JP7013839B2 - 磁壁利用型アナログメモリ、不揮発性ロジック回路及び磁気ニューロ素子 - Google Patents
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(磁壁利用型アナログメモリ素子)
図1は、第1実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ素子の一例の断面模式図である。図1に示す磁壁利用型アナログメモリ素子は、磁化固定層1と、非磁性層2と、磁壁駆動層3と、第1磁化供給層4と、第2磁化供給層5と、電流制御手段(図示略)とを備える。
磁化固定層1は、磁化M1が第1の方向に配向し、固定された層である。ここで、磁化が固定されるとは、書き込み電流を用いた書き込み前後において磁化方向が変化しない(磁化が固定されている)ことを意味する。
非磁性層2は、磁化固定層1の一面に設けられている。磁壁利用型アナログメモリ素子100は、非磁性層2を介して磁化固定層1に対する磁壁駆動層3の磁化状態の変化を抵抗値変化として読み出す。すなわち、磁化固定層1、非磁性層2及び磁壁駆動層3は磁気抵抗効果素子として機能し、非磁性層2が絶縁体からなる場合はトンネル磁気抵抗(TMR)素子と似た構成であり、非磁性層2が金属からなる場合は巨大磁気抵抗(GMR)素子と似た構成である。
磁壁駆動層3は強磁性体材料からなる磁化自由層であり、その内部の磁化の向きは反転可能である。磁壁駆動層3は、磁化M3aが磁化固定層1と同じ第1の方向に配向した第1領域3aと、磁化M3bが第1の方向と反対の第2の方向に配向した第2領域3bと、これらの領域の界面をなす磁壁DWとを有する。磁壁DWを挟んで第1領域3aと第2領域3bの磁化の向きは反対である。磁壁DWは、磁壁駆動層3における第1領域3aと第2領域3bの構成比率が変化することで移動する。
第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5は、磁壁駆動層3に磁化を供給する磁化供給手段の一態様である。磁化固定層1と第1磁化供給層4または第2磁化供給層5との間に書込み電流が流れることで、第1磁化供給層4または第2磁化供給層5から磁壁駆動層3に磁化が供給される。
電流制御手段は、読出し時に磁化固定層1から磁壁駆動層3の第2領域3b側に電流が流れるように制御する制御手段である。
次いで、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子のデータの書き込み、及び読出しの動作原理を説明する。
まず書き込み動作について説明する。磁壁利用型アナログメモリ素子では、GMR(Giant Magneto Resistance)効果やTMR(Tunnel Magneto Resistance)効果などの磁気抵抗効果を利用して書き込みを行う。磁気抵抗効果は、例えば、非磁性層を介して積層された2層の強磁性層の磁化の向きが平行又は反平行であることにより生じる抵抗値状態を“0”又は“1”として対応付けることで記録する。磁化の向きは外力を加えないと変動しないため、データは不揮発的に記録される。
例えば、図2(a)の点線で示す向きに、第1磁化供給層4から磁壁駆動層3を介して第2磁化供給層5へと電流IW1を流すと、伝導電子e1は電流IW1の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第2磁化供給層5から伝導電子e1が磁壁駆動層3へ入ると、伝導電子e1は第2磁化供給層5及び磁壁駆動層3の第2磁化供給層5と磁気結合したドメインの磁化M3bの向きに対応したスピン偏極電子となる。このスピン偏極電子が磁壁DWに到達すると、磁壁DWにおいてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁DWに対してスピントランスファーを起こし、磁壁DWは伝導電子e1の流れる向きと同じ向きに移動する。すなわち、磁壁DWは、図2(a)における左から右へ向かって移動する。
次いで、データの読み出し動作について説明する。図3は、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100の読み出し動作を示す図である。
磁壁駆動層3と非磁性層2の間に磁気結合層を設置してもよい。磁気結合層とは、磁壁駆動層3の磁化状態を転写する層である。磁壁駆動層3の主たる機能は磁壁を駆動させるための層であり、磁化固定層1と非磁性層2を介して生じる磁気抵抗効果に適した材料を選択できるとは限らない。一般的に、非磁性層2を用いたコヒーレントトンネル効果を生じさせるためには、磁化固定層1や磁気結合層はBCC構造の強磁性材料が良いことが知られている。特に、磁化固定層1や磁気結合層の材料として、Co-Fe-Bの組成の材料がスパッタによって作成した際に大きな出力が得られることが知られている。
図5は、第2実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子101の斜視模式図である。第2実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子101は、磁化供給手段が異なる点が第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と異なる。その他の構成は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同一であり、同一の構成には同一の符号を付している。
図7は、第3実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子103の斜視模式図である。第3実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子103は、磁化供給手段が異なる点が第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と異なる。その他の構成は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同一であり、同一の構成には同一の符号を付している。
図8は、第4実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子104の斜視模式図である。第4実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子104は、磁化供給手段が異なる点が第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と異なる。その他の構成は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同一であり、同一の構成には同一の符号を付している。
本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリは、上述の実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備える。
本実施形態にかかる不揮発性ロジック回路は、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子がアレイ状に配置され、アレイ内あるいはアレイ以外のいずれかにSTT-MRAMを備え、記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として磁壁利用型アナログメモリ素子及びSTT-MRAMを備えてなる。
磁壁利用型アナログメモリ素子とSTT-MRAMは同一の工程で作製することが可能であるため、コストの削減が可能である。また、デジタル的であるSTT-MRAMがアレイ状に配置された磁壁利用型アナログメモリ素子と同一回路に設置されることで、入出力をデジタル化し、内部ではアナログで処理することが可能なロジックを形成することができる。
図11は、本実施形態に係る磁気ニューロ素子の一例の断面模式図である。本実施形態にかかる磁気ニューロ素子300は、上述の磁壁利用型アナログメモリ素子と、制御回路を有する電流源(図示略)とを備える。磁壁利用型アナログメモリ素子の磁壁駆動層3の長手方向には、第1記憶部301と該第1記憶部301を挟む第2記憶部302および第3記憶部303とがある。制御回路は、第1記憶部301、第2記憶部302および第3記憶部303のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を流す。
例えば、磁壁駆動層3の磁壁が-X方向に最大に移動した場合、磁壁DWは第2磁化供給層5の磁化固定層1側の端部302aで安定化する。電流を第1磁化供給層4から第2磁化供給層5に流すと、電子が第2磁化供給層5から第1磁化供給層4に流れ、第2磁化供給層5及び磁壁駆動層3の内部でスピン偏極した電子がスピントランスファーを起こし、磁壁DWが+X方向に移動する。磁壁DWが磁化固定層1の第2磁化供給層5側の端部302bに達するまでは磁壁DWが移動しても、読み出しの抵抗は変化しない。この状態(第2記憶部302内に磁壁DWが配置する場合)を記憶の初期段階と呼ぶ。記憶の初期段階ではデータとしての記録はされていないが、データを記録するための準備が整えられている状態である。
磁壁DWが磁化固定層1の下部(平面視して重なる部分、第1記憶部301)を通過している間は、読み出し時の抵抗が変化する。電流を第1磁化供給層4から第2磁化供給層5に流すことを外部からの負荷とし、負荷にある程度比例した線形の抵抗値変化を読み出すことができる。これが主記憶段階である。すなわち、第1記憶部301内に磁壁DWが配置する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶ。磁壁DWが磁化固定層1の一方のX方向の端部より外側にいる状態を記憶、あるいは、無記憶と定義し、磁壁DWが磁化固定層1の他方の端部より外側にいる状態を無記憶、あるいは、記憶と定義する。磁壁駆動層3に流れる電流の向きを逆にすると、逆の作用となる。
磁壁DWが磁化固定層1の第1磁化供給層4側の端部303bに達して、磁化固定層1から離れる方向に磁壁DWが移動する際には、読み込みの出力は変化しない。しかしながら、磁壁DWが磁化固定層1から十分離れた後は、逆向きの負荷が印可されても、磁壁DWが磁化固定層1の端部303bに達するまでは読み込み時の出力は変化しない。すなわち、第3記憶部303に磁壁DWがいる際は、外部からの負荷が与えられても記憶を失わず、記憶が深層化されている。すなわち、第3記憶部303内に磁壁DWが配置する場合を記憶の深層化段階と呼ぶ。
無記憶状態に磁壁駆動層3の磁壁を移動させることによって、記憶を忘却することができる。また、外部磁場、熱、及び物理的な歪みを与えることによっても、磁壁の駆動や消失を生じさせることができる。磁壁利用型アナログメモリは、出力が一定の低抵抗と高抵抗の値を示すため、記憶と無記憶は定義によって決定される。また、磁壁駆動層3に電流を流す以外の方法で磁壁を移動や消失させる場合にはランダムとなるため、複数の磁壁利用型アナログメモリ間での情報の相関が失われる。これらを記憶の忘却段階と呼ぶ。
本実施形態にかかる磁気ニューロ素子はシナプスの動きを模擬し、記憶の初期段階、主記憶段階、そして、記憶の深層化段階を経ることができるメモリである。すなわち、磁壁利用型アナログメモリを複数回路上に設置することで、脳の模擬をすることが可能である。一般的なメモリのように縦横に均等にアレイさせた配置では集積度が高い脳を形成することが可能である。
Claims (9)
- 複数の磁壁利用型アナログメモリ素子と、第1制御素子と、第2制御素子と、複数のセル選択制御素子と、第1配線と、第2配線と、複数の第3配線と、制御回路を有する電流源とを備え、
前記複数の磁壁利用型アナログメモリ素子はそれぞれ、
第1の方向に磁化が配向した磁化固定層と、
前記磁化固定層の一面に設けられた非磁性層と、
前記第1の方向に磁化が配向した第1領域と、前記第1の方向と反対の第2の方向に磁化が配向した第2領域と、これらの領域の界面をなす磁壁と、を有し、前記磁化固定層に対して前記非磁性層を挟んで設けられた磁壁駆動層と、を有し、
前記第1配線は、前記複数の磁壁利用型アナログメモリ素子のそれぞれの前記磁化固定層と前記第1制御素子とを繋ぎ、
前記第2配線は、前記複数の磁壁利用型アナログメモリ素子のそれぞれの前記第1領域と前記第2制御素子とを電気的に繋ぐ構成の一部であり、
前記第3配線はそれぞれ、前記複数の磁壁利用型アナログメモリ素子のそれぞれの前記第2領域と前記セル選択制御素子のそれぞれとを電気的に繋ぐ構成の一部であり、
前記第1制御素子と前記セル選択制御素子とは、電流制御手段の一部であり、読み出し時に前記磁化固定層と前記第2領域との間に電流を流し、
前記磁壁駆動層は、長手方向に並ぶ第1記憶部と、該第1記憶部を挟む第2記憶部および第3記憶部とを有し、
前記第1記憶部は、前記磁壁駆動層の平面視して前記磁化固定層と重なる部分であり、
前記第2記憶部及び前記第3記憶部は、平面視して前記磁化固定層と重ならない部分であり、
前記制御回路は、前記第1記憶部、前記第2記憶部および前記第3記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を制御する、磁壁利用型アナログメモリ。 - 前記磁壁利用型アナログメモリ素子は、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に接し、前記第1の方向又は前記第2の方向に配向した磁化を有する磁化供給層である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ。 - 前記磁壁利用型アナログメモリ素子は、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層と電気的に絶縁され、前記磁壁駆動層に対して交差する方向に延在する配線である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ。 - 前記磁壁利用型アナログメモリ素子は、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に接し、前記磁壁駆動層に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ。 - 前記磁壁利用型アナログメモリ素子は、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に絶縁層を介して接続された電圧印加手段である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ。 - 前記電流制御手段が、読出し時に前記第2領域の電位を前記磁化固定層の電位より低く設定する電位制御手段である、請求項1~5のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ。
- 前記電流制御手段は、電流の流れ方向を制御する整流素子をさらに含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ。
- 請求項1~7のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリを有し、
前記磁壁利用型アナログメモリにおいて、前記磁壁利用型アナログメモリ素子はアレイ状に配置され、
前記アレイ内あるいは前記アレイ以外のいずれかにSTT-MRAMを備え、
記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として前記磁壁利用型アナログメモリ素子及び前記STT-MRAMを備えてなる、不揮発性ロジック回路。 - 請求項1~7のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリを備えた磁気ニューロ素子。
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