(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-12
(45)【発行日】2024-07-23
(54)【発明の名称】集積装置及びニューロモーフィックデバイス
(51)【国際特許分類】
H01L 29/82 20060101AFI20240716BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20240716BHJP
H01F 10/08 20060101ALI20240716BHJP
G06N 3/063 20230101ALI20240716BHJP
【ＦＩ】
H01L29/82 Z
H10N50/10
H01F10/08
G06N3/063
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2020167811
(22)【出願日】2020-10-02
(65)【公開番号】P2022059919
(43)【公開日】2022-04-14
【審査請求日】2023-06-13
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【弁理士】
【氏名又は名称】荒 則彦
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100169694
【弁理士】
【氏名又は名称】荻野 彰広
(72)【発明者】
【氏名】山田 章悟
(72)【発明者】
【氏名】柴田 竜雄
【審査官】小山 満
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－２５８４６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１４１３４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００７／０２０８２３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／０６８５０９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２８７９７８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／１７４５６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１４９８６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１４２２６４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２４７５５０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０３８３８５３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－０５３５３２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２９／８２
Ｈ１０Ｎ ５０／１０
Ｈ０１Ｆ １０／０８
Ｇ０６Ｎ ３／０６３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板上に積層された積層構造体と、を備え、前記積層構造体は、第１素子群と、前記第１素子群より前記基板から離れた位置にある第２素子群と、を備え、
前記第１素子群及び前記第２素子群はそれぞれ、複数の磁壁移動素子を含み、
前記複数の磁壁移動素子はそれぞれ、磁壁移動層と、強磁性層と、前記磁壁移動層と前記強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記第２素子群を構成する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の前記基板側の第１面は、前記第１素子群を構成する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の前記基板側の第１面より前記基板から離れた位置にあり、
前記磁壁移動層の磁壁を移動させるのに要する臨界電流密度は、前記第２素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子の方が、前記第１素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子より小さい、集積装置。
【請求項2】
基板と、前記基板上に積層された積層構造体と、を備え、前記積層構造体は、第１素子群と、前記第１素子群より前記基板から離れた位置にある第２素子群と、を備え、
前記第１素子群及び前記第２素子群はそれぞれ、複数の磁壁移動素子を含み、
前記複数の磁壁移動素子はそれぞれ、磁壁移動層と、強磁性層と、前記磁壁移動層と前記強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記第２素子群を構成する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の前記基板側の第１面は、前記第１素子群を構成する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の前記基板側の第１面より前記基板から離れた位置にあり、
前記磁壁移動層の磁壁移動速度は、前記第２素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子の方が、前記第１素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子より速い、集積装置。
【請求項3】
前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子とは、前記磁壁移動層を構成する材料が異なる、請求項１又は２に記載の集積装置。
【請求項4】
前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子とは、前記磁壁移動層の幅が異なる、請求項１～３のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項5】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の飽和磁化は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の飽和磁化より小さい、請求項１～４のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項6】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の電気抵抗率は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の電気抵抗率より小さい、請求項１～５のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項7】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の厚みは、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の厚みより薄い、請求項１～６のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項8】
前記磁壁移動層が延びる第１方向と直交する断面における前記磁壁移動層の側面の積層方向に対する傾斜角は、前記第２素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子の方が前記第１素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子より大きい、請求項１～７のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項9】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層は、強磁性体を含む第１層及び第２層と、前記第１層と前記第２層との間に挟まれるスペーサ層と、を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項10】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子は、前記非磁性層と共に前記磁壁移動層を挟む位置にあり、前記磁壁移動層の磁化にスピン軌道トルクを与える配線層をさらに備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項11】
前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子は、前記非磁性層と共に前記磁壁移動層を挟む位置にあり、前記磁壁移動層の磁化にスピン軌道トルクを与える配線層をさらに備え、前記第２素子群の前記配線層は、前記第１素子群の前記配線層よりスピンホール角が大きい、請求項１０に記載の集積装置。
【請求項12】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子のうちのいずれかは、積層方向から見て、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子のうちのいずれかと重なる、請求項１～１１のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項13】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子はいずれも、積層方向から見て、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と重ならない、請求項１～１１のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項14】
前記積層構造体は、前記第１素子群に属するいずれかの磁壁移動素子と、前記第２素子群に属するいずれかの磁壁移動素子とを繋ぐ接続配線をさらに備える、請求項１～１３のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項15】
前記第１素子群は第１積和演算を行い、前記第２素子群は第２積和演算を行い、前記第１素子群に属する複数の磁壁移動素子からの出力の合計が、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される、請求項１～１４のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項16】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス長は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス長より長い、請求項１～１５のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項17】
前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス振幅は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス振幅より大きい、請求項１～１６のいずれか一項に記載の集積装置。
【請求項18】
請求項１～１７のいずれか一項に記載の集積装置を含む、ニューロモーフィックデバイス。
【請求項19】
ニューラルネットワークを担う複数の階層を有し、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子とは、異なる階層の間の演算を担う、請求項１８に記載のニューロモーフィックデバイス。
【請求項20】
ニューラルネットワークを担う複数の階層を有し、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の一部及び前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の一部が、それぞれの階層間の演算を担う、請求項１８に記載のニューロモーフィックデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、集積装置及びニューロモーフィックデバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
二つの強磁性層の磁化の相対角の変化に基づく抵抗値変化（磁気抵抗変化）を利用した磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子の中には、データを書き込む際の電流経路とデータを読み出す際の電流経路とが異なるものがある。このような磁気抵抗効果素子は、異なる電流経路の電流をそれぞれ制御するために、３つのスイッチング素子が接続される。３つのスイッチング素子で制御される磁気抵抗効果素子は、３端子型の磁気抵抗効果素子と言われる。
【0003】
例えば、特許文献１に記載された磁壁移動型の磁気抵抗効果素子は、３端子型の磁気抵抗効果素子の一例である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第５４４１００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
磁気抵抗効果素子は、集積して用いることが多い。集積されたそれぞれの磁気抵抗効果素子の性能にばらつきがあると、集積装置全体としての制御性が低下する。
【0006】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、それぞれの磁気抵抗効果素子の性能ばらつきが小さく、全体としての制御性に優れる集積装置及び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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
（１）第１実施形態にかかる集積装置は、基板と、前記基板上に積層された積層構造体と、を備え、前記積層構造体は、第１素子群と、前記第１素子群より前記基板から離れた位置にある第２素子群と、を備え、前記第１素子群及び前記第２素子群はそれぞれ、複数の磁壁移動素子を含み、前記複数の磁壁移動素子はそれぞれ、磁壁移動層と、強磁性層と、前記磁壁移動層と前記強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、前記磁壁移動層の磁壁を移動させるのに要する臨界電流密度は、前記第２素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子の方が、前記第１素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子より小さい。
【0008】
（２）第２実施形態にかかる集積装置は、基板と、前記基板上に積層された積層構造体と、を備え、前記積層構造体は、第１素子群と、前記第１素子群より前記基板から離れた位置にある第２素子群と、を備え、前記第１素子群及び前記第２素子群はそれぞれ、複数の磁壁移動素子を含み、前記複数の磁壁移動素子はそれぞれ、磁壁移動層と、強磁性層と、前記磁壁移動層と前記強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、前記磁壁移動層の磁壁移動速度は、前記第２素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子の方が前記第１素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子より速い。
【0009】
（３）上記態様にかかる集積装置において、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子とは、前記磁壁移動層を構成する材料が異なってもよい。
【0010】
（４）上記態様にかかる集積装置において、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子とは、前記磁壁移動層の幅が異なってもよい。
【0011】
（５）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の飽和磁化は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の飽和磁化より小さくてもよい。
【0012】
（６）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の電気抵抗率は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の電気抵抗率より小さくてもよい。
【0013】
（７）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の厚みは、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層の厚みより薄くてもよい。
【0014】
（８）上記態様にかかる集積装置において、前記磁壁移動層が延びる第１方向と直交する断面における前記磁壁移動層の側面の積層方向に対する傾斜角は、前記第２素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子の方が前記第１素子群に属するそれぞれの前記磁壁移動素子より大きくてもよい。
【0015】
（９）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の前記磁壁移動層は、強磁性体を含む第１層及び第２層と、前記第１層と前記第２層との間に挟まれるスペーサ層と、を有してもよい。
【0016】
（１０）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子は、前記非磁性層と共に前記磁壁移動層を挟む位置にあり、前記磁壁移動層の磁化にスピン軌道トルクを与える配線層をさらに備えてもよい。
【0017】
（１１）上記態様にかかる集積装置は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子は、前記非磁性層と共に前記磁壁移動層を挟む位置にあり、前記磁壁移動層の磁化にスピン軌道トルクを与える配線層をさらに備え、前記第２素子群の前記配線層は、前記第１素子群の前記配線層よりスピンホール角が大きくてもよい。
【0018】
（１２）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子のうちのいずれかは、前記積層方向から見て、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子のうちのいずれかと重なってもよい。
【0019】
（１３）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子はいずれも、前記積層方向から見て、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と重ならない構成でもよい。
【0020】
（１４）上記態様にかかる集積装置において、前記積層構造体は、前記第１素子群に属するいずれかの磁壁移動素子と、前記第２素子群に属するいずれかの磁壁移動素子とを繋ぐ配線をさらに備えてもよい。
【0021】
（１５）上記態様にかかる集積装置において、前記第１素子群は第１積和演算を行い、前記第２素子群は第２積和演算を行い、前記第１素子群に属する複数の磁壁移動素子からの出力の合計が、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子に入力されてもよい。
【0022】
（１６）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス長は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス長より長くてもよい。
【0023】
（１７）上記態様にかかる集積装置において、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス振幅は、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子に入力される書き込みパルスのパルス振幅より大きくてもよい。
【0024】
（１８）第３の態様にかかるニューロモーフィックデバイスは、上記態様にかかる集積装置を含む。
【0025】
（１９）上記態様にかか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を担う複数の階層を有し、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子と、前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子とは、異なる階層の間の演算を担ってもよい。
【0026】
（２０）上記態様にかか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を担う複数の階層を有し、前記第１素子群に属する前記磁壁移動素子の一部及び前記第２素子群に属する前記磁壁移動素子の一部が、それぞれの階層間の演算を担ってもよい。
【発明の効果】
【0027】
上記態様に係る集積装置及びニューロモーフィックデバイスは、それぞれの磁気抵抗効果素子の性能ばらつきが小さく、全体としての制御性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】第１実施形態にかかる集積装置の回路図である。
【図2】ニューラルネットワークの模式図である。
【図3】第１実施形態にかかる集積装置の一部の回路図である。
【図4】第１実施形態にかかる集積装置の特徴部分の断面図である。
【図5】第１実施形態にかかる集積装置の特徴部分の平面図である。
【図6】第１実施形態にかかる集積装置の２つの磁壁移動素子の近傍を拡大した平面図である。
【図7】第１実施形態にかかる集積装置の特徴部分の斜視図である。
【図8】第１実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子及び第２素子群の磁壁移動素子の断面図である。
【図9】第１実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子及び第２素子群の磁壁移動素子の別の断面図である。
【図10】磁壁移動層の磁壁移動速度と臨界電流密度との関係を示す図である。
【図11】第２実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子及び第２素子群の磁壁移動素子の断面図である。
【図12】第３実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子及び第２素子群の磁壁移動素子の断面図である。
【図13】第４実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子及び第２素子群の磁壁移動素子の断面図である。
【図14】第５実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子及び第２素子群の磁壁移動素子の断面図である。
【図15】第６実施形態にかかる集積装置の特徴部分の断面図である。
【図16】第７実施形態にかかる集積装置の特徴部分の断面図である。
【図17】第８実施形態にかかる集積装置の一部の回路図である。
【図18】変形例にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子及び第２素子群の磁壁移動素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0030】
まず方向について定義する。基板Ｓｂ（図４参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、磁壁移動素子の磁壁移動層が延びる方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。＋ｚ方向は、基板Ｓｂから離れる方向である。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
【0031】
また本明細書において「第１方向に延びる」とは、第１方向の長さが他の方向の長さより長いことを意味する。また本明細書において「接続」とは、直接的な接続に限られず、間に層を介する接続を含む。
【0032】
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤの回路図である。集積装置ＩＤは、例えば、第１回路Ｃ１と第２回路Ｃ２とを備える。第１回路Ｃ１と第２回路Ｃ２のそれぞれは、異なる積和演算を行う積和演算回路である。第１回路Ｃ１と第２回路Ｃ２とは、互いに接続されている。例えば、第１回路Ｃ１で積和演算された出力が第２回路Ｃ２に入力される。第２回路Ｃ２は、例えば、第１回路Ｃ１で積和演算された結果を入力として、更なる積和演算を行う。
図１は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤの回路図である。集積装置ＩＤは、例えば、第１回路Ｃ１と第２回路Ｃ２とを備える。第１回路Ｃ１と第２回路Ｃ２のそれぞれは、異なる積和演算を行う積和演算回路である。第１回路Ｃ１と第２回路Ｃ２とは、互いに接続されている。例えば、第１回路Ｃ１で積和演算された出力が第２回路Ｃ２に入力される。第２回路Ｃ２は、例えば、第１回路Ｃ１で積和演算された結果を入力として、更なる積和演算を行う。
【0033】
第１実施形態に係る集積装置ＩＤは、例えば、ニューロモーフィックデバイスとして機能する。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。
【0034】
図２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２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、伝達手段に印加する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。
【0035】
図１に示す第１回路Ｃ１は、例えば、第１中間層Ｌｍ１から第２中間層Ｌｍ２への積和演算を担い、第２回路Ｃ２は、例えば、第２中間層Ｌｍ２から第３中間層Ｌｍ３への積和演算を担う。
【0036】
【0037】
第１回路Ｃ１は複数の磁壁移動素子１００を有する。第２回路Ｃ２は、複数の磁壁移動素子１１０を有する。第１回路Ｃ１、第２回路Ｃ２はそれぞれ、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、複数の書き込み線ＷＬと、複数の読出し線ＲＬと、複数の共通線ＣＬとを有する。
【0038】
第１回路Ｃ１において磁壁移動素子１００は、例えば、行列状に配列している。第２回路Ｃ２において磁壁移動素子１１０は、例えば、行列状に配列している。一つの磁壁移動素子１００，１１０は、一つの第１スイッチング素子ＳＷ１、一つの第２スイッチング素子ＳＷ２、一つの第３スイッチング素子ＳＷ３のそれぞれに接続されている。第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３のいずれかは、複数の磁壁移動素子１００，１１０に接続してもよい。
【0039】
特定の磁壁移動素子１００，１１０に接続された第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＮにすると、特定の磁壁移動素子１００，１１０にデータが書き込まれる。データは、磁壁移動素子１００，１１０の積層方向の抵抗値として記録される。また特定の磁壁移動素子１００，１１０に接続された第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３とをＯＮにすると、特定の磁壁移動素子１００，１１０に書き込まれたデータが読み出される。
【0040】
磁壁移動素子１００，１１０からデータを読み出す場合、読出し線ＲＬから共通線ＣＬに向かって電流を流す。共通線ＣＬから出力される電流（出力値）は、磁壁移動素子１００，１１０の抵抗値（重み）によって異なる。すなわち、読出し線ＲＬから共通線ＣＬに向かって電流を印加することは、ニューラルネットワークＮＮにおける積演算に対応する。また共通線ＣＬは、同じ列に属する複数の磁壁移動素子１００，１１０に接続され、共通線ＣＬの端部で検出される電流は、それぞれの磁壁移動素子１００，１１０で積演算された結果を和演算した値となる。したがって、集積装置ＩＤは、ニューラルネットワークＮＮの積和演算器として機能する。
【0041】
集積装置ＩＤの読出し線ＲＬに印加される電流のそれぞれは積和演算器への入力であり、集積装置ＩＤの共通線ＣＬのそれぞれから出力される電流は積和演算器からの出力である。積和演算器への入力信号は、パルス幅で制御しても、パルス高さで制御しても、パルス頻度で制御してもよい。
【0042】
第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、電界効果型のトランジスタである。第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、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もよい。
【0043】
第１スイッチング素子ＳＷ１は、書き込み線ＷＬに接続される。第２スイッチング素子ＳＷ２は、共通線ＣＬに接続される。第３スイッチング素子ＳＷ３は、読出し線ＲＬに接続される。読出し線ＲＬは、データを読出し時に電流が流れる配線である。書き込み線ＷＬは、データを書き込み時に電流が流れる配線である。共通線ＣＬは、データの書き込み時及びデータの読出し時のいずれの場合にも電流が流れる配線である。
【0044】
図４は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤの特徴部分の断面図である。図５は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤの特徴部分の平面図である。図５は、読出し線ＲＬ、書き込み線ＷＬ、共通線ＣＬを除いて図示している。図６は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤの２つの磁壁移動素子１００，１１０の近傍を拡大した平面図である。図４は、図５及び図６におけるＡ－Ａ線に沿って切断したｘｚ断面である。図７は、集積装置ＩＤの特徴部分の斜視図である。図７は、絶縁体Ｉｎを除いて図示している。
【0045】
集積装置ＩＤは、基板Ｓｂと積層構造体ＬＳとを備える。積層構造体ＬＳは、基板Ｓｂ上にある。
【0046】
基板Ｓｂは、例えば、半導体基板である。基板Ｓｂは、複数のスイッチング素子を有する。複数のスイッチング素子の間は、素子間絶縁体Ｅｉで絶縁されている。複数のスイッチング素子は、磁壁移動素子１００，１１０のそれぞれを制御する。
【0047】
複数のスイッチング素子は、例えば、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２である。第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、ｙ方向の異なる位置にある。第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、磁壁移動素子１００、１１０が集積された集積領域の外側の周辺領域にある。以下、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が集積領域内に行列状に配列している場合を例とする。
【0048】
第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２はそれぞれ、例えば電界効果型のトランジスタＴｒである。以下、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を区別せずに、単にトランジスタＴｒという場合がある。
【0049】
トランジスタＴｒは、例えば、行列状に配列している。トランジスタＴｒは、例えば、ゲートＧとゲート絶縁膜ＧＩとソースＳとドレインＤとを有する。ゲートＧは、ｚ方向から見て、ソースＳとドレインＤとの間にある。ゲートＧは、ソースＳとドレインＤとの間の電荷の流れを制御する。ソースＳとドレインＤとは、電流の流れ方向によって規定された名称であり、電流の流れ方向に応じて位置が変わる。図に示すソースＳとドレインＤとの位置関係は一例であり、それぞれのトランジスタＴｒのソースＳとドレインＤの位置関係は反対でもよい。
【0050】
積層構造体ＬＳは、第１素子群と第２素子群と配線と絶縁体Ｉｎとを備える。第１素子群は、複数の磁壁移動素子１００を有する。第２素子群は、複数の磁壁移動素子１１０を有する。第１素子群と第２素子群とは異なる階層にある。第２素子群は、第１素子群より基板Ｓｂから離れた位置にある。第１素子群は、例えば、第１回路Ｃ１を形成し、第１積和演算を行う。第２素子群は、例えば、第２回路Ｃ２を形成し、第２積和演算を行う。すなわち、第１素子群と第２素子群とは、例えば、図に示すニューラルネットワークＮＮの異なる階層間の演算を担う。
【0051】
階層は、機能ごとに分けられた層である。積層構造体ＬＳは、積層工程と加工工程との繰り返しによって作製されており、それぞれの積層工程で積層された単位が階層となっている場合が多い。積層構造体ＬＳは、例えば、面内配線を含む配線層と磁壁移動素子を含む素子層とが交互に積層されている。素子層は、２層以上でもよい。
【0052】
複数の磁壁移動素子１００，１１０及び配線は、絶縁体Ｉｎ内にある。絶縁体Ｉｎは、階層ごとに形成される。絶縁体Ｉｎは、例えば、階層ごとに絶縁体Ｉｎ１、Ｉｎ２、Ｉｎ３、Ｉｎ４に区分される。絶縁体Ｉｎは、多層配線の配線間や素子間を絶縁する。絶縁体Ｉｎは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。
【0053】
配線は、導電性を有する。配線は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｕからなる群から選択されるいずれか一つを含む。配線は、面内配線とビア配線ＶＬとがある。面内配線は、ｘｙ面内のいずれかの方向に延びる配線である。ビア配線ＶＬは、ｚ方向に延びる配線である。ビア配線ＶＬは、例えば、異なる階層にある素子間を繋ぐ。ビア配線ＶＬは、隣接する階層を貫通し、隣接する階層を挟む階層又は基板に至る貫通配線でもよい。貫通配線は、例えば、磁壁移動素子１００，１１０のそれぞれと基板ＳｂのトランジスタＴｒとを繋ぎ、絶縁体Ｉｎの一部をｚ方向に貫通する。貫通配線は、例えば、ｚ方向に連続する。
【0054】
例えば、読出し線ＲＬ、書き込み線ＷＬ、共通線ＣＬ、これらとビア配線ＶＬとを接続する配線、ビア配線ＶＬの間を接続する配線は、面内配線である。面内配線は、例えば、基板Ｓｂと第１素子群との間の階層、及び、第１素子群と第２素子群との間の階層にある。読出し線ＲＬは、例えば、ｘ方向に延びる。読出し線ＲＬは、例えば、磁壁移動素子１００に接続される読出し線ＲＬ１と磁壁移動素子１１０に接続される読出し線ＲＬ２とがある。読出し線ＲＬ１、ＲＬ２は、例えば、電極Ｅを介して磁壁移動素子１００，１１０の強磁性層２０，６０に接続される。書き込み線ＷＬは、例えば、ｘ方向に延びる。書き込み線ＷＬは、例えば、ｙ方向に延びる配線を介してトランジスタＴｒに至るビア配線ＶＬに接続されている。共通線ＣＬは、例えば、ｙ方向に延びる。
【0055】
磁壁移動素子１００と磁壁移動素子１１０は、積層構造体ＬＳの異なる階層にある。磁壁移動素子１００は第１階層にあり、磁壁移動素子１１０は第２階層にある。磁壁移動素子１００，１１０が異なる階層にあることで、トランジスタＴｒを漏れなく利用でき、集積装置ＩＤの集積性が高まる。磁壁移動素子１００，１１０のそれぞれは、例えば、基板ＳｂのトランジスタＴｒのいずれかに接続されている。例えば、ｘ方向に隣り合うトランジスタＴｒは、異なる階層の磁壁移動素子１００，１１０に接続される。例えば、ｙ方向に並ぶ第１列と第３列のトランジスタＴｒは磁壁移動素子１００を制御し、第２列と第４列のトランジスタＴｒは磁壁移動素子１１０を制御する。
【0056】
第２素子群の磁壁移動素子１１０のいずれかは、第１素子群のいずれかの磁壁移動素子１００と、ｚ方向から見て一部で重なっている。異なる階層の磁壁移動素子１００，１１０をｚ方向に重ねて配置すると、所定の領域内に収容できる磁壁移動素子１００，１１０の数が多くなり、集積装置ＩＤの集積性が高まる。
【0057】
図８は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤの第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１０の断面図である。図８は、磁壁移動層１０，５０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁壁移動素子１００，１１０のそれぞれを切断した断面である。図９は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤの第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１０の別の断面図である。図９は、磁壁移動層１０，５０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で磁壁移動素子１００，１１０のそれぞれを切断した断面である。
【0058】
磁壁移動素子１００は、磁壁移動層１０と非磁性層３０と強磁性層２０とを有する。磁壁移動層１０は、例えば、強磁性層２０より基板Ｓｂ側にある。磁壁移動素子１１０は、磁壁移動層５０と非磁性層７０と強磁性層６０とを有する。磁壁移動層５０は、例えば、強磁性層６０より基板Ｓｂ側にある。磁壁移動素子１００と磁壁移動素子１１０とは、構成及び形状が略同一である。磁壁移動素子１００，１１０は、３端子型の磁気抵抗効果素子であり、ｘ方向の長さがｙ方向の長さより長い。
【0059】
磁壁移動層１０，５０は、ｘ方向に延びる。磁壁移動層１０，５０は、例えば、ｚ方向からの平面視で、ｘ方向が長軸、ｙ方向が短軸の矩形である。磁壁移動層１０，５０は、非磁性層３０，７０を挟んで、強磁性層２０，６０と対向する。磁壁移動層１０，５０は、第１端が第１スイッチング素子ＳＷ１に接続され、第２端が第２スイッチング素子ＳＷ２に接続されている。
【0060】
磁壁移動層１０，５０は、強磁性体を含む。磁壁移動層１０，５０は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。磁壁移動層１０，５０は、磁気的な状態の異なる第１磁区Ａ１と第２磁区Ａ２とを有することができる。第１磁区Ａ１の磁化ＭＡ１と第２磁区Ａ２の磁化ＭＡ２とは、例えば、反対方向に配向する。例えば第１磁区Ａ１の磁化ＭＡ１は＋ｚ方向に配向し、第２磁区Ａ２の磁化ＭＡ２は－ｚ方向に配向している。第１磁区Ａ１と第２磁区Ａ２との境界が磁壁ＤＷである。磁壁移動層１０，５０は、内部に磁壁ＤＷを有することができる。
【0061】
磁壁ＤＷが移動すると、磁壁移動層１０，５０における第１磁区Ａ１と第２磁区Ａ２との比率が変化する。磁壁ＤＷは、磁壁移動層１０，５０のｘ方向に書き込み電流を流すことによって移動する。磁壁移動層１０，５０における第１磁区Ａ１と第２磁区Ａ２との比率が変化すると、磁壁移動素子１００，１１０の抵抗値が変化する。磁壁移動素子１００，１１０の抵抗値は、非磁性層３０，７０を挟む強磁性層の磁化の相対角に応じて変化する。磁壁移動素子１００，１１０は、磁壁移動層１０，５０の磁化ＭＡ１，ＭＡ２と強磁性層２０，６０の磁化Ｍ２０，Ｍ６０との相対角に応じて変化する。第１磁区Ａ１の比率が多くなると、磁壁移動素子１００，１１０の抵抗値は小さくなり、第２磁区Ａ２の比率が多くなると、磁壁移動素子１００，１１０の抵抗値は大きくなる。磁壁移動素子１００，１１０は、例えば、磁壁ＤＷの位置が変わることで、抵抗値がアナログに変化する。磁壁移動素子１００，１１０の抵抗値は、ニューラルネットワークＮＮにおける伝達手段に重みに対応する。
【0062】
磁壁移動層５０の臨界電流密度は、磁壁移動層１０の臨界電流密度より小さい。それぞれの磁壁移動層１０、５０内、又は、複数の磁壁移動素子１００，１１０のそれぞれの臨界電流密度にばらつきがある場合、例えば、磁壁移動層５０の臨界電流密度の最大値は、磁壁移動層１０の臨界電流密度の最小値より小さい。臨界電流密度は、磁壁ＤＷを移動させるのに要する電流密度である。すなわち、磁壁移動層５０の方が磁壁移動層１０より磁壁ＤＷを動かすのに必要なエネルギーが小さく、磁壁移動層５０の方が磁壁移動層１０より磁壁ＤＷが動きやすい。また磁壁移動層５０の磁壁ＤＷの移動速度は、磁壁移動層１０の磁壁ＤＷの移動速度より速い。
【0063】
磁壁ＤＷの移動速度ｖは、磁壁ＤＷの移動距離を書き込みパルスの積算時間で割った値である。例えば、磁壁移動層１０，５０のうち強磁性層２０, ６０と重なる長さをＬ、書き込みパルスの信号の長さｔ、磁壁移動素子１００，１１０の抵抗値を最大から最小まで変化させるのに必要な書き込みパルスの数をｎとした際に、磁壁ＤＷの移動速度ｖはｖ＝Ｌ／（ｔ×ｎ）で表される。
【0064】
臨界電流密度は、磁壁ＤＷの移動速度ｖと電流密度Ｊの関係から評価できる。まず、書き込みパルスの信号振幅を変えた際の磁壁ＤＷの移動速度ｖの変化を評価する。次いで、電流値と磁壁移動層１０，５０の断面積から各書き込みパルスにおける電流密度Ｊを求め、磁壁ＤＷの移動速度ｖと書き込みパルスの電流密度Ｊとをグラフにプロットする。図１０は、磁壁ＤＷの移動速度ｖと書き込みパルスの電流密度Ｊとをグラフにプロットした結果である。その後、各プロット点に対し近似直線を引き、磁壁ＤＷの移動速度ｖが０となる際の電流密度Ｊを臨界電流密度Ｊｃ１，Ｊｃ２と定義する。
【0065】
磁壁移動層１０，５０の臨界電流密度、磁壁ＤＷの移動速度は、磁壁移動層１０，５０の構成、材料、形状等によって変えることができる。
【0066】
例えば、磁壁移動層１０と磁壁移動層５０とは、異なる材料を含む。磁壁移動層１０と磁壁移動層５０との構成材料が異なれば、磁壁移動層１０と磁壁移動層５０との飽和磁化は異なる。磁壁移動層５０の飽和磁化は、例えば、磁壁移動層１０の飽和磁化より小さい。また磁壁移動層１０と磁壁移動層５０との構成材料が異なれば、磁壁移動層１０と磁壁移動層５０との電気抵抗率は異なる。磁壁移動層５０の電気抵抗率は、例えば、磁壁移動層１０の電気抵抗率より小さい。
【0067】
磁壁移動層１０，５０は、磁性体により構成される。磁壁移動層１０，５０は、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。磁壁移動層１０，５０は、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。磁壁移動層１０，５０は、強磁性層２０，６０と同様の材料でもよい。磁壁移動層１０，５０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。
【0068】
非磁性層３０は、例えば、磁壁移動層１０に積層されている。非磁性層７０は、例えば、磁壁移動層５０に積層されている。非磁性層３０，７０は、磁壁移動層１０，５０と強磁性層２０，６０との間にある。
【0069】
非磁性層３０，７０は、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。非磁性層３０，７０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層３０，７０は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。
【0070】
非磁性層３０，７０の厚みは、２０Å以上であることが好ましく、３０Å以上であることがより好ましい。非磁性層３０，７０の厚みが厚いと、磁壁移動素子１００，１１０の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。磁壁移動素子１００，１１０の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０４Ωμｍ２以上であることが好ましく、１×１０５Ωμｍ２以上であることがより好ましい。磁壁移動素子１００，１１０の抵抗面積積（ＲＡ）は、一つの磁壁移動素子１００，１１０の素子抵抗と磁壁移動素子１００，１１０の素子断面積（非磁性層３０，７０をｘｙ平面で切断した切断面の面積）の積で表される。
【0071】
強磁性層２０は、非磁性層３０上にある。強磁性層６０は、非磁性層７０上にある。強磁性層２０は、一方向に配向した磁化Ｍ２０を有する。強磁性層６０は、一方向に配向した磁化Ｍ６０を有する。強磁性層２０，６０の磁化Ｍ２０，Ｍ６０は、所定の外力が印加された際に第１磁区Ａ１及び第２磁区Ａ２の磁化ＭＡ１，ＭＡ２よりも磁化反転しにくい。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。強磁性層２０，６０は、磁化固定層、磁化参照層と呼ばれることがある。
【0072】
強磁性層２０，６０は、強磁性体を含む。強磁性層２０，６０は、例えば、磁壁移動層１０，５０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。強磁性層２０，６０は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を含む。強磁性層２０，６０は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅである。
【0073】
強磁性層２０，６０は、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。
【0074】
強磁性層２０，６０の非磁性層３０，７０と反対側の面に、スペーサ層を介して、磁性層を設けてもよい。強磁性層２０，６０、スペーサ層、磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。強磁性層２０，６０と磁性層とが反強磁性カップリングするとことで、磁性層を有さない場合より強磁性層２０，６０の保磁力が大きくなる。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。
【0075】
磁壁移動素子１００，１１０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。
【0076】
またここまで磁化がｚ軸方向に配向した例を用いて説明したが、磁壁移動層１０，５０及び強磁性層２０の磁化はｘｙ面内のいずれかの方向に配向していてもよい。磁化がｚ方向に配向する場合は、磁化がｘｙ面内に配向する場合より磁壁移動素子１００，１１０の消費電力、動作時の発熱が抑制される。また磁化がｚ方向に配向する場合は、磁化がｘｙ面内に配向する場合より同じ強度のパルス電流を印加した際における磁壁ＤＷの移動幅が小さくなる。一方で、磁化がｘｙ面内のいずれかに配向する場合は、磁化がｚ方向に配向する場合より磁壁移動素子の磁気抵抗変化幅（ＭＲ比）が大きくなる。
【0077】
次いで、集積装置ＩＤの製造方法について説明する。集積装置ＩＤは、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。
【0078】
まず基板Ｓｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲートＧを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲートＧがトランジスタＴｒとなる。基板Ｓｂは、トランジスタＴｒが周期的に配列した市販の半導体基板を用いてもよい。
【0079】
次いで、第１階層までの配線層を形成する。配線層は、フォトリソグラフィーを用いて作製できる。
【0080】
次いで、第１階層の第１素子群を作製する。まず強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層し、それらを所定の形状に加工する。強磁性層、非磁性層、強磁性層のそれぞれは、磁壁移動層１０、非磁性層３０、強磁性層２０となる。第１素子群もフォトリソグラフィーを用いて作製できる。
【0081】
次いで、同様の手順で、第１階層と第２階層との間の配線層及び第２階層の第２素子群を作製することで、集積装置ＩＤが得られる。第２素子群は、第１素子群と同様の手順で作製できる。強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層し、それらを所定の形状に加工することで、強磁性層、非磁性層、強磁性層のそれぞれが、磁壁移動層５０、非磁性層７０、強磁性層６０となる。
【0082】
第１実施形態にかかる集積装置ＩＤは、構成するそれぞれの磁壁移動素子の性能ばらつきが小さく、全体としての制御性に優れる。以下、その理由について説明する。
【0083】
上述のように集積装置ＩＤは、基板Ｓｕｂ上に段階的に積層される。そのため、基板Ｓｕｂから離れるほど、積層面の平坦性を確保することが難しい。つまり、磁壁移動素子１１０を積層する積層面は、磁壁移動素子１００を積層する積層面より平坦性が低い。したがって、磁壁移動層５０の上面及び下面の表面粗さは、磁壁移動層１０の上面及び下面の表面粗さより粗い。
【0084】
磁壁移動層１０，５０の表面の凹凸は、磁壁ＤＷのトラップサイトとなる。磁壁ＤＷは、凹凸によってｘ方向への移動が阻害され、トラップされる。つまり、磁壁移動層５０の磁壁ＤＷは、磁壁移動層１０の磁壁ＤＷよりトラップされやすい。
【0085】
これに対し、本実施形態にかかる集積装置ＩＤは、磁壁移動層５０の方が磁壁移動層１０より磁壁ＤＷを動かすのに必要なエネルギーが小さく、磁壁移動層５０の方が磁壁移動層１０より磁壁ＤＷが動きやすい。磁壁移動層５０の磁壁ＤＷが動きやすければ、磁壁ＤＷがトラップサイトでトラップされにくくなる。磁壁移動層５０における磁壁ＤＷのトラップを避けることで、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０との挙動の差異を抑制できる。
【0086】
また集積装置ＩＤの動作時において、第２素子群に属する磁壁移動素子１１０に入力される書き込みパルスのパルス長は、第１素子群に属する磁壁移動素子１００に入力される書き込みパルスのパルス長より長くしてもよい。また第２素子群に属する磁壁移動素子１１０に入力される書き込みパルスのパルス振幅は、第１素子群に属する磁壁移動素子１００に入力される書き込みパルスのパルス振幅より大きくてもよい。磁壁移動層５０に印加される書き込みパルスの大きさ（パルス長、パルス振幅）を大きくすることで、磁壁ＤＷがトラップサイトにトラップされることをより抑制できる。パルスの大きさは、例えば、集積装置ＩＤに接続された書き込み回路で制御される。
【0087】
「第２実施形態」
図１１は、第２実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１１の断面図である。図１１は、磁壁移動層１０，５１のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁壁移動素子１００，１１１のそれぞれを切断した断面である。第２実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動素子１１１が第１実施形態と異なる。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１１は、第２実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１１の断面図である。図１１は、磁壁移動層１０，５１のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁壁移動素子１００，１１１のそれぞれを切断した断面である。第２実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動素子１１１が第１実施形態と異なる。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【0088】
磁壁移動素子１１１は、磁壁移動層５１と非磁性層７０と強磁性層６０とを有する。磁壁移動層５１は、第１実施形態にかかる磁壁移動層５０と厚みが異なる。第２素子群に属する磁壁移動素子１１１の磁壁移動層５１の厚みｈ５１は、第１素子群に属する磁壁移動素子１００の磁壁移動層１０の厚みｈ１０より薄い。
【0089】
磁壁移動層５１の厚みｈ５１が薄いことで、磁壁移動層５１の断面積が小さくなり、磁壁移動層５１の電流密度が高まる。磁壁移動層５１の電流密度が高まることで、磁壁移動層５１の磁壁ＤＷの移動速度が早くなる。したがって、第２実施形態にかかる集積装置も、磁壁移動層５０における磁壁ＤＷのトラップを避けることで、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０との挙動の差異を抑制できる。
【0090】
第２実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層１０と磁壁移動層５１との形状の違いにより、磁壁移動層１０，５１の臨界電流密度、磁壁ＤＷの移動速度を変えている。したがって、第２実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層１０，５１を構成する材料が同じでもよい。例えば、磁壁移動層１０が［Ｃｏ２／Ｐｄ６］８であり、磁壁移動層５０が［Ｃｏ２／Ｐｄ５］６である。
【0091】
「第３実施形態」
図１２は、第３実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１２の断面図である。図１２は、磁壁移動層１０，５２のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で磁壁移動素子１００，１１２のそれぞれを切断した断面である。第３実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動素子１１２が第１実施形態と異なる。第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１２は、第３実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１２の断面図である。図１２は、磁壁移動層１０，５２のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で磁壁移動素子１００，１１２のそれぞれを切断した断面である。第３実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動素子１１２が第１実施形態と異なる。第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【0092】
磁壁移動素子１１２は、磁壁移動層５２と非磁性層７０と強磁性層６０とを有する。磁壁移動層５２は、第１実施形態にかかる磁壁移動層５０とｙｚ断面の形状が異なる。第２素子群に属する磁壁移動素子１１２の磁壁移動層５２のｙ方向の幅ｗ５２は、第１素子群に属する磁壁移動素子１００の磁壁移動層１０のｙ方向の幅ｗ１０と異なる。ここで磁壁移動層のｙ方向の幅とは、上面と下面のそれぞれのｙ方向の幅の平均を意味する。
【0093】
磁壁移動層の臨界電流密度は、線幅が７０ｎｍ近傍で極小となるという報告がある（例えば、T.Koyama,et al., Nat. Mater. 10, 194 (2011)）。したがって、磁壁移動層の線幅が７０ｎｍ以上の場合は、磁壁移動層５２の幅ｗ５２は、磁壁移動層１０の幅ｗ１０より狭いことが好ましく、磁壁移動層の線幅が７０ｎｍ以下の場合は、磁壁移動層５２の幅ｗ５２は、磁壁移動層１０の幅ｗ１０より広いことが好ましい。上記関係を満たすことで、磁壁移動層５２の臨界電流密度を磁壁移動層１０の臨界電流密度より下げることができる。したがって、磁壁移動層５２において磁壁ＤＷがトラップされることを避け、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０との挙動の差異を抑制できる。
【0094】
また磁壁移動層５２の側面のｚ方向に対する傾斜角θ２は、磁壁移動層１０の側面のｚ方向に対する傾斜角θ１より大きくてもよい。磁化は、磁壁移動層１０、５２の表面の影響を強く受ける。例えば、磁壁移動層１０、５２の側面が傾斜する場合、側面近傍は磁気異方性が弱くなる。磁気異方性が弱くなると、磁化が反転しやすくなり、磁壁ＤＷが移動しやすくなる。磁壁移動層５２の傾斜角θ２が磁壁移動層１０の傾斜角θ１より大きいことで、磁壁移動層５２において磁壁ＤＷがトラップされることを避け、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０との挙動の差異を抑制できる。
【0095】
第３実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層１０と磁壁移動層５２との形状の違いにより、磁壁移動層１０，５２の臨界電流密度、磁壁ＤＷの移動速度を変えている。したがって、第３実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層１０，５２を構成する材料が同じでもよい。
【0096】
「第４実施形態」
図１３は、第４実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１３の断面図である。図１３は、磁壁移動層１０，５３のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で磁壁移動素子１００，１１３のそれぞれを切断した断面である。第４実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動素子１１３が第１実施形態と異なる。第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１３は、第４実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１００及び第２素子群の磁壁移動素子１１３の断面図である。図１３は、磁壁移動層１０，５３のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で磁壁移動素子１００，１１３のそれぞれを切断した断面である。第４実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動素子１１３が第１実施形態と異なる。第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【0097】
磁壁移動素子１１３は、磁壁移動層５３と非磁性層７０と強磁性層６０とを有する。磁壁移動層５３は、強磁性層５３１とスペーサ層５３３と強磁性層５３２とを有する。スペーサ層５３３は、強磁性層５３１と強磁性層５３２とにｚ方向に挟まれる。強磁性層５３１，５３２は強磁性層２０と同様の材料を用いることができる。スペーサ層５３３は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを用いることができる。
【0098】
強磁性層５３１と強磁性層５３２とは、磁気結合している。強磁性層５３１と強磁性層５３２とは、例えは、反強磁性結合している。強磁性層５３１とスペーサ層５３３と強磁性層５３２とは、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）である。
【0099】
磁壁移動層５３がＳＡＦ構造であると、ＲＫＫＹトルクが磁壁移動層５３内の磁化に加わる。その結果、磁壁移動層５３の磁壁が移動しやすくなる。したがって、第４実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層５３において磁壁ＤＷがトラップされることを避け、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１３との挙動の差異を抑制できる。
【0100】
第４実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層１０と磁壁移動層５３との構成の違いにより、磁壁移動層１０，５３の臨界電流密度、磁壁ＤＷの移動速度を変えている。したがって、第４実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層１０，５３を構成する材料が同じでもよい。
【0101】
「第５実施形態」
図１４は、第５実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１０４及び第２素子群の磁壁移動素子１１４の断面図である。図１４は、磁壁移動素子１０４，１１４のそれぞれが配線層４０又は配線層８０を備える点が、第１実施形態と異なる。第５実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１４は、第５実施形態にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１０４及び第２素子群の磁壁移動素子１１４の断面図である。図１４は、磁壁移動素子１０４，１１４のそれぞれが配線層４０又は配線層８０を備える点が、第１実施形態と異なる。第５実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【0102】
配線層４０，８０は、磁壁移動層１０，５０と接する。配線層４０，８０は、非磁性層３０，７０と磁壁移動層１０，５０をｚ方向に挟む位置にある。配線層４０，８０は、例えば、強磁性層２０，６０とｚ方向に重なる位置にある。配線層４０は、磁壁移動層１０，５０とビア配線ＶＬとの間にあってもよい。
【0103】
配線層４０，８０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、磁壁移動層１０，５０にスピンを注入する。配線層４０，８０は、例えば、磁壁移動層１０，５０の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。配線層４０，８０から注入されたスピンにより生じるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）は、磁壁ＤＷの移動をアシストする。磁壁移動層１０，５０の磁壁ＤＷは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて動きやすくなる。
【0104】
配線層４０，８０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。
【0105】
配線層４０，８０は、例えば、主元素として非磁性の重金属を含む。主元素とは、配線層４０，８０を構成する元素のうち最も割合の高い元素である。配線層４０，８０は、例えば、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する重金属を含む。非磁性の重金属は、原子番号３９以上の原子番号が大きく、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有するため、スピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、配線層４０，８０内にスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。配線層４０，８０は、例えば、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれかを含む。
【0106】
配線層８０を構成する材料のスピンホール角は、配線層４０を構成する材料のスピンホール角より大きい。「スピンホール角」は、スピンホール効果の強さの指標の一つであり、配線層４０，８０に沿って流す電流に対する発生するスピン流の変換効率を示す。すなわち、スピンホール角の絶対値が大きいほど、磁壁移動層１０，５０に注入されるスピン量が増え、磁化に大きなスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。
【0107】
配線層８０を構成する材料のスピンホール角が配線層４０を構成する材料のスピンホール角より大きいと、磁壁移動層５０の磁壁ＤＷの方が磁壁移動層１０の磁壁ＤＷより動きやすくなる。したがって、第５実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層５０において磁壁ＤＷがトラップされることを避け、第１素子群の磁壁移動素子１０４と第２素子群の磁壁移動素子１１４との挙動の差異を抑制できる。
【0108】
第５実施形態にかかる集積装置は、配線層４０，８０のスピンホール角の大きさの違いにより、磁壁移動層１０，５０の臨界電流密度、磁壁ＤＷの移動速度を変えている。したがって、第５実施形態にかかる集積装置は、磁壁移動層１０，５０を構成する材料が同じでもよい。
【0109】
また第５実施形態では、第１素子群の磁壁移動素子１０４及び第２素子群の磁壁移動素子１１４がそれぞれ配線層４０，８０を有する例を提示したが、第１素子群の磁壁移動素子１０４が配線層４０を有さず、第２素子群の磁壁移動素子１１４が配線層８０を有する構成でもよい。
【0110】
「第６実施形態」
図１５は、第６実施形態にかかる集積装置ＩＤ１の断面図である。図１５は、磁壁移動素子１００，１１０の配置が、第１実施形態（図４）と異なる。第６実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１５は、第６実施形態にかかる集積装置ＩＤ１の断面図である。図１５は、磁壁移動素子１００，１１０の配置が、第１実施形態（図４）と異なる。第６実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【0111】
図１５において、第２素子群に属する磁壁移動素子１１０はいずれも、ｚ方向から見て、第１素子群に属する磁壁移動素子１００と重ならない。磁壁移動素子１１０より下層に様々な構造体が存在するほど、磁壁移動素子１１０を作製する際の積層面の平坦性は低下する。積層面に至るまでの加工の回数が増えるためである。ｚ方向から見て、磁壁移動素子１００と重ならない位置に磁壁移動素子１１０を配置することで、磁壁移動素子１１０を作製する際の積層面の平坦性を高めることができる。
【0112】
磁壁移動素子１１０を作製する際の積層面の平坦性が高いと、磁壁移動層５０の下面の平坦性が高まる。磁壁移動層５０のラフネスを向上することで、磁壁ＤＷのｘ方向への移動がトラップされる可能性を下げることができる。
【0113】
上述のように、第６実施形態にかかる集積装置ＩＤ１は、第１実施形態にかかる集積装置ＩＤと同様の効果を奏する。また磁壁移動層１０と磁壁移動層５０とのラフネスの差を小さくすることで、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０との挙動の差異をより抑制できる。
【0114】
「第７実施形態」
図１６は、第７実施形態にかかる集積装置ＩＤ２の断面図である。図１６は、磁壁移動素子１００と磁壁移動素子１１０とのうちの一部が接続配線ＣＷを介して接続されている。第７実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１６は、第７実施形態にかかる集積装置ＩＤ２の断面図である。図１６は、磁壁移動素子１００と磁壁移動素子１１０とのうちの一部が接続配線ＣＷを介して接続されている。第７実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【0115】
磁壁移動素子１００は、例えば、最近接する磁壁移動素子１１０と、基板Ｓｂを電気的に介さずに、接続配線ＣＷを介して接続されている。磁壁移動素子１００は、全てが磁壁移動素子１１０と接続されている必要はなく、いずれか一つでもよい。例えば、磁壁移動素子１００の強磁性層２０は、磁壁移動素子１１０の磁壁移動層５０と接続されている。
【0116】
接続配線ＣＷは、縦型スイッチング素子ＶＳＷを有してもよい。縦型スイッチング素子ＶＳＷは、ｚ方向に積層された積層膜によって構成されたスイッチング素子である。例えば、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は、縦型スイッチング素子ＶＳＷである。
【0117】
磁壁移動素子１００と磁壁移動素子１１０とを接続配線ＣＷで接続すると、読出し線ＲＬ２から磁壁移動素子１００、１１０を介して共通線ＣＬに至る電流経路ができる。すなわち、磁壁移動素子１００の抵抗値と磁壁移動素子１１０の抵抗値を合わせた合成抵抗を読み出すことができる。ニューロモーフィックデバイスにおいて磁壁移動素子１００、１１０の抵抗値は、重みに対応する。上記の電流経路は、２つの磁壁移動素子１００，１１０の重みを合成した新たな重みを表現できる。したがって、第７実施形態に係る集積装置ＩＤ２を用いたニューロモーフィックデバイスは、２つの磁壁移動素子１００，１１０で３つの重みを表現でき、より複雑な演算を行うことができ、表現力が高まる。この場合、第１素子群と第２素子群とで、ニューラルネットワークＮＮにおける二つの中間層の間の演算を担う。
【0118】
「第８実施形態」
図１７は、第８実施形態にかかる集積装置の一部の回路図である。図１７は、一つの積和演算回路内に、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０とがそれぞれ配置されている点が、図３に示す回路図と異なる。第８実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１７は、第８実施形態にかかる集積装置の一部の回路図である。図１７は、一つの積和演算回路内に、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０とがそれぞれ配置されている点が、図３に示す回路図と異なる。第８実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【0119】
図１７に示す第３回路Ｃ３は、第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０とを備える。第３回路Ｃ３は、一つの積和演算を行う。第３回路Ｃ３は、いずれかの中間層から別の中間層へ至る際の積和演算を担う。集積装置は、例えば、複数の第３回路Ｃ３を有する。集積装置は、ニューロモーフィックデバイスの階層間の積和演算をそれぞれの第３回路Ｃ３で行う。
【0120】
それぞれの第３回路Ｃ３における第１素子群の磁壁移動素子１００と第２素子群の磁壁移動素子１１０との構成比率は、等しいことが好ましい。当該構成により、それぞれの階層間における積和演算の精度のバラツキを小さくできる。
【0121】
ここまでいくつかの実施形態を提示して、集積装置及びニューロモーフィックデバイスの一例を提示した。しかしながら、本発明は当該実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【0122】
例えば、図１８は、変形例にかかる集積装置の第１素子群の磁壁移動素子１０５及び第２素子群の磁壁移動素子１１５の断面図である。図１８に示すように、磁壁移動層１０，５０が強磁性層２０，６０より基板Ｓｂから離れた位置にあってもよい。図１８は、磁化の安定性が比較的高い強磁性層２０，６０が基板Ｓｂ側にあるボトムピン構造と称される。図１８に示すボトムピン構造は、図８に示すトップピン構造より磁化の安定性が高い。
【0123】
またこの他、上記に記載した実施形態及び変形例の特徴的な構成をそれぞれ組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0124】
１０，５０，５１，５２，５３…磁壁移動層、２０，６０，５３１，５３２…強磁性層、３０，７０…非磁性層、４０，８０…配線層、１００，１０４，１０５，１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５…磁壁移動素子、５３３…スペーサ層、Ａ１…第１磁区、Ａ２…第２磁区、Ｃ…チップ、Ｃ１…第１回路、Ｃ２…第２回路、Ｃ３…第３回路、ＣＬ…共通線、ＣＷ…接続配線、ＤＷ…磁壁、Ｅ…電極、ＩＤ，ＩＤ１，ＩＤ２…集積装置、Ｉｎ，Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，Ｉｎ４…絶縁体、Ｌｉｎ…入力層、Ｌｍ…中間層、Ｌｏｕｔ…出力層、ＬＳ…積層構造体、ＮＮ…ニューラルネットワーク、ＲＬ，ＲＬ１，ＲＬ２…読出し線、ＶＬ…ビア配線、ＶＳＷ…縦型スイッチング素子、θ１，θ２…傾斜角
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】