピン止め部を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の磁気ニューロ素子。
- 前記第1磁化供給層又は前記第2磁化供給層のいずれか一方にバイポーラ素子が接続されている、請求項4〜6のいずれか一項に記載の磁気ニューロ素子。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備える、磁気ニューロ素子。
- 読み出し時に前記下部電極層と前記磁化固定層との間の抵抗変化を読み出す機構を備える、請求項9に記載の磁気ニューロ素子。
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