WO2023166707A1 - ニューロモーフィックデバイス - Google Patents

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WO2023166707A1
WO2023166707A1 PCT/JP2022/009408 JP2022009408W WO2023166707A1 WO 2023166707 A1 WO2023166707 A1 WO 2023166707A1 JP 2022009408 W JP2022009408 W JP 2022009408W WO 2023166707 A1 WO2023166707 A1 WO 2023166707A1
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WO
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layer
electrode
magnetic recording
recording layer
magnetization fixed
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PCT/JP2022/009408
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English (en)
French (fr)
Inventor
章悟 山田
竜雄 柴田
Original Assignee
Tdk株式会社
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to neuromorphic devices.
  • a neuromorphic device is a device that performs neural network operations. Neuromorphic devices artificially mimic the relationships between neurons and synapses in the human brain.
  • a neuromorphic device has been proposed in which memristor elements such as a phase change memory (PCM), a resistance change memory (ReRAM), and a domain wall motion type magnetoresistive effect element (domain wall motion element) are integrated.
  • the memristor element outputs the product of the input voltage and its own conductance value as a current.
  • the memristor element functions as a product operation element in the product-sum operation of the neuromorphic device.
  • Patent Document 1 describes a neuromorphic device using a domain wall motion element.
  • the conductance value of the memristor element corresponds to the weight during learning of the neuromorphic device. Learning a neuromorphic device requires both positive and negative weights. Realization of negative conductance is difficult in real devices. Therefore, a method has been proposed in which two elements are paired, a positive weight and a negative weight are assigned to each element, and the difference is calculated.
  • Patent Literature 2 discloses a method of separating element arrays into positive and negative values, assigning absolute values of weights to each, and taking a difference after a product operation.
  • the maximum resistance value and the minimum resistance value of the memristor element having a positive value are not different from the maximum resistance value and the minimum resistance value of the memristor element having a negative value, respectively. If the maximum resistance value or the minimum resistance value differs between the paired elements, the operation of obtaining learning weights from positive and negative values becomes complicated.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and aims to provide a neuromorphic device that can reduce the temperature difference between paired elements and reduce the variation in resistance value.
  • a neuromorphic device includes a plurality of paired elements and a control device that controls each of the plurality of paired elements.
  • Each of the plurality of paired elements includes a first magnetoresistive effect element, a second magnetoresistive effect element, and a readout electrode shared by the first and second magnetoresistive effect elements.
  • the first magnetoresistive element includes a first reference layer, a first magnetic recording layer, a first non-magnetic layer between the first reference layer and the first magnetic recording layer, and the first magnetic layer. It has a first electrode electrically connected to the recording layer, and a second electrode separated from the first electrode and electrically connected to the first magnetic recording layer.
  • the second magnetoresistance effect element includes a second reference layer, a second magnetic recording layer, a second non-magnetic layer between the second reference layer and the second magnetic recording layer, and the second magnetic recording layer. It has a third electrode electrically connected to the recording layer, and a fourth electrode separated from the third electrode and electrically connected to the second magnetic recording layer.
  • the readout electrode is connected across the first reference layer and the second reference layer.
  • the controller supplies a first read current and a second read current to a specific pair of elements from which signals are read. A first read current flows in the lamination direction of the first magnetoresistive element, and a second read current flows in the lamination direction of the second magnetoresistive element.
  • the second read current flows from the second magnetic recording layer toward the second reference layer.
  • the first read current flows from the first magnetic recording layer toward the first reference layer
  • the second read current flows from the second reference layer toward the second magnetic recording layer.
  • the neuromorphic device can reduce the temperature difference between the paired elements and reduce the variation in resistance value.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a neural network;
  • FIG. 1 is a block diagram of a neuromorphic device according to a first embodiment;
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a magnetic array of a neuromorphic device according to a first embodiment;
  • FIG. FIG. 4 is a circuit diagram of another example magnetic array of the neuromorphic device according to the first embodiment; 4 is a cross-sectional view of the vicinity of the pair element according to the first embodiment;
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a pair element according to the first embodiment;
  • FIG. 3 is a plan view of the pair element according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is another plan view of the pair element according to the first embodiment;
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a neural network;
  • FIG. 1 is a block diagram of a neuromorphic device according to a first embodiment;
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a magnetic array of a neuromorphic device according to a first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a write operation of paired elements according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a read operation of paired elements according to the first embodiment; It is a figure which shows a part of manufacturing method of the pair element which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows a part of manufacturing method of the pair element which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows a part of manufacturing method of the pair element which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows a part of manufacturing method of the pair element which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows a part of manufacturing method of the pair element which concerns on 1st Embodiment. It is a figure which shows a part of manufacturing method of the pair element which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a pair element according to a first modified example; It is a top view of the pair element which concerns on a 1st modification.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a pair element according to a second modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a pair element according to a third modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a pair element according to a fourth modified example;
  • FIG. 11 is a plan view of a pair element according to a fifth modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a pair element according to a sixth modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a pair element according to a seventh modified example;
  • the x-direction and the y-direction are directions substantially parallel to one surface of a substrate Sub (see FIG. 5), which will be described later.
  • the x-direction is, for example, the direction in which the first magnetic recording layer 13 described later extends.
  • the y-direction is a direction perpendicular to the x-direction.
  • the z direction is the direction from the substrate Sub, which will be described later, toward the pair element.
  • the +z direction may be expressed as “up” and the ⁇ z direction as “down”, but these expressions are for convenience and do not define the direction of gravity.
  • extending in the x-direction means, for example, that the dimension in the x-direction is larger than the minimum dimension among the dimensions in the x-direction, the y-direction, and the z-direction. The same is true when extending in other directions.
  • connected as used herein is not limited to direct connection, but also includes connection via another object.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a neural network NN.
  • the neural network NN has an input layer L in , an intermediate layer L m and an output layer L out .
  • FIG. 1 shows an example of three intermediate layers Lm , the number of intermediate layers Lm does not matter.
  • Each of the input layer L in , the intermediate layer L m and the output layer L out has a plurality of chips C, each chip C corresponding to a neuron in the brain.
  • Each of the input layer L in , the intermediate layer L m and the output layer L out is connected by a transmission means. Means of communication correspond to synapses in the brain.
  • the neural network NN increases the rate of correct answers to questions by learning the transmission means (synapses). Learning is to find knowledge that can be used in the future from information.
  • the neural network NN learns by operating while changing the weight of the transfer means.
  • the transmission means performs a product operation for weighting the input signals and a sum operation for adding the product operation results. That is, the transmission means performs a sum-of-products operation.
  • Each of the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 of the pair element 100 functions as a product operation element.
  • FIG. 2 is a block diagram of the neuromorphic device 1 according to the first embodiment.
  • a neuromorphic device 1 has a magnetic array 2 and a controller 3 .
  • the magnetic array 2 is integrated with a plurality of paired elements 100 (see FIG. 3).
  • the magnetic array 2 is a sum-of-products operator responsible for learning of the neuromorphic device.
  • the controller 3 controls the operation of the paired elements 100 within the magnetic array 2 .
  • the controller 3 is, for example, in the vicinity of the magnetic array 2 as shown in FIG.
  • the control device 3 may be arranged at a position overlapping the magnetic array 2 in the z-direction.
  • the control device 3 has, for example, a signal input section 4, a calculation section 5, and an output section 6.
  • the control device 3 controls each of the plurality of paired elements 100 .
  • the signal input unit 4 has a control unit 7 and a power supply 8.
  • the control unit 7 has, for example, a processor and memory.
  • the processor is, for example, a CPU (Central Processing Unit).
  • the processor controls, for example, the address of the element to which the pulse is applied, the potential of the element to which the pulse is applied, the magnitude (voltage, pulse length) of the pulse applied to the element, and the like.
  • the memory stores device addresses, programs for operating the processor, and the like.
  • the computing unit 5 computes the weight from the resistance of the element in the magnetic array 2 and the output current from the element.
  • the calculation unit 5 has, for example, a processor and performs calculations.
  • the computing unit 5 detects, for example, the output current from the elements in the magnetic array 2 and substitutes the detection result into the activation function.
  • the output unit 6 is connected to the calculation unit 5.
  • the output unit 6 outputs the calculation result of the calculation unit 5 to the outside.
  • the output unit 6 has, for example, an output capacitor, an amplifier, a converter, and the like.
  • the output unit 6 may also feed back the calculation result to the signal input unit 4 .
  • the calculation result is stored in the memory of the signal input unit 4, for example.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the magnetic array 2 of the neuromorphic device according to the first embodiment.
  • the magnetic array 2 includes a plurality of pair elements 100, a plurality of first wirings WL, a plurality of second wirings CL, a plurality of third wirings RL, a plurality of first switching elements SW1, and a plurality of second switching elements SW1. It includes an element SW2, a plurality of third switching elements SW3, and a plurality of fourth switching elements SW4.
  • the fourth switching element SW4 may belong, for example, to the signal input section 4 of the control device 3 .
  • Each pair element 100 has a first magnetoresistive element 10 and a second magnetoresistive element 20 .
  • the distance L1 between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 belonging to the same pair element 100 is, for example, the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 belonging to different pair elements 100. 20 is shorter than the distance L2.
  • the distance L1 between the first magnetoresistive effect element 10 and the second magnetoresistive effect element 20 belonging to the same pair element 100 is, for example, the distance between the first magnetoresistive effect element 10 and the first magnetoresistive effect element shorter than the distance L3 of the element 10;
  • the plurality of paired elements 100 may be arranged in a plane. In this case, any one of these distances L1, L2, L3 may be the distance in the z direction.
  • the distance L1 between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 belonging to the same pair element 100 is the shortest, thermal interference between different pair elements 100 can be reduced.
  • Each of the first wirings WL is a write wiring. Each first wiring WL electrically connects the signal input section 4 and one or more pair elements 100 .
  • Each of the second wirings CL is a common wiring that can be used both when writing and reading signals. Each of the second wirings CL is connected to the signal input section 4 or the calculation section 5, for example.
  • the second wiring CL may be provided for each of the plurality of paired elements 100 or may be provided over the plurality of paired elements 100 .
  • Each of the third wirings RL is a readout wiring. Each of the third wirings RL electrically connects the computing unit 5 and one or more pair elements 100, for example.
  • the first switching element SW1, the second switching element SW2, the third switching element SW3, and the fourth switching element SW4 are elements for controlling current flow.
  • the first switching element SW1, the second switching element SW2, the third switching element SW3, and the fourth switching element SW4 use the phase change of the crystal layer, such as a transistor or Ovonic Threshold Switch (OTS).
  • Ovonic Threshold Switch devices, devices that use band structure changes such as metal-insulator transition (MIT) switches, devices that use breakdown voltages such as Zener diodes and avalanche diodes, and devices that change conductivity with changes in atomic positions be.
  • MIT metal-insulator transition
  • Zener diodes and avalanche diodes devices that change conductivity with changes in atomic positions be.
  • the first switching element SW1, the second switching element SW2, and the third switching element SW3 are connected to each pair element 100 one by one.
  • the fourth switching element SW4 is arranged upstream of any one of the first wiring WL, the second wiring CL, and the third wiring RL.
  • the first switching element SW1 is, for example, between the first magnetoresistive element 10 and the second wiring CL.
  • the second switching element SW2 is, for example, between the second magnetoresistive element 20 and the second wiring CL.
  • the third switching element SW3 is, for example, between each pair element 100 and the third wiring RL.
  • the first switching element SW1, the second switching element SW2, and the third switching element SW3 greatly affect the integration of the magnetic array 2.
  • the fourth switching element SW4 is, for example, between the signal input section 4 and each pair element 100.
  • the fourth switching element SW4 is connected to, for example, the first wiring WL.
  • the fourth switching element SW4 can be arranged outside the magnetic array 2 and has little effect on the integration of the magnetic array 2. FIG.
  • the arrangement of switching elements is not limited to the example in FIG.
  • the first switching element SW1 is arranged between the first magnetoresistive element 10 and the first wiring WL
  • the second switching element SW2 is arranged between the second magnetoresistive element 20 and the first wiring WL
  • the fourth switching element SW4 may be arranged between the second wiring CL and the computing section 5.
  • FIG. the third switching element SW3 may be arranged upstream of the third line RL. Also, the number of switching elements connected to each pair element 100 may be increased.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of another example of the magnetic array 2 of the neuromorphic device according to the first embodiment.
  • the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 belonging to the same pair element 100 are connected to different first wirings WL.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the vicinity of the pair element 100 of the magnetic array 2 according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross section obtained by cutting one pair element 100 in FIG. 3 along the xz plane passing through the center in the y direction.
  • the first switching element SW1, the second switching element SW2 and the third switching element SW3 shown in FIG. 5 are transistors Tr.
  • the transistor Tr has a gate electrode G, a gate insulating film GI, and a source S and a drain D formed on the substrate Sub.
  • Source S and drain D are defined by the direction of current flow and are the same region.
  • FIG. 5 only shows an example, and the positional relationship between the source S and the drain D may be reversed.
  • the substrate Sub is, for example, a semiconductor substrate.
  • the fourth switching element SW4 is electrically connected to the first wiring WL and is located, for example, at a position shifted in the x direction from FIG.
  • the transistor Tr, the first wiring WL, the second wiring CL, the third wiring RL, and the pair element 100 are on different layers in the z direction.
  • Via wiring V connects between different layers.
  • the via wiring V contains a material having conductivity.
  • An insulating layer 90 is formed between different layers in the z-direction except for the via wiring V. As shown in FIG.
  • the insulating layer 90 is an insulating layer that insulates between wirings of multilayer wiring and between elements.
  • the pair element 100 and the transistor Tr are electrically separated by the insulating layer 90 except for the via wiring V.
  • the insulating layer 90 is made of, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbonitride (SiCN), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO x ), and the like.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the pair element 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is an xz cross section passing through the center of the pair element 100 in the y direction.
  • 7 and 8 are plan views of the pair element 100 according to the first embodiment as seen from the z direction.
  • FIG. 7 is a plan view of the pair element 100 with the first electrode 16, the second electrode 17, the third electrode 26 and the fourth electrode 27 removed.
  • Each of the pair elements 100 includes a first magnetoresistive element 10, a second magnetoresistive element 20, and a readout electrode 30.
  • the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 belonging to the same pair element 100 are arranged in the longitudinal direction (x direction) of the first magnetoresistive element 10, for example.
  • the readout electrode 30 is shared by the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 . By sharing the readout electrode 30 between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20, the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 are thermally connected to each other. Temperature variations between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 are reduced.
  • the readout electrode 30 includes, for example, the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 when viewed from the z direction.
  • the heat capacity of the readout electrode 30 is large, the heat dissipation properties of the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 are improved.
  • the readout electrode 30 includes the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20, the unevenness of heat inside the pair element 100 can be alleviated.
  • the first magnetoresistive element 10 includes a first reference layer 11, a first nonmagnetic layer 12, a first magnetic recording layer 13, a first magnetization fixed layer 14, a second magnetization fixed layer 15, a first An electrode 16 and a second electrode 17 are provided.
  • the second magnetoresistive element 20 includes a second reference layer 21, a second nonmagnetic layer 22, a second magnetic recording layer 23, a third magnetization fixed layer 24, a fourth magnetization fixed layer 25, and a third An electrode 26 and a fourth electrode 27 are provided.
  • the readout electrode 30 is connected across the first reference layer 11 and the second reference layer 21 .
  • the readout electrode 30 includes, for example, the first reference layer 11 and the second reference layer 21 when viewed from the z direction.
  • the first reference layer 11 and the second reference layer 21 each contain a ferromagnetic material.
  • the magnetization M 11 of the first reference layer 11 is more difficult to reverse than the magnetizations M 13A and M 13B of the first magnetic recording layer 13 .
  • the magnetization M 21 of the second reference layer 21 is more difficult to reverse than the magnetizations M 23A and M 23B of the second magnetic recording layer 23 .
  • the first reference layer 11 is closer to the substrate Sub than the first magnetic recording layer 13 is.
  • the second reference layer 21 is closer to the substrate Sub than the second magnetic recording layer 23 is.
  • Such a device is called a bottom-pin structure.
  • the first reference layer 11 includes the first magnetic recording layer 13 when viewed from the z direction.
  • the second reference layer 21 includes the second magnetic recording layer 23 when viewed from the z-direction.
  • the first reference layer 11 contains, for example, a material that easily obtains a coherent tunnel effect with the first magnetic recording layer 13 .
  • the second reference layer 21 contains, for example, a material that facilitates obtaining a coherent tunnel effect with the second magnetic recording layer 23 .
  • the first reference layer 11 and the second reference layer 21 are each, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, these metals and B, An alloy or the like containing at least one element of C and N is included.
  • the first reference layer 11 and the second reference layer 21 are, for example, Co--Fe, Co--Fe--B, and Ni--Fe, respectively.
  • Each of the first reference layer 11 and the second reference layer 21 may be, for example, a Heusler alloy.
  • Heusler alloys are half-metals and have high spin polarization.
  • a Heusler alloy is an intermetallic compound having a chemical composition of XYZ or X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element of the Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V , Cr or Ti group transition metals or element species of X, and Z is a typical element of III to V groups.
  • Examples of Heusler alloys include Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , Co 2 FeGe 1-c Gac and the like.
  • the first reference layer 11 and the second reference layer 21 may each have a synthetic antiferromagnetic structure (SAF structure).
  • a synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching a non-magnetic layer.
  • each of the first reference layer 11 and the second reference layer 21 may be a laminate of a ferromagnetic layer, a spacer layer, and a ferromagnetic layer. Due to the antiferromagnetic coupling of the two ferromagnetic layers that form the SAF structure, the coercive forces of the first reference layer 11 and the second reference layer 21 become larger than in the case of not having the SAF structure.
  • the magnetic layer forming the SAF structure contains, for example, a ferromagnetic material and may contain an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn.
  • the spacer layer contains at least one selected from the group consisting of Ru, Ir and Rh, for example.
  • the first nonmagnetic layer 12 is between the first reference layer 11 and the first magnetic recording layer 13 .
  • the first nonmagnetic layer 12 is on the first reference layer 11 .
  • the second nonmagnetic layer 22 is between the second reference layer 21 and the second magnetic recording layer 23 .
  • the second nonmagnetic layer 22 is on the second reference layer 21 .
  • the first nonmagnetic layer 12 and the second nonmagnetic layer 22 are each made of, for example, a nonmagnetic insulator, semiconductor, or metal.
  • Nonmagnetic insulators are, for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , and materials in which part of Al, Si, and Mg are replaced with Zn, Be, and the like. These materials have a large bandgap and excellent insulating properties.
  • the first nonmagnetic layer 12 and the second nonmagnetic layer 22 are tunnel barrier layers, respectively.
  • Non-magnetic metals are, for example, Cu, Au, Ag, and the like.
  • Nonmagnetic semiconductors are, for example, Si, Ge, CuInSe2 , CuGaSe2 , Cu(In, Ga) Se2, and the like.
  • each of the first nonmagnetic layer 12 and the second nonmagnetic layer 22 is, for example, 20 ⁇ or more, and may be 25 ⁇ or more.
  • the resistance area (RA) of the first magnetoresistive element 10 is increased.
  • the resistance area (RA) of the second magnetoresistive element 20 is increased.
  • the resistance area (RA) is preferably 1 ⁇ 10 4 ⁇ m 2 or more, more preferably 5 ⁇ 10 4 ⁇ m 2 or more.
  • the resistance area product (RA) is represented by the product of the element resistance and the element cross-sectional area.
  • the element cross section is a cross section cut along the xy plane passing through the first nonmagnetic layer 12 or the second nonmagnetic layer 22 .
  • the first magnetic recording layer 13 is on the first non-magnetic layer 12 .
  • a second magnetic recording layer 23 is on the second non-magnetic layer 22 .
  • the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 each extend in the x direction.
  • the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 each extend in the same direction as the first reference layer 11 and the second reference layer 21 respectively.
  • the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 each have a domain wall DW inside.
  • a domain wall DW is a boundary between different magnetic domains.
  • the domain wall DW moves in the x-direction inside each of the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 .
  • the magnetic recording layer is also called an analog layer or domain wall displacement layer.
  • the first magnetic recording layer 13 has a first magnetic domain 13A and a second magnetic domain 13B.
  • a domain wall DW exists at the boundary between the first magnetic domain 13A and the second magnetic domain 13B.
  • the magnetization M13A of the first magnetic domain 13A is oriented in the same direction as the magnetization M14 of the first magnetization fixed layer 14, for example.
  • the magnetization M13B of the second magnetic domain 13B is oriented in the same direction as the magnetization M15 of the second magnetization fixed layer 15, for example.
  • the domain wall DW moves.
  • the domain wall DW is moved by applying a write current (for example, a current pulse) in the x direction of the first magnetic recording layer 13, applying an external magnetic field to the first magnetic recording layer 13, or the like.
  • a write current for example, a current pulse
  • the second magnetic recording layer 23 has a third magnetic domain 23A and a fourth magnetic domain 23B.
  • a domain wall DW exists at the boundary between the third magnetic domain 23A and the fourth magnetic domain 23B.
  • the magnetization M23A of the third magnetic domain 23A is oriented in the same direction as the magnetization M24 of the third magnetization fixed layer 24, for example.
  • the magnetization M23B of the fourth magnetic domain 23B is oriented in the same direction as the magnetization M25 of the fourth magnetization fixed layer 25, for example.
  • the domain wall DW moves.
  • the domain wall DW is moved by applying a write current (for example, a current pulse) in the x direction of the second magnetic recording layer 23, applying an external magnetic field to the second magnetic recording layer 23, or the like.
  • a write current for example, a current pulse
  • the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 are each made of a magnetic material. Materials similar to those of the first reference layer 11 and the second reference layer 21 can be used for the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23, respectively.
  • the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 may each be a ferromagnetic material, a ferrimagnetic material, or a combination of these and an antiferromagnetic material whose magnetic state can be changed by an electric current.
  • Each of the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 may contain at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Pt, Pd, Gd, Tb, Mn, Ge, and Ga. preferable.
  • Examples of materials used for the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 include, for example, a laminated film of Co and Ni, a laminated film of Co and Pt, a laminated film of Co and Pd, a MnGa-based material, GdCo and TbCo-based materials.
  • Ferrimagnetic materials such as MnGa-based materials, GdCo-based materials, and TbCo-based materials have small saturation magnetization, and the threshold current required to move the domain wall DW is small.
  • the laminated film of Co and Ni, the laminated film of Co and Pt, and the laminated film of Co and Pd have large coercive force, and the moving speed of the domain wall DW becomes slow.
  • the antiferromagnetic material is, for example, Mn 3 X (where X is Sn, Ge, Ga, Pt, Ir, etc.), CuMnAs, Mn 2 Au, or the like.
  • the first magnetization fixed layer 14 is in direct or indirect contact with part of the first magnetic recording layer 13 . Indirect contact means sandwiching another layer between the first magnetization fixed layer 14 and the first magnetic recording layer 13 .
  • the first magnetization fixed layer 14 contacts, for example, the first end of the first magnetic recording layer 13 .
  • the first magnetization fixed layer 14 is between the first magnetic recording layer 13 and the first electrode 16 .
  • the first magnetization fixed layer 14 fixes the magnetization M 13A of the first magnetic recording layer 13 located near the first magnetization fixed layer 14 .
  • the second magnetization fixed layer 15 is in direct or indirect contact with part of the first magnetic recording layer 13 . Indirect contact means sandwiching another layer between the second magnetization fixed layer 15 and the first magnetic recording layer 13 .
  • the second magnetization fixed layer 15 is in contact with, for example, the second end of the first magnetic recording layer 13 .
  • the second magnetization fixed layer 15 is between the first magnetic recording layer 13 and the second electrode 17 .
  • the second magnetization fixed layer 15 fixes the magnetization M13B of the first magnetic recording layer 13 located near the second magnetization fixed layer 15 .
  • the orientation direction of the magnetization M15 of the second magnetization fixed layer 15 is opposite to the orientation direction of the magnetization M14 of the first magnetization fixed layer .
  • the third magnetization fixed layer 24 is in direct or indirect contact with part of the second magnetic recording layer 23 . Indirect contact means sandwiching another layer between the third magnetization fixed layer 24 and the second magnetic recording layer 23 .
  • the third magnetization fixed layer 24 contacts, for example, the first end of the second magnetic recording layer 23 .
  • the third magnetization fixed layer 24 is between the second magnetic recording layer 23 and the third electrode 26 .
  • the third magnetization fixed layer 24 fixes the magnetization M 23A of the second magnetic recording layer 23 located near the third magnetization fixed layer 24 .
  • the orientation direction of the magnetization M 24 of the third magnetization fixed layer 24 is the same as the orientation direction of the magnetization M 14 of the first magnetization fixed layer 14 .
  • the fourth magnetization fixed layer 25 is in direct or indirect contact with part of the second magnetic recording layer 23 . Indirect contact means sandwiching another layer between the fourth magnetization fixed layer 25 and the second magnetic recording layer 23 .
  • the fourth magnetization fixed layer 25 is in contact with the second end of the second magnetic recording layer 23, for example.
  • the fourth magnetization fixed layer 25 is between the second magnetic recording layer 23 and the fourth electrode 27 .
  • the fourth magnetization fixed layer 25 fixes the magnetization M 23B of the second magnetic recording layer 23 located near the fourth magnetization fixed layer 25 .
  • the orientation direction of the magnetization M 25 of the fourth magnetization fixed layer 25 is opposite to the orientation direction of the magnetization M 14 of the first magnetization fixed layer 14 and the magnetization M 24 of the third magnetization fixed layer 24 .
  • the height of the first magnetization fixed layer 14 in the z direction and the height of the second magnetization fixed layer 15 in the z direction may be different.
  • the height of the third magnetization fixed layer 24 in the z direction and the height of the fourth magnetization fixed layer 25 in the z direction may be different.
  • the area of the first magnetization fixed layer 14 and the area of the second magnetization fixed layer 15 may be different when viewed from the z direction.
  • the area of the first magnetization pinned layer 14 is larger than the area of the second magnetization pinned layer 15 when viewed from the z-direction.
  • the area of the third magnetization fixed layer 24 and the area of the fourth magnetization fixed layer 25 may differ when viewed from the z direction.
  • the area of the third magnetization fixed layer 24 is larger than the area of the fourth magnetization fixed layer 25 when viewed from the z direction.
  • each magnetization fixed layer differs and the volume of each magnetization fixed layer differs.
  • the coercive force of each magnetization fixed layer differs.
  • Each of the first magnetization fixed layer 14, the second magnetization fixed layer 15, the third magnetization fixed layer 24, and the fourth magnetization fixed layer 25 is, for example, a ferromagnetic material.
  • a ferromagnetic material for example, the same materials as those of the first reference layer 11, the second reference layer 21, the first magnetic recording layer 13, and the second magnetic recording layer 23 can be applied.
  • these materials are not limited to ferromagnetic materials.
  • the first magnetization fixed layer 14 is not a ferromagnetic material, the current density of the current flowing through the first magnetic recording layer 13 in the region overlapping with the first magnetization fixed layer 14 changes rapidly, resulting in the domain wall DW. movement is restricted.
  • any one of the first magnetization fixed layer 14, the second magnetization fixed layer 15, the third magnetization fixed layer 24, and the fourth magnetization fixed layer 25 may have the above-described SAF structure.
  • the thickness of the ferromagnetic layers that constitute the SAF structure may be changed between the first magnetization pinned layer 14 and the second magnetization pinned layer 15 .
  • the film thickness of the ferromagnetic layers forming the SAF structure may be changed between the third magnetization fixed layer 24 and the fourth magnetization fixed layer 25 . If the ferromagnetic layers have different thicknesses, the magnetization fixed layers have different coercive forces, making it easier to set the magnetization orientation direction.
  • the first electrode 16 is electrically connected to the first magnetic recording layer 13 .
  • the first electrode 16 is electrically connected to, for example, the first end of the first magnetic recording layer 13 .
  • the first electrode 16 is, for example, on the first magnetization pinned layer 14 .
  • the first electrode 16 is electrically connected to, for example, the first switching element SW1 and the second wiring CL. A current flows through the first electrode 16 both during signal writing and signal reading.
  • the second electrode 17 is electrically connected to the first magnetic recording layer 13 while being separated from the first electrode 16 .
  • the second electrode 17 is electrically connected to the second end of the first magnetic recording layer 13, for example.
  • the second electrode 17 is on the second magnetization fixed layer 15, for example.
  • the second electrode 17 is electrically connected to, for example, the first wiring WL. A current flows through the second electrode 17 when a signal is written.
  • the third electrode 26 is electrically connected to the second magnetic recording layer 23.
  • the third electrode 26 is electrically connected to the first end of the second magnetic recording layer 23, for example.
  • the third electrode 26 is on the third magnetization fixed layer 24, for example.
  • the third electrode 26 is electrically connected to, for example, the second switching element SW2 and the second wiring CL. A current flows through the third electrode 26 both during signal writing and signal reading.
  • the fourth electrode 27 is electrically connected to the second magnetic recording layer 23 while being separated from the third electrode 26 .
  • the fourth electrode 27 is electrically connected to the second end of the second magnetic recording layer 23, for example.
  • the fourth electrode 27 is on the fourth magnetization fixed layer 25, for example.
  • the fourth electrode 27 is electrically connected to, for example, the first wiring WL. A current flows through the fourth electrode 27 when a signal is written.
  • the distance between the first electrode 16 and the third electrode 26 is longer than the distance between the second electrode 17 and the fourth electrode 27, for example.
  • the shapes of the first electrode 16, the second electrode 17, the third electrode 26, and the fourth electrode 27 when viewed from the z-direction are the same as those of the first magnetization pinned layer 14 and the second magnetization pinned layer 14, respectively.
  • Each shape of the layer 15, the third magnetization fixed layer 24, and the fourth magnetization fixed layer 25 may be different.
  • the size of each electrode when viewed in the z-direction may be larger than the size of the magnetization pinned layer connected to each electrode.
  • At least two of the geometric centers C16, C17, C26 and C27 of the first electrode 16, the second electrode 17, the third electrode 26 and the fourth electrode 27 belonging to the same pair element 100 when viewed from the z-direction are at positions sandwiching the readout electrode 30, for example.
  • the geometric center C16 of the first electrode 16 and the geometric center C17 of the second electrode 17 sandwich the reference line BL passing through the center of the readout electrode 30 in the y direction.
  • the geometric center C26 of the third electrode 26 and the geometric center C27 of the fourth electrode 27 sandwich the reference line BL passing through the center of the readout electrode 30 in the y direction.
  • Each of the first electrode 16, the second electrode 17, the third electrode 26 and the fourth electrode 27 contains a conductor.
  • Each of the 1st electrode 16, the 2nd electrode 17, the 3rd electrode 26, and the 4th electrode 27 is Cu, Al, Au, Ta, Ru, etc., for example.
  • the magnetization direction of each layer of the pair element 100 can be confirmed by measuring a magnetization curve, for example.
  • a magnetization curve can be measured using, for example, MOKE (Magneto Optical Kerr Effect).
  • MOKE Magnetic Optical Kerr Effect
  • Measurement by MOKE is a measurement method in which linearly polarized light is incident on an object to be measured, and a magneto-optical effect (magnetic Kerr effect) in which the polarization direction of the object is caused to rotate is used.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the write operation of the pair element 100 according to the first embodiment.
  • the pair element 100 writes to the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 separately.
  • the predetermined first switching element SW1 and the predetermined fourth switching element SW4 are turned on, and the other switching elements are turned off.
  • the controller 7 controls which first switching element SW1 and which fourth switching element SW4 are to be turned ON.
  • the position of the domain wall DW changes.
  • the resistance value in the stacking direction of the first magnetoresistive effect element 10 changes. It is a signal in which the resistance value or conductance in the lamination direction of the first magnetoresistive element 10 is written, and corresponds to, for example, a positive weight.
  • the predetermined second switching element SW2 and the predetermined fourth switching element SW4 are turned on, and the other switching elements are turned off.
  • the control unit 7 controls which second switching element SW2 and which fourth switching element SW4 are to be turned ON.
  • the position of the domain wall DW changes.
  • the potentials of the third electrode 26 and the fourth electrode 27 With the control unit 7, the advancing direction of the domain wall DW can be controlled.
  • the resistance value in the stacking direction of the second magnetoresistive effect element 20 changes. It is a signal in which the resistance value or conductance in the stacking direction of the second magnetoresistive effect element 20 is written, and corresponds to, for example, a negative weight.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the read operation from the pair element 100 according to the first embodiment.
  • predetermined first switching element SW1, second switching element SW2, and third switching element SW3 are turned ON, and other switching elements are turned OFF.
  • the control device 3 causes the first read current IR1 and the second read current IR2 to flow through the specific pair element 100 from which the signal is read.
  • a first read current I R1 flows inside the first magnetoresistive element 10 .
  • a second read current I R2 flows inside the second magnetoresistive element 20 .
  • the first read current I R1 flows from the first reference layer 11 toward the first magnetic recording layer 13
  • the second read current I R2 flows from the second magnetic recording layer 23 toward the second reference layer 21 .
  • the second read current I R2 flows from the second reference layer 21 toward the second magnetic recording layer 23 .
  • the control device 3 reverses the direction of the read current IR1 flowing inside the first magnetoresistive element 10 and the direction of the read current IR2 flowing inside the second magnetoresistive element 20. .
  • the control device 3 controls the direction in which the first read current I R1 passes through the first nonmagnetic layer 12 (the +z direction in FIG. 10) and the second read current I R2 in the second nonmagnetic layer 22 .
  • the direction passing through (-z direction in FIG. 10) is reversed.
  • a first read current I R1 flows from the read electrode 30 towards the first electrode 16 and a second read current I R2 flows from the third electrode 26 towards the read electrode 30 .
  • the first read current I R1 may flow from the first electrode 16 toward the read electrode 30 and the second read current I R2 may flow from the read electrode 30 toward the third electrode 26 .
  • the flow directions of the first readout current IR1 and the second readout current IR2 can be controlled by the controller 3 setting the potentials of the first electrode 16, the third electrode 26, and the readout electrode 30. If there is a potential difference between , it can be considered that a read current has flowed.
  • the first read current I R1 and the second read current I R2 reverse the flow direction of the read current, that is, whether the read current flows from the reference layer to the magnetic recording layer or flows from the magnetic recording layer to the reference layer. Orientation makes it easy to represent positive and negative weights in a neural network.
  • the first read current I R1 and the second read current I R2 determine the flow direction of the read current from the reference layer to the magnetic recording layer or from the magnetic recording layer to the reference layer. If the directions are reversed, the directions of the transient components generated in the first magnetoresistive effect element 10 and the second magnetoresistive effect element 20 immediately after the application of the current and immediately after the application of the current are stopped are also reversed. Unexpected operation can be prevented by canceling out transient components, which are error factors in the read operation, between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 .
  • 11 to 15 are diagrams showing an example of a method of manufacturing the pair element 100 according to the first embodiment.
  • the pair element 100 is formed through a lamination process of layers, a processing process of processing a part of each layer into a predetermined shape, and a magnetic field application process of orienting magnetization in a predetermined direction.
  • a ferromagnetic layer 91, a nonmagnetic layer 92, a ferromagnetic layer 93, and a ferromagnetic layer 94 are formed in this order on the readout electrode 30.
  • FIG. A sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam vapor deposition method (EB vapor deposition method), an atomic laser deposition method, or the like can be used for stacking each layer.
  • a resist R is formed on part of the ferromagnetic layer 94, and an ion beam B is irradiated through the resist R.
  • the ion beam B etches portions of the ferromagnetic layer 91, the nonmagnetic layer 92, the ferromagnetic layer 93, and the ferromagnetic layer 94 which are not protected by the resist R.
  • the resist is removed, and the periphery of the processed ferromagnetic layer 91, nonmagnetic layer 92, ferromagnetic layer 93, and ferromagnetic layer 94 is filled with an insulating layer 90 as shown in FIG. Then, a resist R is formed on a portion of the ferromagnetic layer 94 again. An ion beam B is irradiated through the resist R. The ion beam B etches the portions of the ferromagnetic layer 94 not protected by the resist R. FIG.
  • the first magnetization fixed layer 14, the third magnetization fixed layer 24 and the ferromagnetic layer 95 are formed.
  • the ferromagnetic layer 95 is a portion that becomes the second magnetization fixed layer 15 and the fourth magnetization fixed layer 25 in later processing.
  • the insulating layer 90 is refilled in the portion removed by the processing, and a resist R is formed so that the upper surface of the ferromagnetic layer 95 is exposed. Then, by irradiating the ion beam B, the thickness of the ferromagnetic layer 95 is reduced.
  • the portion removed by processing is filled with a conductor 96.
  • the conductor 96 is a portion that becomes a part of the second electrode 17 and the fourth electrode 27 in later processing.
  • a resist R is formed so that a portion of the upper surface of the conductor 96 is exposed.
  • An ion beam B is irradiated through the resist R. The ion beam B separates the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 .
  • an insulating layer 90 is filled between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 .
  • the ferromagnetic layer 95 becomes the second magnetization fixed layer 15 and the fourth magnetization fixed layer 25 .
  • the conductor 96 becomes part of the second electrode 17 and the fourth electrode 27 .
  • a conductive layer is formed on the upper surface of these electrodes, and unnecessary portions are removed to form the first electrode 16 and the third electrode 26, and the second electrode 17 and the fourth electrode 27 are additionally stacked.
  • an external magnetic field is applied in one direction (eg +z direction).
  • the magnetizations M 14 , M 15 , M 24 , and M 25 of the first magnetization fixed layer 14, the second magnetization fixed layer 15, the third magnetization fixed layer 24 , and the fourth magnetization fixed layer 25 are all in the same direction. (eg, +z direction).
  • an external magnetic field is applied in the opposite direction (eg, -z direction) to the previously applied direction.
  • the external magnetic field has a strength such that one of the magnetization M14 of the first magnetization fixed layer 14 and the magnetization M15 of the second magnetization fixed layer 15 is reversed and the other is not reversed, and the magnetization M of the third magnetization fixed layer 24 is 24 and the magnetization M 25 of the fourth magnetization fixed layer 25 is reversed, and the other is not reversed.
  • the coercive force difference between the first magnetization fixed layer 14 and the second magnetization fixed layer 15 and the coercive force difference between the third magnetization fixed layer 24 and the fourth magnetization fixed layer 25 are caused, for example, by the volume difference.
  • the readout electrode 30 is shared by the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 .
  • the thermal histories of the first magnetoresistive effect element 10 and the second magnetoresistive effect element 20 are brought closer to each other, and the maximum resistance value and the minimum resistance value of the first magnetoresistive effect element 10 are Variations in the maximum resistance value and the minimum resistance value due to temperature are suppressed.
  • the first magnetoresistive effect element 10 is a memristor element having a positive value
  • the second magnetoresistive effect element 20 is a memristor element having a negative value.
  • the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 have little variation due to temperature, and the neuromorphic device 1 can easily calculate weights for learning.
  • the number of transistors arranged in the integrated area is can be reduced. That is, the neuromorphic device 1 according to the first embodiment is excellent in integration.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the pair element 101 according to the first modified example.
  • FIG. 16 is a cross section of the pair element 101 taken along the xz plane passing through the center in the y direction.
  • FIG. 17 is a plan view of pair element 101 according to the first modification.
  • the same reference numerals are given to the same configurations as in the pair element 100, and the description thereof is omitted.
  • the pair element 101 further has a first connection portion 45 that connects the first reference layer 11 and the second reference layer 21 .
  • the first connection portion 45 is a portion that does not overlap the first nonmagnetic layer 12 and the second nonmagnetic layer 22 when viewed in the z direction.
  • the first connecting portion 45 is a ferromagnetic material.
  • the first connection portion 45 is made of the same material as the first reference layer 11 and the second reference layer 21 .
  • the first reference layer 11 , the second reference layer 21 , and the first connection portion 45 are magnetically coupled and function as an integrated reference layer 41 .
  • the magnetization M 41 of the reference layer 41 functions as one.
  • a height t 145 of the first connection portion 45 in the z-direction is lower than the height t 11 of the first reference layer 11 and the height t 21 of the second reference layer 21 .
  • the reference layer 41 includes the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 when viewed from the z direction.
  • the heat capacity of the reference layer 41 is large, and the heat exhaust efficiency of the pair element 101 is enhanced.
  • the stability of the magnetization M41 of the reference layer 41 is also enhanced.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the pair element 102 according to the second modified example.
  • FIG. 18 is a cross section of the pair element 102 taken along the xz plane passing through the center in the y direction.
  • the same reference numerals are given to the same configurations as in the pair element 101, and the description thereof is omitted.
  • the pair element 102 further has a second connection portion 46 that connects the first nonmagnetic layer 12 and the second nonmagnetic layer 22 .
  • the second connection portion 46 is a portion that does not overlap the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 when viewed from the z direction.
  • the second connection portion 46 is a non-magnetic material.
  • the second connection portion 46 is made of the same material as the first nonmagnetic layer 12 and the second nonmagnetic layer 22 .
  • the first nonmagnetic layer 12, the second nonmagnetic layer 22, and the second connecting portion 46 form an integral nonmagnetic layer 42. Since the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 also share the non-magnetic layer 42, temperature variations between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 can be reduced. more controllable.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the pair element 103 according to the third modified example.
  • FIG. 19 is a cross section of the pair element 103 taken along the xz plane passing through the center in the y direction.
  • the same reference numerals are assigned to the same configurations as in the pair element 100, and the description thereof is omitted.
  • the readout electrode 31 differs from the readout electrode 30 in shape.
  • the readout electrode 31 has a concave portion 32 on the surface that contacts the first reference layer 11 and the second reference layer 21 .
  • the concave portion 32 is formed in a portion that does not overlap the first reference layer 11 and the second reference layer 21 when viewed from the z direction.
  • the film thickness of the readout electrode 31 in the portion where the recess 32 is formed is thinner than the film thickness of the other portion.
  • the readout electrode 31 is shared between the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20, even if the readout electrode 31 is partially thin, the same effect as the pair element 100 can be obtained. can get.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the pair element 104 according to the fourth modified example.
  • FIG. 20 is a cross section of the pair element 104 taken along the xz plane passing through the center in the y direction.
  • the same reference numerals are given to the same configurations as in the pair element 100, and the description thereof is omitted.
  • the positional relationship between the pair element 100, the third magnetization fixed layer 24, and the fourth magnetization fixed layer 25 and the positional relationship between the third electrode 26 and the fourth electrode 27 are opposite. is.
  • the distance between the second magnetization fixed layer 15 and the third magnetization fixed layer 24 is shorter than the distance between the second magnetization fixed layer 15 and the fourth magnetization fixed layer 25 .
  • the magnetizations of these layers are magnetostatically stabilized.
  • FIG. 21 is a plan view of the pair element 105 according to the fifth modified example.
  • the same components as in the pair element 100 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 belonging to the same pair element 105 are arranged in a direction ( y direction).
  • Paired elements that are long in one direction are difficult to adjust with the area occupied by the transistor and difficult to integrate.
  • Paired elements 104 having an aspect ratio close to 1 are easily integrated within a given area.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of the pair element 106 according to the sixth modified example.
  • FIG. 22 is a cross section of the pair element 106 taken along the xz plane passing through the center in the y direction.
  • the same reference numerals are assigned to the same configurations as in the pair element 100, and the description thereof is omitted.
  • the pair element 106 has a stacking order opposite to that of the pair element 100 .
  • the first magnetic recording layer 13 is closer to the substrate Sub than the first reference layer 11 is.
  • the second magnetic recording layer 23 is closer to the substrate Sub than the second reference layer 21 is.
  • Such a device is called a top-pin structure. The same effect as the bottom pin structure can also be obtained with the top pin structure.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of the pair element 107 according to the seventh modified example.
  • FIG. 23 is a cross section of the pair element 107 taken along the xz plane passing through the center in the y direction.
  • the same reference numerals are given to the same configurations as in the pair element 100, and the description thereof is omitted.
  • the pair element 107 has a first magnetoresistive element 50 , a second magnetoresistive element 60 and a readout electrode 30 .
  • the readout electrode 30 is shared by the first magnetoresistive element 50 and the second magnetoresistive element 60 .
  • the first magnetoresistive element 50 includes a first reference layer 11, a first nonmagnetic layer 12, a first magnetic recording layer 53, a first spin orbit torque wiring 58, a first electrode 16, and a second electrode. 17 and.
  • the second magnetoresistive element 60 includes a second reference layer 21, a second nonmagnetic layer 22, a second magnetic recording layer 63, a second spin orbit torque wire 68, a third electrode 26, and a fourth electrode 27. And prepare.
  • the first magnetic recording layer 53 and the second magnetic recording layer 63 are ferromagnetic.
  • the first magnetic recording layer 53 and the second magnetic recording layer 63 differ from the first magnetic recording layer 13 and the second magnetic recording layer 23 of the pair element 100 in that they do not have a domain wall DW inside.
  • the magnetization M 53 of the first magnetic recording layer 53 is reversed by spins injected from the first spin-orbit torque wire 58 .
  • the magnetization M 63 of the second magnetic recording layer 63 is reversed by spins injected from the second spin-orbit torque wire 68 .
  • the first spin-orbit torque wiring 58 generates a spin current by the spin Hall effect when current flows in the x direction, and injects spins into the first magnetic recording layer 53 .
  • the second spin-orbit torque wiring 68 generates a spin current by the spin Hall effect when current flows in the x direction, and injects spins into the second magnetic recording layer 63 .
  • the first spin-orbit torque wiring 58 and the second spin-orbit torque wiring 68 contain, for example, a heavy metal having a specific gravity equal to or higher than yttrium (Y).
  • the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 are respectively called spin-orbit torque-type magnetoresistive elements.
  • the first magnetoresistive element 10 and the second magnetoresistive element 20 can express only binary values, they can be applied to a device imitating a binary neural network, for example.
  • the spin-orbit torque magnetoresistive element is an example of an element that does not have a domain wall, and other variable resistance elements may be applied.
  • a phase change memory (PCM), a resistance change memory (ReRAM), and the like are examples of resistance change elements.

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Abstract

このニューロモーフィックデバイスは、複数のペア素子と、複数のペア素子のそれぞれを制御する制御装置と、を有する。複数のペア素子のそれぞれは、第１磁気抵抗効果素子と、第２磁気抵抗効果素子と、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子とで共有された読出し電極と、を備える。第１磁気抵抗効果素子と、第２磁気抵抗効果素子とは、それぞれ、参照層と、磁気記録層と、非磁性層と、二つの電極と、を有する。読出し電極は、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子の参照層に亘って接続されている。制御装置は、信号を読み出す特定のペア素子において、第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子とで、参照層から磁気記録層へ向かって読出し電流を流すか、磁気記録層から参照層へ向かって流すかという読出し電流の流れ方向を逆向きにする。

Description

ニューロモーフィックデバイス
　本発明は、ニューロモーフィックデバイスに関する。
　ニューロモーフィックデバイスは、ニューラルネットワークの演算を行う装置である。ニューロモーフィックデバイスは、人間の脳におけるニューロンとシナプスとの関係を人工的に模倣している。
　相変化メモリ（ＰＣＭ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）、磁壁移動型の磁気抵抗効果素子（磁壁移動素子）等のメモリスタ素子を集積したニューロモーフィックデバイスが提案されている。メモリスタ素子は、入力される電圧と自身のコンダクタンス値の積を電流として出力する。メモリスタ素子は、ニューロモーフィックデバイスの積和演算における積演算素子として機能する。例えば、特許文献１には、磁壁移動素子を用いたニューロモーフィックデバイスが記載されている。
　メモリスタ素子のコンダクタンス値は、ニューロモーフィックデバイスの学習時の重みに対応する。ニューロモーフィックデバイスの学習では、正と負の重みの両方が必要となる。現実の素子では、負のコンダクタンスの実現が困難である。そこで、２つの素子をペアとして、それぞれの素子に正の重みと負の重みとをそれぞれ割り当て、差分をとる方法が提案されている。例えば、特許文献２には正値と負値で素子列を分離し、重みの絶対値をそれぞれに割り当て、積演算後に差分をとる方法が開示されている。
特許第６６１７８２９号公報 国際公開第２０１８／０３４１６３号
　正の値を担うメモリスタ素子の最大抵抗値と最小抵抗値のそれぞれは、負の値を担うメモリスタ素子の最大抵抗値と最小抵抗値のそれぞれと差がないことが好ましい。ペアとなる素子の間で最大抵抗値又は最小抵抗値が異なると、正の値と負の値とから学習用の重みを求める動作が煩雑になる。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ペアとなる素子の温度差を小さくし、抵抗値のバラツキを低減できるニューロモーフィックデバイスを提供することを目的とする。
　第１の態様にかかるニューロモーフィックデバイスは、複数のペア素子と、前記複数のペア素子のそれぞれを制御する制御装置と、を有する。前記複数のペア素子のそれぞれは、第１磁気抵抗効果素子と、第２磁気抵抗効果素子と、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とで共有された読出し電極と、を備える。前記第１磁気抵抗効果素子は、第１参照層と、第１磁気記録層と、前記第１参照層と前記第１磁気記録層との間にある第１非磁性層と、前記第１磁気記録層と電気的に接続された第１電極と、前記第１電極と離間して前記第１磁気記録層と電気的に接続された第２電極と、を有する。前記第２磁気抵抗効果素子は、第２参照層と、第２磁気記録層と、前記第２参照層と前記第２磁気記録層との間にある第２非磁性層と、前記第２磁気記録層と電気的に接続された第３電極と、前記第３電極と離間して前記第２磁気記録層と電気的に接続された第４電極と、を有する。前記読出し電極は、前記第１参照層と前記第２参照層とに亘って接続されている。前記制御装置は、信号を読み出す特定のペア素子に対して、第１読出し電流と第２読出し電流とを流す。第１読出し電流は、前記第１磁気抵抗効果素子の積層方向に流れ、第２読出し電流は、前記第２磁気抵抗効果素子の積層方向に流れる。前記第１読出し電流が前記第１参照層から前記第１磁気記録層に向かって流れる場合、前記第２読出し電流は前記第２磁気記録層から前記第２参照層に向かって流れる。前記第１読出し電流が前記第１磁気記録層から前記第１参照層に向かって流れる場合、前記第２読出し電流は前記第２参照層から前記第２磁気記録層に向かって流れる。
　上記態様にかかるニューロモーフィックデバイスは、ペアとなる素子の温度差を小さくし、抵抗値のバラツキを低減できる。
ニューラルネットワークの模式図である。 第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイスのブロック図である。 第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイスの磁気アレイの回路図である。 第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイスの磁気アレイの別の例の回路図である。 第１実施形態に係るペア素子の近傍の断面図である。 第１実施形態に係るペア素子の断面図である。 第１実施形態に係るペア素子の平面図である。 第１実施形態に係るペア素子の別の平面図である。 第１実施形態に係るペア素子の書き込み動作を説明する図である。 第１実施形態に係るペア素子の読出し動作を説明する図である。 第１実施形態に係るペア素子の製造方法の一部を示す図である。 第１実施形態に係るペア素子の製造方法の一部を示す図である。 第１実施形態に係るペア素子の製造方法の一部を示す図である。 第１実施形態に係るペア素子の製造方法の一部を示す図である。 第１実施形態に係るペア素子の製造方法の一部を示す図である。 第１変形例に係るペア素子の断面図である。 第１変形例に係るペア素子の平面図である。 第２変形例に係るペア素子の断面図である。 第３変形例に係るペア素子の断面図である。 第４変形例に係るペア素子の断面図である。 第５変形例に係るペア素子の平面図である。 第６変形例に係るペア素子の断面図である。 第７変形例に係るペア素子の断面図である。
　以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
　まず方向について定義する。ｘ方向及びｙ方向は、後述する基板Ｓｕｂ（図５参照）の一面と略平行な方向である。ｘ方向は、例えば、後述する第１磁気記録層１３が延びる方向である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｚ方向は、後述する基板Ｓｕｂからペア素子へ向かう方向である。本明細書において、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」として表す場合があるが、これら表現は便宜上のものであり、重力方向を規定するものではない。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。また本明細書で「接続する」とは、直接接続する場合に限られず、間に他の物体を介して接続される場合を含む。
　図１は、ニューラルネットワークＮＮの模式図である。ニューラルネットワークＮＮは、入力層Ｌｉｎと中間層Ｌｍと出力層Ｌｏｕｔとを有する。図１では中間層Ｌｍが３層の例を提示しているが、中間層Ｌｍの数は問わない。入力層Ｌｉｎと中間層Ｌｍと出力層Ｌｏｕｔのそれぞれは複数のチップＣを有し、それぞれのチップＣは脳におけるニューロンに対応する。入力層Ｌｉｎと中間層Ｌｍと出力層Ｌｏｕｔとのそれぞれは、伝達手段で接続されている。伝達手段は、脳におけるシナプスに対応する。
　ニューラルネットワークＮＮは、伝達手段（シナプス）が学習することで、問題の正答率を高める。学習は将来使えそうな知識を情報から見つけることである。ニューラルネットワークＮＮは、伝達手段の重みを変えながら動作することで、学習する。伝達手段は、入力された信号に重みをかける積演算と、積演算された結果を足す和演算を行う。すなわち、伝達手段は、積和演算を行う。
　後述するペア素子１００の第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０のそれぞれは、積演算素子として機能する。また後述する磁気アレイ２は、積和演算器として機能する。
　図２は、第１実施形態にかかるニューロモーフィックデバイス１のブロック図である。ニューロモーフィックデバイス１は、磁気アレイ２と制御装置３とを有する。
　磁気アレイ２は、複数のペア素子１００（図３参照）が集積されている。磁気アレイ２は、ニューロモーフィックデバイスの学習を担う積和演算器である。制御装置３は、磁気アレイ２内のペア素子１００の動作を制御する。制御装置３は、例えば、図２に示すように磁気アレイ２の周辺にある。制御装置３は、磁気アレイ２とｚ方向に重なる位置に配置してもよい。
　制御装置３は、例えば、信号入力部４と、演算部５と、出力部６とを有する。制御装置３は、複数のペア素子１００のそれぞれを制御する。
　信号入力部４は、制御部７と電源８とを有する。制御部７は、例えば、プロセッサとメモリとを有する。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。プロセッサは、例えば、パルスを印加する素子のアドレス、パルスを印加する素子の電位、素子に印加するパルスの大きさ（電圧、パルス長）等を制御する。メモリは、素子のアドレス、プロセッサを動作するプログラム等を記憶する。
　演算部５は、磁気アレイ２内の素子の抵抗、素子からの出力電流から重みを演算する。演算部５は、例えば、プロセッサを有し、演算を行う。演算部５は、例えば、磁気アレイ２内の素子からの出力電流を検出し、検出結果を活性化関数に代入する。
　出力部６は、演算部５に接続されている。出力部６は、演算部５の演算結果を外部に出力する。出力部６は、例えば、出力コンデンサ、増幅器、コンバータ等を有する。また出力部６は、演算結果を信号入力部４にフィードバックしてもよい。演算結果は、例えば、信号入力部４のメモリに記憶される。
　図３は、第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイスの磁気アレイ２の回路図である。磁気アレイ２は、複数のペア素子１００と、複数の第１配線ＷＬと、複数の第２配線ＣＬと、複数の第３配線ＲＬと、複数の第１スイッチング素子ＳＷ１と、複数の第２スイッチング素子ＳＷ２と、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３と、複数の第４スイッチング素子ＳＷ４と、を備える。第４スイッチング素子ＳＷ４は、例えば、制御装置３の信号入力部４に属してもよい。
　ペア素子１００のそれぞれは、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とを有する。同一のペア素子１００に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との距離Ｌ１は、例えば、異なるペア素子１００に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との距離Ｌ２より短い。また同一のペア素子１００に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との距離Ｌ１は、例えば、異なるペア素子１００に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第１磁気抵抗効果素子１０の距離Ｌ３より短い。これらの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、素子間の最短距離である。ここでは、複数のペア素子１００が面内に配列する場合を例示したが、複数のペア素子１００の一部は三次元的に配列してもよい。この場合、これらの距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のうちのいずれかが、ｚ方向の距離でもよい。同一のペア素子１００に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との距離Ｌ１が最も近いと、異なるペア素子１００間の熱の干渉を低減できる。
　第１配線ＷＬのそれぞれは、書き込み配線である。第１配線ＷＬはそれぞれ、信号入力部４と１つ以上のペア素子１００とを電気的に接続する。第２配線ＣＬのそれぞれは、信号の書き込み時及び読み出し時の両方に用いることができる共通配線である。第２配線ＣＬのそれぞれは、例えば、信号入力部４あるいは演算部５に接続されている。第２配線ＣＬは、複数のペア素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数のペア素子１００に亘って設けられてもよい。第３配線ＲＬのそれぞれは、読み出し配線である。第３配線ＲＬはそれぞれ、例えば、演算部５と１つ以上のペア素子１００とを電気的に接続する。
　第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
　第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３は、それぞれのペア素子１００に一つずつ接続されている。第４スイッチング素子ＳＷ４は、第１配線ＷＬ、第２配線ＣＬ、第３配線ＲＬのいずれかの上流に配置されている。
　第１スイッチング素子ＳＷ１は、例えば、第１磁気抵抗効果素子１０と第２配線ＣＬとの間にある。第２スイッチング素子ＳＷ２は、例えば、第２磁気抵抗効果素子２０と第２配線ＣＬとの間にある。第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、それぞれのペア素子１００と第３配線ＲＬとの間にある。第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３は、磁気アレイ２の集積性に大きな影響を及ぼす。
　第４スイッチング素子ＳＷ４は、例えば、信号入力部４とそれぞれのペア素子１００との間にある。第４スイッチング素子ＳＷ４は、例えば、第１配線ＷＬに接続されている。第４スイッチング素子ＳＷ４は、磁気アレイ２の外側に配置でき、磁気アレイ２の集積性に及ぼす影響は少ない。
　スイッチング素子の配置は、図３の例に限られない。例えば、第１スイッチング素子ＳＷ１を第１磁気抵抗効果素子１０と第１配線ＷＬとの間に配置し、第２スイッチング素子ＳＷ２を第２磁気抵抗効果素子２０と第１配線ＷＬとの間に配置し、第４スイッチング素子ＳＷ４を第２配線ＣＬと演算部５との間に配置してもよい。例えば、第３スイッチング素子ＳＷ３は第３配線ＲＬの上流に配置されてもよい。またペア素子１００のそれぞれに接続されるスイッチング素子の数を増やしてもよい。
　また磁気アレイ２の回路図は、この例に限られるものではない。例えば、図４は、第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイスの磁気アレイ２の別の例の回路図である。図４に示す回路図では、同一のペア素子１００に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０が異なる第１配線ＷＬに接続されている。
　図５は、第１実施形態に係る磁気アレイ２のペア素子１００の近傍の断面図である。図５は、図３における一つのペア素子１００をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
　図５に示す第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、ゲート電極Ｇと、ゲート絶縁膜ＧＩと、基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤと、を有する。ソースＳとドレインＤは、電流の流れ方向によって既定されるものであり、これらは同一の領域である。図５は一例を示しただけであり、ソースＳとドレインＤの位置関係は反転していてもよい。
　基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。第４スイッチング素子ＳＷ４は、第１配線ＷＬと電気的に接続され、例えば、図５からｘ方向にずれた位置にある。
　トランジスタＴｒ、第１配線ＷＬ、第２配線ＣＬ、第３配線ＲＬ及びペア素子１００のそれぞれは、ｚ方向の異なる階層にある。異なる階層の間は、ビア配線Ｖで接続されている。ビア配線Ｖは、導電性を有する材料を含む。ｚ方向の異なる階層間は、ビア配線Ｖを除いて、絶縁層９０が形成されている。
　絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。ペア素子１００とトランジスタＴｒとは、ビア配線Ｖを除いて、絶縁層９０によって電気的に分離されている。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。
　図６は、第１実施形態に係るペア素子１００の断面図である。図６は、ペア素子１００のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図７及び図８は、第１実施形態に係るペア素子１００をｚ方向から見た平面図である。図７は、第１電極１６、第２電極１７、第３電極２６、第４電極２７を除いたペア素子１００の平面図である。
　ペア素子１００のそれぞれは、第１磁気抵抗効果素子１０と、第２磁気抵抗効果素子２０と、読出し電極３０とを備える。同一のペア素子１００に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とは、例えば、第１磁気抵抗効果素子１０の長手方向（ｘ方向）に並ぶ。
　読出し電極３０は、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とで共有されている。第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とが読出し電極３０を共有することで、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とが熱的に接続され、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との間の温度バラつきが低減される。
　読出し電極３０は、例えば、ｚ方向から見て、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０を内包する。読出し電極３０の熱容量が大きいと、第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０の排熱性が向上する。また、読出し電極３０が第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０を内包すると、ペア素子１００内部における熱の偏りを緩和できる。
　第１磁気抵抗効果素子１０は、第１参照層１１と、第１非磁性層１２と、第１磁気記録層１３と、第１磁化固定層１４と、第２磁化固定層１５と、第１電極１６と、第２電極１７と、を備える。
　第２磁気抵抗効果素子２０は、第２参照層２１と、第２非磁性層２２と、第２磁気記録層２３と、第３磁化固定層２４と、第４磁化固定層２５と、第３電極２６と、第４電極２７と、を備える。
　読出し電極３０は、第１参照層１１と第２参照層２１とに亘って接続されている。読出し電極３０は、例えば、ｚ方向から見て、第１参照層１１及び第２参照層２１を内包する。
　第１参照層１１と第２参照層２１はそれぞれ、強磁性体を含む。第１参照層１１の磁化Ｍ１１は、第１磁気記録層１３の磁化Ｍ１３Ａ、Ｍ１３Ｂより反転しにくい。第２参照層２１の磁化Ｍ２１は、第２磁気記録層２３の磁化Ｍ２３Ａ、Ｍ２３Ｂより反転しにくい。
　第１参照層１１は、第１磁気記録層１３より基板Ｓｕｂの近くにある。第２参照層２１は、第２磁気記録層２３より基板Ｓｕｂの近くにある。このような素子は、ボトムピン構造と言われる。
　図７に示すように、第１参照層１１は、ｚ方向から見て、第１磁気記録層１３を内包する。また第２参照層２１は、ｚ方向から見て、第２磁気記録層２３を内包する。参照層の面積が大きいと、参照層の熱容量が大きくなり、磁気記録層からの排熱効率が高まる。
　第１参照層１１は、例えば、第１磁気記録層１３との間で、コヒーレントトンネル効果を得やすい材料を含む。第２参照層２１は、例えば、第２磁気記録層２３との間で、コヒーレントトンネル効果を得やすい材料を含む。第１参照層１１と第２参照層２１はそれぞれ、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を含む。第１参照層１１と第２参照層２１はそれぞれ、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅである。
　第１参照層１１と第２参照層２１はそれぞれ、例えば、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺ又はＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等が挙げられる。
　第１参照層１１と第２参照層２１はそれぞれ、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）でもよい。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。例えば、第１参照層１１と第２参照層２１のそれぞれは、強磁性層、スペーサ層、強磁性層の積層体でもよい。ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層が反強磁性カップリングするとことで、ＳＡＦ構造ではない場合より第１参照層１１及び第２参照層２１の保磁力が大きくなる。ＳＡＦ構造を構成する磁性層は、例えば、強磁性体を含み、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性体を含んでもよい。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。
　第１非磁性層１２は、第１参照層１１と第１磁気記録層１３との間にある。第１非磁性層１２は、第１参照層１１上にある。第２非磁性層２２は、第２参照層２１と第２磁気記録層２３との間にある。第２非磁性層２２は、第２参照層２１上にある。
　第１非磁性層１２及び第２非磁性層２２はそれぞれ、例えば、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。第１非磁性層１２及び第２非磁性層２２が非磁性の絶縁体からなる場合、第１非磁性層１２及び第２非磁性層２２はそれぞれ、トンネルバリア層である。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
　第１非磁性層１２と第２非磁性層２２の厚みはそれぞれ、例えば、２０Å以上であり、２５Å以上でもよい。第１非磁性層１２の厚みが厚いと、第１磁気抵抗効果素子１０の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。第２非磁性層２２の厚みが厚いと、第２磁気抵抗効果素子２０の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０４Ωμｍ２以上であることが好ましく、５×１０４Ωμｍ２以上であることがより好ましい。抵抗面積積（ＲＡ）は、素子抵抗と素子断面積の積で表される。素子断面は、第１非磁性層１２又は第２非磁性層２２を通るｘｙ面に沿って切断した断面である。
　第１磁気記録層１３は、第１非磁性層１２上にある。第２磁気記録層２３は、第２非磁性層２２上にある。
　第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、ｘ方向に延びる。第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、第１参照層１１及び第２参照層２１のそれぞれと同じ方向に延びる。
　第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、内部に磁壁ＤＷを有する。磁壁ＤＷは、異なる磁区の境界である。磁壁ＤＷは、第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３のそれぞれの内部をｘ方向に動く。磁気記録層は、アナログ層、磁壁移動層とも呼ばれる。
　第１磁気記録層１３は、第１磁区１３Ａと第２磁区１３Ｂとを有する。第１磁区１３Ａと第２磁区１３Ｂとの境界に磁壁ＤＷがある。第１磁区１３Ａの磁化Ｍ１３Ａは、例えば、第１磁化固定層１４の磁化Ｍ１４と同じ方向に配向する。第２磁区１３Ｂの磁化Ｍ１３Ｂは、例えば、第２磁化固定層１５の磁化Ｍ１５と同じ方向に配向する。
　第１磁区１３Ａと第２磁区１３Ｂとの体積の比率が変化すると、磁壁ＤＷが移動する。磁壁ＤＷは、第１磁気記録層１３のｘ方向に書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すること、第１磁気記録層１３に外部磁場を印加すること等によって移動する。
　第２磁気記録層２３は、第３磁区２３Ａと第４磁区２３Ｂとを有する。第３磁区２３Ａと第４磁区２３Ｂとの境界に磁壁ＤＷがある。第３磁区２３Ａの磁化Ｍ２３Ａは、例えば、第３磁化固定層２４の磁化Ｍ２４と同じ方向に配向する。第４磁区２３Ｂの磁化Ｍ２３Ｂは、例えば、第４磁化固定層２５の磁化Ｍ２５と同じ方向に配向する。
　第３磁区２３Ａと第４磁区２３Ｂとの体積の比率が変化すると、磁壁ＤＷが移動する。磁壁ＤＷは、第２磁気記録層２３のｘ方向に書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すること、第２磁気記録層２３に外部磁場を印加すること等によって移動する。
　第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、磁性体により構成される。第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、第１参照層１１及び第２参照層２１と同様の材料を用いることができる。
　第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらと電流により磁気状態を変化させることが可能な反強磁性体との組み合わせでもよい。第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。
　第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３はそれぞれ、に用いられる材料として、例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料が挙げられる。ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁ＤＷを移動するために必要な閾値電流が小さくなる。またＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁ＤＷの移動速度が遅くなる。反強磁性体は、例えば、Ｍｎ３Ｘ（ＸはＳｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｐｔ、Ｉｒ等）、ＣｕＭｎＡｓ、Ｍｎ２Ａｕ等である。
　第１磁化固定層１４は、第１磁気記録層１３の一部と直接または間接的に接する。間接的に接するとは、第１磁化固定層１４と第１磁気記録層１３との間に他の層を挟むことを意味する。第１磁化固定層１４は、例えば、第１磁気記録層１３の第１端と接する。第１磁化固定層１４は、第１磁気記録層１３と第１電極１６との間にある。第１磁化固定層１４は、第１磁化固定層１４の近傍に位置する第１磁気記録層１３の磁化Ｍ１３Ａを固定する。
　第２磁化固定層１５は、第１磁気記録層１３の一部と直接または間接的に接する。間接的に接するとは、第２磁化固定層１５と第１磁気記録層１３との間に他の層を挟むことを意味する。第２磁化固定層１５は、例えば、第１磁気記録層１３の第２端と接する。第２磁化固定層１５は、第１磁気記録層１３と第２電極１７との間にある。第２磁化固定層１５は、第２磁化固定層１５の近傍に位置する第１磁気記録層１３の磁化Ｍ１３Ｂを固定する。第２磁化固定層１５の磁化Ｍ１５の配向方向は、第１磁化固定層１４の磁化Ｍ１４の配向方向と反対である。
　第３磁化固定層２４は、第２磁気記録層２３の一部と直接または間接的に接する。間接的に接するとは、第３磁化固定層２４と第２磁気記録層２３との間に他の層を挟むことを意味する。第３磁化固定層２４は、例えば、第２磁気記録層２３の第１端と接する。第３磁化固定層２４は、第２磁気記録層２３と第３電極２６との間にある。第３磁化固定層２４は、第３磁化固定層２４の近傍に位置する第２磁気記録層２３の磁化Ｍ２３Ａを固定する。第３磁化固定層２４の磁化Ｍ２４の配向方向は、第１磁化固定層１４の磁化Ｍ１４の配向方向と同じである。
　第４磁化固定層２５は、第２磁気記録層２３の一部と直接または間接的に接する。間接的に接するとは、第４磁化固定層２５と第２磁気記録層２３との間に他の層を挟むことを意味する。第４磁化固定層２５は、例えば、第２磁気記録層２３の第２端と接する。第４磁化固定層２５は、第２磁気記録層２３と第４電極２７との間にある。第４磁化固定層２５は、第４磁化固定層２５の近傍に位置する第２磁気記録層２３の磁化Ｍ２３Ｂを固定する。第４磁化固定層２５の磁化Ｍ２５の配向方向は、第１磁化固定層１４の磁化Ｍ１４及び第３磁化固定層２４の磁化Ｍ２４の配向方向と反対である。
　図６に示すように、例えば、第１磁化固定層１４のｚ方向の高さと第２磁化固定層１５のｚ方向の高さとは異なってもよい。また例えば、第３磁化固定層２４のｚ方向の高さと第４磁化固定層２５のｚ方向の高さとが異なってもよい。
　また図７に示すように、例えば、ｚ方向から見て、第１磁化固定層１４の面積と第２磁化固定層１５の面積とが異なってもよい。例えば、ｚ方向から見て、第１磁化固定層１４の面積は、第２磁化固定層１５の面積より大きい。また例えば、ｚ方向から見て、第３磁化固定層２４の面積と第４磁化固定層２５の面積とが異なってもよい。例えば、ｚ方向から見て、第３磁化固定層２４の面積は、第４磁化固定層２５の面積より大きい。
　それぞれの磁化固定層の高さ又は面積が異なり、それぞれの磁化固定層の体積が異なると、それぞれの磁化固定層の保磁力が異なる。それぞれの磁化固定層の保磁力を変えることで、磁化の配向方向を設定しやすくなる。
　第１磁化固定層１４、第２磁化固定層１５、第３磁化固定層２４及び第４磁化固定層２５のそれぞれは、例えば、強磁性体である。これらは、例えば、第１参照層１１、第２参照層２１、第１磁気記録層１３、第２磁気記録層２３と同じ材料を適用できる。またこれらは、強磁性体に限られない。例えば、第１磁化固定層１４が強磁性体ではない場合は、第１磁化固定層１４と重なる領域で第１磁気記録層１３を流れる電流の電流密度が急激に変化することで、磁壁ＤＷの移動が制限される。
　また第１磁化固定層１４、第２磁化固定層１５、第３磁化固定層２４及び第４磁化固定層２５のいずれかは、上述のＳＡＦ構造でもよい。例えば、ＳＡＦ構造を構成する強磁性層の膜厚を、第１磁化固定層１４と第２磁化固定層１５との間で変えてもよい。また例えば、ＳＡＦ構造を構成する強磁性層の膜厚を、第３磁化固定層２４と第４磁化固定層２５との間で変えてもよい。強磁性層の膜厚が異なると、それぞれの磁化固定層の保磁力が異なり、磁化の配向方向を設定しやすくなる。
　第１電極１６は、第１磁気記録層１３と電気的に接続される。第１電極１６は、例えば、第１磁気記録層１３の第１端と電気的に接続される。第１電極１６は、例えば、第１磁化固定層１４上にある。第１電極１６は、例えば、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２配線ＣＬと電気的に接続される。第１電極１６は、信号の書き込み時及び読出し時のいずれにおいても電流が流れる。
　第２電極１７は、第１磁気記録層１３に、第１電極１６と離間して電気的に接続される。第２電極１７は、例えば、第１磁気記録層１３の第２端と電気的に接続される。第２電極１７は、例えば、第２磁化固定層１５上にある。第２電極１７は、例えば、第１配線ＷＬと電気的に接続される。第２電極１７は、信号の書き込み時に電流が流れる。
　第３電極２６は、第２磁気記録層２３と電気的に接続される。第３電極２６は、例えば、第２磁気記録層２３の第１端と電気的に接続される。第３電極２６は、例えば、第３磁化固定層２４上にある。第３電極２６は、例えば、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第２配線ＣＬと電気的に接続される。第３電極２６は、信号の書き込み時及び読出し時のいずれにおいても電流が流れる。
　第４電極２７は、第２磁気記録層２３に、第３電極２６と離間して電気的に接続される。第４電極２７は、例えば、第２磁気記録層２３の第２端と電気的に接続される。第４電極２７は、例えば、第４磁化固定層２５上にある。第４電極２７は、例えば、第１配線ＷＬと電気的に接続される。第４電極２７は、信号の書き込み時に電流が流れる。
　第１電極１６と第３電極２６との距離は、例えば、第２電極１７と第４電極２７との距離より長い。信号の書き込み時及び読出し時のいずれにおいても電流が流れ、電流が流れる頻度が高い第１電極１６と第３電極２６との距離を離すことで、ペア素子１００全体の発熱を低減できる。
　また図８に示すように、ｚ方向から見て、第１電極１６、第２電極１７、第３電極２６、第４電極２７のそれぞれの形状は、第１磁化固定層１４、第２磁化固定層１５、第３磁化固定層２４、第４磁化固定層２５のそれぞれの形状と異なってもよい。例えば、それぞれの電極をｚ方向から見た大きさは、それぞれの電極に接続される磁化固定層の大きさより大きくてもよい。
　またｚ方向から見て、同一のペア素子１００に属する第１電極１６、第２電極１７、第３電極２６及び第４電極２７のそれぞれの幾何中心Ｃ１６，Ｃ１７，Ｃ２６，Ｃ２７のうち少なくとも２つは、例えば、読出し電極３０を挟む位置にある。例えば、第１電極１６の幾何中心Ｃ１６と第２電極１７の幾何中心Ｃ１７は、読出し電極３０のｙ方向の中心を通る基準線ＢＬを挟む。また例えば、第３電極２６の幾何中心Ｃ２６と第４電極２７の幾何中心Ｃ２７は、読出し電極３０のｙ方向の中心を通る基準線ＢＬを挟む。排熱経路の一つであるこれらの電極の幾何中心の少なくとも一つを、基準線ＢＬを基準に反対側に配置することで、ペア素子１００内部における熱の偏りを緩和できる。
　第１電極１６、第２電極１７、第３電極２６及び第４電極２７のそれぞれは、導電体を含む。第１電極１６、第２電極１７、第３電極２６及び第４電極２７のそれぞれは、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ等である。
　ペア素子１００の各層の磁化の向きは、例えば磁化曲線を測定することにより確認できる。磁化曲線は、例えば、ＭＯＫＥ（Magneto Optical Kerr Effect）を用いて測定できる。ＭＯＫＥによる測定は、直線偏光を測定対象物に入射させ、その偏光方向の回転等が起こる磁気光学効果(磁気Kerr効果)を用いることにより行う測定方法である。
　次いで、ペア素子１００への信号の書き込み動作を説明する。図９は、第１実施形態に係るペア素子１００の書き込み動作を説明する図である。ペア素子１００は、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０のそれぞれに、別々に書き込み動作を行う。
　第１磁気抵抗効果素子１０に信号を書き込む際は、所定の第１スイッチング素子ＳＷ１と所定の第４スイッチング素子ＳＷ４とをＯＮにし、その他のスイッチング素子をＯＦＦにする。どの第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４をＯＮにするかは、制御部７で制御する。第１磁気記録層１３に書き込み電流ＩＷ１が印加されることで、磁壁ＤＷの位置が変化する。制御部７で、第１電極１６と第２電極１７の電位を制御することで、磁壁ＤＷの進行方向を制御できる。第１磁気記録層１３の磁壁ＤＷの位置が変わると、第１磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値が変化する。第１磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値またはコンダクタンスが書き込まれた信号であり、例えば、正の重みに対応する。
　第２磁気抵抗効果素子２０に信号を書き込む際は、所定の第２スイッチング素子ＳＷ２と所定の第４スイッチング素子ＳＷ４とをＯＮにし、その他のスイッチング素子をＯＦＦにする。どの第２スイッチング素子ＳＷ２及び第４スイッチング素子ＳＷ４をＯＮにするかは、制御部７で制御する。第２磁気記録層２３に書き込み電流ＩＷ２が印加されることで、磁壁ＤＷの位置が変化する。制御部７で、第３電極２６と第４電極２７の電位を制御することで、磁壁ＤＷの進行方向を制御できる。第２磁気記録層２３の磁壁ＤＷの位置が変わると、第２磁気抵抗効果素子２０の積層方向の抵抗値が変化する。第２磁気抵抗効果素子２０の積層方向の抵抗値またはコンダクタンスが書き込まれた信号であり、例えば、負の重みに対応する。
　次いで、ペア素子１００からの信号の読出し動作を説明する。図１０は、第１実施形態に係るペア素子１００からの読出し動作を説明する図である。
　所定のペア素子１００から信号を読み出す際は、所定の第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３とをＯＮにし、他のスイッチング素子をＯＦＦにする。
　この際、制御装置３は、信号を読み出す特定のペア素子１００に第１読出し電流ＩＲ１と第２読出し電流ＩＲ２とを流す。第１読出し電流ＩＲ１は、第１磁気抵抗効果素子１０の内部を流れる。第２読出し電流ＩＲ２は、第２磁気抵抗効果素子２０の内部を流れる。第１読出し電流ＩＲ１が第１参照層１１から第１磁気記録層１３に向かって流れる場合、第２読出し電流ＩＲ２は第２磁気記録層２３から第２参照層２１に向かって流れる。この逆で、第１読出し電流ＩＲ１が第１磁気記録層１３から第１参照層１１に向かって流れる場合、第２読出し電流ＩＲ２は第２参照層２１から第２磁気記録層２３に向かって流れる。
　例えば、制御装置３は、第１磁気抵抗効果素子１０の内部を流れる読出し電流ＩＲ１の方向と、第２磁気抵抗効果素子２０の内部を流れる読出し電流ＩＲ２の方向と、を逆向きにする。例えば、制御装置３は、ｚ方向において、第１読出し電流ＩＲ１が第１非磁性層１２を通過する方向（図１０では＋ｚ方向）と、第２読出し電流ＩＲ２が第２非磁性層２２を通過する方向（図１０では－ｚ方向）と、を逆向きにする。
　例えば、第１読出し電流ＩＲ１は、読出し電極３０から第１電極１６に向かって流れ、第２読出し電流ＩＲ２は、第３電極２６から読出し電極３０に向かって流れる。またこの逆で、第１読出し電流ＩＲ１は、第１電極１６から読出し電極３０に向かって流れ、第２読出し電流ＩＲ２は、読出し電極３０から第３電極２６に向かって流れてもよい。第１読出し電流ＩＲ１及び第２読出し電流ＩＲ２の流れ方向は、第１電極１６、第３電極２６、読出し電極３０の電位を制御装置３が設定することで制御でき、これらの電極の間に電位差があれば読出し電流が流れたとみなすことができる。
　第１読出し電流ＩＲ１と第２読出し電流ＩＲ２とで、参照層から磁気記録層へ向かって読出し電流を流すか、磁気記録層から参照層へ向かって流すかという読出し電流の流れ方向を逆向きにすることで、ニューラルネットワークにおける正の重みと負の重みを容易に表現できる。また第１読出し電流ＩＲ１と第２読出し電流ＩＲ２とで、参照層から磁気記録層へ向かって読出し電流を流すか、磁気記録層から参照層へ向かって流すかという読出し電流の流れ方向を逆向きにすると、電流を印加した直後及び電流の印加を止めた直後に、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０で生じる過渡成分の方向も逆向きになる。読出し動作における誤差要因である過渡成分同士を第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とで打ち消し合うことで、予期せぬ動作を防止できる。
　次いで、第１実施形態に係るペア素子１００の製造方法を説明する。図１１～図１５は、第１実施形態に係るペア素子１００の製造方法の一例を示す図である。
　ペア素子１００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程と、磁化を所定の方向に配向させる磁場印加工程により形成される。
　図１１に示すように、読出し電極３０上に、強磁性層９１、非磁性層９２、強磁性層９３、強磁性層９４を順に成膜する。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。
　次いで、強磁性層９４の一部の上にレジストＲを形成し、レジストＲを介してイオンビームＢを照射する。イオンビームＢは、強磁性層９１、非磁性層９２、強磁性層９３、強磁性層９４のレジストＲで保護されていない部分をエッチングする。
　イオンビームＢで加工することで、第１磁気記録層１３と第２磁気記録層２３とを繋いだ外形が形成され、第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３の細線幅が決まる。第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３の細線幅を同時に加工することで、第１磁気記録層１３と第２磁気記録層２３との間の細線幅のバラツキを低減できる。
　次いで、レジストを除去し、図１２に示すように、加工された強磁性層９１、非磁性層９２、強磁性層９３、強磁性層９４の周囲を絶縁層９０で埋める。そして、再度、強磁性層９４の上の一部にレジストＲを形成する。レジストＲを介してイオンビームＢを照射する。イオンビームＢは、強磁性層９４のレジストＲで保護されていない部分をエッチングする。
　図１３に示すように、イオンビームＢで加工することで、第１磁化固定層１４、第３磁化固定層２４及び強磁性層９５が形成される。強磁性層９５は、後の加工で、第２磁化固定層１５、第４磁化固定層２５となる部分である。次いで、加工により除去された部分を絶縁層９０で埋め直し、強磁性層９５の上面が露出するようにレジストＲを形成する。そして、イオンビームＢを照射することで、強磁性層９５の厚みを薄くする。
　次いで、図１４に示すように、加工により除去された部分を導電体９６で埋める。導電体９６は、後の加工で、第２電極１７、第４電極２７の一部となる部分である。次いで、導電体９６の上面の一部が露出するように、レジストＲを形成する。レジストＲを介してイオンビームＢを照射する。イオンビームＢは、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とを分離する。
　次いで、図１５に示すように、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との間を絶縁層９０で埋める。強磁性層９５は、第２磁化固定層１５、第４磁化固定層２５となる。導電体９６は、第２電極１７、第４電極２７の一部となる。そして、これらの上面に導電層を形成し、不要部を除去することで、第１電極１６及び第３電極２６が形成され、第２電極１７及び第４電極２７が積み増される。
　次いで、一方向（例えば＋ｚ方向）に外部磁場を印加する。外部磁場を印加すると、第１磁化固定層１４、第２磁化固定層１５、第３磁化固定層２４、第４磁化固定層２５の磁化Ｍ１４、Ｍ１５、Ｍ２４、Ｍ２５が全て同じ方向（例えば、＋ｚ方向）に配向する。
　次いで、先に印加した方向と反対方向（例えば－ｚ方向）に外部磁場を印加する。外部磁場は、第１磁化固定層１４の磁化Ｍ１４と第２磁化固定層１５の磁化Ｍ１５とのうち一方が反転し、他方は反転しない強度、かつ、第３磁化固定層２４の磁化Ｍ２４と第４磁化固定層２５の磁化Ｍ２５とのうち一方が反転し、他方は反転しない強度の磁場を印加する。第１磁化固定層１４と第２磁化固定層１５の保磁力差、及び、第３磁化固定層２４と第４磁化固定層２５の保磁力差は、例えば、これらの体積の違いによって生じる。このように外部磁場を印加することで、磁化が所定の方向に配向し、ペア素子１００が得られる。
　第１実施形態に係るペア素子１００は、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とが読出し電極３０を共有している。その結果、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０の熱履歴が近づけられ、第１磁気抵抗効果素子１０の最大抵抗値及び最小抵抗値と、第２磁気抵抗効果素子２０の最大抵抗値及び最小抵抗値とが、温度によって別々にばらつくことが抑制される。
　また第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイス１は、第１磁気抵抗効果素子１０を正の値を担うメモリスタ素子とし、第２磁気抵抗効果素子２０を負の値を担うメモリスタ素子とすることで、正の重みと負の重みの両方を表現できる。また上述のように、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とは温度によるばらつきが少なく、ニューロモーフィックデバイス１は、学習用の重みを容易に演算できる。
　また第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイス１は、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とが読出し電極３０を共有することで、集積エリア内に配置されるトランジスタの数を少なくすることができる。すなわち、第１実施形態に係るニューロモーフィックデバイス１は、集積性に優れる。
　以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。
　図１６は、第１変形例に係るペア素子１０１の断面図である。図１６は、ペア素子１０１をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。図１７は、第１変形例に係るペア素子１０１の平面図である。第１変形例に係るペア素子１０１において、ペア素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　ペア素子１０１は、第１参照層１１と第２参照層２１とを接続する第１接続部４５をさらに有する。第１接続部４５は、ｚ方向から見て、第１非磁性層１２及び第２非磁性層２２と重ならない部分である。
　第１接続部４５は、強磁性体である。第１接続部４５は、第１参照層１１及び第２参照層２１と同じ材料からなる。
　第１参照層１１と第２参照層２１と第１接続部４５とは、磁気的に結合しており、一体の参照層４１として機能する。参照層４１の磁化Ｍ４１は、一体として機能する。第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とが参照層４１も共有することで、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との間の温度のバラツキをより抑制できる。
　第１接続部４５のｚ方向の高さｔ４５は、第１参照層１１の高さｔ１１及び第２参照層２１の高さｔ２１より低い。第１接続部４５の高さが低いと、第１接続部４５からの漏れ磁場が、第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３に与える影響が小さくなり、磁壁ＤＷの動作が安定化する。
　図１７に示すように、参照層４１は、ｚ方向から見て、第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３を内包する。参照層４１の面積が大きいと、参照層４１の熱容量が大きくなり、ペア素子１０１の排熱効率が高まる。また参照層４１の面積が大きいことで、参照層４１の磁化Ｍ４１の安定性も高まる。
　図１８は、第２変形例に係るペア素子１０２の断面図である。図１８は、ペア素子１０２をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第２変形例に係るペア素子１０２において、ペア素子１０１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　ペア素子１０２は、第１非磁性層１２と第２非磁性層２２とを接続する第２接続部４６をさらに有する。第２接続部４６は、ｚ方向から見て、第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３と重ならない部分である。
　第２接続部４６は、非磁性体である。第２接続部４６は、第１非磁性層１２及び第２非磁性層２２と同じ材料からなる。
　第１非磁性層１２と第２非磁性層２２と第２接続部４６とは、一体の非磁性層４２をなす。第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とが非磁性層４２も共有することで、第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との間の温度のバラツキをより抑制できる。
　図１９は、第３変形例に係るペア素子１０３の断面図である。図１９は、ペア素子１０３をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第３変形例に係るペア素子１０３において、ペア素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　ペア素子１０３は、読出し電極３１の形状が読出し電極３０と異なる。読出し電極３１は、第１参照層１１及び第２参照層２１と接する面に凹部３２を有する。凹部３２は、ｚ方向から見て、第１参照層１１及び第２参照層２１と重ならない部分に形成されている。凹部３２が形成された部分の読出し電極３１の膜厚は、その他の部分の膜厚より薄い。
　第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０との間で読出し電極３１が共有されていれば、読出し電極３１の一部の厚みが薄くても、ペア素子１００と同様の効果が得られる。
　図２０は、第４変形例に係るペア素子１０４の断面図である。図２０は、ペア素子１０４をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第４変形例に係るペア素子１０４において、ペア素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　第４変形例に係るペア素子１０４は、ペア素子１００と第３磁化固定層２４と第４磁化固定層２５との位置関係、及び、第３電極２６と第４電極２７との位置関係が反対である。第２磁化固定層１５と第３磁化固定層２４との距離は、第２磁化固定層１５と第４磁化固定層２５との距離より近い。磁化の配向方向の異なる第２磁化固定層１５と第３磁化固定層２４との距離が近づくことで、これらの磁化が静磁的に安定する。
　図２１は、第５変形例に係るペア素子１０５の平面図である。第５変形例に係るペア素子１０５において、ペア素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　第５変形例では、同一のペア素子１０５に属する第１磁気抵抗効果素子１０と第２磁気抵抗効果素子２０とが、第１磁気抵抗効果素子１０の長手方向（ｘ方向）と交差する方向（ｙ方向）に並ぶ。
　一方向に長いペア素子は、トランジスタの専有領域との調整が難しく、集積しづらい。縦横比が１に近いペア素子１０４は、所定の面積内に集積しやすい。
　図２２は、第６変形例に係るペア素子１０６の断面図である。図２２は、ペア素子１０６をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第６変形例に係るペア素子１０６において、ペア素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　ペア素子１０６は、ペア素子１００と積層順が反対である。第１磁気記録層１３は、第１参照層１１より基板Ｓｕｂの近くにある。第２磁気記録層２３は、第２参照層２１より基板Ｓｕｂの近くにある。このような素子は、トップピン構造と言われる。トップピン構造でも、ボトムピン構造と同様の効果が得られる。
　図２３は、第７変形例に係るペア素子１０７の断面図である。図２３は、ペア素子１０７をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第７変形例に係るペア素子１０７において、ペア素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　ペア素子１０７は、第１磁気抵抗効果素子５０と第２磁気抵抗効果素子６０と読出し電極３０とを有する。読出し電極３０は、第１磁気抵抗効果素子５０と第２磁気抵抗効果素子６０とで共有されている。
　第１磁気抵抗効果素子５０は、第１参照層１１と、第１非磁性層１２と、第１磁気記録層５３と、第１スピン軌道トルク配線５８と、第１電極１６と、第２電極１７と、を備える。
　第２磁気抵抗効果素子６０は、第２参照層２１と、第２非磁性層２２と、第２磁気記録層６３と、第２スピン軌道トルク配線６８、第３電極２６と、第４電極２７と、を備える。
　第１磁気記録層５３及び第２磁気記録層６３は、強磁性体である。第１磁気記録層５３及び第２磁気記録層６３は、内部に磁壁ＤＷを有さない点が、ペア素子１００の第１磁気記録層１３及び第２磁気記録層２３と異なる。第１磁気記録層５３の磁化Ｍ５３は、第１スピン軌道トルク配線５８から注入されるスピンによって反転する。第２磁気記録層６３の磁化Ｍ６３は、第２スピン軌道トルク配線６８から注入されるスピンによって反転する。
　第１スピン軌道トルク配線５８は、ｘ方向に電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、第１磁気記録層５３にスピンを注入する。第２スピン軌道トルク配線６８は、ｘ方向に電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、第２磁気記録層６３にスピンを注入する。第１スピン軌道トルク配線５８及び第２スピン軌道トルク配線６８は、例えば、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する重金属を含む。
　第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０はそれぞれ、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と言われる。第１磁気抵抗効果素子１０及び第２磁気抵抗効果素子２０は、２値しか表現できないが、例えば、バイナリーニューラルネットワークを模倣したデバイス等に適用できる。またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁壁を有さない素子の一例であり、この他の抵抗変化素子を適用してもよい。例えば、相変化メモリ（ＰＣＭ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）等は、抵抗変化素子の一例である。
　以上いくつかの変形例を示したが、これらも一例である。これらの特徴的な構成を組み合わせてもよいし、発明の要旨を変更しない範囲で一部を変更してもよい。
１　ニューロモーフィックデバイス
２　磁気アレイ
３　制御装置
１０，５０　第１磁気抵抗効果素子
１１　第１参照層
１２　第１非磁性層
１３，５３　第１磁気記録層
１４　第１磁化固定層
１５　第２磁化固定層
１６　第１電極
１７　第２電極
２０，６０　第２磁気抵抗効果素子
２１　第２参照層
２２　第２非磁性層
２３，６３　第２磁気記録層
２４　第３磁化固定層
２５　第４磁化固定層
２６　第３電極
２７　第４電極
３０　読出し電極
４１　参照層
４２　非磁性層
４５　第１接続部
４６　第２接続部
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６　ペア素子
Ｃ１６，Ｃ１７，Ｃ２６，Ｃ２７　幾何中心
ＤＷ　磁壁
ＩＲ１、ＩＲ２　読出し電流
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３　距離
Ｓｕｂ　基板

Claims (14)

  1. 　複数のペア素子と、前記複数のペア素子のそれぞれを制御する制御装置と、を有し、
    　前記複数のペア素子のそれぞれは、第１磁気抵抗効果素子と、第２磁気抵抗効果素子と、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とで共有された読出し電極と、を備え、
    　前記第１磁気抵抗効果素子は、
    　第１参照層と、
    　第１磁気記録層と、
    　前記第１参照層と前記第１磁気記録層との間にある第１非磁性層と、
    　前記第１磁気記録層と電気的に接続された第１電極と、
    　前記第１電極と離間して前記第１磁気記録層と電気的に接続された第２電極と、を有し、
    　前記第２磁気抵抗効果素子は、
    　第２参照層と、
    　第２磁気記録層と、
    　前記第２参照層と前記第２磁気記録層との間にある第２非磁性層と、
    　前記第２磁気記録層と電気的に接続された第３電極と、
    　前記第３電極と離間して前記第２磁気記録層と電気的に接続された第４電極と、を有し、
    　前記読出し電極は、前記第１参照層と前記第２参照層とに亘って接続され、
    　前記制御装置は、信号を読み出す特定のペア素子に対して、前記第１磁気抵抗効果素子の積層方向に第１読出し電流を流し、前記第２磁気抵抗効果素子の積層方向に第２読出し電流を流し、
    　前記第１読出し電流が前記第１参照層から前記第１磁気記録層に向かって流れる場合、前記第２読出し電流は前記第２磁気記録層から前記第２参照層に向かって流れ、
    　前記第１読出し電流が前記第１磁気記録層から前記第１参照層に向かって流れる場合、前記第２読出し電流は前記第２参照層から前記第２磁気記録層に向かって流れる、ニューロモーフィックデバイス。
  2. 　前記第１磁気記録層及び前記第２磁気記録層は、内部に磁壁を有する、請求項１に記載のニューロモーフィックデバイス。
  3. 　前記複数のペア素子を支持する基板をさらに有し、
    　前記第１参照層は、前記第１磁気記録層より前記基板の近くにあり、
    　前記第２参照層は、前記第２磁気記録層より前記基板の近くにある、請求項１又は２に記載のニューロモーフィックデバイス。
  4. 　前記複数のペア素子のそれぞれは、前記第１参照層と前記第２参照層とを接続する第１接続部をさらに有し、
    　前記第１参照層と前記第２参照層と前記第１接続部とは、一体の参照層として機能する、請求項１～３のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
  5. 　前記複数のペア素子のそれぞれにおいて、前記参照層は、積層方向から見て、前記第１磁気記録層及び前記第２磁気記録層を内包する、請求項４に記載のニューロモーフィックデバイス。
  6. 　前記第１接続部の積層方向の高さは、前記第１参照層及び前記第２参照層の高さより低い、請求項４又は５に記載のニューロモーフィックデバイス。
  7. 　前記複数のペア素子のそれぞれは、前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とを接続する第２接続部をさらに有し、
    　前記第１非磁性層と前記第２非磁性層と前記第２接続部とは、一体の非磁性層をなす、請求項４又は５に記載のニューロモーフィックデバイス。
  8. 　前記第１電極と前記第１磁気記録層との間にある第１磁化固定層と、
    　前記第２電極と前記第１磁気記録層との間にある第２磁化固定層と、
    　前記第３電極と前記第２磁気記録層との間にある第３磁化固定層と、
    　前記第４電極と前記第２磁気記録層との間にある第４磁化固定層と、をさらに有し、
    　前記第２磁化固定層の磁化の配向方向は、前記第１磁化固定層及び前記第３磁化固定層の磁化の配向方向と反対であり、前記第４磁化固定層の配向方向と同じであり、
    　前記第２磁化固定層と前記第３磁化固定層との距離は、前記第２磁化固定層と前記第４磁化固定層との距離より近い、請求項１～７のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
  9. 　前記第１電極と前記第１磁気記録層との間にある第１磁化固定層と、
    　前記第２電極と前記第１磁気記録層との間にある第２磁化固定層と、をさらに有し、
    　前記第１磁化固定層の磁化の配向方向は、前記第２磁化固定層と反対であり、
    　前記第１磁化固定層の積層方向の高さと前記第２磁化固定層の積層方向の高さとが異なる、又は、積層方向から見て、前記第１磁化固定層の面積と前記第２磁化固定層の面積とが異なる、請求項１～８のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
  10. 　同一のペア素子に属する前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とが、前記第１磁気抵抗効果素子の長手方向に並ぶ、請求項１～９のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
  11. 　同一のペア素子に属する前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とが、前記第１磁気抵抗効果素子の長手方向と交差する方向に並ぶ、請求項１～９のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
  12. 　同一のペア素子に属する前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子との距離は、異なるペア素子に属する前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子との距離及び異なるペア素子に属する前記第１磁気抵抗効果素子と前記第１磁気抵抗効果素子との距離より短い、請求項１～１１のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
  13. 　前記第１電極及び前記第３電極は、信号の書き込み時及び読出し時のいずれにおいても電流が流れ、
    　前記第１電極と前記第３電極との距離は、前記第２電極と前記第４電極との距離より長い、請求項１～１２のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
  14. 　積層方向から見て、同一のペア素子に属する前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極及び前記第４電極のそれぞれの幾何中心のうち少なくとも２つは、前記読出し電極を挟む位置にある、請求項１～１３のいずれか一項に記載のニューロモーフィックデバイス。
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