WO2022196741A1 - 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システム - Google Patents

磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システム Download PDF

Info

Publication number
WO2022196741A1
WO2022196741A1 PCT/JP2022/012083 JP2022012083W WO2022196741A1 WO 2022196741 A1 WO2022196741 A1 WO 2022196741A1 JP 2022012083 W JP2022012083 W JP 2022012083W WO 2022196741 A1 WO2022196741 A1 WO 2022196741A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
heavy metal
metal layer
magnetization
ferromagnetic
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/012083
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
好昭 齋藤
正二 池田
哲郎 遠藤
Original Assignee
国立大学法人東北大学
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 国立大学法人東北大学 filed Critical 国立大学法人東北大学
Priority to KR1020237034779A priority Critical patent/KR20230158535A/ko
Priority to JP2023507164A priority patent/JPWO2022196741A1/ja
Priority to CN202280022035.8A priority patent/CN116998021A/zh
Publication of WO2022196741A1 publication Critical patent/WO2022196741A1/ja

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G06N3/065—Analogue means
    • 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
    • H01F10/26—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by the substrate or intermediate layers
    • 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
    • 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
    • H01F10/3213—Exchange coupling of magnetic semiconductor multilayers, e.g. MnSe/ZnSe superlattices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • 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
    • 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
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Definitions

  • the present invention relates to magnetoresistive elements, magnetic memories, and artificial intelligence systems.
  • spin injection magnetization switching which consists of a recording layer comprising a first ferromagnetic layer having magnetization that can be switched, and a recording layer that is an insulator.
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the first Invert the magnetization of the ferromagnetic layer.
  • SOT spin orbit torque
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • the SOT-MRAM element is configured by providing an MTJ including a recording layer/barrier layer/reference layer on a heavy metal layer. Spins polarized by the flow flow into the recording layer, and the magnetization of the recording layer is reversed, whereby the direction of magnetization in the recording layer switches between parallel and antiparallel states with the direction of magnetization in the reference layer. Data is recorded (Patent Documents 1 to 3).
  • the write efficiency is expected to be improved due to the high specific resistance, but the power consumption is large.
  • the present invention provides a magnetoresistive effect element, a magnetic memory, and an artificial intelligence capable of efficiently reversing the direction of magnetization in the recording layer with low resistance and without lowering the reversing efficiency by a write current flowing through the heavy metal layer.
  • the purpose is to provide a system.
  • a heavy metal layer formed by stacking an Ir layer and a Pt layer; a recording layer provided to face the heavy metal layer and comprising a first ferromagnetic layer having reversible magnetization; a reference layer comprising a second ferromagnetic layer with a fixed direction of magnetization; a barrier layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and made of an insulator; with A magnetoresistive element in which the direction of magnetization in the first ferromagnetic layer is reversed by a write current flowing through the heavy metal layer.
  • a heavy metal layer formed by laminating an Ir layer and a Pt layer, a recording layer provided so as to face the heavy metal layer and including a first ferromagnetic layer having reversible magnetization, a reference layer comprising a second ferromagnetic layer whose direction is fixed; and a barrier layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and made of an insulating material Therefore, the direction of magnetization in the first ferromagnetic layer can be efficiently reversed with low resistance by the write current flowing through the heavy metal layer without lowering the reversing efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method of writing data "0" to a magnetoresistive element storing data "1", and shows an initial state of magnetization.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of writing data "0" to a magnetoresistive element storing data "1", and shows a state in which data is written by applying a write current.
  • FIG. 5 relates to a diagram for explaining a method of writing data "1” to a magnetoresistive element storing data "0", and shows an initial state of magnetization.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 6 relates to a diagram for explaining a method of writing data "1" to a magnetoresistive element storing data "0", and shows a state in which data is written by applying a write current.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method of reading data stored in the magnetoresistive effect element.
  • FIG. 8 is a timing chart of signals for writing data to the magnetoresistive effect element.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing how data is rewritten in the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 12A and 12B are diagrams showing how data is rewritten in the magnetoresistive element shown in FIG. 11.
  • FIG. FIG. 13 is a perspective view schematically showing a magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment.
  • 14 is a plan view of the third terminal shown in FIG. 13.
  • FIG. 15 is a perspective view schematically showing a magnetic memory according to the fifth embodiment of the invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing an outline of an AI system according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a circuit diagram of an example of an AI system using magnetoresistive elements.
  • FIG. 18 is a diagram showing an outline of an AI system different from that in FIG.
  • FIG. 19 is a plan view of an AI system according to the sixth embodiment of the invention.
  • FIG. 20 is a plan view of an AI system according to a sixth embodiment of the present invention different from FIG. 19.
  • FIG. FIG. 21A is a cross-sectional view of the manufactured first sample.
  • FIG. 21B is a cross-sectional view of the manufactured second sample.
  • FIG. 21C is a cross-sectional view of the manufactured third sample.
  • FIG. 21D is a cross-sectional view of the manufactured fourth sample.
  • FIG. 21E is a cross-sectional view of the manufactured fifth sample.
  • FIG. 21F is a cross-sectional view of the manufactured sixth sample.
  • FIG. 21G is a cross-sectional view of the manufactured seventh sample.
  • FIG. 21H is a cross-sectional view of the manufactured eighth sample.
  • FIG. 21I is a cross-sectional view of a manufactured comparative sample.
  • FIG. 21J is a cross-sectional view of the fabricated ninth sample.
  • FIG. 22 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of electrical conductivity of the third sample.
  • FIG. 23 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of electrical conductivity of the fourth sample.
  • FIG. 24 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of electrical conductivity of the fifth sample.
  • FIG. 25 shows the results of the specific resistance obtained from the thickness dependence of the electrical conductivity of the heavy metal layer in each sample.
  • FIG. 26 is a diagram showing the spin generation efficiency ⁇ SH for each sample.
  • FIG. 27 is a diagram showing the spin conductivity ⁇ SH in each sample.
  • FIG. 28 shows the spin generation efficiency ⁇ SH with respect to each thickness ratio of the Pt layer and the Ir layer in each sample.
  • FIG. 29 shows the specific resistance ⁇ XX with respect to each film thickness ratio of the Pt layer and the Ir layer in each sample.
  • FIG. 30 shows the spin conductivity ⁇ SH with respect to each film thickness ratio of the Pt layer and the Ir layer in each sample.
  • FIG. 31 is a diagram showing the heavy metal layer thickness dependence of the electrical conductivity of the ninth sample.
  • FIG. 32 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of electrical conductivity.
  • FIG. 33 shows the result of examining the interlayer magnetic coupling between the Ir/Pt spacers of the tenth sample.
  • FIG. 34 is a diagram schematically showing a Hall bar and a measurement system fabricated as the 11th sample.
  • FIG. 35A is a cross-sectional view of the fabricated 11th sample.
  • FIG. 35B is a cross-sectional view of another manufactured comparative sample.
  • FIG. 36 is a diagram showing the pulse current dependence of the Hall resistance of the 11th sample and another comparative sample.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a magnetoresistive element 10 according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 10 shown in FIG.
  • the magnetoresistive element 10 according to the first embodiment of the present invention includes a heavy metal layer 11, a recording layer 16, a barrier layer 17, and a reference layer 18.
  • the recording layer 16 sandwiches the barrier layer 17 between the reference layers. 18 , that is, on the heavy metal layer 11 side, and the reference layer 18 is arranged on the opposite side of the heavy metal layer 11 with the barrier layer 17 interposed therebetween.
  • the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 form a magnetic tunnel junction (MTJ).
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the magnetoresistive element 10 uses a spin orbit torque (SOT) induced magnetization reversal by a current (referred to as a “write current”) flowing through the heavy metal layer 11 to cause the first magnetic field in the recording layer 16 to change.
  • SOT spin orbit torque
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • the heavy metal layer 11 is configured by stacking an Ir layer 12 and a Pt layer 13 .
  • the heavy metal layer 11 is formed on the substrate 1 with the buffer layer 2 provided as necessary.
  • the heavy metal layer 11 is configured by laminating the Ir layer 12 and the Pt layer 13, the outermost Pt layer 13 among the plurality of Pt layers 13, that is, the Pt layer 13 closest to the recording layer 16 in the lamination direction is It is preferable to form an interface with the recording layer 16 . This is because providing the Pt layer 13 on the recording layer 16 side of the heavy metal layer 11 is preferable to providing the Ir layer in terms of the spin Hall angle ⁇ SH , electrical resistivity ⁇ , and electrical conductivity ⁇ SH .
  • the heavy metal layer 11 may be a case where the Ir layer 12 and the Pt layer 13 are laminated one by one. Even in this case, it is preferable that the Ir layer 12 is provided on the substrate 1 side and the Pt layer 13 is provided on the recording layer 16 side opposite to the substrate 1 side. Alternatively, as shown in FIGS. 1 and 2, the Ir layer 12 and the Pt layer 13 may be repeatedly laminated. When the Ir layer 12 and the Pt layer 13 are laminated repeatedly, the substrate 1 side and the buffer layer 2 side may be either the Pt layer 13 or the Ir layer 12 . That is, of the Ir layer 12 and the Pt layer 13 forming a part of the heavy metal layer 11, the Pt layer 13 may be the one layer closer to the recording layer 16.
  • each Pt layer 13 preferably has a thickness of more than 0.6 nm and less than or equal to 1.5 nm.
  • the Ir layer 12 preferably has a thickness of 0.6 nm or more and 1.5 nm or less per layer.
  • the Ir layer 12 is a layer made of Ir (iridium)
  • the Pt layer 13 is a layer made of Pt (platinum). At least one or two layers of the Ir layer 12 and the Pt layer 13 are provided, and the number of layers is adjusted so that the total thickness of the heavy metal layer 11 is about 10 nm or less. is.
  • the recording layer 16 includes a first ferromagnetic layer having reversible magnetization, and is provided so as to face, for example, contact with the Pt layer 13 which is the outermost layer of the heavy metal layer 11 .
  • the recording layer 16 has a thickness of 0.8 nm or more and 5.0 nm or less, preferably 1.0 nm or more and 3.0 nm or less.
  • the recording layer 16 may be magnetized perpendicularly to the first ferromagnetic layer. Therefore, the recording layer 16 is configured to be capable of magnetization reversal in the direction perpendicular to the film surface. Note that the term "perpendicularly magnetized" includes the possibility of having a magnetization component parallel to the film surface.
  • the recording layer 16 may be magnetized in the in-plane direction with respect to the first ferromagnetic film. Therefore, the recording layer 16 is configured to be capable of magnetization reversal in the in-plane direction with respect to the film surface. Note that "magnetized in the in-plane direction" means that the film may have a magnetization component perpendicular to the film plane.
  • the recording layer 16, that is, the first ferromagnetic layer is composed of CoFeB, FeB, CoB, or the like in order to generate interfacial magnetic anisotropy in the recording layer 16.
  • FIG. When shape magnetic anisotropy is used in a fine MTJ region, CoFeB, FeB, and CoB may be processed to have the longest length in the film thickness direction, and these single layers may be used as the recording layer.
  • the barrier layer 17 is formed facing the first ferromagnetic layer of the recording layer 16 .
  • the barrier layer 17 is preferably made of an insulating material such as MgO, Al2O3 , AlN, MgAlO, especially MgO.
  • the barrier layer 17 has a thickness of 0.1 nm or more and 2.5 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 1.5 nm or less.
  • the reference layer 18 may be composed of a single layer as shown in FIG. 1 and FIG. may have.
  • the magnetization direction of one ferromagnetic layer and the magnetization direction of the other ferromagnetic layer are antiparallel.
  • the magnetization of one ferromagnetic layer is oriented in the -z direction and the magnetization of the other ferromagnetic layer is oriented in the +z direction.
  • the magnetization of one ferromagnetic layer is oriented, for example, in the -x direction, and the magnetization of the other ferromagnetic layer is oriented in the +x direction.
  • the magnetization directions of one ferromagnetic layer and the other ferromagnetic layer may be in the xy plane.
  • the second ferromagnetic layer of the reference layer 18 closest to the barrier layer 17 is formed so that interfacial magnetic anisotropy occurs at the interface between the second ferromagnetic layer of the reference layer 18 closest to the barrier layer 17 and the barrier layer 17 .
  • material and thickness are selected.
  • the reference layer 18 has a laminated ferrimagnetic structure, and the magnetization of one ferromagnetic layer of the reference layer 18 and the magnetization of the other ferromagnetic layer are antiferromagnetically coupled, so that one of the reference layers 18 The magnetization of one ferromagnetic layer and the magnetization of the other ferromagnetic layer are fixed in the perpendicular or in-plane direction.
  • Magnetization of one ferromagnetic layer and magnetization of the other ferromagnetic layer of the reference layer 18 may be antiferromagnetically coupled by interlayer interaction to fix the magnetization direction.
  • the second ferromagnetic layer and the like in the reference layer 18 are made of the same material as the ferromagnetic material and the like that make up the recording layer 16 .
  • the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 have a columnar shape, and the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 are stacked in the stacking direction of the heavy metal layer 11.
  • the shape seen from above, that is, the shape in plan view has a line symmetrical shape with respect to a line passing through the center of the circle. It is line symmetrical with respect to
  • the cap layer 19 is a layer of about 1.0 nm made of a conductive material such as Ta to prevent oxidation, and may be formed adjacent to the reference layer 18 . Also, the cap layer 19 may be formed of a non-magnetic layer such as MgO, a tunnel current flows through the cap layer 19, and a current flows through the reference layer 18 from the third terminal T3.
  • the first terminal T1 and the second terminal T2 sandwich the MTJ consisting of the recording layer 16/barrier layer 17/reference layer 18, either above or below the heavy metal layer 11, or with one facing downward and the other facing upward, is provided.
  • the first terminal T1 is provided on the heavy metal layer 11
  • the second terminal T2 is provided on the heavy metal layer 11 with the MTJ composed of the recording layer 16/barrier layer 17/reference layer 18 interposed therebetween. It is provided on the side opposite to the first terminal T1.
  • the first terminal T1 is connected to either the source or the drain of the FET-type first transistor Tr1, and the other of the source and the drain of the first transistor Tr1 is connected to the first bit line, It is connected to a power supply (write power supply) that supplies a write voltage Vw , and the gate of the FET-type first transistor Tr1 is connected to the word line.
  • the second terminal T2 is connected to ground, for example. At that time, the FET type second transistor Tr2 may be interposed.
  • the second terminal T2 is connected to the second bit line through the second transistor Tr2, and the direction of the write current Iw is changed according to the potential difference between the first terminal T1 and the second terminal T2.
  • the first bit line is set to High level
  • the second bit line is set to Low level
  • the write current Iw is passed from the first terminal T1 to the second terminal T2.
  • the first bit line is set to Low level
  • the second bit line is set to High level
  • the write current Iw is passed from the second terminal T2 to the first terminal T1.
  • the second transistor Tr2 is turned off so that the read current does not flow to the second terminal T2.
  • the third terminal T3 is provided on the cap layer 19 in contact with the cap layer 19 .
  • the third terminal T3 has the same cylindrical shape as the recording layer 16, the barrier layer 17 and the reference layer 18, the third terminal T3 is arranged on the upper surface of the cap layer 19 and covers the entire surface of the upper surface, It is electrically connected to the reference layer 18 via the cap layer 19 .
  • the third terminal T3 is connected to either the source or the drain of the FET-type third transistor Tr3, and the other of the source and the drain of the third transistor Tr3 is connected to the third bit line, It is connected to a power source (read power source) that supplies a read voltage V Read , and the gate of the third transistor Tr3 is connected to the read voltage line. By turning off the second transistor Tr2, it is possible to prevent current from flowing through the second terminal T2.
  • FIG. 1 A method of writing to the magnetoresistive element 10 shown in FIG. 1 will be described.
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer adjacent to each other with the barrier layer 17 interposed between the recording layer 16 and the reference layer 18 are parallel or anti-parallel.
  • the resistance of the MTJ changes depending on whether it is parallel. Therefore, 1-bit data of "0" and "1" are assigned depending on whether the magnetization directions are parallel or antiparallel, and the data is stored in the magnetoresistive element 10.
  • the magnetoresistive element 10 stores data "1"
  • the direction of the magnetization M11 of the recording layer 16 is upward
  • the direction of the magnetization M12 of the reference layer 18 is downward.
  • the directions of magnetization M11 and magnetization M12 are assumed to be antiparallel.
  • the first transistor Tr1 and the third transistor Tr3 are turned off.
  • An external magnetic field H 0 is applied in the +x direction.
  • the first transistor Tr1 is turned on and the write voltage Vw is applied to the first terminal T1.
  • the write current Iw flows from the first terminal T1 through the heavy metal layer 11 to the second terminal T2, and one end of the heavy metal layer 11 A write current Iw flows in the +x direction from the terminal to the other end.
  • the third transistor Tr3 since the third transistor Tr3 is off, no current flows from the first terminal T1 to the third terminal T3 via the MTJ. Since the write current Iw is a pulse current, the pulse width of the write current Iw is changed by adjusting the ON state time of the first transistor Tr1.
  • a spin current flow of spin angular motion
  • the spins in the opposite directions flow into the heavy metal layer 11, respectively.
  • the spins are unevenly distributed in the heavy metal layer 11 by flowing in corresponding directions of the ⁇ z directions.
  • Spins directed in one direction are absorbed in the recording layer 16 by the spin current flowing through the heavy metal layer 11 .
  • the absorbed spin causes a torque to act on the magnetization M11, and the torque rotates the magnetization M11 to reverse the upward magnetization M11 to become downward, and the directions of the magnetization M11 and the magnetization M12 are changed. becomes parallel.
  • FIG. 4 shows this state.
  • the magnetoresistive element 10 stores data "0"
  • the direction of the magnetization M11 of the recording layer 16 is downward
  • the direction of the magnetization M12 of the reference layer 18 is downward.
  • the directions of magnetization M11 and magnetization M12 are assumed to be parallel.
  • the first transistor Tr1 and the third transistor Tr3 are turned off.
  • An external magnetic field H 0 is applied in the +x direction.
  • the first transistor Tr1 is turned on and the write voltage Vw is applied to the first terminal T1.
  • the write current Iw flows from the second terminal T2 to the first terminal T1 through the heavy metal layer 11, A write current Iw flows in the -x direction from one end to the other.
  • the third transistor Tr3 since the third transistor Tr3 is off, no current flows from the second terminal T2 to the third terminal T3 via the MTJ. Since the write current Iw is a pulse current, the pulse width of the write current Iw can be changed by adjusting the ON state time of the first transistor Tr1.
  • the magnetization direction of the recording layer 16 is reversed by passing the write current Iw between one end and the other end of the heavy metal layer 11, thereby generating data "0" or data "1". ” can be written.
  • the magnetoresistive element 10 applies a voltage between one end (first terminal T1) and the other end (second terminal T2) of the heavy metal layer 11 to apply a write current to the heavy metal layer 11.
  • the magnetization M11 of the recording layer 16 is caused by spins injected from the heavy metal layer 11. may be reversed in magnetization.
  • the write voltage Vw is set to a voltage higher than the read voltage VRead .
  • the first transistor Tr1 and the third transistor Tr3 are turned on, the write voltage Vw is applied to the first terminal T1, and the read voltage VRead is applied to the third terminal T3. Since the write voltage Vw is set higher than the read voltage VRead , from the first terminal T1 to the heavy metal layer 11, the recording layer 16, the barrier layer 17, the reference layer 18, the cap layer 19, and the third terminal T3.
  • a read current Ir flows in order.
  • a read current Ir flows through the barrier layer 17 .
  • a read current Ir is detected by a detector (not shown).
  • the magnitude of the read current Ir determines whether the MTJ is in a parallel state or antiparallel state, that is, whether the MTJ stores data “0” or not. It is possible to read whether "1" is stored.
  • the read current Ir is a pulse current, and the pulse width is adjusted by adjusting the time during which the third transistor Tr3 is turned on.
  • the read current Ir is desirably set to such a weak current that the recording layer 16 does not undergo spin-injection magnetization reversal due to the read current Ir when the read current Ir flows through the MTJ.
  • the magnitude of the read current Ir is adjusted by appropriately adjusting the potential difference between the write voltage Vw and the read voltage VRead .
  • the first transistor Tr1 is turned off.
  • the magnetoresistive element 10 can protect the barrier layer 17, make the barrier layer 17 thinner, and further suppress the read disturbance in which the magnetization state of the recording layer 16 changes due to the current flowing through the MTJ. can be done.
  • FIG. is provided as an MTJ.
  • the first transistor Tr1 connected to the first terminal T1 of the heavy metal layer 11 and the third transistor Tr3 connected to the third terminal T3 of each MTJ are all turned off. If necessary, the magnetic anisotropy of the recording layer 16 is reduced by turning on the third transistor Tr3 connected to the third terminal T3.
  • the write voltage Vw is set to a positive voltage to turn on the first transistor Tr1 connected to the first terminal T1, causing the write current Iw to flow from the first terminal T1 to the second terminal T2.
  • the recording layer 16 having perpendicular magnetization rotates and the axis of easy magnetization is not determined in a stable direction.
  • all of the third transistors Tr3 connected to the third terminal T3 in each MTJ are turned on to allow the write auxiliary current IWA to flow, and only the portions to which it flows are written.
  • all the third transistors Tr3 connected to the third terminal T3 in each MTJ are turned off, and the first transistors Tr1 connected to the first terminal T1 are turned off.
  • the write voltage Vw is set to a negative voltage to turn on the first transistor Tr1 connected to the first terminal T1, and the write current Iw flows from the second terminal T2 to the first terminal T1.
  • the magnetic anisotropy constant ⁇ of the recording layer 16 is reduced to 5 to 15, the recording layer 16 having perpendicular magnetization rotates when the write current Iw is applied, and the axis of easy magnetization is not determined in a stable direction.
  • the layer 16 is defined in the direction of the write assist current IWA and the spin transfer torque flips the easy axis to the steady state.
  • this element is used as a cross-point memory of a crossbar network, if the magnetic anisotropy constant ⁇ of the recording layer 16 is reduced to 5 to 15, the recording layer 16 having perpendicular magnetization will rotate when the write current Iw is applied. However, the axis of easy magnetization is not determined in a stable direction, but this is written by wiring for applying a magnetic field, which will be described later. At this time, since the magnetic anisotropy constant ⁇ of the recording layer 16 is as small as 5 to 15, writing can be performed with a small current magnetic field.
  • FIG. 8 is a timing chart of signals for writing data to the magnetoresistive effect element.
  • the write current Iw and the write auxiliary current IWA are pulsed currents. As shown in FIG. 8, the pulse of the write current Iw and the pulse of the write auxiliary current IWA are timings at least partially overlapping each other. For example, as shown in FIG. 8, the write current Iw is pulsed on first and the write auxiliary current IWA is pulsed on before the write current Iw is pulsed off. After this, the write current Iw is pulsed off and the write auxiliary current IWA is pulsed off.
  • data "1” may be written to all MTJs collectively, and then data "0" may be written only to selected MTJs.
  • the third transistor Tr3 connected to the third terminal T3 of the MTJ to be read is turned on. This is done by applying a read current Ir to the MTJ.
  • the reading method is the same as in the first embodiment.
  • the magnetoresistive element 10 includes a heavy metal layer 11 formed by laminating an Ir layer 12 and a Pt layer 13, and the heavy metal layer 11 facing the heavy metal layer 11.
  • a reference comprising a recording layer 16 including a first ferromagnetic layer having reversible magnetization and a second ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction provided on the upper Pt layer 13 side
  • the layer 18 and the barrier layer 17 sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer and made of an insulator are provided.
  • the direction of magnetization in the first ferromagnetic layer of the recording layer 16 can be efficiently reversed by the resistance without lowering the reversal efficiency.
  • external magnetic fields are not used by adjusting the shapes of the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 in a plan view, or by adjusting the directions of the spins in the recording layer 16 and the reference layer 18, respectively.
  • the magnetization directions of the recording layer 16 and the reference layer 18 can be either in-plane parallel or in-plane perpendicular.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element 30 according to a second embodiment of the invention.
  • the heavy metal layer 11 is formed by laminating an Ir layer 12 and a Pt layer 13 one by one.
  • a magnetic layer 15 is provided correspondingly.
  • the magnetization M21 of one ferromagnetic layer 14 and the magnetization M22 of the other ferromagnetic layer 15 are both in opposite directions. That is, when the buffer layer 2 is provided on the substrate 1 as necessary and the heavy metal layer 11 is provided thereon, one ferromagnetic layer 14 is provided on the substrate 1 or buffer layer 2 side of the heavy metal layer 11 .
  • the other ferromagnetic layer 15 is provided on the recording layer 16 side.
  • the reason why the Ir layer 12 and the Pt layer 13 are one layer each is that the ferromagnetic layer 14 on one side and the ferromagnetic layer 15 on the other side are antiferromagnetically coupled.
  • the recording layer 16 and the reference layer 18 are also preferably perpendicular magnetization layers. .
  • the spin Hall effect causes one of the ferromagnetic layers 14 to
  • the magnetizations of the magnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 15 are reversed, and under the influence of the magnetization reversal of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 15, the magnetization of the recording layer 16 is reversed.
  • a write current Iw in the +x direction as shown on the left side of FIG.
  • the direction of magnetization M11 is reversed.
  • the Pt layer 13 preferably has a thickness of 0.6 nm or more and 1.0 nm or less.
  • the Ir layer 12 is preferably 0.45 nm or more and 0.65 nm or less, and 1.3 nm or more and 1.5 nm or less. This is because one ferromagnetic layer 14 and the other ferromagnetic layer 15 are antiferromagnetically coupled. Both the ferromagnetic layer 14 on one side and the ferromagnetic layer 15 on the other side are preferably 1 nm or less.
  • a magnetoresistive element 30 according to the second embodiment is formed by laminating an Ir layer 12 and a Pt layer 13 one by one, and further laminating one ferromagnetic layer 14 and the other ferromagnetic layer 15 above and below them.
  • a first non-magnetic layer 20 is provided between the heavy metal layer 11 and the recording layer 16, and the crystal structure of the heavy metal layer 11 and the recording layer 16 is divided.
  • a second nonmagnetic layer 21 is provided on the side of the second ferromagnetic layer opposite to the barrier layer 17 in the reference layer 18 adjacent to the barrier layer 17 . It breaks the crystal structure of the layer.
  • One or more elements are selected from W, Ta, Mo, Hf, and the like for the first nonmagnetic layer 20 and the second nonmagnetic layer 21 .
  • (Co/Pt) n /Ir/(Co/Pt) m is formed on the side opposite to the second ferromagnetic layer with the second nonmagnetic layer 21 interposed therebetween.
  • a pinned layer 22 is provided to fix and pin the direction of the magnetization M12 of the second ferromagnetic layer of the reference layer 18 .
  • the combination of the second ferromagnetic layer and the pinned layer 22 may be called a reference layer.
  • the above m and n are arbitrary natural numbers.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element 30 according to a third embodiment of the invention.
  • the heavy metal layer 11 is formed by laminating an Ir layer 12 and a Pt layer 13 one by one.
  • the other ferromagnetic layer 15 is provided correspondingly.
  • the magnetization M21 of one ferromagnetic layer 14 and the magnetization M22 of the other ferromagnetic layer 15 are both in opposite directions. That is, when the buffer layer 2 is provided on the substrate 1 as necessary and the heavy metal layer 11 is provided thereon, one ferromagnetic layer 14 is provided on the substrate 1 or buffer layer 2 side of the heavy metal layer 11 .
  • the other ferromagnetic layer 15 is provided on the recording layer 16 side.
  • the reason why the Ir layer 12 and the Pt layer 13 are one layer each is that the ferromagnetic layer 14 on one side and the ferromagnetic layer 15 on the other side are antiferromagnetically coupled.
  • the recording layer 16 and the reference layer 18 are also preferably horizontally magnetized layers. .
  • the spin Hall effect causes the ferromagnetic layer 14 on the other side to flow.
  • the magnetizations of the magnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 15 are reversed, and under the influence of the magnetization reversal of the ferromagnetic layer 14 and the ferromagnetic layer 15, the magnetization of the recording layer 16 is reversed. As shown on the left side of FIG.
  • the magnetization M21 of one ferromagnetic layer 14 and the magnetization M22 of the other ferromagnetic layer 15 are reversed.
  • the direction of magnetization M11 is reversed.
  • the magnetization M21 of one ferromagnetic layer 14 and the magnetization M22 of the other ferromagnetic layer 15 are reversed by applying a write current Iw in the -x direction, thereby resulting in the state shown on the right side of FIG. , the direction of the magnetization M11 of the recording layer 16 is reversed.
  • the preferred thicknesses of the Ir layer 12 and the Pt layer 13 of the heavy metal layer 11 are the same as in the second embodiment.
  • on the side opposite to the second ferromagnetic layer with the second nonmagnetic layer 21 interposed therebetween for example, (Co/Pt) n /Ir/(Co/Pt) m is formed.
  • a pinned layer 22 is provided to fix and pin the direction of the magnetization M12 of the second ferromagnetic layer of the reference layer 18 .
  • the combination of the second ferromagnetic layer and the pinned layer 22 may be called a reference layer.
  • the above m and n are arbitrary natural numbers.
  • a magnetoresistive element 30 according to the third embodiment is formed by laminating an Ir layer 12 and a Pt layer 13 one by one, and further laminating one ferromagnetic layer 14 and the other ferromagnetic layer 15 above and below them.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing a magnetoresistive element 50 according to the fourth embodiment.
  • 14 is a plan view of the third terminal T3 shown in FIG. 13.
  • the magnetoresistive element 50 according to the fourth embodiment differs from the magnetoresistive element 10 according to the first embodiment in the following points. That is, the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 do not have a cylindrical shape, but have a notch NA that is cut in the plane 5 extending along the z-axis while being inclined with respect to the x-axis and y-axis.
  • the shape of the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 when viewed in the stacking direction of the heavy metal layer 11, that is, the shape in a plan view, corresponds to the direction in which the write current flows in the heavy metal layer 11. It is asymmetric with respect to any line.
  • the direction in which precession is likely to occur is determined.
  • the magnetization direction of the recording layer 16 can be reversed and maintained without applying an external magnetic field.
  • Materials and thicknesses of the recording layer 16, the barrier layer 17, the reference layer 18, the cap layer 19, and the terminals constituting the MTJ are the same as in the first embodiment. Moreover, it is applied not only to the first embodiment but also to the second and third embodiments.
  • FIG. 15 is a perspective view schematically showing a magnetic memory 60 according to the fifth embodiment of the invention.
  • a plurality of magnetoresistive elements are arranged above or below the same heavy metal layer 11a. They are arranged in an array on 11b and 11c.
  • one unit 61 is constructed by arranging a plurality of magnetoresistive elements M11, M12, M13, M14, and M15, for example, a total of five on one heavy metal layer 11a.
  • Each of the magnetoresistive elements M11 to M15 is constructed by laminating a recording layer 16, a barrier layer 17, a reference layer 18, a cap layer 19 and a terminal in this order.
  • One unit 61 is provided with a first common terminal (not shown) and a second common terminal (not shown) with respect to the heavy metal layer 11 with a plurality of magnetoresistive effect elements M11 to M15 interposed therebetween, Either the source or the drain of the first transistor Tr11 is connected to the first common terminal so that a write voltage can be applied thereto, and the second common terminal is the source or drain of the second transistor Tr12. Either one is connected, for example, to ground.
  • the magnetoresistive elements M11, M12, M13, M14 and M15 are the same as described in the first embodiment with reference to FIGS.
  • a heavy metal layer 11a, a recording layer 16, a barrier layer 17, and a reference layer 18 are included, and the recording layer 16 is disposed on the side opposite to the reference layer 18 with the barrier layer 17 interposed therebetween, that is, on the side of the heavy metal layer 11a.
  • the reference layer 18 is arranged on the opposite side of the heavy metal layer 11a with the barrier layer 17 interposed therebetween.
  • the recording layer 16, the barrier layer 17 and the reference layer 18 form a magnetic tunnel junction (MTJ).
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the magnetoresistive elements M11, M12, M13, M14, and M15 generate the first ferromagnetism in the recording layer 16 using spin-orbit torque-induced magnetization reversal by a current (referred to as "write current") flowing through the heavy metal layer 11a.
  • write current a current flowing through the heavy metal layer 11a.
  • the direction of magnetization in the layer is reversed.
  • the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 have a columnar shape in accordance with the shape of the recording layer 16, and are symmetrical about the direction (z direction) seen in plan view. It has become. That is, the recording layer 16, the barrier layer 17, and the reference layer 18 are line-symmetrical with respect to any line in the direction of the current flowing through the heavy metal layer 11a. This also applies to units 62 and 63, which will be described later.
  • the magnetic memory 60 has a plurality of magnetoresistive elements M21, M22, M23, M24, and M25 on one heavy metal layer 11b.
  • One unit 62 is formed by arranging a plurality of magnetoresistive elements M31, M32, M33, M34, and M35 on one heavy metal layer 11c.
  • the effect elements M21 to M25 and M31 to M35 are constructed by laminating a recording layer 16, a barrier layer 17, a reference layer 18, a cap layer 19 and terminals in this order.
  • Each of the units 62 and 63 connects a first common terminal (not shown) and a second common terminal (not shown) to the corresponding heavy metal layers 11b and 11c to a plurality of magnetoresistive elements M21 to M25 and M31. , M35 are interposed therebetween, one of the sources and drains of the first transistors Tr21 and Tr31 is connected to the first common terminal, and a write voltage can be applied thereto. is connected to one of the sources and drains of the second transistors Tr22 and Tr32, and is connected to the ground, for example.
  • the magnetic memory 60 is configured by arranging units 61, 62, and 63.
  • FIG. The fifth embodiment relates to an array of 5 ⁇ 3 magnetoresistive elements as shown, but is not limited to this, and can be applied to an array in which m ⁇ n magnetoresistive elements are integrated.
  • a magnetic memory 60 according to the fifth embodiment includes a writing unit (not shown) having a writing power supply for writing data to the magnetoresistive elements M11 to M35.
  • the writing unit writes data to the magnetoresistive elements M11 to M35 by applying a write current Iw to the heavy metal layers 11a, 11b, and 11c.
  • the magnetic memory 60 includes a read power source and a current detector (both not shown), and a read section for reading data from the magnetoresistive elements M11 to M35.
  • a read power supply supplies a read current Ir passing through the barrier layer 17 .
  • the current detector detects a read current Ir passing through the barrier layer 17 and reads data written in the magnetoresistive elements M11 to M35.
  • a method of writing data to the magnetoresistive elements M11 to M35 will be described.
  • a case where the second common terminals T12, T22, T32 of the heavy metal layers 11a, 11b, 11c are grounded will be described, but they may be grounded via the second transistors Tr12, Tr22, Tr32.
  • you can stay As an initial state the first transistors Tr11, Tr21, Tr31 connected to the first common terminals T11, T21, T31 of the heavy metal layers 11a, 11b, 11c and the third terminals T131 to T135, T231 to Assume that the third transistors Tr131 to Tr135, Tr231 to Tr235, Tr331 to Tr335 connected to T235 and T331 to T335 are all off.
  • an MTJ to which data "1" is to be written is selected by turning on the third transistor Tr131 connected to the third terminal (for example, T131) of the MTJ.
  • the write voltage Vw is set to a negative voltage
  • the first transistor Tr11 connected to the first common terminal T11 is turned on
  • the write current Iw is supplied from the second common terminal T12 to the first common terminal T11. flush. Since the magnetic anisotropy of the recording layer 16 is small only in the MTJ in which the third transistor Tr131 connected to the third terminal T131 is turned on, the magnetization is reversed. As a result, data "1" is written only to the selected MTJ. After that, the third transistor (Tr131 in this case) that is on is turned off, the first transistor Tr11 connected to the first common terminal T11 is turned off, and the write operation ends.
  • the read operation is performed by turning on the first transistor Tr11 connected to the first common terminal (for example, T11) of the MTJ to be read, and then turning on the transistor Tr11 connected to the third terminal (for example, T132) of the MTJ to be read. This is done by turning on the third transistor Tr132 and applying a read current Ir to the MTJ to be read.
  • the subsequent read operation is the same as in the first embodiment.
  • a magnetic memory 60 according to the fifth embodiment of the present invention is formed by stacking an Ir layer 12 and a Pt layer 13, facing a heavy metal layer 11 with a ferromagnetic layer 15 interposed therebetween, and having reversible magnetization.
  • the heavy metal layer 11 is provided with lamination of the Ir layer 12 and the Pt layer 13 between the ferromagnetic layer 14 on one side and the ferromagnetic layer 15 on the other side.
  • a plurality of magnetoresistive elements each including the recording layer 16, the barrier layer 17 and the reference layer 18 may be provided on the same heavy metal layers 11a, 11b and 11c.
  • the MTJ is not limited to the cylindrical shape, and may have the notch NA as in the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram showing an outline of an AI system according to the sixth embodiment of the present invention.
  • Cross-point memories (CM 11 , . . . , CM mn ) connecting the first wires (S 1 , . is provided.
  • the cross-point memory (CM 11 , . . . , CM mn ) is composed of storage elements such as ReRAM (resistance change memory), PCM (phase change memory), and MTJ.
  • a resistive crossbar network is provided.
  • An input line INPUT is connected to one end of the first wiring (S 1 , . . . , S n ), and an electronic neuron (NR 1 , . ing. Electronic neurons (NR 1 , . . . , NR n ) are formed on neuron substrates (SA NR1 , . . . , SA NRn ).
  • a neuron substrate (SA NR1 , . Electronic neurons (NR 1 , . . . , NR n ) have the same configuration as the magnetoresistive effect elements according to the first to fourth embodiments of the present invention.
  • An output line OUTPUT is connected to the neuron boards (SA NR1 , . . . , SA NRn ).
  • the magnetoresistive elements 10 are used for electronic neurons (NR 1 , . . . , NR n ), and electronic neurons (NR 1 , . . . , NR n ). is the weighted sum of the resistive crossbar network.
  • An artificial intelligence (AI) system is configured such that the resistance crossbar network is one stage, which are connected in multiple stages, and the output of the resistance crossbar network of the previous stage is input to the resistance crossbar network of the next stage.
  • Crosspoint memories (CM 11 , . . . , CM mn ) correspond to synapses in AI systems.
  • the cross-point memories (CM 11 , . . . , CM mn ) store data with a set of memories corresponding to a pair of second wirings. For example, when there is an input from the resistor crossbar network in the previous stage, VS is input to the second wiring B1 and -VS is input to the second wiring B2 according to the input. In response, data are stored in the cross-point memory CM 11 and the cross-point memory CM 21 , respectively. Data is stored in the cross-point memory CM31 and the cross-point memories subsequent to the cross-point memory CM41 in accordance with the input from the resistance crossbar network of the previous stage.
  • a sum signal ie, a signal corresponding to the sum of the readout currents from each cross-point memory (CM 11 , . . . , CM m1 ), is output to the electronic neuron NR 1 and stored.
  • data is similarly stored in the crosspoint memories (CM1n , . , CM mn ) is output to the electronic neuron NR n and stored.
  • the data stored in the electronic neurons (N 1 , . . . , NR n ) are configured to be input to the resistive crossbar network of the next stage.
  • FIG. 17 is a circuit diagram of an example of an AI system using magnetoresistive elements. It has a configuration in which a reference element REF is connected in series to an electronic neuron NRn to be read.
  • the reference element REF is composed of a magnetoresistive effect element similar to the electron neuron NRn , and has a predetermined resistance value.
  • the reference element REF receives the power supply voltage V DD through the transistor TR SIG , and the electronic neuron NR n is grounded.
  • the read enable signal SIG is input and the transistor TR SIG is turned on, the power supply voltage V DD is input to the reference element REF.
  • the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention is used so that the output of the preceding-stage resistive crossbar network is input to the succeeding-stage resistive crossbar network, thereby constituting an AI system. be done.
  • FIG. 18 is a diagram showing an outline of an AI system different from that in FIG.
  • the electron neurons (NR 1 , . . . , NR n ) have the same configuration as the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention, and the cross-point memory (CM 11 , . . . , CM mn ) , CM mn ) provided with cross-point memories (CM 11 , . . . , CM mn ) are common substrates (SA 1 , .
  • the magnetoresistive effect element according to the embodiment of the present invention is used so that the output of the preceding-stage resistive crossbar network is input to the succeeding-stage resistive crossbar network, thereby constituting an AI system. be done.
  • FIG. 19 is a plan view of an AI system according to the sixth embodiment of the invention.
  • Magnetic field applying electrodes (CL1, CL2, . may As shown in FIG. 19, the magnetic field applying electrodes (CL1, CL2, .
  • the write current Iw is applied to the position of the magnetoresistive element to be written on the heavy metal wiring, the magnetoresistive element has a small thermal stability constant, so "1" and "0" are not defined. In this state, for example, a current is passed through the magnetic field applying electrodes (CL1, CL2, .
  • FIG. 20 is a plan view of the AI system according to the sixth embodiment of the present invention, which is different from FIG. In FIG. 20, the semi-arc wiring portion of the magnetic field applying electrode CL1 and the semi-arc wiring portion of the magnetic field applying electrode CL2 are alternately arranged on both sides in the wiring extending direction.
  • the magnetic field applying electrode CL1 and the magnetic field applying electrode CL2 are supplied with a current in a predetermined direction, a magnetic field is generated in a predetermined direction according to the current flow, and writing is performed.
  • a sample 100 includes a Si substrate 101 provided with a thermal oxide film, a Ta layer 102 with a thickness of 0.5 nm provided on the thermal oxide film, and a CoFeB layer 102 with a thickness of 1.5 nm provided on the Ta layer 102 .
  • It is composed of a layer 103 , a heavy metal layer 104 in which a Pt layer and an Ir layer are repeatedly laminated, and a Ta layer 105 having a thickness of 1.0 nm on the uppermost surface of the heavy metal layer 104 .
  • the heavy metal layer 104 is composed of a laminate of a Pt layer with a thickness of 0.4 nm and an Ir layer with a thickness of 0.4 nm. Two to ten layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of 6 nm to 8.0 nm.
  • the heavy metal layer 104 is composed of a stack of a Pt layer with a thickness of 0.6 nm and an Ir layer with a thickness of 0.6 nm, and the thickness of the entire heavy metal layer 104 is 1.6 nm.
  • One to seven layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of 2 nm to 8.4 nm.
  • the heavy metal layer 104 is composed of a laminate of a Pt layer with a thickness of 0.8 nm and an Ir layer with a thickness of 0.8 nm.
  • a Pt layer with a thickness of 0.8 nm and an Ir layer with a thickness of 0.8 nm One to six layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of 6 nm to 9.6 nm, respectively.
  • the heavy metal layer 104 is composed of a laminate of a Pt layer with a thickness of 1.0 nm and an Ir layer with a thickness of 0.8 nm, and the thickness of the entire heavy metal layer 104 is 1.0 nm.
  • One to five layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of 8 nm to 9.0 nm.
  • the heavy metal layer 104 consisted of a stack of a Pt layer with a thickness of 1.2 nm and an Ir layer with a thickness of 0.8 nm, and the thickness of the entire heavy metal layer was 2.0 nm.
  • One to five layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of 10.0 nm to 10.0 nm.
  • the heavy metal layer 104 consisted of a stack of a Pt layer with a thickness of 0.8 nm and an Ir layer with a thickness of 0.6 nm, and the thickness of the entire heavy metal layer was 1.4 nm.
  • One to five layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of ⁇ 7.0 nm, respectively.
  • the heavy metal layer 104 is composed of a laminate of a Pt layer with a thickness of 1.0 nm and an Ir layer with a thickness of 0.6 nm, and the thickness of the entire heavy metal layer is 1.6 nm.
  • One to five layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of 8.0 nm to 8.0 nm, respectively.
  • the heavy metal layer 104 is composed of a laminate of a Pt layer with a thickness of 1.2 nm and an Ir layer with a thickness of 0.6 nm, and the thickness of the entire heavy metal layer is 1.8 nm.
  • One to five layers of Pt/Ir were laminated so as to have a thickness of .about.9.0 nm, respectively.
  • heavy metal layers 104 each consisting of only a Pt layer with a thickness between 1.5 nm and 7.0 nm were fabricated.
  • FIG. 22 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of electrical conductivity of the third sample.
  • the third sample has a stack of Ta 0.5 nm/CoFeB 1.5 nm/(Pt 0.8 nm/Ir 0.8 nm) n /Ta( ⁇ 0) 1 nm, where n is 1-5.
  • the specific resistance ⁇ PtIr of the heavy metal layer was 44.56 ⁇ cm.
  • the specific resistance ⁇ CoFeB of CoFeB was 260.5 ⁇ cm.
  • FIG. 23 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of electrical conductivity of the fourth sample.
  • the fourth sample is a stack of Ta 0.5 nm/CoFeB 1.5 nm/(Pt 1.0 nm/Ir 0.8 nm) n /Ta( ⁇ 0) 1 nm, where n is 1-5.
  • the specific resistance ⁇ PtIr of the heavy metal layer was 37.21 ⁇ cm.
  • the specific resistance ⁇ CoFeB of CoFeB was 260.5 ⁇ cm.
  • FIG. 24 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of the electrical conductivity of the fifth sample.
  • the fifth sample is a stack of Ta 0.5 nm/CoFeB 1.5 nm/(Pt 1.2 nm/Ir 0.8 nm) n /Ta( ⁇ 0) 1 nm, where n is 1-5.
  • the specific resistance ⁇ PtIr of the heavy metal layer was 36.9992 ⁇ cm.
  • the specific resistance ⁇ CoFeB of CoFeB was 260.5 ⁇ cm.
  • the electrical conductivity has linearity with respect to the thickness t of the heavy metal layer 104.
  • FIG. It was also found that the specific resistance ⁇ PtIr of the heavy metal layer decreases as the ratio of the thickness of the Pt layer to the thickness of the Ir layer constituting the laminated film (t_Pt/t_Ir) increases.
  • FIG. 25 shows the results of the specific resistance obtained from the thickness dependence of the electrical conductivity of the heavy metal layer 104 for the first to fifth samples.
  • the spin generation efficiency ⁇ SH and the spin conductivity ⁇ SH of the magnetic laminated film were obtained.
  • the results are shown in FIGS. 26 and 27.
  • FIG. 26 and 27 also show the results of the comparative sample and the results of the ninth sample.
  • the horizontal axis of FIG. 26 indicates the film thickness ratio of the Pt layer and the Ir layer in each sample, and the vertical axis indicates the spin generation efficiency ⁇ SH .
  • the spin generation efficiency ⁇ SH is lower than that of the Pt single layer.
  • the values are at the same level as the Pt single layer.
  • the horizontal axis of FIG. 27 indicates the film thickness ratio of the Pt layer and the Ir layer in each sample, and the vertical axis indicates the spin conductivity ⁇ SH .
  • the spin conductivity ⁇ SH is lower than that of the Pt single layer. It was found that the thicknesses of 0.8/0.8, 1.0/0.8 and 1.2/0.8 were higher than the Pt single layer.
  • FIGS. 28 to 30 show the third to fifth samples.
  • the horizontal axis is the thickness ratio of the Pt layer and the Ir layer in each sample
  • the vertical axis is the spin generation efficiency ⁇ SH in FIG. 28, the specific resistance ⁇ XX in FIG. 29, and the spin conductivity ⁇ SH in FIG. is.
  • the case where the Ir layer has a thickness of 0.8 nm is plotted with black circles ( ⁇ ), and the case where the Ir layer has a thickness of 0.6 nm is plotted with diamonds ( ⁇ ).
  • the spin generation efficiency ⁇ SH increases as the Pt layer thickness increases to 0.8 nm, 1.0 nm, and 1.2 nm, regardless of whether the Ir layer thickness is 0.6 nm or 0.8 nm.
  • the thickness t_Ir of the Ir layer is 0.6 nm and 0.8 nm
  • the thickness t_Pt of the Pt layer is 0.8, 1.0, and 1.2 nm, respectively, compared with the case of using Pt alone (about 0.1).
  • a sufficient spin generation efficiency ⁇ SH can be obtained in the range of .
  • the spin generation efficiency ⁇ SH is about 0.07, which is not very preferable.
  • the specific resistance ⁇ xx decreases as the Pt layer thickness increases to 0.8 nm, 1.0 nm, and 1.2 nm, regardless of whether the Ir layer thickness is 0.6 nm or 0.8 nm.
  • the thickness t_Ir of the Ir layer is 0.6 nm and 0.8 nm and the thickness t_Pt of the Pt layer is 0.8, 1.0 and 1.2 nm.
  • a low resistivity ⁇ xx is obtained.
  • the resistivity ⁇ xx is about 50 ⁇ cm, which is not very preferable.
  • the spin conductivity ⁇ SH increases as the thickness of the Pt layer increases to 0.8 nm, 1.0 nm, and 1.2 nm, regardless of whether the thickness of the Ir layer is 0.6 nm or 0.8 nm.
  • the thickness t_Pt of the Pt layer is 0.55 ⁇ 10 5 ⁇ ⁇ 1 m ⁇ 1 when the thickness t_Ir of the Pt layer is 0.6 nm and 0.8 nm.
  • High spin conductivity ⁇ SH is obtained in the range of 8, 1.0, 1.2 nm.
  • the spin conductivity ⁇ SH is approximately 1.4 ⁇ 10 5 ⁇ ⁇ 1 m ⁇ 1 , which is not very preferable.
  • each Ir layer constituting the heavy metal layer is preferably 0.6 nm or more.
  • the thickness of the Pt layer constituting the heavy metal layer is preferably greater than 0.6 nm per layer.
  • the thickness ratio of the Pt layer and the Ir layer in the heavy metal layer is preferably in the range of 1:0.5 to 1:0.8.
  • the heavy metal layer as a whole preferably has a thickness of 10 nm or less. It is sufficient for the thickness of the heavy metal layer to be about 3 to 4 times the spin diffusion length, and it may be thin as long as current can flow. This is because even if it is made thicker than necessary, it does not affect the recording layer. 6)
  • Each of the Pt layer and the Ir layer constituting the heavy metal layer includes one layer, and may be, for example, a Pt layer/Ir layer/Pt layer or an Ir layer/Pt layer/Ir layer.
  • FIG. 21J is a cross-sectional view of the manufactured ninth sample.
  • a ninth sample 100 includes a Si substrate 111 with a thermal oxide film, a Ta layer 112 with a thickness of 0.5 nm provided on the thermal oxide film, and a CoFeB substrate with a thickness of 1.5 nm provided on the Ta layer 112. a layer 113, a MgO layer 114 with a thickness of 1.2 nm provided on the CoFeB layer 113, and a heavy metal layer 115 in which a Pt layer with a thickness of 1.0 nm and an Ir layer with a thickness of 0.8 nm are repeatedly laminated.
  • the heavy metal layer 115 is composed of a stack of a Pt layer with a thickness of 1.0 nm and an Ir layer with a thickness of 0.8 nm. One to six layers were laminated, respectively.
  • FIG. 31 is a diagram showing heavy metal layer thickness dependence of electrical conductivity of the ninth sample.
  • the ninth sample is Ta 0.5 nm/CoFeB 1.5 nm/MgO 1.2 nm/(Pt 1.0 nm/Ir 0.8 nm) n /CoFeB 1.5 nm/MgO 1.5 nm/Ta(-0) 1 nm.
  • the specific resistance ⁇ PtIr of the heavy metal layer was 34.016 ⁇ cm.
  • the specific resistance ⁇ CoFeB of CoFeB was 260.5 ⁇ cm.
  • the spin generation efficiency ⁇ SH and the spin conductivity ⁇ SH were determined.
  • the pinhole generation efficiency ⁇ SH is about 0.1
  • the resistivity ⁇ PtIr is 35 ⁇ cm
  • the spin conductivity ⁇ SH is 3.2 ⁇ 10 5 ⁇ ⁇ 1 m ⁇ 1 .
  • the value is more preferable as a magnetic laminated film (heavy metal layer).
  • the value of the specific resistance ⁇ obtained for the ninth sample is compared with the results of other samples from FIG. is reduced to 35 ⁇ cm and found to be favorable.
  • the value of the spin Hall angle ⁇ SH obtained for the ninth sample shows that when compared with the results of the first to fifth samples shown in FIG. , the spin Hall angle ⁇ SH increases to 0.108, which is preferable. Note that the spin Hall angle of the Ir single layer is very small, and is reported to be 0.01 (PHYSICAL REVIEW B99, 134421, 2019).
  • the value of the spin conductivity ⁇ SH obtained for the ninth sample is compared with the results for the first to fifth samples shown in FIG. It was found that the spin conductivity ⁇ SH increased up to 3.2 ⁇ 10 5 ⁇ ⁇ 1 m ⁇ 1 by providing it.
  • the pinhole generation efficiency ⁇ SH , specific resistance ⁇ PtIr , and spin conductivity ⁇ SH of the ninth sample are favorable. It has been found that it is preferable to provide CoFeB on top and bottom. Also, it is considered that the provision of the MgO layer allows the Pt layer or the Ir layer adjacent to the MgO layer to have crystallinity.
  • FIG. 32 is a diagram showing the dependence of the electrical conductivity on the thickness of the heavy metal layer.
  • the horizontal axis is the thickness of the heavy metal layer, and the vertical axis is the electrical conductivity Gxx ( ⁇ ⁇ 1 ).
  • Square ( ⁇ ) plots, diamond ( ⁇ ) plots, and circle ( ⁇ ) plots indicate that the samples are CoFeB/MgO/(Pt1.0/Ir0.8) n , (Pt1.0/Ir0.8) n , is Pt. It was found that the specific resistances of Pt, (Pt1.0/Ir0.8) n , and MgO/(Pt1.0/Ir0.8) n decreased in order from 64.8 ⁇ cm, 37.2 ⁇ cm, and 34.0 ⁇ cm. .
  • the heavy metal layer 11 is constructed by providing one ferromagnetic layer 14 and the other ferromagnetic layer 15 of Co above and below the Pt layer 13 /Ir layer 12 .
  • Co/Ir/Co it is generally known that strong antiferromagnetic coupling occurs between Co—Co through Ir.
  • Ir has a very low spin generation efficiency ⁇ SH and cannot be used as a heavy metal.
  • the Pt layer 13/Ir layer 12 provides a high spin generation efficiency ⁇ SH and a high spin conductivity ⁇ SH .
  • a Co layer is provided on the Pt/Ta underlayer, an Ir layer and a Pt layer are provided in this order on the Co layer, a Co layer is provided on the Pt layer, and the Pt layer is used as a cap layer.
  • a sample was prepared to investigate the interlayer magnetic coupling between the Ir/Pt spacers. Note that a plurality of samples of the Pt layer were manufactured with a thickness between 0.6 nm and 1.0 nm.
  • FIG. 33 shows the results of examining the interlayer magnetic coupling between the Ir/Pt spacers of the tenth sample, where the horizontal axis represents the thickness tIr of the Ir layer and the vertical axis represents the interlayer coupling force J ex . From FIG. 33, strong antiferromagnetic coupling was confirmed also through the Ir/Pt spacer.
  • n is 1 or more and 5 or less, including the case where n is 1), and furthermore, this Co/Ir/Pt/Co
  • the electrodes since the ferromagnetic layers Co are provided above and below the Ir/Pt, as shown in FIG.
  • the film thickness of Ir is preferably 0.45 to 0.65 nm and 1.3 to 1.5 nm for antiferromagnetic (AF) coupling.
  • the Pt layer is preferably 0.6-1.0 nm.
  • Co is preferably 1 nm or less.
  • Table 1 shows spin generation efficiency ⁇ SH , specific resistance ⁇ ( ⁇ cm), and spin conductivity ⁇ SH when the interface between the heavy metal layer and the recording layer is a Pt layer or an Ir layer. From Table 1, it was found that the interface between the heavy metal layer and the recording layer is preferably formed by the Pt layer rather than by the Ir layer. From this, it can be said that the interface between the heavy metal layer 11 and the recording layer side is preferably formed of a Pt layer in each of the above-described embodiments.
  • Table 2 summarizes the relative values of power consumption according to the structure of the heavy metal layer. From Table 2, the thickness ratios of the Pt layer and the Ir layer are 0.4 nm/0.4 nm, 0.6 nm/0.6 nm, 0.8 nm/0.8 nm, 1.0 nm/0.8 nm, and 1 It was found that the power consumption decreased relatively greatly as the thickness became 0.2 nm/0.8 nm. Furthermore, it was found that the power consumption was relatively reduced from 0.33 to 0.26 by providing the magnetic layers CoFeB on both sides and sandwiching the MgO layers.
  • FIG. 34 is a diagram schematically showing a Hall bar and a measurement system fabricated as the 11th sample.
  • FIG. 35A is a cross-sectional view of the fabricated 11th sample.
  • the eleventh sample includes a Si substrate 201 provided with a thermal oxide film, a Ta layer 202 having a thickness of 3 nm provided on the thermal oxide film, and a heavy metal layer 202 provided on the Ta layer 202.
  • 203 a heavy metal layer 203 in which four layers of Pt layers with a thickness of 1.0 nm and Ir layers with a thickness of 0.8 nm are alternately laminated, and a Co layer 204 with a thickness of 1.3 nm provided on the heavy metal layer 203.
  • an Ir layer 205 with a thickness of 0.6 nm provided on the Co layer 204 an Ir layer 205 with a thickness of 0.6 nm provided on the Co layer 204, a Pt layer 206 with a thickness of 0.6 nm provided on the Ir layer 205, and a Ta layer with a thickness of 3 nm provided on the Pt layer 206.
  • FIG. 35B is a cross-sectional view of another manufactured comparative sample.
  • Another comparative sample as shown in FIG. A 7.2 nm thick Pt layer 203a, a 1.3 nm thick Co layer 204 provided on the Pt layer 203a, a 0.6 nm thick Ir layer 205 provided on the Co layer 204, and a It was composed of a Pt layer 206 with a thickness of 0.6 nm and a Ta layer 207 with a thickness of 3 nm provided on the Pt layer 206 .
  • FIG. 36 is a diagram showing the pulse current dependence of the Hall resistance R xy ( ⁇ ) of the first sample and another comparative sample.
  • the horizontal axis is the pulse current I (mA)
  • the vertical axis is the Hall resistance R xy ( ⁇ ).
  • the reversal current when the heavy metal layer 203 uses the multilayer film electrode of the Pt layer and the Ir layer is It turned out that it is about 70% smaller than the reversal current of .
  • the thickness of the Pt layer and the Ir layer that constitute the heavy metal layer may be constant or different for each Pt layer and Ir layer.
  • either perpendicular magnetization or in-plane magnetization may be used.
  • the magnetoresistive element according to the embodiment of the present invention is manufactured by sequentially depositing each element using sputtering or the like, and performing heat treatment while applying a magnetic field in the desired direction of magnetization.
  • Substrate 2 Buffer layers 10, 30, 50: Magnetoresistive element 11: Heavy metal layer 12: Ir layer 13: Pt layer 14: One ferromagnetic layer 15: The other ferromagnetic layer 16: Recording layer 17: Barrier Layer 18: Reference Layer 19: Cap Layer 60: Magnetic Memory

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

重金属層に流れる書き込み電流により、低抵抗で、反転効率を下げることなく、効率的に記録層における磁化の方向が反転することができる磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システムを提供する。磁気抵抗効果素子１０は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを積層してなる重金属層１１と、重金属層１１に対向するように設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含んでなる記録層１６と、磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層１８と、第１の強磁性層と第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層１７と、を備え、重金属層１１に流れる書き込み電流により、第１の強磁性層における磁化の方向が反転する。

Description

磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システム
　本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システムに関する。
　スピントロニクス集積回路を実現させるためには、情報の書き込みが重要である。スピントロニクスにおいて電気的に磁化を反転するためには、スピン注入磁化反転を利用する方法があり、これは、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含んでなる記録層と、絶縁体で構成されてなる障壁層と、磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層と、からなる磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）に電流を流すことで第１の強磁性層の磁化を反転する。一方、近年、電気的に磁化を反転するために、スピン軌道トルク（Spin Orbit Torque：ＳＯＴ）誘起磁化反転を利用する方法があり、この方法を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）素子が注目されている。
　ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、重金属層上に、記録層／障壁層／参照層を含むＭＴＪを設けて構成されており、重金属層に電流を流すことによりスピン軌道相互作用によりスピン流が誘起され、スピン流により分極したスピンが記録層に流入して、記録層の磁化が反転することによって、記録層における磁化の方向が、参照層における磁化の方向と平行な状態と反平行な状態が切り替わって、データを記録する（特許文献１乃至３）。
　また、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子を用いた電子ニューロンが提案されており、シナプス電流の総計によってニューロンの磁化方向が決定され、入力信号の加重和であるバイポーラ電流を生成するシナプスとして機能する抵抗クロスバーアレイが用いられている（特許文献４）。
国際公開第２０１６／０２１４６８号 国際公開第２０１６／１５９０１７号 国際公開第２０１９／１５９９６２号 米国特許出願公開第２０１７／０３３００７０号明細書
　しかしながら、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子の重金属層においてβ－Ｗなどの重金属元素を用いると、比抵抗が高いため書き込み効率の向上が期待される一方、消費電力が大きい。
　そこで、本発明は、重金属層に流れる書き込み電流により、低抵抗で、反転効率を下げることなく、効率的に記録層における磁化の方向が反転することができる磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システムを提供することを目的とする。
　本発明のコンセプトは次の通りである。
［１］　Ｉｒ層とＰｔ層とを積層してなる重金属層と、
　前記重金属層に対向するように設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含んでなる記録層と、
　磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層と、
　前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層と、
を備え、
　前記重金属層に流れる書き込み電流により、前記第１の強磁性層における磁化の方向が反転する、磁気抵抗効果素子。
［２］　前記重金属層は前記Ｉｒ層と前記Ｐｔ層とを繰り返し積層してなる、前記［１］に記載の磁気抵抗効果素子。
［３］　前記重金属層において最も外側の前記Ｐｔ層が前記記録層と界面を形成する、前記［１］又は［２］に記載の磁気抵抗効果素子。
［４］　前記重金属層の前記Ｐｔ層が、一層当たり、０．６ｎｍよりも長く１．５ｎｍ以下の厚みを有する、前記［１］乃至［３］の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
［５］　前記重金属層の前記Ｉｒ層が、一層当たり、０．６ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する、前記［１］乃至［４］の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
［６］　前記重金属層における前記Ｐｔ層と前記Ｉｒ層との厚みの比が、１：０．５～１：０．８の範囲である、前記［１］乃至［５］の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
［７］　前記重金属層は、前記Ｉｒ層と前記Ｐｔ層とを一層ずつ積層し、かつ前記記録層側と前記記録層の逆側とにそれぞれ別の強磁性層を設けてなる、前記［１］に記載の磁気抵抗効果素子。
［８］　前記記録層、前記障壁層及び前記参照層の、前記重金属層の積層方向に向かってみた形状が、前記重金属層での前記書き込み電流に沿った方向の何れの線に対しても非対称である、前記［１］乃至［７］の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
［９］　前記記録層、前記障壁層及び前記参照層の、前記重金属層の積層方向に向かってみた形状が、前記重金属層での前記書き込み電流に沿った方向の何れかの線に対して対称である、前記［１］乃至［７］の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
［１０］　それぞれが前記記録層と前記障壁層と前記参照層とを含む、前記［１］乃至［９］の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子が複数、同一の前記重金属層に設けられている、磁気メモリ。
［１１］前記［１］乃至［７］の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子が、抵抗クロスバーネットワークの加重和が入力される電子ニューロンに用いられる、人工知能システム。
［１２］前記磁気抵抗効果素子が、抵抗クロスバーネットワークのクロスポイントメモリに用いられている、前記［１１］に記載の人工知能システム。
　本発明によれば、Ｉｒ層とＰｔ層とを積層してなる重金属層と、重金属層に対向するように設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含む記録層と、磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層と、第１の強磁性層と第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層と、を備えているので、重金属層に流れる書き込み電流により、低抵抗で、反転効率を下げることなく、効率的に第１の強磁性層における磁化の方向が反転することができる。
図１は本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示す斜視図である。 図２は図１に示す磁気抵抗効果素子の断面図である。 図３はデータ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“０”を書き込む方法を説明するための図に関し、磁化の初期状態を示している。 図４はデータ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“０”を書き込む方法を説明するための図に関し、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示している。 図５はデータ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“１”を書き込む方法を説明するための図に関し、磁化の初期状態を示している。 図６はデータ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子にデータ“１”を書き込む方法を説明するための図に関し、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示している。 図７は磁気抵抗効果素子に記憶されたデータの読み出し方法を説明するための図である。 図８は磁気抵抗効果素子にデータを書き込む信号のタイミングチャートである。 図９は本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。 図１０は図９に示す磁気抵抗効果素子での書き換えの様子を示す図である。 図１１は本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。 図１２は図１１に示す磁気抵抗効果素子での書き換えの様子を示す図である。 図１３は第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示す斜視図である。 図１４は図１３に示す第３の端子の平面図である。 図１５は本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリを模式的に示す斜視図である。 図１６は本発明の第６の実施形態に係るＡＩシステムの概略を示す図である。 図１７は磁気抵抗効果素子を用いたＡＩシステムの一例の回路図である。 図１８は図１７とは異なるＡＩシステムの概略を示す図である。 図１９は本発明の第６の実施形態に係るＡＩシステムの平面図である。 図２０は図１９とは異なる本発明の第６の実施形態に係るＡＩシステムの平面図である。 図２１Ａは作製した第１の試料の断面図である。 図２１Ｂは作製した第２の試料の断面図である。 図２１Ｃは作製した第３の試料の断面図である。 図２１Ｄは作製した第４の試料の断面図である。 図２１Ｅは作製した第５の試料の断面図である。 図２１Ｆは作製した第６の試料の断面図である。 図２１Ｇは作製した第７の試料の断面図である。 図２１Ｈは作製した第８の試料の断面図である。 図２１Ｉは作製した比較試料の断面図である。 図２１Ｊは作製した第９の試料の断面図である。 図２２は第３の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。 図２３は第４の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。 図２４は第５の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。 図２５は各試料での重金属層の電気伝導度の厚み依存性から求めた比抵抗の結果である。 図２６は各試料でのスピン生成効率θＳＨを示す図である。 図２７は各試料でのスピン伝導度σＳＨを示す図である。 図２８は各試料でのＰｔ層とＩｒ層の各膜厚比に対するスピン生成効率θＳＨである。 図２９は各試料でのＰｔ層とＩｒ層の各膜厚比に対する比抵抗ρＸＸである。 図３０は各試料でのＰｔ層とＩｒ層の各膜厚比に対するスピン伝導度σＳＨである。 図３１は第９の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。 図３２は電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。 図３３は第１０試料のＩｒ／Ｐｔスペーサー間の層間の磁気的な結合を調べた結果である。 図３４は第１１の試料として作製したホールバー及び測定系を模式的に示す図である。 図３５Ａは作製した第１１の試料の断面図である。 図３５Ｂは作製した別の比較試料の断面図である。 図３６は第１１の試料、別の比較試料のホール抵抗のパルス電流依存性を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態で説明した事項に関し本発明の範囲を変更しない範囲で適宜設計変更することができる。
　[第１の実施形態]
　図１は本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０を模式的に示す斜視図であり、図２は図１に示す磁気抵抗効果素子１０の断面図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、重金属層１１と記録層１６と障壁層１７と参照層１８とを含んでおり、記録層１６が障壁層１７を挟んで参照層１８と逆側、即ち、重金属層１１側に配置して構成され、参照層１８が障壁層１７を挟んで重金属層１１と逆側に配置されて構成されている。記録層１６と障壁層１７と参照層１８とで磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）が構成されている。そして、磁気抵抗効果素子１０は、重金属層１１に流れる電流（「書き込み電流」という。）により、スピン軌道トルク（Spin Orbit Torque：ＳＯＴ）誘起磁化反転を用いて、記録層１６での第１の強磁性層における磁化の方向が反転するＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）素子を構成する。
　重金属層１１は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを積層して構成されている。重金属層１１は、基板１上に必要に応じてバッファー層２を設けてその上に構成される。重金属層１１は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを積層して構成される場合には、複数のＰｔ層１３のうち最も外側、即ち、積層方向のうち最も記録層１６側のＰｔ層１３が記録層１６と界面を形成することが好ましい。重金属層１１において記録層１６側にＰｔ層１３を設ける方が、Ｉｒ層を設けるよりも、スピンホール角θＳＨ、電気抵抗率ρ、電気伝導度σＳＨが何れも好ましいからである。重金属層１１は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とが一層ずつ積層される場合であってもよい。この場合でも、Ｉｒ層１２が基板１側に設けられ、Ｐｔ層１３が基板１と逆側の記録層１６側に設けられることが好ましい。また、図１及び図２に示すように、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とが繰り返してそれぞれ積層される場合であってもよい。Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とがそれぞれ繰り返して複数積層される場合、基板１側、バッファー層２側は、Ｐｔ層１３でも、Ｉｒ層１２でも何れでもよい。つまり、重金属層１１の一部を構成するＩｒ層１２とＰｔ層１３のうち、記録層１６に近い一つの層がＰｔ層１３であればよい。
　Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とが繰り返し積層される場合には、Ｐｔ層１３は、一層当たり、０．６ｎｍよりも長く１．５ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。Ｉｒ層１２は、一層当たり、０．６ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。ここで、Ｉｒ層１２とはＩｒ（イリジウム）からなる層であり、Ｐｔ層１３とはＰｔ（白金）からなる層である。Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とが少なくとも１、２層以上設けられ、重金属層１１全体として約１０ｎｍ以下となるように積層数が調整され、例えば６、７層あれば電流を流すのには十分である。
　記録層１６は、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含み、重金属層１１の最表面層であるＰｔ層１３に対向するように、例えば接するように設けられる。記録層１６は、０．８ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有し、好ましくは１．０ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。記録層１６は、第１の強磁性層に対して垂直方向に磁化していてもよい。そのため、記録層１６は、膜面に対して垂直な方向で磁化反転可能となるように構成されている。なお、「垂直方向に磁化している」とは、膜面に平行な磁化成分を有してもよいことを含む意味である。記録層１６は、第１の強磁性膜に対して面内方向に磁化していてもよい。そのため、記録層１６は、膜面に対して面内方向で磁化反転可能となるように構成されている。なお、「面内方向に磁化している」とは、膜面に垂直な磁化成分を有してもよいことを含む意味である。記録層１６に界面磁気異方性を生じさせるために記録層１６、即ち、第１の強磁性層は、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ、ＣｏＢなどで構成される。微細なＭＴＪの領域において、形状磁気異方性を用いる場合は、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ、ＣｏＢを膜厚方向の一番長さが長く加工し、これら単層を記録層としても良い。
　障壁層１７は、記録層１６の第１の強磁性層に対向して形成されている。障壁層１７は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＡｌＯなどの絶縁材料、特にＭｇＯで形成されるのが好ましい。また、障壁層１７は、０．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する。
　参照層１８は、図１及び図２に示すように単層で構成してもよいし、例えば、強磁性層、非磁性層及び強磁性層がこの順に積層された３層の積層フェリ構造を有してもよい。この場合、一方の強磁性層の磁化の向きと他方の強磁性層の磁化の向きとは反平行である。記録層１６が垂直方向に磁化されている場合には、一方の強磁性層の磁化が－ｚ方向を向いており、他方の強磁性層の磁化が＋ｚ方向を向いている。記録層１６が面内方向に磁化されている場合には、一方の強磁性層の磁化が例えば－ｘ方向を向いており、他方の強磁性層の磁化が＋ｘ方向を向いている。一方の強磁性層、他方の強磁性層の磁化の方向はｘｙ面内にあればよい。
　参照層１８の最も障壁層１７側の第２の強磁性層と障壁層１７との界面で界面磁気異方性が生じるように、参照層１８の最も障壁層１７側の第２の強磁性層の材質と厚さが選定される。このように参照層１８を積層フェリ構造とし、かつ、参照層１８の一方の強磁性層の磁化と他方の強磁性層の磁化とを反強磁性的に結合することで、参照層１８の一方の強磁性層の磁化と他方の強磁性層の磁化とを垂直方向に又は面内方向に固定している。参照層１８の一方の強磁性層の磁化と他方の強磁性層の磁化とを層間相互作用によって反強磁性的に結合して磁化方向を固定してもよい。なお、参照層１８における第２の強磁性層などは、記録層１６を構成する強磁性材料などと同一の材料で構成される。
　ここで、図１に示すように、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８は円柱形状を呈しており、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８の、重金属層１１の積層方向に向かって見た形状、即ち平面視での形状が、円の中心を通る線に対して線対称な形状を有しており、即ち、重金属層１１での書き込み電流の流れる方向の何れかの線に対して線対称である。
　キャップ層１９は、酸化防止のために、例えばＴａなどの導電性材料で形成された１．０ｎｍ程度の層であり、参照層１８に隣接して形成されていてもよい。また、キャップ層１９は、ＭｇＯなどの非磁性層で形成されていてもよく、キャップ層１９にトンネル電流が流れ、第３端子Ｔ３から参照層１８に電流が流れる。
　第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２とが、重金属層１１の上下何れかに又は一方を下向きに他方を上向きに、記録層１６／障壁層１７／参照層１８からなるＭＴＪを挟んで、設けられている。図示する例では、第１の端子Ｔ１が、重金属層１１上に設けられ、第２の端子Ｔ２が、重金属層１１上で記録層１６／障壁層１７／参照層１８からなるＭＴＪを挟んで、第１の端子Ｔ１とは逆側に設けられている。第１の端子Ｔ１は、ＦＥＴ型の第１のトランジスタＴｒ１のソース、ドレインの何れか一方に接続され、第１のトランジスタＴｒ１のソース、ドレインの何れか他方は第１のビット線に接続され、書き込み電圧Ｖｗを供給する電源（書き込み電源）に接続され、ＦＥＴ型の第１のトランジスタＴｒ１のゲートがワード線に接続される。第２の端子Ｔ２は例えばアースに接続される。その際、ＦＥＴ型の第２のトランジスタＴｒ２を介在してもよい。第２の端子Ｔ２が第２のトランジスタＴｒ２を介して第２のビット線に接続され、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との電位差に応じて書き込み電流Ｉｗを流す方向を変えるようにしてもよい。例えば、第１のビット線をＨｉｇｈレベルに設定し、第２のビット線をＬｏｗレベルに設定し、第１の端子Ｔ１から第２の端子Ｔ２に書き込み電流Ｉｗを流す。逆に、第１のビット線をＬｏｗレベルに設定し、第２のビット線をＨｉｇｈレベルに設定し、第２の端子Ｔ２から第１の端子Ｔ１に書き込み電流Ｉｗを流す。読み出し時は、第２の端子Ｔ２へ読み出し電流が流れないように、第２のトランジスタＴｒ２をオフにする。
　第３の端子Ｔ３は、キャップ層１９上にキャップ層１９と接して設けられている。第３の端子Ｔ３は、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８と同じ円柱形状であり、第３の端子Ｔ３はキャップ層１９の上面に配置され、当該上面の全面をカバーしており、キャップ層１９を経由して参照層１８と電気的に接続されている。第３の端子Ｔ３は、ＦＥＴ型の第３のトランジスタＴｒ３のソース、ドレインの何れか一方に接続され、第３のトランジスタＴｒ３のソース、ドレインの何れか他方は第３のビット線に接続され、読み出し電圧ＶＲｅａｄを供給する電源（読み出し電源）に接続され、第３のトランジスタＴｒ３のゲートが読み出し電圧線に接続される。第２のトランジスタＴｒ２をオフすることにより、第２の端子Ｔ２に電流を流さないようにすることができる。
　図１に示す磁気抵抗効果素子１０への書き込み方法について説明する。磁気抵抗効果素子１０は、記録層１６と参照層１８のうち障壁層１７を介在してそれぞれ隣接している第１の強磁性層と第２の強磁性層の磁化方向が、平行か、反平行かによって、ＭＴＪの抵抗が変化する。そのため、磁化方向が平行の状態であるか反平行の状態であるかによって“０”と“１”の１ビットデータを割り当て、磁気抵抗効果素子１０にデータを記憶させる。
　以下具体的に説明する。まず、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子１０にデータ“０”を書き込む場合を説明する。初期状態では、図３に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、データ“１”を記憶しており、記録層１６の磁化Ｍ１１の方向が上向きで、参照層１８の磁化Ｍ１２の方向が下向きであり、磁化Ｍ１１と磁化Ｍ１２の方向が反平行状態であるとする。第１のトランジスタＴｒ１及び第３のトランジスタＴｒ３がオフされているものとする。＋ｘ方向に外部磁場Ｈ０を印加する。この状態において、第１のトランジスタＴｒ１をオンにし、第１の端子Ｔ１に書き込み電圧Ｖｗを印加する。すると、書き込み電圧Ｖｗがグラウンド電圧よりも高く設定されているので、第１の端子Ｔ１から重金属層１１を経由して第２の端子Ｔ２へ書き込み電流Ｉｗが流れ、重金属層１１の一端部から他端部へと＋ｘ方向に書き込み電流Ｉｗが流れる。このとき、第３のトランジスタＴｒ３がオフであるので、第１の端子Ｔ１からＭＴＪを経由して第３の端子Ｔ３へ電流は流れない。書き込み電流Ｉｗはパルス電流であるので、第１のトランジスタＴｒ１がオン状態の時間を調整することにより、書き込み電流Ｉｗのパルス幅を変化させる。書き込み電流Ｉｗが重金属層１１に流れると、重金属層１１内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、互いに逆向きのスピンがそれぞれ重金属層１１の±ｚ方向の対応する向きに流れ、重金属層１１内でスピンが偏在する。そして、重金属層１１を流れるスピン流によって、一方向を向いたスピンが記録層１６に吸収される。記録層１６の第１の強磁性層では、吸収されたスピンによって磁化Ｍ１１にトルクが働き、トルクによって磁化Ｍ１１が回転して上向きの磁化Ｍ１１が反転して下向きとなり磁化Ｍ１１と磁化Ｍ１２の方向が平行状態となる。例えば外部磁場Ｈ０を＋ｘ方向に印加することによりスピンによるトルクが打ち消され、磁化Ｍ１１は－ｚ方向を向いた状態となる。その後、第１のトランジスタＴｒ１をオフにして書き込み電流Ｉｗを止めることで、磁化Ｍ１１が－ｚ方向に固定され、データ“０”が記憶される。この状態を示したのが図４である。
　次に、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子１０にデータ“１”を書き込む場合を説明する。初期状態では、図５に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、データ“０”を記憶しており、記録層１６の磁化Ｍ１１の方向が下向きで、参照層１８の磁化Ｍ１２の方向が下向きであり、磁化Ｍ１１と磁化Ｍ１２の方向が平行状態であるとする。第１のトランジスタＴｒ１及び第３のトランジスタＴｒ３はオフにされているものとする。＋ｘ方向に外部磁場Ｈ０を印加する。この状態において、第１のトランジスタＴｒ１をオンにし、第１の端子Ｔ１に書き込み電圧Ｖｗを印加する。すると、書き込み電圧Ｖｗが、グラウンド電圧よりも低く設定されているので、第２の端子Ｔ２から重金属層１１を経由して第１の端子Ｔ１へ書き込み電流Ｉｗが流れ、重金属層１１の他端部から一端部へと－ｘ方向に書き込み電流Ｉｗが流れる。このとき、第３のトランジスタＴｒ３がオフであるので、第２の端子Ｔ２からＭＴＪを経由して第３の端子Ｔ３へ電流は流れない。書き込み電流Ｉｗはパルス電流であるので、第１のトランジスタＴｒ１がオン状態の時間を調整することにより、書き込み電流Ｉｗのパルス幅を変化させることができる。書き込み電流Ｉｗが重金属層１１に流れると、重金属層１１内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、互いに逆向きのスピンがそれぞれ重金属層１１の±ｚ方向の対応する向きに流れ、重金属層１１内でスピンが偏在する。そして、重金属層１１を流れるスピン流によって、一方向を向いたスピンが記録層１６に流入する。記録層１６の第１の強磁性層では、流入したスピンによって磁化Ｍ１１にトルクが働き、トルクによって磁化Ｍ１１が回転して下向きの磁化Ｍ１１が反転して上向きとなり磁化Ｍ１１と磁化Ｍ１２の方向が反平行状態となる。例えば外部磁場Ｈ０を＋ｘ方向に印加することによりスピンによるトルクが打ち消され、磁化Ｍ１１は＋ｚ方向を向いた状態となる。その後、第１のトランジスタＴｒ１をオフにして書き込み電流Ｉｗを止めることで、磁化Ｍ１１が＋ｚ方向に固定され、データ“１”が記憶される。このように、重金属層１１に書き込み電流Ｉｗを流すことで、記録層１６を磁化反転し、データが書き換えられる。この状態を示したのが図６である。
　よって、磁気抵抗効果素子１０では、重金属層１１の一端部と他端部との間に書き込み電流Ｉｗを流すことで、記録層１６の磁化方向を反転させ、データ“０”又はデータ“１”を書き込むことができる。
　なお、磁気抵抗効果素子１０は、重金属層１１の一端部（第１の端子Ｔ１）と他端部（第２の端子Ｔ２）の間に電圧を印加して、重金属層１１に書き込み電流を流すと共に、第３の端子Ｔ３を介してＭＴＪに電圧を印加して記録層１６の強磁性層の磁気異方性を小さくすることで、重金属層１１から注入されるスピンによって記録層１６の磁化Ｍ１１を磁化反転するようしてもよい。
　次に、データの読み出し方法について図７を参照しながら説明する。第１、第３のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ３はオフされているものとする。まず、書き込み電圧Ｖｗを読み出し電圧ＶＲｅａｄより高い電圧に設定する。次に、読み出しは、第１のトランジスタＴｒ１及び第３のトランジスタＴｒ３をオンにして、第１の端子Ｔ１に書き込み電圧Ｖｗを印加し、第３の端子Ｔ３に読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加する。書き込み電圧Ｖｗが読み出し電圧ＶＲｅａｄよりも高く設定されているので、第１の端子Ｔ１から重金属層１１、記録層１６、障壁層１７、参照層１８、キャップ層１９、第３の端子Ｔ３の順に読み出し電流Ｉｒが流れる。読み出し電流Ｉｒは、障壁層１７を貫通して流れる。読み出し電流Ｉｒが検出器（図示せず）で検出される。読み出し電流Ｉｒは、ＭＴＪの抵抗値によって大きさが変わるので、読み出し電流Ｉｒの大きさからＭＴＪが平行状態か反平行状態か、すなわち、ＭＴＪがデータ“０”を記憶しているか、データ“１”を記憶しているかを読み出すことができる。読み出し電流Ｉｒは、パルス電流であり、第３のトランジスタＴｒ３をオンにする時間を調整することで、パルス幅を調整する。
　ここで、読み出し電流Ｉｒは、読み出し電流ＩｒがＭＴＪを流れたとき、読み出し電流Ｉｒによって記録層１６がスピン注入磁化反転しない程度の弱い電流に設定するのが望ましい。書き込み電圧Ｖｗと読み出し電圧ＶＲｅａｄの電位差を適宜調整して、読み出し電流Ｉｒの大きさを調整する。また、第１のトランジスタＴｒ１をオンにして書き込み電圧Ｖｗをオンにしてから、第３のトランジスタＴｒ３をオンにして読み出し電圧ＶＲｅａｄをオンにするのが望ましい。第３の端子Ｔ３からＭＴＪを介して第２の端子Ｔ２へ電流が流れることを抑制することができ、ＭＴＪに読み出し電流以外の電流の流れが抑制されるからである。
　その後、第３のトランジスタＴｒ３をオフにした後、第１のトランジスタＴｒ１をオフにする。第１のトランジスタＴｒ１を第３のトランジスタＴｒ３より後にオフにすることで、すなわち、書き込み電圧Ｖｗを読み出し電圧ＶＲｅａｄより後にオフにすることで、第３の端子Ｔ３からＭＴＪ及び重金属層１１を介して第２の端子Ｔ２へ、読み出し電圧ＶＲｅａｄとグラウンド電圧との電位差に応じた電流が流れることを抑制できる。よって、磁気抵抗効果素子１０は、障壁層１７を保護でき、障壁層１７をさらに薄くすることもでき、さらには、ＭＴＪを流れる電流によって記録層１６の磁化状態が変化するＲｅａｄディスターブも抑制することができる。
　第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０への別の書き込み方法について説明する。なお、後述する人工知能システムに適用される場合として説明するため、後述する図１５に示すように、同一の重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ上に複数の記録層１６，障壁層１７及び参照層１８がＭＴＪとして設けられているとする。初期状態として、重金属層１１の第１の端子Ｔ１に接続された第１のトランジスタＴｒ１と、各ＭＴＪの第３の端子Ｔ３に接続された第３のトランジスタＴｒ３とがすべてオフであるとする。必要に応じて第３の端子Ｔ３に接続された第３のトランジスタＴｒ３をオンにして記録層１６の磁気異方性を小さくする。書き込み電圧Ｖｗを正の電圧に設定し、第１の端子Ｔ１に接続された第１のトランジスタＴｒ１をオンにし、書き込み電流Ｉｗを第１の端子Ｔ１から第２の端子Ｔ２へ流す。これにより、ＭＴＪの磁気異方性定数が小さいので垂直磁化を有する記録層１６は回転し安定な方向に磁化容易軸は定まらない。次に、各ＭＴＪにおける第３の端子Ｔ３に接続された第３のトランジスタＴｒ３をすべてオンにして書き込み補助電流ＩＷＡを流し、各流した個所のみが書き込まれる。その後、各ＭＴＪにおける第３の端子Ｔ３に接続された第３のトランジスタＴｒ３をすべてオフにし、第１の端子Ｔ１に接続された第１のトランジスタＴｒ１をオフにする。
　次いで、書き込み電圧Ｖｗを負の電圧にし、第１の端子Ｔ１に接続された第１のトランジスタＴｒ１をオンにし、第２の端子Ｔ２から第１の端子Ｔ１へ書き込み電流Ｉｗを流す。記録層１６の磁気異方性定数Δを５～１５と小さくすると、書き込み電流Ｉｗを流すと垂直磁化を有する記録層１６は回転し安定な方向に磁化容易軸は定まらない。その後、データ“１”を書き込みたいＭＴＪにおける第３の端子Ｔ３に接続された第３のトランジスタＴｒ３をオンにして書き込むＭＴＪを選択して、書き込み補助電流ＩＷＡを流すと、垂直磁化を有する記録層１６は書き込み補助電流ＩＷＡの流れる方向に規定され、スピントランスファートルクにより磁化容易軸が安定状態に反転する。本素子をクロスバーネットワークのクロスポイントメモリとして使用する場合は、記録層１６の磁気異方性定数Δを５～１５と小さくすると、書き込み電流Ｉｗを流すと垂直磁化を有する記録層１６は回転し安定な方向に磁化容易軸は定まらないが、これを後述する磁場印加用の配線で書き込む。この際、記録層１６の磁気異方性定数Δは５～１５と小さいため、小さな電流磁場で書込みを行うことが可能である。
　図８は、磁気抵抗効果素子にデータを書き込む信号のタイミングチャートである。書き込み電流Ｉｗ及び書き込み補助電流ＩＷＡは、パルス状の電流とする。図８に示すように、書き込み電流Ｉｗのパルス及び書き込み補助電流ＩＷＡのパルスは、少なくとも一部が時間的に重なりを有するタイミングである。例えば、図８に示すように、書き込み電流Ｉｗのパルスが先にオンとなり、書き込み電流Ｉｗのパルスがオフになる前に、書き込み補助電流ＩＷＡのパルスがオンとなる。この後、書き込み電流Ｉｗのパルスがオフになり、書き込み補助電流ＩＷＡのパルスがオフとなる。
　なお、すべてのＭＴＪに一括してデータ“１”を書き込んだ後、選択したＭＴＪのみデータ“０”を書き込むようにしてもよい。また、読み出し動作は、第１の端子Ｔ１に接続された第１のトランジスタＴｒ１をオンにした後、読み出したいＭＴＪの第３の端子Ｔ３に接続された第３のトランジスタＴｒ３をオンにし、読み出したいＭＴＪに読み出し電流Ｉｒを流すことで行う。読み出し方法は、第１の実施形態と同様である。
　本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを積層してなる重金属層１１と、重金属層１１に対向し、好ましくは重金属層１１のうち最上層となる一つのＰｔ層１３側に設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含む記録層１６と、磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層１８と、第１の強磁性層と第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層１７と、を備えているので、重金属層１１に流れる書き込み電流により、低抵抗で、反転効率を下げることなく、効率的に記録層１６での第１の強磁性層における磁化の方向が反転することができる。
　なお、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８の平面視での形状を調整したり、記録層１６及び参照層１８におけるスピンの向きをそれぞれ調整したりすることにより、外部磁場を用いないこともできる。また、記録層１６、参照層１８の磁化の方向も、面内平行であっても、面内垂直であっても何れでも適用することができる。
（第２の実施形態）
　図９は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子３０の断面図である。第２の実施形態では、図９に示すように、重金属層１１は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを一層ずつ積層しており、さらにその両側に、一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５が対応して設けられて構成されている。その際、一方の強磁性層１４の磁化Ｍ２１と他方の強磁性層１５の磁化Ｍ２２は、共に逆向きである。即ち、基板１上にバッファー層２を必要に応じて設け、その上に重金属層１１が設けられて構成される場合において、重金属層１１の基板１又はバッファー層２側に一方の強磁性層１４が設けられ、記録層１６側に他方の強磁性層１５が設けられている。Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とが一層ずつとなっているのは、一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５とが反強磁性結合するためである。
　第２の実施形態では、一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５が、何れも、Ｃｏなどの垂直磁化層である場合には、記録層１６及び参照層１８も垂直磁化層が好ましい。
　第２の実施形態では、一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５とが重金属層１１のうち特にＩｒ層１２及びＰｔ層１３の積層部分に電流を流すとスピンホール効果により一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５での磁化が反転し、一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５の磁化反転の影響を受けて記録層１６が磁化反転する。図１０の左側に示すように＋ｘ方向に書き込み電流Ｉｗを流すことにより、一方の強磁性層１４の磁化Ｍ２１と他方の強磁性層１５の磁化Ｍ２２が反転し、それにより、記録層１６の磁化Ｍ１１の方向が反転する。その状態において、－ｘ方向に書き込み電流Ｉｗを流すことにより、一方の強磁性層１４の磁化Ｍ２１と他方の強磁性層１５の磁化Ｍ２２が反転し、それにより、図１０の右側に示すように、記録層１６の磁化Ｍ１１の方向が反転する。
　ここで、重金属層１１のＩｒ層１２とＰｔ層１３の好ましい厚みについて説明する。例えば、一方の強磁性層１４及び他方の強磁性層１５が何れもＣｏから構成されている場合には、Ｐｔ層１３は０．６ｎｍ以上１．０ｎｍ以下とすることが好ましく、この場合には、Ｉｒ層１２は０．４５ｎｍ以上０．６５ｎｍ以下、１．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下がよい。一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５とが反強磁性結合するからである。一方の強磁性層１４及び他方の強磁性層１５は、何れも１ｎｍ以下が好ましい。
　第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子３０は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを一層ずつ積層し、その上下に一方の強磁性層１４，他方の強磁性層１５を更に積層してなる重金属層１１と、重金属層１１に対向しＰｔ層１３側に他方の強磁性層１５を介在して設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含む記録層１６と、磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層１８と、第１の強磁性層と第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層１７と、を備えているので、重金属層１１に流れる書き込み電流により、低抵抗で、反転効率を下げることなく、効率的に、重金属層１１における上下の一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５の磁化の方向が何れも反転しそれにより記録層１６での第１の強磁性層における磁化の方向が反転することができる。
　なお、図９及び図１０に示すように、重金属層１１と記録層１６との間には、第１の非磁性層２０が設けられており、重金属層１１と記録層１６との結晶構造を分断している。また、障壁層１７に隣接する参照層１８の第２の強磁性層の障壁層１７と逆側には第２の非磁性層２１が設けられており、第２の非磁性層２１の上下の層の結晶構造を分断している。第１の非磁性層２０、第２の非磁性層２１は、Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｈｆなどから一以上の元素が選択される。
　また、図９に例示するように、第２の非磁性層２１を挟んで第２の強磁性層と逆側には、例えば（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ／Ｉｒ／（Ｃｏ／Ｐｔ）ｍからなる固着層２２が設けられており、参照層１８の第２の強磁性層の磁化Ｍ１２の方向を固定してピン止めしている。このような場合、第２の強磁性層と固着層２２を含めて参照層と呼んでもよい。上記のｍ、ｎは任意の自然数である。
（第３の実施形態）
　図１１は、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子３０の断面図である。第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、重金属層１１は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを一層ずつ積層しており、さらにその両側に、一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５が対応して設けられて構成されている。その際、一方の強磁性層１４の磁化Ｍ２１と他方の強磁性層１５の磁化Ｍ２２は、共に逆向きである。即ち、基板１上にバッファー層２を必要に応じて設け、その上に重金属層１１が設けられて構成される場合において、重金属層１１の基板１又はバッファー層２側に一方の強磁性層１４が設けられ、記録層１６側に他方の強磁性層１５が設けられている。Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とが一層ずつとなっているのは、一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５とが反強磁性結合するためである。
　第３の実施形態では、一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５が、何れも、ＣｏＦｅＢなどの水平磁化層である場合には、記録層１６及び参照層１８も水平磁化層が好ましい。
　第３の実施形態では、一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５とが重金属層１１のうち特にＩｒ層１２及びＰｔ層１３の積層部分に電流を流すとスピンホール効果により一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５での磁化が反転し、一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５の磁化反転の影響を受けて記録層１６が磁化反転する。図１２の左側に示すように＋ｘ方向に書き込み電流Ｉｗを流すことにより、一方の強磁性層１４の磁化Ｍ２１と他方の強磁性層１５の磁化Ｍ２２が反転し、それにより、記録層１６の磁化Ｍ１１の方向が反転する。その状態において、－ｘ方向に書き込み電流Ｉｗを流すことにより、一方の強磁性層１４の磁化Ｍ２１と他方の強磁性層１５の磁化Ｍ２２が反転し、それにより、図１２の右側に示すように、記録層１６の磁化Ｍ１１の方向が反転する。
　ここで、重金属層１１のＩｒ層１２とＰｔ層１３の好ましい厚みについては、第２の実施形態と同様である。また、図１１に例示するように、第２の非磁性層２１を挟んで第２の強磁性層と逆側には、例えば（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ／Ｉｒ／（Ｃｏ／Ｐｔ）ｍからなる固着層２２が設けられており、参照層１８の第２の強磁性層の磁化Ｍ１２の方向を固定してピン止めしている。このような場合、第２の強磁性層と固着層２２を含めて参照層と呼んでもよい。上記のｍ、ｎは任意の自然数である。
　第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子３０は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを一層ずつ積層し、その上下に一方の強磁性層１４，他方の強磁性層１５を更に積層してなる重金属層１１と、重金属層１１に対向しＰｔ層１３側に他の強磁性層１５を介在して設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含む記録層１６と、磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層１８と、第１の強磁性層と第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層１７と、を備えているので、重金属層１１に流れる書き込み電流により、低抵抗で、反転効率を下げることなく、効率的に、重金属層１１における上下の一方の強磁性層１４及び他方の強磁性層１５の磁化の方向が何れも反転しそれにより記録層１６での第１の強磁性層における磁化の方向が反転することができる。
［第４の実施形態］
　図１３は、第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子５０を模式的に示す斜視図である。図１４は、図１３に示す第３の端子Ｔ３の平面図である。第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子５０は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と次の点で異なる。即ち、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８が円柱形状ではなく、ｘ軸及びｙ軸に傾斜してｚ軸に沿って延びる面５で切り欠いた切り欠き部ＮＡを有する。このように、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８の、重金属層１１の積層方向に向かって見た形状が、即ち平面視での形状が、重金属層１１での書き込み電流の流れる方向の何れの線に対して非対称である。切り欠き部ＮＡを設けることにより歳差運動しやすい方向が決まる。外部磁場を印加することなく、記録層１６の磁化方向を反転させて維持することができる。なお、ＭＴＪを構成する記録層１６、障壁層１７、参照層１８、キャップ層１９、端子などの材料、厚みは第１の実施形態と同様である。また、第１の実施形態のみならず、第２乃至第３の実施形態においても適用される。
［第５の実施形態］
　本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ６０について詳細に説明する。図１５は、本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ６０を模式的に示す斜視図である。第５の実施形態に係る磁気メモリ６０は、第１乃至第４の実施形態とは異なり、複数の磁気抵抗効果素子が同一の重金属層１１ａの上下何れかに、図示の形態では重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上に、アレイ状に配列されて構成されている。図１５に示すように、一つの重金属層１１ａ上に、複数個、例えば磁気抵抗効果素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ１５の計５個並べられ一ユニット６１が構成されている。各磁気抵抗効果素子Ｍ１１乃至Ｍ１５は、記録層１６、障壁層１７、参照層１８、キャップ層１９、端子の順に積層されて構成されている。一ユニット６１は、重金属層１１に対して第１の共通端子（図示せず）、第２の共通端子（図示せず）を複数の磁気抵抗効果素子Ｍ１１～Ｍ１５を挟んで設けられており、第１の共通端子には第１のトランジスタＴｒ１１のソース、ドレインの何れか一方が接続されて書き込み電圧が印加可能に設けられ、第２の共通端子には第２のトランジスタＴｒ１２のソース、ドレインの何れか一方が接続され、例えばグラウンドに接続されている。
　本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ６０においても、各磁気抵抗効果素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ１５は、第１の実施形態で図１及び図２を参照して説明したように、重金属層１１ａ、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８を含んでおり、記録層１６が障壁層１７を挟んで参照層１８と逆側、即ち、重金属層１１ａ側に配置して構成され、参照層１８が障壁層１７を挟んで重金属層１１ａと逆側に配置されて構成されている。記録層１６、障壁層１７及び参照層１８で磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）が構成されている。磁気抵抗効果素子Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ１４，Ｍ１５は、重金属層１１ａに流れる電流（「書き込み電流」という。）により、スピン軌道トルク誘起磁化反転を用いて、記録層１６における第１の強磁性層における磁化の方向が反転する。第１の実施形態と同様に、記録層１６の形状に合わせ、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８は円柱形状を有しており、平面視で見る方向（ｚ方向）の周りに対称となっている。即ち、記録層１６、障壁層１７及び参照層１８が重金属層１１ａを流れる電流の方向の何れかの線に対して線対称となっている。これは、後述するユニット６２，６３でも同様である。
　また、第５の実施形態に係る磁気メモリ６０は、図１５に示すように、一つの重金属層１１ｂ上に、複数個、例えば磁気抵抗効果素子Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３，Ｍ２４，Ｍ２５の計５個並べられ一ユニット６２が構成され、一つの重金属層１１ｃ上に、複数個、例えば磁気抵抗効果素子Ｍ３１，Ｍ３２，Ｍ３３，Ｍ３４，Ｍ３５の計５個並べられ一ユニット６３が構成され、各磁気抵抗効果素子Ｍ２１乃至Ｍ２５，Ｍ３１乃至Ｍ３５は、記録層１６、障壁層１７、参照層１８、キャップ層１９、端子の順に積層されて構成されている。各ユニット６２，６３は、対応する重金属層１１ｂ，１１ｃに対して第１の共通端子（図示せず）、第２の共通端子（図示せず）を複数の磁気抵抗効果素子Ｍ２１～Ｍ２５，Ｍ３１～Ｍ３５を挟んで設けられており、第１の共通端子には第１のトランジスタＴｒ２１，Ｔｒ３１のソース、ドレインの何れか一方が接続されて書き込み電圧が印加可能に設けられ、第２の共通端子には第２のトランジスタＴｒ２２，Ｔｒ３２のソース、ドレインの何れか一方が接続され、例えばグラウンドに接続されている。磁気メモリ６０は、ユニット６１、６２、６３を並べて構成されている。第５の実施形態では、図示のように５×３個の磁気抵抗効果素子のアレイに関するが、これに限らず、ｍ×ｎ個の磁気抵抗効果素子が集積されたアレイに適用可能である。
　第５の実施形態に係る磁気メモリ６０は、磁気抵抗効果素子Ｍ１１～Ｍ３５にデータを書き込む書き込み電源を有する書き込み部（図示せず）を備えている。書き込み部は、重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃに書き込み電流Ｉｗを流すことにより、磁気抵抗効果素子Ｍ１１～Ｍ３５にデータを書き込む。
　磁気メモリ６０は、読み出し電源及び電流検出器（何れも図示せず）を備え、磁気抵抗効果素子Ｍ１１乃至Ｍ３５にデータを読み出す読み出し部を備えている。読み出し電源は、障壁層１７を貫通する読み出し電流Ｉｒを流す。電流検出器は、障壁層１７を貫通した読み出し電流Ｉｒを検出し、磁気抵抗効果素子Ｍ１１乃至Ｍ３５に書き込まれているデータを読み出す。
　磁気抵抗効果素子Ｍ１１乃至Ｍ３５へのデータの書き込み方法について説明する。重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの第２の共通端子Ｔ１２，Ｔ２２，Ｔ３２がグラウンドに接続されている場合について説明するが、第２のトランジスタＴｒ１２，Ｔｒ２２，Ｔｒ３２を経由してグラウンドに接続されてもいてよい。初期状態として、重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの第１の共通端子Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ３１に接続された第１のトランジスタＴｒ１１，Ｔｒ２１，Ｔｒ３１と、各ＭＴＪの第３の端子Ｔ１３１乃至Ｔ１３５，Ｔ２３１乃至Ｔ２３５，Ｔ３３１乃至Ｔ３３５に接続された第３のトランジスタＴｒ１３１乃至Ｔｒ１３５，Ｔｒ２３１乃至Ｔｒ２３５，Ｔｒ３３１乃至Ｔｒ３３５とがすべてオフであるとする。まず、各ＭＴＪの第３の端子Ｔ１３１乃至Ｔ１３５，Ｔ２３１乃至Ｔ２３５，Ｔ３３１乃至Ｔ３３５に接続された第３のトランジスタＴｒ１３１乃至Ｔｒ１３５，Ｔｒ２３１乃至Ｔｒ２３５，Ｔｒ３３１乃至Ｔｒ３３５をすべてオンにし、各ＭＴＪの記録層１６の磁気異方性を小さくする。次いで、書き込み電圧Ｖｗを正の電圧に設定し、第１の共通端子Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ３１に接続された第１のトランジスタＴｒ１１，Ｔｒ２１，Ｔｒ３１をオンにし、書き込み電流Ｉｗを第１の共通端子Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ３１から第２の共通端子Ｔ１２，Ｔ２２，Ｔ３２へ流す。これにより、すべてのＭＴＪにデータ“０”が一括して書き込まれる。その後、各ＭＴＪの第３の端子Ｔ１３１乃至Ｔ１３５，Ｔ２３１乃至Ｔ２３５，Ｔ３３１乃至Ｔ３３５に接続された第３のトランジスタＴｒ１３１乃至Ｔｒ１３５，Ｔｒ２３１乃至Ｔｒ２３５，Ｔｒ３３１乃至Ｔｒ３３５をすべてオフにし、第１の共通端子Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ３１に接続された第１のトランジスタＴｒ１１，Ｔｒ２１，Ｔｒ３１をオフにする。
　続いて、データ“１”を書き込みたいＭＴＪの第３の端子（例えばＴ１３１）に接続された第３のトランジスタＴｒ１３１をオンにして書き込むＭＴＪを選択する。その後、書き込み電圧Ｖｗを負の電圧にし、第１の共通端子Ｔ１１に接続された第１のトランジスタＴｒ１１をオンにし、第２の共通端子Ｔ１２から第１の共通端子Ｔ１１へ書き込み電流Ｉｗを流す。第３の端子Ｔ１３１に接続された第３のトランジスタＴｒ１３１をオンにしたＭＴＪのみ記録層１６の磁気異方性が小さいので、磁化反転する。その結果、選択したＭＴＪにのみデータ“１”が書き込まれる。その後、オンになっている第３のトランジスタ（今回ではＴｒ１３１）をオフにし、第１の共通端子Ｔ１１に接続された第１のトランジスタＴｒ１１をオフにして書き込み動作を終了する。
　なお、すべてのＭＴＪに一括してデータ“１”を書き込んだ後、選択したＭＴＪにのみデータ“０”を書き込むようにしてもよい。また、読み出し動作は、読み出したいＭＴＪの第１の共通端子（例えばＴ１１）に接続された第１のトランジスタＴｒ１１をオンにした後、読み出したいＭＴＪの第３の端子（例えばＴ１３２）に接続された第３のトランジスタＴｒ１３２をオンにし、読み出したいＭＴＪに読み出し電流Ｉｒを流すことで行う。その後の読み出し動作は、第１の実施形態と同様である。
　本発明の第５の実施形態に係る磁気メモリ６０は、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３とを積層し、重金属層１１に対向して強磁性層１５を介在して設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含む記録層１６と、磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層１８と、第１の強磁性層と第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層１７と、を備えているので、重金属層１１に流れる書き込み電流により、低抵抗で、反転効率を下げることなく、効率的に、重金属層１１における上下の一方の強磁性層１４及び他方の強磁性層１５の磁化の方向が反転しそれにより第１の強磁性層における磁化の方向が反転することができる。
　特に、重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃの比抵抗を小さくしたことから、第１の共通端子Ｔ１１、Ｔ２１、Ｔ３１と対応する第２の共通端子Ｔ２１，Ｔ２２、Ｔ２３の間のいわゆる配線抵抗による電圧降下が小さくなり、同一の重金属層１１ａ,１１ｂ，１１ｃの上下何れかに設けられた各ＭＴＪに印加される電圧がほぼ同一となる。また、これにより、同一の重金属層に設ける磁気抵抗効果素子の数の制限が小さくなり、設計の自由度が増加する。
　第５の実施形態では、前述のように、複数の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を同一の重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ上に設けて構成されている場合のみならず、第２の実施形態や第３の実施形態のように、重金属層１１が、一方の強磁性層１４と他方の強磁性層１５との間に、Ｉｒ層１２とＰｔ層１３との積層を設けるようにして構成され、同一の重金属層１１ａ，１１ｂ，１１ｃに、記録層１６と障壁層１７と参照層１８とからなる磁気抵抗効果素子を複数設けてもよい。また、ＭＴＪは円柱形状の場合のみならず、第４の実施形態のように切り欠き部ＮＡを有する場合であってもよい。
［第６の実施形態］
　図１６は、本発明の第６実施形態に係るＡＩシステムの概略を示す図である。一の方向に延伸する複数本の第１の配線（Ｓ１，・・・，Ｓｎ）と、当該一の方向と直交する方向に延伸する複数本の第２の配線（Ｂ１，・・・，Ｂｍ）とを有し、第１配線（Ｓ１，・・・，Ｓｎ）と第２の配線（Ｂ１，・・・，Ｂｍ）との各交点（クロスポイント）に、第１の配線（Ｓ１，・・・，Ｓｎ）と第２の配線（Ｂ１，・・・，Ｂｍ）とを接続するクロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍｎ）が設けられている。クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍｎ）は、ＲｅＲＡＭ（抵抗変化メモリ）、ＰＣＭ（相変化メモリ）、ＭＴＪなどの記憶素子で構成される。このようにして、抵抗クロスバーネットワークが設けられている。
　第１の配線（Ｓ１，・・・，Ｓｎ）の一方の端部に入力線ＩＮＰＵＴが接続され、他方の端部に、電子ニューロン（ＮＲ１，・・・，ＮＲｎ）が接続されている。電子ニューロン（ＮＲ１，・・・，ＮＲｎ）は、ニューロン基板（ＳＡＮＲ１，・・・，ＳＡＮＲｎ）上に形成されている。ニューロン基板（ＳＡＮＲ１，・・・，ＳＡＮＲｎ）は、基板１、バッファー層２及び重金属層１１の積層体により構成される。電子ニューロン（ＮＲ１，・・・，ＮＲｎ）は、本発明の第１乃至第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様の構成である。ニューロン基板（ＳＡＮＲ１，・・・，ＳＡＮＲｎ）に出力線ＯＵＴＰＵＴが接続される。
　本発明の第１乃至第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０が、電子ニューロン（ＮＲ１，・・・，ＮＲｎ）に用いられ、電子ニューロン（ＮＲ１，・・・，ＮＲｎ）に抵抗クロスバーネットワークの加重和が入力される。人工知能（ＡＩ）システムは、当該抵抗クロスバーネットワークを１段とし、これが複数段接続され、前段の抵抗クロスバーネットワークの出力が次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成される。クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍｎ）は、ＡＩシステムのシナプスに該当する。
　クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍｎ）は、一対の第２の配線に対応するメモリを１組としてデータを記憶する。例えば、前段の抵抗クロスバーネットワークから入力があると、入力に応じて第２の配線Ｂ１にＶＳが入力され、また、第２の配線Ｂ２に－ＶＳが入力される。これに応じて、クロスポイントメモリＣＭ１１及びクロスポイントメモリＣＭ２１にそれぞれデータが記憶される。クロスポイントメモリＣＭ３１及びクロスポイントメモリＣＭ４１以降のクロスポイントメモリでも前段の抵抗クロスバーネットワークからの入力に従ってデータが記憶される。クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍ１）は同一の第１の配線Ｓ１上に設けられており、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍ１）に記憶されたデータの加重和の信号、すなわち、各クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍ１）からの読み出し電流の和に対応する信号が電子ニューロンＮＲ１に出力され、記憶される。他の第２の配線Ｂｍにおいても同様に前段の抵抗クロスバーネットワークからの入力に従ってクロスポイントメモリ（ＣＭ１ｎ，・・・，ＣＭｍｎ）にデータが記憶され、クロスポイントメモリ（ＣＭ１ｎ，・・・，ＣＭｍｎ）に記憶されたデータの加重和の信号が電子ニューロンＮＲｎに出力され、記憶される。電子ニューロン（Ｎ１，・・・，ＮＲｎ）に記憶されたデータが、次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成されている。
　図１７は、磁気抵抗効果素子を用いたＡＩシステムの一例の回路図である。読み出しの対象となる電子ニューロンＮＲｎに対して、参照素子ＲＥＦが直列に接続された構成を有する。参照素子ＲＥＦは、電子ニューロンＮＲｎと同様の磁気抵抗効果素子で構成されており、所定の抵抗値を有する。参照素子ＲＥＦはトランジスタＴＲＳＩＧを介して電源電圧ＶＤＤが入力され、また、電子ニューロンＮＲｎはグラウンドに接続されている。読み出し許可信号ＳＩＧが入力されてトランジスタＴＲＳＩＧがオンになると、参照素子ＲＥＦに電源電圧ＶＤＤが入力される。
　上記の構成において、電子ニューロンＮＲｎがデータ“１”を記憶して高抵抗であるとき、電子ニューロンＮＲｎ及び参照素子ＲＥＦの接続点からの出力は高電位になり、直列の二つのインバーターＩｎｖｅｒｔｅｒを経て、高電位の信号がトランジスタＴＲ＋ＶＳ及びトランジスタＴＲ－ＶＳに入力され、＋ＶＳ信号及び－ＶＳ信号が次段の抵抗クロスバーネットワークＮＷｎ＋１に入力される。
　上記の構成において、電子ニューロンＮＲｎがデータ“０”を記憶して低抵抗であるとき、電子ニューロンＮＲｎ及び参照素子ＲＥＦの接続点からの出力は低電位になり、直列した二つのインバーターＩｎｖｅｒｔｅｒを経て、低電位の信号がトランジスタＴＲ＋ＶＳ及びトランジスタＴＲ－ＶＳに入力される。この結果、＋ＶＳ信号及び－ＶＳ信号が次段の抵抗クロスバーネットワークＮＷｎ＋１に入力されない。
　このように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、前段の抵抗クロスバーネットワークの出力が次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成されており、ＡＩシステムが構成される。
　図１８は、図１７とは異なるＡＩシステムの概略を示す図である。電子ニューロン（ＮＲ１，・・・，ＮＲｎ）が本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と同様の構成であり、さらに、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍｎ）についても、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，・・・，ＣＭｍｎ）が設けられた第１の配線は共通基板（ＳＡ１，・・・，ＳＡｎ）であり、基板１、バッファー層２及び重金属層１１の積層で構成されている。このように、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いて、前段の抵抗クロスバーネットワークの出力が次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成されており、ＡＩシステムが構成される。
　図１９は、本発明の第６の実施形態に係るＡＩシステムの平面図である。ＡＩシステムを構成する磁気抵抗効果素子のアレイにおいて、書き込みを行うために所定の行を選択して所定の磁場を印加することができる磁場印加電極（ＣＬ１，ＣＬ２，・・・）が設けられていてもよい。図１９に示すように、磁場印加電極（ＣＬ１，ＣＬ２，・・・）は、一方の部分（左側の部分）において平面視で半円弧状の配線を形成している。重金属配線上で書き込みたい磁気抵抗効果素子がある位置に書込み電流Ｉｗを流すと、磁気抵抗効果素子は熱安定性定数が小さいため“１”，“０”が規定されない状態になる。その状態のときに、例えば磁場印加電極（ＣＬ１，ＣＬ２・・・）に所定の方向に電流を流すことで、電流の流れに応じて所定の方向の磁場を発生させ、書込みを行う。
　図２０は、図１９とは異なる本発明の第６の実施形態に係るＡＩシステムの平面図である。図２０では、磁場印加電極ＣＬ１における半円弧状の配線部分と、磁場印加電極ＣＬ２における半円弧状の配線部分が、配線の延びる方向の両側に互い違いになっている。磁場印加電極ＣＬ１及び磁場印加電極ＣＬ２は所定の方向に電流を流すことで、電流の流れに応じて所定の方向の磁場を発生させ、書込みを行う。
　なお、図１９及び図２０では、共通基板（ＳＡ１，・・・ＳＡｎ）と、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１，ＣＭ２１，・・・，ＣＭ１ｎ，ＣＭ２ｎ）との位置に対して、磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２Ａ・・・）の配置が明確になるように、第２の配線などのその他の構成部品は示していない。
［検証実験］
　次に、本発明の何れの実施形態に係る磁気抵抗効果素子で用いられる磁性積層膜について、検証実験の結果を説明する。次のような試料を作製した。図２１Ａ乃至図２１Ｈは作製した試料の断面図である。試料１００は、熱酸化膜が設けられたＳｉ基板１０１と、熱酸化膜上に設けられた厚さ０．５ｎｍのＴａ層１０２と、Ｔａ層１０２上に設けられた厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ層１０３と、Ｐｔ層とＩｒ層とを繰り返して積層した重金属層１０４と、重金属層１０４の最上面に厚さ１．０ｎｍのＴａ層１０５とで構成されている。
　第１の試料では、図２１Ａに示すように、重金属層１０４が、厚さ０．４ｎｍのＰｔ層と厚さ０．４ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層１０４全体の厚みが１．６ｎｍ乃至８．０ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを２層から１０層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　第２の試料では、図２１Ｂに示すように、重金属層１０４が、厚さ０．６ｎｍのＰｔ層と厚さ０．６ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層１０４全体の厚みが１．２ｎｍ乃至８．４ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から７層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　第３の試料では、図２１Ｃに示すように、重金属層１０４が、厚さ０．８ｎｍのＰｔ層と厚さ０．８ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層１０４全体の厚みが１．６ｎｍ乃至９．６ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から６層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　第４の試料では、図２１Ｄに示すように、重金属層１０４が、厚さ１．０ｎｍのＰｔ層と厚さ０．８ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層１０４全体の厚みが１．８ｎｍ乃至９．０ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から５層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　第５の試料では、図２１Ｅに示すように、重金属層１０４が、厚さ１．２ｎｍのＰｔ層と厚さ０．８ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層全体の厚みが２．０ｎｍ乃至１０．０ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から５層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　第６の試料では、図２１Ｆに示すように、重金属層１０４が、厚さ０．８ｎｍのＰｔ層と厚さ０．６ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層全体の厚みが１．４ｎｍ乃至７．０ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から５層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　第７の試料では、図２１Ｇに示すように、重金属層１０４が、厚さ１．０ｎｍのＰｔ層と厚さ０．６ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層全体の厚みが１．６ｎｍ乃至８．０ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から５層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　第８の試料では、図２１Ｈに示すように、重金属層１０４が、厚さ１．２ｎｍのＰｔ層と厚さ０．６ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層全体の厚みが１．８ｎｍ乃至９．０ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から５層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　比較試料として、図２１Ｉに示すように、重金属層１０４が、１．５ｎｍから７．０ｎｍの間での各厚みのＰｔ層のみからなるものをそれぞれ作製した。
　作製した各試料に関して、ＳＭＲ法を用いて、比抵抗、スピンホール角（スピン生成効率）、スピン伝導度を測定した。電気伝導度（コンダクタンス）Ｇｘｘ（Ω－１）を求め、重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）依存性を求めた。図２２は、第３の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。第３の試料では、Ｔａ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１．５ｎｍ／（Ｐｔ０．８ｎｍ／Ｉｒ０．８ｎｍ）ｎ／Ｔａ（－０）１ｎｍの積層であり、ｎは１～５である。重金属層の比抵抗ρＰｔＩｒは４４．５６μΩｃｍであった。なお、ＣｏＦｅＢの比抵抗ρＣｏＦｅＢは２６０．５μΩｃｍであった。
　図２３は、第４の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。第４の試料は、Ｔａ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１．５ｎｍ／（Ｐｔ１．０ｎｍ／Ｉｒ０．８ｎｍ）ｎ／Ｔａ（－０）１ｎｍの積層であり、ｎは１～５である。重金属層の比抵抗ρＰｔＩｒは３７．２１μΩｃｍであった。なお、ＣｏＦｅＢの比抵抗ρＣｏＦｅＢは２６０．５μΩｃｍであった。
　図２４は、第５の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。第５の試料は、Ｔａ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１．５ｎｍ／（Ｐｔ１．２ｎｍ／Ｉｒ０．８ｎｍ）ｎ／Ｔａ（－０）１ｎｍの積層であり、ｎは１～５である。重金属層の比抵抗ρＰｔＩｒは３６．９９９２μΩｃｍであった。なお、ＣｏＦｅＢの比抵抗ρＣｏＦｅＢは２６０．５μΩｃｍであった。
　図２２乃至図２４から明らかなように、電気伝導度は重金属層１０４の厚みｔに対して線形性を有していることが分かる。また、積層膜を構成するＩｒ層の厚みに対するＰｔ層の厚みの比（ｔ＿Ｐｔ／ｔ＿Ｉｒ）が大きくなるに従い、重金属層の比抵抗ρＰｔＩｒが小さくなることが分かった。
　図２５は、第１の試料乃至第５の試料について、重金属層１０４の電気伝導度の厚み依存性から求めた比抵抗の結果である。比較試料の結果や後述する第９の試料の結果についても併せて示してある。図２５から、比抵抗ρは、Ｐｔ単体よりもＰｔ層とＩｒ層との積層膜の方が低く、重金属層としてＰｔ層単体よりも、Ｐｔ層とＩｒ層の積層の方が好ましいことが分かった。特に、Ｐｔ層／Ｉｒ層の厚み比が１より大きくなると、比抵抗が大きく減少することが分かった。
　第１乃至第５の試料について、磁性積層膜のスピン生成効率θＳＨ、スピン伝導度σＳＨを求めた。その結果を図２６及び図２７に示す。図２６及び図２７には、比較試料の結果や第９の試料の結果についても併せて示してある。図２６の横軸は、各試料でのＰｔ層とＩｒ層の各膜厚比をその積層状態で示しており、縦軸はスピン生成効率θＳＨである。スピン生成効率θＳＨは、Ｐｔ層とＩｒ層との厚みが０．４／０．４，０．６／０．６では、Ｐｔ単層の場合よりも低下するが、Ｐｔ層とＩｒ層との厚みが０．８／０．８，１．０／０．８，１．２／０．８では、Ｐｔ単層と同レベルの値を有する。
　図２７の横軸は、各試料でのＰｔ層とＩｒ層の各膜厚比をその積層状態で示しており、縦軸はスピン伝導度σＳＨである。スピン伝導度σＳＨは、Ｐｔ層とＩｒ層との厚みが０．４／０．４，０．６／０．６では、Ｐｔ単層の場合よりも低下するが、Ｐｔ層とＩｒ層との厚みが０．８／０．８，１．０／０．８，１．２／０．８では、Ｐｔ単層よりも高いことが分かった。
　第６、第７及び第８の試料についても同様に、スピン生成効率θＳＨ、比抵抗ρｘｘ、スピン伝導度σＳＨを求めた。その結果を図２８乃至図３０に示す。図２８乃至図３０では第３乃至第５の試料についても示している。各図の横軸は、各試料でのＰｔ層とＩｒ層の各膜厚比、縦軸は図２８ではスピン生成効率θＳＨ、図２９では比抵抗ρＸＸ、図３０ではスピン伝導度σＳＨである。Ｉｒ層が０．８ｎｍの厚みの場合を黒丸（●）プロットで示し、Ｉｒ層が０．６ｎｍの厚みの場合を菱形（◇）プロットでそれぞれ示している。
　図２８から、スピン生成効率θＳＨは、Ｉｒ層の厚みが０．６ｎｍ，０．８ｎｍの何れにおいても、Ｐｔ層の厚みを０．８ｎｍ，１．０ｎｍ，１．２ｎｍと増すに従い、増加し、Ｐｔ単体で構成した場合（約０．１）と比較して、Ｉｒ層の厚みｔ_Ｉｒが０．６ｎｍ，０．８ｎｍにおいて、Ｐｔ層の厚みｔ_Ｐｔが０．８，１．０，１．２ｎｍの範囲で、十分なスピン生成効率θＳＨが得られる。Ｉｒ層の厚みｔ_Ｉｒが０．６ｎｍにおいて、Ｐｔ層の厚みｔ_Ｐｔが０．６ｎｍであるときはスピン生成効率θＳＨが約０．０７なのであまり好ましくない。
　図２９から、比抵抗ρｘｘは、Ｉｒ層の厚みが０．６ｎｍ，０．８ｎｍの何れにおいても、Ｐｔ層の厚みを０．８ｎｍ，１．０ｎｍ，１．２ｎｍと増すに従い、減少し、Ｐｔ単体で構成した場合（６５μΩｃｍ）と比較して、Ｉｒ層の厚みｔ_Ｉｒが０．６ｎｍ，０．８ｎｍにおいて、Ｐｔ層の厚みｔ_Ｐｔが０．８，１．０，１．２ｎｍの範囲で、低い比抵抗ρｘｘが得られる。Ｉｒ層の厚みｔ_Ｉｒが０．６ｎｍにおいて、Ｐｔ層の厚みｔ_Ｐｔが０．６であるときは比抵抗ρｘｘが約５０μΩｃｍなのであまり好ましくない。
　図３０から、スピン伝導度σＳＨは、Ｉｒ層の厚みが０．６ｎｍ，０．８ｎｍの何れにおいても、Ｐｔ層の厚みを０．８ｎｍ，１．０ｎｍ，１．２ｎｍと増すに従い、増加し、Ｐｔ単体で構成した場合（約１．５５×１０５Ω－１ｍ－１）と比較して、Ｉｒ層の厚みｔ_Ｉｒが０．６ｎｍ，０．８ｎｍにおいて、Ｐｔ層の厚みｔ_Ｐｔが０．８，１．０，１．２ｎｍの範囲で、高いスピン伝導度σＳＨが得られる。Ｉｒ層の厚みｔ_Ｉｒが０．６ｎｍにおいて、Ｐｔ層の厚みｔ_Ｐｔが０．６ではスピン伝導度σＳＨが約１．４×１０５Ω－１ｍ－１なので、あまり好ましくない。
　以上の検証実験から次のことが分かった。
　１）重金属層として、Ｐｔ層単体よりも、Ｉｒ層とＰｔ層とを繰り返して積層して構成した方が、比抵抗が減少するため好ましい。Ｐｔは低抵抗であるが、グレイン成長しやすいため、薄膜状態では抵抗が高いためであり、積層構造により反転効率を下げずに比抵抗を低減することができる。
　２）重金属層を構成するＩｒ層は、一層当たり０．６ｎｍ以上の厚みがよい。
　３）重金属層を構成するＰｔ層は、一層当たり０．６ｎｍよりも大きい厚みがよい。
　一層当たりの厚さが薄いと、例えばＰｔ層／Ｉｒ層の各厚みが０．４ｎｍずつである場合、スピン伝導度σＳＨがＰｔ単体の場合よりも悪くなるからである（図２７参照）。
　４）重金属層におけるＰｔ層とＩｒ層との厚みの比が、１：０．５～１：０．８の範囲であることが好ましい。
　５）重金属層全体としては、１０ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。重金属層の厚さは、スピン拡散長の３乃至４倍程度あれば十分であり、電流を流すことができれば薄くてもよい。必要以上に厚くしても記録層に影響しないからである。
　６）重金属層を構成するＰｔ層とＩｒ層は何れも一層を含んでおり、例えばＰｔ層／Ｉｒ層／Ｐｔ層でも、Ｉｒ層／Ｐｔ層／Ｉｒ層でもよい。
　図２１Ｊは作製した第９の試料の断面図である。第９の試料１００は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１１と、熱酸化膜上に設けられた厚さ０．５ｎｍのＴａ層１１２と、Ｔａ層１１２上に設けられた厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ層１１３と、ＣｏＦｅＢ層１１３上に設けられた厚さ１．２ｎｍのＭｇＯ層１１４と、厚さ１．０ｎｍのＰｔ層と厚さ０．８ｎｍのＩｒ層とを繰り返して積層した重金属層１１５と、重金属層１１５上に設けられた厚さ１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ層１１６と、ＣｏＦｅＢ層１１６上に設けられた厚さ１．５ｎｍのＭｇＯ層１１７と、ＭｇＯ層１１７上に設けられた厚さ１．０ｎｍのＴａ層１１８とで構成されている。重金属層１１５が、厚さ１．０ｎｍのＰｔ層と厚さ０．８ｎｍのＩｒ層との積層からなり、重金属層全体の厚みが１．６ｎｍ乃至９．６ｎｍとなるように、Ｐｔ／Ｉｒを１層から６層まで積層したものをそれぞれ作製した。
　図３１は、第９の試料の電気伝導度の重金属層厚み依存性を示す図である。第９の試料は、Ｔａ０．５ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１．５ｎｍ／ＭｇＯ１．２ｎｍ／（Ｐｔ１．０ｎｍ／Ｉｒ０．８ｎｍ）ｎ／ＣｏＦｅＢ１．５ｎｍ／ＭｇＯ１．５ｎｍ／Ｔａ（－０）１ｎｍである。重金属層の比抵抗ρＰｔＩｒは３４．０１６μΩｃｍであった。なお、ＣｏＦｅＢの比抵抗ρＣｏＦｅＢは２６０．５μΩｃｍであった。
　第９の試料についても、スピン生成効率θＳＨ、スピン伝導度σＳＨを求めた。第９の試料では、ピンホール生成効率θＳＨが約０．１であり、比抵抗ρＰｔＩｒが３５μΩｃｍであり、スピン伝導度σＳＨが３．２×１０５Ω－１ｍ－１であり、第４の試料と比較すると、磁性積層膜（重金属層）として更に好ましい値であることが分かった。
　第９の試料で求めた比抵抗ρの値は、図２５から他の試料の結果と比較すると、Ｐｔ層とＩｒ層との積層構造に対して磁性層ＣｏＦｅＢを上下に設けることにより、比抵抗が３５μΩｃｍまで減少して好ましいことが分かった。
　第９の試料で求めたスピンホール角θＳＨの値は、図２６から第１乃至第５の試料の結課と比較すると、Ｐｔ層とＩｒ層との積層構造に対して磁性層ＣｏＦｅＢを上下に設けることにより、スピンホール角θＳＨが０．１０８まで増加して好ましいことが分かった。なお、Ｉｒ単層のスピンホール角は非常に小さく、０．０１という報告（ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ　Ｂ９９，１３４４２１，２０１９）がある。
　第９の試料で求めたスピン伝導度σＳＨの値は、図２７から第１乃至第５の試料の結果と比較すると、Ｐｔ層とＩｒ層との積層構造に対して磁性層ＣｏＦｅＢを上下に設けることにより、スピン伝導度σＳＨが３．２×１０５Ω-１ｍ-１まで増加して好ましいことが分かった。
　図２５乃至２７から、第９の試料でのピンホール生成効率θＳＨ、比抵抗ρＰｔＩｒ、スピン伝導度σＳＨが好ましくなっていることから、Ｐｔ層とＩｒ層との積層の上下に磁性層ＣｏＦｅＢを上下に設けることが好ましいことが分かった。また、ＭｇＯ層を設けることにより、ＭｇＯ層に隣接するＰｔ層又はＩｒ層が結晶性を有するようになると考えられる。
　図３２は、電気伝導度の重金属層の厚み依存性を示す図である。横軸は重金属層の厚みであり、縦軸は電気伝導度Ｇｘｘ（Ω-１）である。四角（■）プロット、菱形（◆）プロット、丸（●）プロットは、それぞれ、試料が、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／（Ｐｔ１．０／Ｉｒ０．８）ｎ、（Ｐｔ１．０／Ｉｒ０．８）ｎ、Ｐｔである。Ｐｔ、（Ｐｔ１．０／Ｉｒ０．８）ｎ、ＭｇＯ／（Ｐｔ１．０／Ｉｒ０．８）ｎの各比抵抗は、６４．８μΩｃｍ、３７．２μΩｃｍ、３４．０μΩｃｍと順に小さくなることが分かった。
　上記に示したように、磁性層を重金属層の上下に設けると、スピンホール生成率θＳＨ、スピン伝導度σＳＨの特性が良くなることも明らかになった。この知見をもと図９及び図１１を参照して説明した第２、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子が想定される。以下では特に図９を参照しながら説明する。重金属層１１は、Ｐｔ層１３／Ｉｒ層１２の上下にＣｏの一方の強磁性層１４、他方の強磁性層１５を設けて構成されている。一般に、Ｃｏ／Ｉｒ／Ｃｏでは、Ｉｒを介してＣｏ－Ｃｏ間に強い反強磁性結合が生じることが知られている。しかし、Ｉｒはスピン生成効率θＳＨが非常に小さく、重金属としては使用できない。本発明者らは、上記に示したように、Ｐｔ層１３／Ｉｒ層１２で大きなスピン生成効率θＳＨ、スピン伝導率σＳＨが得られることを見出した。
　そこで、Ｐｔ／Ｔａ下地層の上にＣｏ層を設け、Ｃｏ層上にＩｒ層とＰｔ層とを順に設けて、Ｐｔ層上にＣｏ層を設けて、Ｐｔ層をキャップ層とした第１０の試料を作製し、Ｉｒ／Ｐｔスペーサー間の層間の磁気的な結合を調べた。なお、Ｐｔ層は０．６ｎｍ乃至１．０ｎｍの間で複数のサンプルを作製した。
　図３３は、第１０試料のＩｒ／Ｐｔスペーサー間の層間の磁気的な結合を調べた結果であり、横軸はＩｒ層の厚みｔＩｒであり、縦軸は層間結合力Ｊｅｘである。図３３から、Ｉｒ／Ｐｔスペーサーを介しても強い反強磁性結合を確認した。第４及び第５の試料でのＩｒ／Ｐｔが１層ずつのスピン生成効率θＳＨ，スピン伝導度σＳＨの特性に関して図２６及び図２７の（Ｐｔ１．０／Ｉｒ０．８）ｎ、（Ｐｔ１．２／Ｉｒ０．８）ｎの値が良くなっており（ここで、ｎは１以上５以下であり、ｎが１である場合を含んでいる。）、更にこのＣｏ／Ｉｒ／Ｐｔ／Ｃｏ電極を用いると、Ｉｒ／Ｐｔの上下に強磁性層Ｃｏが設けられているため、図１０に示したように、書き込み電流の方向を変えると、上下のＣｏの反強磁性結合が生じているため、漏れ磁場も生じずに、Ｃｏ層での磁化の方向が同時に反転し、それに伴いＭＴＪの記憶層を磁化反転し、良好なＳＯＴデバイスを作製することができることが分かった。
　ここで、Ｉｒの膜厚は、図３３から、反強磁性（ＡＦ）結合する０．４５～０．６５ｎｍ，１．３～１．５ｎｍが好ましい。Ｐｔ層は０．６～１．０ｎｍが好ましい。Ｃｏは１ｎｍ以下が好ましい。
　重金属層の記録層との界面がＰｔ層、Ｉｒ層の何れがよいか検証した。表１は、重金属層の記録層との界面がＰｔ層、Ｉｒ層のそれぞれの場合における、スピン生成効率θＳＨ、比抵抗ρ（μΩｃｍ）、スピン伝導度σＳＨを示す表である。表１から、重金属層の記録層との界面は、Ｉｒ層よりもＰｔ層の方で形成されることが好ましいことが分かった。このことから、前述した各実施形態において、重金属層１１の記録層側との界面は、Ｐｔ層で形成されることが好ましいといえる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　重金属層の構造による消費電力がどの程度低減できるかを見積もった。表２は、重金属層の構造による消費電力の相対的な値をまとめたものである。表２から、Ｐｔ層とＩｒ層の各層の厚みの比が、０．４ｎｍ／０．４ｎｍ，０．６ｎｍ／０．６ｎｍ，０．８ｎｍ／０．８ｎｍ，１．０ｎｍ／０．８ｎｍ，１．２ｎｍ／０．８ｎｍとなるに従い、消費電力が相対的に大きく減少していることが分かった。さらに、両側に磁性層ＣｏＦｅＢを設けてＭｇＯ層を挟むことで、消費電力が相対的に０．３３から０．２６まで減少することが分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図３４は第１１の試料として作製したホールバー及び測定系を模式的に示す図である。図３５Ａは作製した第１１の試料の断面図である。第１１の試料は、図３５Ａに示すように、熱酸化膜が設けられたＳｉ基板２０１と、熱酸化膜上に設けられた厚み３ｎｍのＴａ層２０２と、Ｔａ層２０２上に設けられ重金属層２０３であって厚み１．０ｎｍのＰｔ層と厚み０．８ｎｍのＩｒ層とを交互にそれぞれ４層積層した重金属層２０３と、重金属層２０３上に設けられた厚み１．３ｎｍのＣｏ層２０４と、Ｃｏ層２０４上に設けられた厚み０．６ｎｍのＩｒ層２０５と、Ｉｒ層２０５上に設けられた厚み０．６ｎｍのＰｔ層２０６と、Ｐｔ層２０６上に設けられた厚み３ｎｍのＴａ層２０７とで構成した。
　図３５Ｂは作製した別の比較試料の断面図である。別の比較試料は、図３５Ｂに示すように、熱酸化膜が設けられたＳｉ基板２０１と、熱酸化膜上に設けられた厚み３ｎｍのＴａ層２０２と、Ｔａ層２０２上に設けられた厚み７．２ｎｍのＰｔ層２０３ａと、Ｐｔ層２０３ａ上に設けられた厚み１．３ｎｍのＣｏ層２０４と、Ｃｏ層２０４上に設けられた厚み０．６ｎｍのＩｒ層２０５と、Ｉｒ層２０５上に設けられた厚み０．６ｎｍのＰｔ層２０６と、Ｐｔ層２０６上に設けられた厚み３ｎｍのＴａ層２０７とで構成した。
　第１１の試料及び別の比較試料を、フォトリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて図３４に示すようなホールバーとして加工した。ｙ方向にパルス電流Ｉを流し、ホール電圧Ｖを測定した。ホール抵抗Ｒｘｙ（Ω）のパルス電流Ｉ依存性を測定した。なお、Ｒｘｙ（Ω）＝Ｖ／Ｉである。
　図３６は第１の試料、別の比較試料のホール抵抗Ｒｘｙ（Ω）のパルス電流依存性を示す図である。横軸はパル電流Ｉ（ｍＡ）であり、縦軸はホール抵抗Ｒｘｙ（Ω）である。測定中に、パルス電流Ｉを２００μ秒、一定の外部磁場Ｈｅｘを－２６ｍＴをパルス電流Ｉの方向（φ=０度）に印加したときの結果である。パルス電流を＋方向に印加するとある電流値でホール抵抗Ｒｘｙの増加が、－方向に印加するとある電流値でホール抵抗Ｒｘｙの減少が観測されたことから、Ｃｏ層２０４の磁気モーメントがパルス電流で磁化反転していることが分かった。
　第１１の試料と別の比較試料の反転電流の絶対値を見ると、重金属層２０３がＰｔ層とＩｒ層の多層膜電極を用いたときの反転電流は、Ｐｔ層２０３ａの電極を用いたときの反転電流に比べて７割程度に小さくなっていることが分かった。
　厚み７．２ｎｍのＰｔの比抵抗ρｘｘの値と、Ｐｔ１．０ｎｍとＩｒ０．８ｎｍの４層積層（Ｐｔ１．０ｎｍ／Ｉｒ０．８ｎｍ)4、の比抵抗ρｘｘの値は、何れも、ρｘｘ＝３７．２μΩｃｍであることから、反転電流の減少は、Ｐｔ／Ｉｒ多層膜の方が、Ｐｔ層と比べて、電流のスピン変換効率θＳＨが増大したことに起因すると考えられる。
　重金属層を構成するＰｔ層、Ｉｒ層の厚みは、Ｐｔ層、Ｉｒ層毎に一定であっても、異なっていてもよい。各ＭＴＪにおいて、垂直磁化でも面内磁化の何れでも構わない。
　なお、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、スパッタ等を用いて各元素を順番に堆積させて、磁化方向を加えたい方向に磁場を印加しながら、熱処理することにより作製される。
１：基板
２：バッファー層
１０，３０，５０：磁気抵抗効果素子
１１：重金属層
１２：Ｉｒ層
１３：Ｐｔ層
１４：一方の強磁性層
１５：他方の強磁性層
１６：記録層
１７：障壁層
１８：参照層
１９：キャップ層
６０：磁気メモリ

Claims (12)

  1. 　Ｉｒ層とＰｔ層とを積層してなる重金属層と、
    　前記重金属層に対向するように設けられ、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層を含んでなる記録層と、
    　磁化の方向が固定された第２の強磁性層を含んでなる参照層と、
    　前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とに挟まれ、絶縁体で構成されてなる障壁層と、
    を備え、
    　前記重金属層に流れる書き込み電流により、前記第１の強磁性層における磁化の方向が反転する、磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記重金属層は前記Ｉｒ層と前記Ｐｔ層とを繰り返し積層してなる、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記重金属層において最も外側の前記Ｐｔ層が前記記録層と界面を形成する、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記重金属層の前記Ｐｔ層が、一層当たり、０．６ｎｍよりも長く１．５ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記重金属層の前記Ｉｒ層が、一層当たり、０．６ｎｍ以上１．５ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記重金属層における前記Ｐｔ層と前記Ｉｒ層との厚みの比が、１：０．５～１：０．８の範囲である、請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記重金属層は、前記Ｉｒ層と前記Ｐｔ層とを一層ずつ積層し、かつ前記記録層側と前記記録層の逆側とにそれぞれ別の強磁性層を設けてなる、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　前記記録層、前記障壁層及び前記参照層の、前記重金属層の積層方向に向かってみた形状が、前記重金属層での前記書き込み電流に沿った方向の何れの線に対しても非対称である、請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 　前記記録層、前記障壁層及び前記参照層の、前記重金属層の積層方向に向かってみた形状が、前記重金属層での前記書き込み電流に沿った方向の何れかの線に対して対称である、請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 　それぞれが前記記録層と前記障壁層と前記参照層とを含む、請求項１乃至９の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子が複数、同一の前記重金属層に設けられている、磁気メモリ。
  11. 　請求項１乃至７の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子が、抵抗クロスバーネットワークの加重和が入力される電子ニューロンに用いられる、人工知能システム。
  12. 　前記磁気抵抗効果素子が、抵抗クロスバーネットワークのクロスポイントメモリに用いられている、請求項１１に記載の人工知能システム。
PCT/JP2022/012083 2021-03-17 2022-03-16 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システム WO2022196741A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020237034779A KR20230158535A (ko) 2021-03-17 2022-03-16 자기 저항 효과 소자, 자기 메모리 및 인공지능 시스템
JP2023507164A JPWO2022196741A1 (ja) 2021-03-17 2022-03-16
CN202280022035.8A CN116998021A (zh) 2021-03-17 2022-03-16 磁阻效应元件、磁存储器和人工智能系统

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-044188 2021-03-17
JP2021044188 2021-03-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022196741A1 true WO2022196741A1 (ja) 2022-09-22

Family

ID=83321089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/012083 WO2022196741A1 (ja) 2021-03-17 2022-03-16 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システム

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JPWO2022196741A1 (ja)
KR (1) KR20230158535A (ja)
CN (1) CN116998021A (ja)
WO (1) WO2022196741A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016021468A1 (ja) * 2014-08-08 2016-02-11 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置
JP2017059634A (ja) * 2015-09-15 2017-03-23 株式会社東芝 磁気メモリ
US20170229160A1 (en) * 2016-01-20 2017-08-10 The Johns Hopkins University Heavy metal multilayers for switching of magnetic unit via electrical current without magnetic field, method and applications
US20170330070A1 (en) * 2016-02-28 2017-11-16 Purdue Research Foundation Spin orbit torque based electronic neuron
JP2020155488A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 キオクシア株式会社 磁気記憶装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016159017A1 (ja) 2015-03-31 2016-10-06 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置、製造方法、動作方法、及び集積回路
US11631804B2 (en) 2018-02-13 2023-04-18 Tohoku University Magnetoresistive effect element and magnetic memory

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016021468A1 (ja) * 2014-08-08 2016-02-11 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置
JP2017059634A (ja) * 2015-09-15 2017-03-23 株式会社東芝 磁気メモリ
US20170229160A1 (en) * 2016-01-20 2017-08-10 The Johns Hopkins University Heavy metal multilayers for switching of magnetic unit via electrical current without magnetic field, method and applications
US20170330070A1 (en) * 2016-02-28 2017-11-16 Purdue Research Foundation Spin orbit torque based electronic neuron
JP2020155488A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 キオクシア株式会社 磁気記憶装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230158535A (ko) 2023-11-20
CN116998021A (zh) 2023-11-03
JPWO2022196741A1 (ja) 2022-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10622550B2 (en) Magnetoresistance effect element including a recording layer with perpendicular anisotropy and a bias layer comprised of an antiferromagnetic material, magnetic memory device, manufacturing method, operation method, and integrated circuit
KR102611084B1 (ko) 전압 제어 층간 교환 결합 자기저항 메모리 디바이스 및 그의 동작 방법
JP4398127B2 (ja) 記憶機能を有する３層構造磁気スピン極性化装置と当該装置を使用した記憶素子
JP4682585B2 (ja) 記憶素子及びメモリ
US8804414B2 (en) Spin torque transfer memory cell structures and methods
KR100994325B1 (ko) 자기 메모리 및 자기 메모리의 기입 방법
JP5441881B2 (ja) 磁気トンネル接合を備えた磁気メモリ
JP2002261352A (ja) 記憶機能を有する磁気スピン極性化および磁化回転装置および当該装置を用いた書き込み方法
JP5447596B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法
JP7475057B2 (ja) 磁性積層膜、磁気メモリ素子及び磁気メモリ
WO2020166722A1 (ja) スピントロニクス素子及び磁気メモリ装置
JPWO2019203132A1 (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置並びに磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法
US20060039183A1 (en) Multi-sensing level MRAM structures
JP4543901B2 (ja) メモリ
Jaiswal et al. Energy-efficient memory using magneto-electric switching of ferromagnets
US11152048B1 (en) Tunneling metamagnetic resistance memory device and methods of operating the same
US11200934B2 (en) Tunneling metamagnetic resistance memory device and methods of operating the same
WO2022196741A1 (ja) 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び人工知能システム
WO2021140934A1 (ja) 磁性積層膜、磁気メモリ素子、磁気メモリ及び人工知能システム
JP2003197872A (ja) 磁気抵抗効果膜を用いたメモリ
CN113451355B (zh) 基于自旋轨道矩的磁性存储器件
EP3916729A1 (en) Magnetic memory element having deterministic switching and method for writing such magnetic memory element
JP2023035644A (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
JP2003174214A (ja) 磁気抵抗効果膜、その製造方法およびそれを用いたメモリ

Legal Events

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

Ref document number: 22771486

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280022035.8

Country of ref document: CN

Ref document number: 2023507164

Country of ref document: JP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20237034779

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020237034779

Country of ref document: KR

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22771486

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1