WO2021176656A1 - 磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法 - Google Patents

磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2021176656A1
WO2021176656A1 PCT/JP2020/009460 JP2020009460W WO2021176656A1 WO 2021176656 A1 WO2021176656 A1 WO 2021176656A1 JP 2020009460 W JP2020009460 W JP 2020009460W WO 2021176656 A1 WO2021176656 A1 WO 2021176656A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wiring
spin
reference element
magnetic recording
recording array
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/009460
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
智生 佐々木
Original Assignee
Tdk株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tdk株式会社 filed Critical Tdk株式会社
Priority to JP2020558555A priority Critical patent/JP6819843B1/ja
Priority to PCT/JP2020/009460 priority patent/WO2021176656A1/ja
Priority to US17/269,056 priority patent/US11532783B2/en
Priority to CN202080004561.2A priority patent/CN113939913A/zh
Priority to EP20851276.4A priority patent/EP4117034A4/en
Publication of WO2021176656A1 publication Critical patent/WO2021176656A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/54—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using elements simulating biological cells, e.g. neuron
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02—Neural networks
    • G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
    • G06N3/063—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1659—Cell access
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1697—Power supply circuits
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/18—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using Hall-effect devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C29/00—Checking stores for correct operation ; Subsequent repair; Testing stores during standby or offline operation
    • G11C29/04—Detection or location of defective memory elements, e.g. cell constructio details, timing of test signals
    • G11C29/50—Marginal testing, e.g. race, voltage or current testing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details

Abstract

本実施形態にかかる磁気記録アレイ（200）は、複数のスピン素子（100）と第１リファレンス素子（101）と第２リファレンス素子（102）とを有し、複数のスピン素子、第１リファレンス素子及び第２リファレンス素子はそれぞれ、配線（20-24）と、前記配線に積層された第１強磁性層（1）を含む積層体（10）と、を有し、前記第１リファレンス素子の配線（21, 23）の電気抵抗は、それぞれのスピン素子の配線（20）の電気抵抗より高く、前記第２リファレンス素子の配線（22, 24）の電気抵抗は、それぞれのスピン素子の配線の電気抵抗より低い。

Description

磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法
　本発明は、磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法に関する。
　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、磁気抵抗効果素子を用いたメモリ素子である。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、二つの磁性膜の磁化の向きの相対角の違いによって変化する。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の抵抗値をデータとして記録する。
　磁気抵抗変化を利用したスピン素子の中でも、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子（例えば、特許文献１）や、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子（例えば、特許文献２）に注目が集まっている。
特開２０１７－２１６２８６号公報 特許第５４４１００５号公報
　スピン素子は、例えば、抵抗値によってデータを記録する。スピン素子の抵抗値は、温度や劣化によって変動する。スピン素子の抵抗値がドリフトすると、データの記録の閾値となる基準点が変動し、データの信頼性が低下する。
　またスピン素子は集積され磁気記録アレイとして用いられる場合が多い。多数のスピン素子のそれぞれを使用途中に検査することは難しく、故障を正確に判断することができない。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、データの信頼性が高い磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法を提供することを目的とする。
(１)第１の態様にかかる磁気記録アレイは、複数のスピン素子と第１リファレンス素子と第２リファレンス素子とを有し、複数のスピン素子、第１リファレンス素子及び第２リファレンス素子はそれぞれ、配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体と、を有し、前記第１リファレンス素子の配線の電気抵抗は、それぞれのスピン素子の配線の電気抵抗より高く、前記第２リファレンス素子の配線の電気抵抗は、それぞれのスピン素子の配線の電気抵抗より低い。
(２)上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記第１リファレンス素子の配線の幅は、前記スピン素子の配線の幅より狭く、前記第２リファレンス素子の配線の幅は、前記スピン素子の配線の幅より広くてもよい。
(３)上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記第１リファレンス素子の配線の厚さは、前記スピン素子の配線の厚さより薄く、前記第２リファレンス素子の配線の厚さは、前記スピン素子の配線の厚さより厚くてもよい。
(３)上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記スピン素子、第１リファレンス素子及び第２リファレンス素子のそれぞれの配線は、同じ材料からなってもよい。
(４)上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記第１リファレンス素子の配線の電気抵抗は、前記スピン素子の配線の電気抵抗の１０５％以上であり、前記第２リファレンス素子の配線の電気抵抗は、前記スピン素子の配線の電気抵抗の９５％以下であってもよい。
(５)上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記複数のスピン素子、前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子のそれぞれの配線の長さ方向に電位差を生み出す電源を有し、前記電源は、前記複数のスピン素子、前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子のそれぞれの配線に同じ電圧を印加してもよい。
(６)上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記積層体は、前記配線に近い側から前記第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを有し、前記配線は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかであってもよい。
(７)上記態様にかかる磁気記録アレイにおいて、前記積層体は、前記配線に近い側から非磁性層と前記第１強磁性層とを有し、前記配線は、内部に磁壁を有することができる強磁性層であってもよい。
(８)第２の態様にかかるニューロモルフィックデバイスは、上記態様にかかる磁気記録アレイを有する。
(９)第３の態様にかかる磁気記録アレイの制御方法は、上記態様にかかる磁気記録アレイの制御方法であって、前記複数のスピン素子のうち書き込み対象のスピン素子、前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子のそれぞれの配線に、同じ書き込み電圧を印加する工程と、前記書き込み電圧を印加した素子の積層方向に、読み出し電圧を印加する工程と、前記スピン素子の電気抵抗と前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子の電気抵抗とを比較する工程と、を有する。
(１０)上記態様にかかる磁気記録アレイの制御方法において、前記スピン素子の電気抵抗と前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子の電気抵抗とを比較した際に、前記スピン素子の電気抵抗が、前記第１リファレンス素子の電気抵抗と前記第２リファレンス素子の電気抵抗との間にない場合、前記スピン素子への書き込みを禁止してもよい。
(１１)上記態様にかかる磁気記録アレイの制御方法において、前記スピン素子の電気抵抗と前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子の電気抵抗とを比較した際に、前記スピン素子の電気抵抗が、前記第１リファレンス素子の電気抵抗と前記第２リファレンス素子の電気抵抗との間にない場合、前記スピン素子へのデータの書き込み及び読み出しを他の素子に置き換えてもよい。
　上記態様にかかる磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイス及び磁気記録アレイの制御方法は、データの信頼性が高い。
第１実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部の断面図である。 第１実施形態にかかるスピン素子の断面図である。 第１実施形態にかかるスピン素子の平面図である。 第１実施形態にかかる第１リファレンス素子の平面図である。 第１実施形態にかかる第２リファレンス素子の平面図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの動作の一例のフロー図である。 第１変形例にかかる第１リファレンス素子の断面図である。 第１変形例にかかる第２リファレンス素子の断面図である。 第２実施形態にかかるスピン素子の断面図である。 第３実施形態にかかるスピン素子の断面図である。
　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、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。
　まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、後述する配線が延びる方向であり、配線の長さ方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
「第１実施形態」
　図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の第１リファレンス素子１０１と、複数の第２リファレンス素子１０２と、複数の書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子ＳＷ１と、複数の第２スイッチング素子ＳＷ２と、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３と、を備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。磁気抵抗効果素子１００は、スピン素子の一例である。
　磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２は、例えば、行列状に配列している。第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２は、例えば、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎのそれぞれに接続されている。第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２の数は、この場合に限られず、一つの磁気記録アレイ２００にそれぞれ少なくとも一つずつあればよい。
　書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、データの書き込み時に用いられる配線である。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎはそれぞれ、例えば、複数の磁気抵抗効果素子１００と第１リファレンス素子１０１と第２リファレンス素子１０２とに接続されている。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、図示略の電源に接続される。
　共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎ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。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、例えば、基準電位と磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１又は第２リファレンス素子１０２とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１又は第２リファレンス素子１０２のそれぞれに設けてもよいし、複数の素子に亘って設けてもよい。
　読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、データの読出し時に用いられる配線である。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎはそれぞれ、例えば、複数の磁気抵抗効果素子１００と第１リファレンス素子１０１と第２リファレンス素子１０２とに接続されている。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、図示略の電源に接続される。
　第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１、第２リファレンス素子１０２のそれぞれに接続されている。第１スイッチング素子ＳＷ１は、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１又は第２リファレンス素子１０２と、の間にある。第２スイッチング素子ＳＷ２は共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１又は第２リファレンス素子１０２と、の間にある。第３スイッチング素子ＳＷ３は、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１又は第２リファレンス素子１０２と、の間にある。
　第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１、第２リファレンス素子１０２に接続された書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１、第２リファレンス素子１０２に接続された共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと読み出し配線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ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、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素子、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素子、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素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
　第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３のいずれかは、同じ配線に接続された素子で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子ＳＷ１を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子ＳＷ１を設ける。例えば、第２スイッチング素子ＳＷ２を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子ＳＷ２を設ける。例えば、第３スイッチング素子ＳＷ３を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子ＳＷ３を設ける。
　図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の要部の断面図である。図２は、磁気抵抗効果素子１００を後述する配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
　図２に示す第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子ＳＷ３は、電極Ｅと電気的に接続され、例えば、図２のｙ方向に位置する。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩと基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤとを有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。
　トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、導電部３１，３２及びビア配線Ｖｉａを介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐ又は共通配線Ｃｍとは、ビア配線Ｖｉａで接続されている。ビア配線Ｖｉａは、例えば、ｚ方向に延びる。
　磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層Ｉｎで覆われている。絶縁層Ｉｎは、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層Ｉｎは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。
　第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２を通る断面の構造は、磁気抵抗効果素子１００の断面の構造と略同一である。
　図３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の平面図である。図３は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。
　磁気抵抗効果素子１００は、例えば、積層体１０と配線２０と導電部３１，３２とを備える。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、配線２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。また配線２０は、スピン軌道トルク配線と言われる場合がある。
　積層体１０は、配線２０上に積層されている。積層体１０と配線２０との間には、他の層を有してもよい。積層体１０は、ｚ方向に、配線２０と電極Ｅとに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。
　積層体１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、例えば、配線２０と接し、配線２０上に積層されている。第１強磁性層１には配線２０からスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受け、配向方向が変化する。第２強磁性層２は、第１強磁性層１のｚ方向にある。第１強磁性層１と第２強磁性層２は、ｚ方向に非磁性層３を挟む。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。第２強磁性層２の磁化は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。強磁性体は、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である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ合金、Ｓｍ－Ｆｅ合金、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。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。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
　積層体１０は、第２強磁性層２の非磁性層３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２強磁性層２、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２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。
　積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、配線２０と積層体１０との間に下地層を有してもよい。下地層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。
　配線２０は、例えば、積層体１０の一面に接する。配線２０は、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。配線２０は、ｘ方向に延びる。配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。
　配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、第１強磁性層１にスピンを注入する。配線２０は、例えば、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化に与える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる。
　例えば、配線２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、－ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが－ｚ方向に曲げられる。
　非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。すなわち、＋ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。第１スピンと第２スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピン及び第２スピンのｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
　第１スピンの電子の流れをＪ↑、第２スピンの電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑－Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。第１スピンは、配線２０から第１強磁性層１に注入される。
　配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。
　配線２０は、例えば、主元素として非磁性の重金属を含む。主元素とは、配線２０を構成する元素のうち最も割合の高い元素である。配線２０は、例えば、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する重金属を含む。非磁性の重金属は、原子番号３９以上の原子番号が大きく、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有するため、スピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、配線２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。配線２０は、例えば、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれかを含む。
　配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
　配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
　トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１－ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
　導電部３１と導電部３２とは、ｚ方向からの平面視で、積層体１０をｘ方向に挟む。導電部３１、３２は、例えば、異なるレイヤにある素子や配線を電気的に繋ぐ。導電部３１、３２は、導電性の優れる材料からなる。導電部３１、３２は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｕからなる群から選択されるいずれか一つを含む。
　図５は、第１実施形態に係る第１リファレンス素子１０１の平面図である。第１リファレンス素子１０１は、例えば、積層体１０と配線２１と導電部３１，３２とを備える。第１リファレンス素子１０１は配線２１の配線幅ｗ２１が、磁気抵抗効果素子１００の配線２０の配線幅ｗ２０より狭い点を除き、磁気抵抗効果素子１００と同様の構成からなる。
　配線２１の配線幅ｗ２１は、配線２０の配線幅ｗ２０より狭い。配線幅ｗ２１は、例えば、配線幅ｗ２０の９５％以下であり、９０％以下でもよい。配線幅ｗ２０は、複数の磁気抵抗効果素子１００のｙ方向の配線幅の平均値である。配線幅ｗ２１が十分狭いと、製造ばらつきを考慮しても、配線幅ｗ２１は配線幅ｗ２０より十分狭くなる。
　配線２１は、例えば、配線２０と同じ材料からなる。配線２１の電気抵抗は、配線２０の電気抵抗より高い。配線２１の電気抵抗は、例えば、配線２０の電気抵抗の１０５％以上であり、１１０％以上でもよい。配線２０の電気抵抗は、複数の磁気抵抗効果素子１００の配線２０の電気抵抗の平均値である。
　図６は、第１実施形態に係る第２リファレンス素子１０２の平面図である。第２リファレンス素子１０２は、例えば、積層体１０と配線２２と導電部３１，３２とを備える。第２リファレンス素子１０２は配線２２の配線幅ｗ２２が、磁気抵抗効果素子１００の配線２０の配線幅ｗ２０より広い点を除き、磁気抵抗効果素子１００と同様の構成からなる。
　配線２２の配線幅ｗ２２は、配線２０の配線幅ｗ２０より広い。配線幅ｗ２２は、例えば、配線幅ｗ２０の１０５％以上であり、１１０％以上でもよい。配線幅ｗ２２が十分広いと、製造ばらつきを考慮しても、配線幅ｗ２２は配線幅ｗ２０より十分広くなる。
　配線２２は、例えば、配線２０と同じ材料からなる。配線２２の電気抵抗は、配線２０の電気抵抗より低い。配線２２の電気抵抗は、例えば、配線２０の電気抵抗の９５％以下であり、９０％以下でもよい。
　次いで、磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。
　まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。
　次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層Ｉｎを形成する。また絶縁層Ｉｎに開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することでビア配線Ｖｉａ、導電部３１，３２が形成される。書き込み配線Ｗｐ、共通配線Ｃｍは、絶縁層Ｉｎを所定の厚みまで積層した後、絶縁層Ｉｎに溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。
　次いで、絶縁層Ｉｎ、導電部３１，３２の表面に、配線層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層する。次いで、配線層を所定の形状に加工する。配線層は所定の形状に加工されることで、配線２０，２１，２２となる。次いで、配線層上に形成された積層体を所定の形状に加工し、積層体１０を形成することで、磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２を作製できる。
　次いで、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の動作及び制御方法について説明する。図７は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の動作の一例のフロー図である。
　まずデータを記録する磁気抵抗効果素子１００に書き込み動作を行う（ステップＳ１）。データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＮにする。第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＮにすると、配線２０の長さ方向に電位差が生じ、書き込み電流が流れる。配線２０に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第１強磁性層１に注入される。第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を加え、第１強磁性層１の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。
　積層体１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが平行の場合に小さく、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体１０の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子１００にデータが記録される。
　また磁気抵抗効果素子１００に書き込み動作を行った場合、磁気抵抗効果素子１００とペアとなる第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２にも、同様の書き込み動作を行う（ステップＳ２）。磁気抵抗効果素子１００とペアとなる第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２は、例えば、磁気抵抗効果素子１００と同じ書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎに接続された第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２である。第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２のそれぞれの配線２１、２２に印加する電圧は、磁気抵抗効果素子１００と同じとする。第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子には、磁気抵抗効果素子１００と同じ負荷が加わる。
　次いで、磁気抵抗効果素子１００が適切に動作しているかを確認する。磁気抵抗効果素子１００の動作確認は、書き込み動作を行った素子のそれぞれからデータを読み出し、それぞれのデータを対比することで行う。
　データを書き込んだ磁気抵抗効果素子１００のデータを読み出す（ステップＳ３）。データを読み出す磁気抵抗効果素子１００に繋がる第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＮにする。第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＮにすると、積層体１０の積層方向に電位差が生じ、読み出し電流が流れる。積層体１０に読み出し電流が流れると、オームの法則から、磁気抵抗効果素子１００の積層方向の抵抗値が得られる。
　同様の動作を第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２に対して行う（ステップＳ４）。第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２の積層方向の抵抗値がデータとして読み出される。
　次いで、磁気抵抗効果素子１００、第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２の抵抗値を比較する（ステップＳ５）。抵抗値は、例えば、電極Ｅと導電部３２との間の電気抵抗である。配線２１の電気抵抗は、配線２０の電気抵抗より高い。そのため、適切に動作している場合は、第１リファレンス素子１０１の電気抵抗は、磁気抵抗効果素子１００の電気抵抗より高くなる。また配線２２の電気抵抗は、配線２０の電気抵抗より低い。そのため、適切に動作している場合は、第２リファレンス素子１０２の電気抵抗は、磁気抵抗効果素子１００の電気抵抗より低くなる。
　最後に比較結果に基づいて、磁気抵抗効果素子１００の状態を判断する（ステップＳ６）。磁気抵抗効果素子１００の電気抵抗が、第１リファレンス素子１０１の電気抵抗と第２リファレンス素子１０２の電気抵抗との間にある場合、磁気抵抗効果素子１００は正常に動作していると判断する。これに対し、磁気抵抗効果素子１００の電気抵抗が、第１リファレンス素子１０１の電気抵抗と第２リファレンス素子１０２の電気抵抗との間にない場合、磁気抵抗効果素子１００に故障が生じたと判断する。
　磁気抵抗効果素子１００の故障の一態様として、積層体１０と導電部３１，３２との間の配線２０の劣化、破断がある。配線２０が劣化、破断すると、適切な書き込み動作ができなくなる。例えば、図３に示す磁気抵抗効果素子１００の場合、積層体１０と導電部３１との間の配線２０が劣化、破断した場合、書き込み動作はできないが、読み出し動作はできる。導電部３１と導電部３２との間に流れる書き込み電流は正常に流れないが、積層体１０と導電部３２との間の読出し電流は正常に流れるためである。この場合、データが書き込めていないことに気づかないまま、データを読み出してしまい、データの誤読み出しのリスクが高まる。
　これに対し、磁気抵抗効果素子１００の抵抗値を、第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２と対比すると、データの誤読み出しのリスクが下がる。磁気抵抗効果素子１００の読出し経路以外の部分で劣化、破断が生じた場合でも、磁気抵抗効果素子１００の電気抵抗には影響が生じるためである。磁気抵抗効果素子１００の電気抵抗と第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２の電気抵抗とを対比することで、適切に磁気抵抗効果素子１００の異常を検出できる。
　故障と判断された磁気抵抗効果素子１００は、以後の動作において読み出し専用又は使用不可とする。
　磁気抵抗効果素子１００を読み出し専用とした場合は、その磁気抵抗効果素子１００への書き込み動作を禁止する。磁気抵抗効果素子１００は、常に同じデータを出力する。書き込み動作を禁止した磁気抵抗効果素子１００は、例えば、データが変化しない基準点として用いることができる。
　磁気抵抗効果素子１００を使用不可とした場合は、その磁気抵抗効果素子１００への書き込み及び読み出し動作を禁止する。以後の動作において、使用不可とされた磁気抵抗効果素子１００へのデータの書き込み及び読み出しは、他の磁気抵抗効果素子１００に置き換えられる。ここで、他の磁気抵抗効果素子１００に置き換えるとは、使用不可となった磁気抵抗効果素子１００を取り外し、他の素子に置き換えることではなく、使用不可となった磁気抵抗効果素子１００へのデータの書き込み及び読出しを、システム上、他の磁気抵抗効果素子１００へ置き換えることを意味する。
　上述のように、本実施形態にかかる磁気記録アレイ２００は、第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２の電気抵抗と磁気抵抗効果素子１００の電気抵抗とを比較することで、リアルタイムで磁気抵抗効果素子１００の故障の有無を評価できる。
　また第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２は、磁気抵抗効果素子１００と同じ温度環境下にあるため、温度変化によりデータの記録の閾値となる基準点が変動することを抑制できる。さらに、第１リファレンス素子１０１及び第２リファレンス素子１０２は、磁気抵抗効果素子１００と同じ負荷が与えられるため、劣化によりデータの記録の閾値となる基準点が変動することを抑制できる。
　したがって、本実施形態にかかる磁気記録アレイ２００は、データの誤読み出しのリスクが低く、信頼性が高い。
　ここまで第１実施形態の一例を例示したが、本発明はこの例に限定されるものではない。
　例えば、上記の実施形態では、配線２０、２１、２２の電気抵抗の違いを、配線幅ｗ２０、ｗ２１、ｗ２２で実現していたが、配線幅ｗ２０、ｗ２１、ｗ２２以外の手段で電気抵抗の違いを生み出してもよい。
　図８は、第１変形例にかかる第１リファレンス素子１０１Ａの断面図である。図９は、第１変形例にかかる第２リファレンス素子１０２Ａの断面図である。第１リファレンス素子１０１Ａは、例えば、積層体１０と配線２３と導電部３１，３２とを備える。第２リファレンス素子１０２Ａは、例えば、積層体１０と配線２４と導電部３１，３２とを備える。第１リファレンス素子１０１Ａ及び第２リファレンス素子１０２Ａは、配線２３、２４の厚さｔ２３、ｔ２４が、磁気抵抗効果素子１００の配線２０の厚さｔ２０と異なる点を除き、磁気抵抗効果素子１００と同様の構成からなる。
　配線２３の厚さｔ２３は、配線２０の厚さｔ２０より薄い。厚さｔ２３は、例えば、厚さｔ２０の９５％以下であり、９０％以下でもよい。厚さｔ２３が十分薄いと、製造ばらつきを考慮しても、厚さｔ２３は厚さｔ２０より十分薄くなる。
　配線２３は、例えば、配線２０と同じ材料からなる。配線２３の電気抵抗は、配線２０の電気抵抗より高い。配線２３の電気抵抗は、例えば、配線２０の電気抵抗の１０５％以上であり、１１０％以上でもよい。
　配線２４の厚さｔ２４は、配線２０の厚さｔ２０より厚い。厚さｔ２４は、例えば、厚さｔ２０の１０５％以上であり、１１０％以上でもよい。厚さｔ２４が十分厚いと、製造ばらつきを考慮しても、厚さｔ２４は厚さｔ２０より十分厚くなる。
　配線２４は、例えば、配線２０と同じ材料からなる。配線２４の電気抵抗は、配線２０の電気抵抗より低い。配線２４の電気抵抗は、例えば、配線２０の電気抵抗の９５％以下であり、９０％以下でもよい。
　また磁気抵抗効果素子、第１リファレンス素子、第２リファレンス素子のそれぞれの配線の材料を変えることで、それぞれの配線の電気抵抗を変えてもよい。また配線幅、厚さ、材料のパラメータを組み合わせて、それぞれの配線の電気抵抗を変えてもよい。
「第２実施形態」
　図１０は、第２実施形態に係る磁化回転素子１１０の断面図である。図１０は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁化回転素子１１０を切断した断面である。第２実施形態に係る磁化回転素子１１０は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様であり、説明を省く。
　磁化回転素子１１０は、スピン素子の一例である。磁化回転素子１１０は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１１０は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。
　この他、磁化回転素子１１０は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。
　第２実施形態における第１リファレンス素子及び第２リファレンス素子は、配線の電気抵抗を除いて、磁化回転素子１１０と同様の構成からなる。
　第２実施形態にかかる磁化回転素子１１０は、非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。また第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の変形例を選択しうる。
「第３実施形態」
　図１１は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１２０の断面図である。図１１は、配線４０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１２０を切断した断面である。磁気抵抗効果素子１２０は、積層体１１が配線４０に近い側から非磁性層５及び第１強磁性層４からなる点が、磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１００と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省く。
　磁気抵抗効果素子１２０は、積層体１１と配線４０と導電部３１，３２とを備える。積層体１１は、配線４０に近い側から非磁性層５及び第１強磁性層４からなる。磁気抵抗効果素子１２０は、磁壁ＤＷの移動により抵抗値が変化する素子であり、磁壁移動素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。
　配線４０は、磁性層である。配線４０は、強磁性体を含む。配線４０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。
　配線４０は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。配線２１は、内部に第１磁区４１と第２磁区４２とを有する。第１磁区４１の磁化と第２磁区４２の磁化とは、例えば、反対方向に配向する。第１磁区４１と第２磁区４２との境界が磁壁ＤＷである。配線４０は、磁壁ＤＷを内部に有することができる。
　磁気抵抗効果素子１２０は、配線４０の磁壁ＤＷの位置によって、データを多値又は連続的に記録できる。配線４０に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁気抵抗効果素子１２０の抵抗値変化として読み出される。
　磁壁ＤＷは、配線４０のｘ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。例えば、配線４０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、電子は電流と逆の－ｘ方向に流れるため、磁壁ＤＷは－ｘ方向に移動する。第１磁区４１から第２磁区４２に向って電流が流れる場合、第２磁区４２でスピン偏極した電子は、第１磁区４１の磁化を磁化反転させる。第１磁区４１の磁化が磁化反転することで、磁壁ＤＷが－ｘ方向に移動する。
　第１強磁性層４と非磁性層５のそれぞれは、第１実施形態にかかる第１強磁性層１と非磁性層３と同様である。
　第３実施形態における第１リファレンス素子及び第２リファレンス素子は、配線の電気抵抗を除いて、磁気抵抗効果素子１２０と同様の構成からなる。
　第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１２０も、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。また第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１２０は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の変形例を選択しうる。
　第１実施形態から第３実施形態にかかる磁気記録アレイは、ニューロモルフィックデバイスに適用できる。ニューロモルフィックデバイスは、ニューラルネットワークにより人間の脳を模倣した素子である。ニューロモルフィックデバイスは、人間の脳におけるニューロンとシナプスとの関係を人工的に模倣している。
　ニューロモルフィックデバイスは、例えば、階層状に配置されたチップ（脳におけるニューロン）と、これらの間を繋ぐ伝達手段（脳におけるシナプス）と、を有する。ニューロモルフィックデバイスは、伝達手段（シナプス）が学習することで、問題の正答率を高める。学習は将来使えそうな知識を情報から見つけることであり、ニューロモルフィックデバイスでは入力されたデータに重み付けをする。
　それぞれのシナプスは、数学的には積和演算を行う。第１実施形態から第３実施形態にかかる磁気記録アレイは、磁気抵抗効果素子又は磁化回転素子がアレイ状に配列することで、積和演算を行うことができる。例えば、磁気抵抗効果素子の読出し経路に電流を流すと、入力された電流と磁気抵抗効果素子の抵抗との積が出力され、積演算が行われる。複数の磁気抵抗効果素子を共通配線でつなぐと、積演算は共通配線で加算され、和演算される。したがって、第１実施形態から第３実施形態にかかる磁気記録アレイは、積和演算器としてニューロモルフィックデバイスに適用できる。
１、４　第１強磁性層
２　第２強磁性層
３、５　非磁性層
１０、１１　積層体
２０、２１、２２、２３、２４、４０　配線
１０１、１０１Ａ　第１リファレンス素子
１０２、１０２Ａ　第２リファレンス素子
２００　磁気記録アレイ
ＤＷ　磁壁
ｔ２０、ｔ２３、ｔ２４　厚さ
ｗ２０、ｗ２１、ｗ２２　配線幅

Claims (12)

  1. 　複数のスピン素子と第１リファレンス素子と第２リファレンス素子とを有し、
    　複数のスピン素子、第１リファレンス素子及び第２リファレンス素子はそれぞれ、配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体と、を有し、
    　前記第１リファレンス素子の配線の電気抵抗は、それぞれのスピン素子の配線の電気抵抗より高く、
    　前記第２リファレンス素子の配線の電気抵抗は、それぞれのスピン素子の配線の電気抵抗より低い、磁気記録アレイ。
  2. 　前記第１リファレンス素子の配線の幅は、前記スピン素子の配線の幅より狭く、
    　前記第２リファレンス素子の配線の幅は、前記スピン素子の配線の幅より広い、請求項１に記載の磁気記録アレイ。
  3. 　前記第１リファレンス素子の配線の厚さは、前記スピン素子の配線の厚さより薄く、
    　前記第２リファレンス素子の配線の厚さは、前記スピン素子の配線の厚さより厚い、請求項１又は２に記載の磁気記録アレイ。
  4. 　前記スピン素子、第１リファレンス素子及び第２リファレンス素子のそれぞれの配線は、同じ材料からなる、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。
  5. 　前記第１リファレンス素子の配線の電気抵抗は、前記スピン素子の配線の電気抵抗の１０５％以上であり、
    　前記第２リファレンス素子の配線の電気抵抗は、前記スピン素子の配線の電気抵抗の９５％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。
  6. 　前記複数のスピン素子、前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子のそれぞれの配線の長さ方向に電位差を生み出す電源を有し、
    　前記電源は、前記複数のスピン素子、前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子のそれぞれの配線に同じ電圧を印加する、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。
  7. 　前記積層体は、前記配線に近い側から前記第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを有し、
    　前記配線は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかである、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。
  8. 　前記積層体は、前記配線に近い側から非磁性層と前記第１強磁性層とを有し、
    　前記配線は、内部に磁壁を有することができる強磁性層である、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気記録アレイ。
  9. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の磁気記録アレイを有する、ニューロモルフィックデバイス。
  10. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の磁気記録アレイの制御方法であって、
    　前記複数のスピン素子のうち書き込み対象のスピン素子、前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子のそれぞれの配線に、同じ書き込み電圧を印加する工程と、
    　前記書き込み電圧を印加した素子の積層方向に、読み出し電圧を印加する工程と、
    　前記スピン素子の電気抵抗と前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子の電気抵抗とを比較する工程と、を有する、磁気記録アレイの制御方法。
  11. 　前記スピン素子の電気抵抗と前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子の電気抵抗とを比較した際に、
    　前記スピン素子の電気抵抗が、前記第１リファレンス素子の電気抵抗と前記第２リファレンス素子の電気抵抗との間にない場合、
    　前記スピン素子への書き込みを禁止する、請求項１０に記載の磁気記録アレイの制御方法。
  12. 　前記スピン素子の電気抵抗と前記第１リファレンス素子及び前記第２リファレンス素子の電気抵抗とを比較した際に、
    　前記スピン素子の電気抵抗が、前記第１リファレンス素子の電気抵抗と前記第２リファレンス素子の電気抵抗との間にない場合、
    　前記スピン素子へのデータの書き込み及び読み出しを他の素子に置き換える、請求項１０又は１１に記載の磁気記録アレイの制御方法。
PCT/JP2020/009460 2020-03-05 2020-03-05 磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法 WO2021176656A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020558555A JP6819843B1 (ja) 2020-03-05 2020-03-05 磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法
PCT/JP2020/009460 WO2021176656A1 (ja) 2020-03-05 2020-03-05 磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法
US17/269,056 US11532783B2 (en) 2020-03-05 2020-03-05 Magnetic recording array, neuromorphic device, and method of controlling magnetic recording array
CN202080004561.2A CN113939913A (zh) 2020-03-05 2020-03-05 磁记录阵列、神经形态器件及磁记录阵列的控制方法
EP20851276.4A EP4117034A4 (en) 2020-03-05 2020-03-05 MAGNETIC RECORDING ARRAY, NEUROMORPHIC DEVICE AND CONTROL METHOD FOR MAGNETIC RECORDING ARRAY

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2020/009460 WO2021176656A1 (ja) 2020-03-05 2020-03-05 磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021176656A1 true WO2021176656A1 (ja) 2021-09-10

Family

ID=74200293

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/009460 WO2021176656A1 (ja) 2020-03-05 2020-03-05 磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11532783B2 (ja)
EP (1) EP4117034A4 (ja)
JP (1) JP6819843B1 (ja)
CN (1) CN113939913A (ja)
WO (1) WO2021176656A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023162927A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 記憶装置、電子機器及び記憶装置の製造方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7028372B2 (ja) * 2020-03-05 2022-03-02 Tdk株式会社 磁気記録アレイ及び磁気抵抗効果ユニット

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5441005B2 (ja) 1974-12-13 1979-12-06
WO2008102650A1 (ja) * 2007-02-21 2008-08-28 Nec Corporation 半導体記憶装置
JP2014522074A (ja) * 2011-07-25 2014-08-28 クアルコム，インコーポレイテッド セル情報を不揮発性メモリアレイに保存する不揮発性メモリ
JP2017216286A (ja) 2016-05-30 2017-12-07 学校法人慶應義塾 スピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置
WO2019176540A1 (ja) * 2018-03-16 2019-09-19 Tdk株式会社 積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2587822B2 (ja) * 1987-01-09 1997-03-05 旭化成工業株式会社 強磁性体磁気抵抗素子
US6191972B1 (en) * 1999-04-30 2001-02-20 Nec Corporation Magnetic random access memory circuit
JP4434527B2 (ja) * 2001-08-08 2010-03-17 株式会社東芝 半導体記憶装置
JP5441005B2 (ja) 2008-02-13 2014-03-12 日本電気株式会社 磁壁移動素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP4768770B2 (ja) * 2008-03-06 2011-09-07 株式会社東芝 半導体記憶装置
JP5412640B2 (ja) * 2008-11-13 2014-02-12 ルネサスエレクトロニクス株式会社 磁気メモリ装置
US8274819B2 (en) * 2010-02-04 2012-09-25 Magic Technologies Read disturb free SMT MRAM reference cell circuit
WO2014068961A1 (ja) * 2012-10-30 2014-05-08 パナソニック株式会社 不揮発性半導体記憶装置
US9252187B2 (en) * 2013-03-08 2016-02-02 Avalanche Technology, Inc. Devices and methods for measurement of magnetic characteristics of MRAM wafers using magnetoresistive test strips
US9449892B2 (en) * 2014-09-04 2016-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Manufacturing method of magnetic memory device
US10585630B2 (en) * 2017-09-11 2020-03-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Selectorless 3D stackable memory
JP2020155442A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 キオクシア株式会社 磁気デバイス
JP2020155443A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 キオクシア株式会社 磁気デバイス及びメモリデバイス

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5441005B2 (ja) 1974-12-13 1979-12-06
WO2008102650A1 (ja) * 2007-02-21 2008-08-28 Nec Corporation 半導体記憶装置
JP2014522074A (ja) * 2011-07-25 2014-08-28 クアルコム，インコーポレイテッド セル情報を不揮発性メモリアレイに保存する不揮発性メモリ
JP2017216286A (ja) 2016-05-30 2017-12-07 学校法人慶應義塾 スピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置
WO2019176540A1 (ja) * 2018-03-16 2019-09-19 Tdk株式会社 積和演算器、ニューロモーフィックデバイスおよび積和演算器の使用方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4117034A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023162927A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 記憶装置、電子機器及び記憶装置の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4117034A4 (en) 2023-11-22
JPWO2021176656A1 (ja) 2021-09-10
US20220006004A1 (en) 2022-01-06
EP4117034A1 (en) 2023-01-11
JP6819843B1 (ja) 2021-01-27
CN113939913A (zh) 2022-01-14
US11532783B2 (en) 2022-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2021090041A (ja) 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、半導体素子、磁気記録アレイ及び磁気抵抗効果素子の製造方法
WO2022003957A1 (ja) 集積装置及びニューロモーフィックデバイス
JP6777271B1 (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイ
JP6819843B1 (ja) 磁気記録アレイ、ニューロモルフィックデバイスおよび磁気記録アレイの制御方法
WO2022085190A1 (ja) ニューロモーフィックデバイス
JP7140294B2 (ja) 磁気記録アレイ及びリザボア素子
JP6750769B1 (ja) スピン素子及びリザボア素子
US11139340B2 (en) Spin element and reservoir element
JP6958762B1 (ja) 磁気記録アレイ
JP6750770B1 (ja) スピン素子及びリザボア素子
JPWO2020208674A1 (ja) 磁性素子、磁気メモリ、リザボア素子、認識機及び磁性素子の製造方法
JP7384068B2 (ja) 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
WO2022070588A1 (ja) 磁気素子及び集積装置
JP7028372B2 (ja) 磁気記録アレイ及び磁気抵抗効果ユニット
WO2021245768A1 (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイ
WO2024004125A1 (ja) 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US20220173162A1 (en) Magnetic array and method for manufacturing magnetic array
JP2022025821A (ja) 磁気メモリ
JP2023131598A (ja) 磁性素子及び集積装置
JP2023025398A (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気アレイ及び磁化回転素子
CN114373780A (zh) 磁畴壁移动元件及磁阵列

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020558555

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20851276

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020851276

Country of ref document: EP

Effective date: 20221005