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JP7140294B2 - 磁気記録アレイ及びリザボア素子 - Google Patents

磁気記録アレイ及びリザボア素子 Download PDF

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Description

本発明は、磁気記録アレイ及びリザボア素子に関する。
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。
ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子を用いたメモリ素子である。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、二つの磁性膜の磁化の向きの相対角の違いによって変化する。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の抵抗値をデータとして記録する。
磁気抵抗変化を利用したスピン素子の中でも、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子（例えば、特許文献１）や、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子（例えば、特許文献２）に注目が集まっている。これらのスピン素子は、トランジスタ等の半導体素子と配線で接続されて制御される。例えば、特許文献３には半導体装置における配線にバリアメタル膜を形成することで、配線のエレクトロマイグレーション耐性を高めることが記載されている。
特開２０１７－２１６２８６号公報 特許第５４４１００５号公報 特開２０１６－２１５３０号公報
複数のスピン素子を行列状に配列した磁気記録アレイやこの磁気記録アレイを用いたリザボア素子では、スピン素子の書き込み動作と読み込み動作を、書き込み配線と読み出し配線と共通配線の３の配線を組み合わせることによって行う。この場合、共通配線はスピン素子の書き込み動作と読み出し動作の両方の動作に用いられる配線となるため、最も劣化がしやすい配線となる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、共通配線が劣化しにくい磁気記録アレイ及びリザボア素子を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体とをそれぞれ備え、行列状に配列した複数のスピン素子と、前記複数のスピン素子のそれぞれの前記配線の第１端に接続された複数の書き込み配線と、前記複数のスピン素子のそれぞれの前記積層体に接続された複数の読み出し配線と、同じ列に属するそれぞれのスピン素子の前記配線の第２端に接続された複数の共通配線と、を備え、前記共通配線は、電気抵抗が前記書き込み配線又は前記読み出し配線より低い、磁気記録アレイ。
（２）前記共通配線は、電気抵抗が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記書き込み配線は、電気抵抗が前記読み出し配線より低い、前記（１）に記載の磁気記録アレイ。
（３）前記共通配線は、電気抵抗が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記読み出し配線は、電気抵抗が前記書き込み配線より低い、前記（１）に記載の磁気記録アレイ。
（４）前記共通配線は、電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線又は前記読み出し配線より大きい、前記（１）に記載の磁気記録アレイ。
（５）前記共通配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より大きく、前記書き込み配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記読み出し配線より大きい、前記（４）に記載の磁気記録アレイ。
（６）前記共通配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より大きく、前記読み出し配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線より大きい、前記（４）に記載の磁気記録アレイ。
（７）前記共通配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線又は前記読み出し配線より低い、前記（１）に記載の磁気記録アレイ。
（８）前記共通配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記書き込み配線は、電気抵抗率が前記読み出し配線より低い、前記（７）に記載の磁気記録アレイ。
（９）前記共通配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記読み出し配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線より低い、前記（７）に記載の磁気記録アレイ。
（１０）配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体とをそれぞれ備え、行列状に配列した複数のスピン素子と、前記複数のスピン素子のそれぞれの前記配線の第１端に接続された複数の書き込み配線と、前記複数のスピン素子のそれぞれの前記積層体に接続された複数の読み出し配線と、同じ列に属するそれぞれのスピン素子の前記配線の第２端に接続された複数の共通配線と、を備え、前記共通配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線又は前記読み出し配線より高い、磁気記録アレイ。
（１１）前記共通配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線及び前記読み出し配線より高く、前記書き込み配線は、活性化エネルギーが前記読み出し配線より高い、前記（１０）に記載の磁気記録アレイ。
（１２）前記共通配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線及び前記読み出し配線より高く、前記読み出し配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線より高い、前記（１０）に記載の磁気記録アレイ。
（１３）前記共通配線は、活性化エネルギーが３００ｋＪ／ｍｏｌ以上である材料を含む、前記（１０）～（１２）のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
（１４）前記共通配線は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ及びＩｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含む、前記（１０）～（１３）のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
（１５）前記書き込み配線は一方向に延在し、前記読み出し配線は前記一方向と異なる方向に延在し、前記共通配線は前記書き込み配線の延在方向及び前記読み出し配線の延在方向と異なる方向に延在している、前記（１）～（１４）のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
（１６）前記スピン素子の前記配線と前記共通配線とが、制御素子を介して接続されている、前記（１）～（１５）のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
（１７）前記配線は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかである、前記（１）～（１６）のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
（１８）前記積層体は、前記配線に近い側から非磁性層と前記第１強磁性層とを含み、前記配線は、内部に磁壁を有することができる強磁性層である、（１）～（１７）のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
（１９）前記（１）～（１８）のいずれか１項に記載の磁気記録アレイと、複数の前記スピン素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える、リザボア素子。
本発明によれば、共通配線が劣化しにくい磁気記録アレイ及びリザボア素子を提供することができる。
第１実施形態に係る磁気記録アレイの模式図である。 第１実施形態に係る磁気記録アレイの別の一例の模式図である。 第１実施形態に係る磁気記録アレイの特徴部の断面図である。 第１実施形態に係るスピン素子の断面図である。 第１実施形態に係るスピン素子の平面図である。 第２実施形態に係るスピン素子の断面図である。 第３実施形態に係るスピン素子の断面図である。 第４実施形態に係るリザボア素子の斜視図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図３参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、後述する配線２０が延びる方向であり、配線２０の長さ方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は、第２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。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
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。
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０と、を備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。磁気抵抗効果素子１００は、スピン素子の一例である。
図１に示す複数の磁気抵抗効果素子１００は、ｎ行ｍ列の行列状に配列している。ｎ，ｍは、任意の整数である。ここで「行列状」とは、必ずしも実際の素子が行列状に配列している場合に限られるものではなく、回路図において行列状に表記できるものを含む。
書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、磁気抵抗効果素子１００の後述する配線の第１端に接続される配線である。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、例えば、データの書き込み時に用いられる。図１に示す書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎはｎ本ある。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、電源（図示略）と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。図１に示す書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、電源（図示略）と同じ行に属する磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に１本ずつ個別に接続されていてもよいし、同じ列に属する磁気抵抗効果素子１００に亘って接続されていてもよい。
読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、磁気抵抗効果素子１００の後述する積層体に接続される配線である。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、例えば、データの読み出し時に用いられる配線である。図１に示す読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎはｎ本ある。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電源（図示略）と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。図１に示す読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電源（図示略）と同じ行に属する磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に１本ずつ個別に接続されていてもよいし、同じ列に属する磁気抵抗効果素子１００に亘って接続されていてもよい。
共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、磁気抵抗効果素子１００の後述する配線の第２端に接続される配線である。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、例えば、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。図１に示す共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍはｍ本ある。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、基準電位と同じ列に属する磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。
共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、例えば、電気抵抗が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ又は読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低くなるように構成されている。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、電気抵抗が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低いことが好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎに対して電気抵抗が８０％以上低いことが好ましく、５０％以上低いことがより好ましい。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの電気抵抗は同じであってもよいし、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの方が読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎよりも低くてもよいし、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの方が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎよりも低くてもよい。
共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍ、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの電気抵抗は、例えば、電流の印加方向に対する断面積、電気抵抗率によって調整することができる。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、電流の印加方向に対する断面積が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ又は読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより大きいことが好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、電流の印加方向に対する断面積が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより大きいことがより好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎに対して電流の印加方向に対する断面積が２５％以上大きいことが好ましく、１００％以上大きいことがより好ましい。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの電流の印加方向に対する断面積は同じであってもよいし、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの方が読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎよりも大きくてもよいし、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの方が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎよりも大きくてもよい。
共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、電気抵抗率が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ又は読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低いことが好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、電気抵抗率が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低いことがより好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎに対して電気抵抗率が８０％以上低いことが好ましく、５０％以上低いことがより好ましい。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの電気抵抗率は同じであってもよいし、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの方が読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎのよりも低くてもよいし、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの方が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎよりも低くてもよい。
また、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、例えば、活性化エネルギーが書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ又は読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより高くなるように構成されている。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、活性化エネルギーが書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより高いことが好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎに対して活性化エネルギーが５０％以上高いことが好ましく、１００％以上高いことがより好ましい。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの活性化エネルギーは同じであってもよいし、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの方が読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎよりも高くてもよいし、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの方が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎよりも高くてもよい。
共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍの活性化エネルギーは、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍを形成する材料より調整することができる。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、活性化エネルギーが３００ｋＪ／ｍｏｌ以上である材料を含むことが好ましい。また、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ及びＩｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含むことが好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍは、上記の金属単体であってもよいし、上記金属と他の導電性金属の積層構造体であってもよいし、上記の金属を含む合金であってもよい。合金の場合、ベースの材料に対して、上記の金属を１０％以上８０％以下の範囲内で含有することが好ましい。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍのベースの材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの導電性金属を用いることができる。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの材料は、これらの導電性金属とすることができる。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に接続されている。第１スイッチング素子１１０は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁気抵抗効果素子１００の共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁気抵抗効果素子１００と読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に接続されている。
第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する制御素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０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１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。図２に、第２スイッチング素子１２０を共有した磁気記録アレイ２０１の例を示す。図２に示す磁気記録アレイ２０１では、同じ列に属する磁気抵抗効果素子１００に接続する共通配線Ｃｍ１が、一つの共有スイッチング素子１４０に繋がり、同じ列に属する磁気抵抗効果素子１００が共有スイッチング素子１４０を共用している。
ここで、各配線の電気抵抗について説明する。書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎ及び共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍの電気抵抗は、磁気抵抗効果素子１００とスイッチング素子との間の抵抗である。例えば、図１に示す磁気記録アレイ２００の場合、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの電気抵抗は、磁気抵抗効果素子１００と第１スイッチング素子１１０との間の電気抵抗である。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの電気抵抗は、磁気抵抗効果素子１００と第３スイッチング素子１３０との間の電気抵抗である。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｍの電気抵抗は、磁気抵抗効果素子１００と第２スイッチング素子１２０との間の電気抵抗である。図２に示す磁気記録アレイ２０１の場合、共通配線Ｃｍ１の電気抵抗は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００と共有スイッチング素子１４０との間の電気抵抗である。
図３は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の要部の断面図である。図３は、磁気抵抗効果素子１００を後述する配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
図３に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子１３０は、導電層Ｅと電気的に接続され、例えば、図３のｙ方向に位置する。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩと基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤとを有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。
トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、第１導電部３０又は第２導電部４０を介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐ又は共通配線Ｃｍとは、導電部Ｃｗで接続されている。第１導電部３０、第２導電部４０及び導電部Ｃｗは、例えば、接続配線、ビア配線と言われることがある。第１導電部３０、第２導電部４０及び導電部Ｃｗは、例えば、ｚ方向に延びる。
磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層９０で覆われている。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。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４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図５は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の平面図である。図４は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。
磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０と配線２０とを備える。絶縁層９１と絶縁層９２は、絶縁層９０の一部である。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、配線２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。また配線２０は、スピン軌道トルク配線と言われる場合がある。
積層体１０は、配線２０上に積層されている。積層体１０と配線２０との間には、他の層を有してもよい。積層体１０は、ｚ方向に、配線２０と導電層Ｅとに挟まれる。積層体１０は、読み出し配線と電気的に接続される。積層体１０は、柱状体である。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。
積層体１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、例えば、配線２０と接し、配線２０上に積層されている。第１強磁性層１には配線２０からスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受け、配向方向が変化する。第２強磁性層２は、第１強磁性層１のｚ方向にある。第１強磁性層１と第２強磁性層２は、ｚ方向に非磁性層３を挟む。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。第２強磁性層２の磁化は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。強磁性体は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ合金、Ｓｍ－Ｆｅ合金、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺ又はＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素又は貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
積層体１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。
積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、配線２０と積層体１０との間に下地層を有してもよい。下地層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。
配線２０は、例えば、積層体１０の一面に接する。配線２０は、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。配線２０は、ｘ方向に延びる。配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。配線２０の基板Ｓｕｂから遠い第１面２０ａの面積は、例えば、第１面２０ａと反対の第２面２０ｂの面積より小さい。配線２０は、例えば、第１面２０ａから第２面２０ｂに向かうに従い、周囲長が長くなる。
配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、第１強磁性層１にスピンを注入する。配線２０は、例えば、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化に与える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる。
例えば、配線２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、－ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが－ｚ方向に曲げられる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。すなわち、＋ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。第１スピンと第２スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピン及び第２スピンのｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
第１スピンの電子の流れをＪ↑、第２スピンの電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑－Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。第１スピンは、配線２０から第１強磁性層１に注入される。
配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。
配線２０は、例えば、主元素として非磁性の重金属を含む。主元素とは、配線２０を構成する元素のうち最も割合の高い元素である。配線２０は、例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ｙ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｍｎからなる群から選択されるいずれかを少なくとも含む。これらの元素は、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、第１強磁性層１へのスピンの注入量が増える。
配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１． ３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１－ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
第１導電部３０及び第２導電部４０は、ｚ方向からの平面視で、積層体１０をｘ方向に挟む。第１導電部３０及び第２導電部４０は、磁気抵抗効果素子１００とトランジスタＴｒとを繋ぐ配線である。第１導電部３０及び第２導電部４０は、例えば、異なるレイヤにある素子や配線を電気的に繋ぐ。
第１導電部３０及び第２導電部４０は、導電性の優れる材料からなる。第１導電部３０及び第２導電部４０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。
磁気抵抗効果素子１００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。
まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。
次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層９１を形成する。また絶縁層９１に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで第１導電部３０、第２導電部４０、及び導電部Ｃｗが形成される。書き込み配線Ｗｐ、共通配線Ｃｍは、絶縁層９１を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９１に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。
次いで、絶縁層９１、第１導電部３０及び第２導電部４０の表面に、配線層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層する。次いで、配線層を所定の形状に加工する。配線層は所定の形状に加工されることで、配線２０となる。次いで、配線層上に形成された積層体を所定の形状に加工し、積層体１０を形成することで、磁気抵抗効果素子１００を作製できる。
次いで、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の動作について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、データの書き込み動作とデータの読み出し動作がある。
まずデータを磁気抵抗効果素子１００に記録する動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにする。第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間にある配線２０に書き込み電流が流れる。配線２０に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第１強磁性層１に注入される。第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を加え、第１強磁性層１の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。
積層体１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが平行の場合に小さく、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体１０の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子１００にデータが記録される。
次いで、データを磁気抵抗効果素子１００から読み出す動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０又は第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０をＯＮにする。各スイッチング素子をこのように設定すると、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間にある積層体１０の積層方向に読み出し電流が流れる。オームの法則により積層体１０の積層方向の抵抗値が異なると、出力される電圧が異なる。そのため、例えば積層体１０の積層方向の電圧を読み出すことで、磁気抵抗効果素子１００に記録されたデータを読み出すことができる。
第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００において、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの電気抵抗が低い場合、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎはエレクトロマイグレーション（ＥＭ）が生じにくくなり、劣化しにくくなる。一般に、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎはスピン素子の書き込み動作と読み出し動作の両方の動作に書き込みと読み出しの両方に使用されるため、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎよりも一般に劣化しやすい傾向がある。第１実施形態の磁気記録アレイ２００において、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎのエレクトロマイグレーション（ＥＭ）が生じにくくなる理由は、ＥＭが発生する一つの要因であるボイドの発生確率が低減するためであると。ボイド形成はイオンが動くことで発生し、イオンに働く力はHungtingtonモデルで定義される。このモデルから書き込み電流が一定の場合は、電気抵抗を低くすることでイオンに働く力を低減でき、ボイド発生確率を減らすことができることがわかる。この傾向は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの電流の印加方向に対する断面積が大きい場合、電気抵抗率が低い場合も同様である。
また、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００において、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの電気抵抗が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低く、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの電気抵抗が読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低い場合は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎがより確実に劣化しにくくなる。さらに、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎよりも流れる電流量が多い書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの電気抵抗が低いので、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎが劣化しにくくなるので、磁気記録アレイ２００がより長寿命となる。この傾向は、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの電流の印加方向に対する断面積が読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより大きい場合、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの電気抵抗率が読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低い場合も同様である。
さらに、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００において、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、電気抵抗が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎより低く、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電気抵抗が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎより低い場合は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎがより確実に劣化しにくくなる。さらに、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの電気抵抗が低いので、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比がより向上する。この傾向は、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの電流の印加方向に対する断面積が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎより大きい場合、読み出し配線の電気抵抗率が書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎより低い場合も同様である。
第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００において、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの活性化エネルギーが高い場合、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは劣化しにくくなる。一般に、配線寿命はＢｌａｃｋの経験式から求められることが知られている。この経験式から共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの材料として、活性エネルギーが大きい材料を選択すると共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの寿命が延びることがわかる。第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００において、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、活性化エネルギーが３００ｋＪ／ｍｏｌ以上である材料を含むことによって、寿命がより確実に向上する。また、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ及びＩｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含むことによって、寿命がさらに確実に向上する。
「第２実施形態」
図６は、第２実施形態に係る磁化回転素子１０１の断面図である。図６は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁化回転素子１０１を切断した断面である。第２実施形態に係る磁化回転素子１０１は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様であり、説明を省く。
磁化回転素子１０１は、スピン素子の一例である。磁化回転素子１０１は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１０１は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。
この他、磁化回転素子１０１は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。
第２実施形態に係る磁化回転素子１０１は、非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。また第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の変形例を選択しうる。
「第３実施形態」
図７は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図７は、配線２１のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０２を切断した断面である。磁気抵抗効果素子１０２は、積層体１１が配線２１に近い側から非磁性層５及び第１強磁性層４からなる点が、磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１００と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省く。
磁気抵抗効果素子１０２は、積層体１１と配線２１と第１導電部３０と第２導電部４０とを備える。積層体１１は、配線２１に近い側から非磁性層５及び第１強磁性層４からなる。磁気抵抗効果素子１０２は、磁壁ＤＷの移動により抵抗値が変化する素子であり、磁壁移動素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。
配線２１は、磁性層である。配線２１は、強磁性体を含む。配線２１を構成する磁性体は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅが挙げられる。
配線２１は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。配線２１は、内部に第１磁区２１Ａと第２磁区２１Ｂとを有する。第１磁区２１Ａの磁化と第２磁区２１Ｂの磁化とは、例えば、反対方向に配向する。第１磁区２１Ａと第２磁区２１Ｂとの境界が磁壁ＤＷである。配線２１は、磁壁ＤＷを内部に有することができる。
磁気抵抗効果素子１０２は、配線２１の磁壁ＤＷの位置によって、データを多値又は連続的に記録できる。配線２１に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁気抵抗効果素子１０２の抵抗値変化として読み出される。
磁壁ＤＷは、配線２１のｘ方向に書き込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、配線２１の＋ｘ方向に書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の－ｘ方向に流れるため、磁壁ＤＷは－ｘ方向に移動する。第１磁区２１Ａから第２磁区２１Ｂに向って電流が流れる場合、第２磁区２１Ｂでスピン偏極した電子は、第１磁区２１Ａの磁化を磁化反転させる。第１磁区２１Ａの磁化が磁化反転することで、磁壁ＤＷが－ｘ方向に移動する。
第１強磁性層４と非磁性層５のそれぞれは、第１実施形態に係る第１強磁性層１と非磁性層３と同様である。
第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２も、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。また第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の変形例を選択しうる。
「第４実施形態」
図８は、第４実施形態に係るリザボア素子１０３の斜視図である。リザボア素子１０３は、複数の磁化回転素子１０１と、複数の磁化回転素子１０１の第１強磁性層１の間を繋ぐスピン伝導層７０と、を備える。スピン伝導層７０は、例えば、非磁性の導電体からなる。スピン伝導層７０は、第１強磁性層１から染みだしたスピン流を伝播する。
リザボア素子は、ニューロモルフィック素子の一つであるリザボアコンピュータに用いられる素子である。ニューロモルフィック素子は、ニューラルネットワークにより人間の脳を模倣した素子である。ニューロモルフィック素子は、例えば、認識機として用いられる。認識機は、例えば、入力された画像を認識（画像認識）して分類する。
リザボア素子１０３は、入力された入力信号を別の信号に変換する。リザボア素子１０３内では、信号は相互作用するだけであり、学習しない。入力信号が互いに相互作用すると、入力信号が非線形に変化する。すなわち、入力信号は、元の情報を保有しつつ別の信号に置き換わる。入力信号は、リザボア素子１０３内で互いに相互作用することで、時間の経過とともに変化する。リザボア素子１０３は、複数のニューロンに対応する第１強磁性層１が互いに相互に接続されている。そのため例えば、ある時刻ｔにあるニューロンから出力された信号は、ある時刻ｔ＋１において元のニューロンに戻る場合がある。ニューロンでは、時刻ｔ及び時刻ｔ＋１の信号を踏まえた処理ができ、情報を再帰的に処理できる。
スピン伝導層７０は、例えば、金属又は半導体である。スピン伝導層７０に用いられる金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金である。スピン伝導層７０に用いられる半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの元素の単体又は合金である。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ－Ｇｅ化合物、ＧａＡｓ、グラフェン等が挙げられる。
配線２０に電流Ｉが流れると、第１強磁性層１にスピンが注入され、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルクが加わる。配線２０に高周波電流を印加すると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが変化し、第１強磁性層１の磁化は振動する。
スピン流は、第１強磁性層１からスピン伝導層７０に至る。第１強磁性層１の磁化は振動しているため、スピン伝導層７０を流れるスピン流も磁化に対応して振動する。第１強磁性層１とスピン伝導層７０との界面に蓄積されたスピンは、スピン流としてスピン伝導層７０内を伝播する。
二つの第１強磁性層１の磁化がそれぞれ生み出すスピン流は、スピン伝導層７０内で合流し、干渉する。スピン流の干渉は、それぞれの第１強磁性層１の磁化の振動に影響を及ぼし、二つの第１強磁性層１の磁化の振動が共振する。二つの磁化の振動の位相は、同期する又は半波長（π）ずれる。
配線２０への電流Ｉの印加が止まると、第１強磁性層１の磁化の振動は止まる。共振後の第１強磁性層１の磁化は、平行又は反平行となる。二つの振動の位相が同期した場合、二つの磁化の向きが揃い平行となる。二つの振動の位相が半波長（π）ずれた場合は、二つの磁化の向きが逆向きになり、反平行となる。
二つの第１強磁性層１の磁化が平行な場合は、リザボア素子１０３の抵抗値は反平行な場合より小さくなる。リザボア素子１０３は、例えば、リザボア素子１０３の抵抗値が大きい場合（２つの磁化が反平行な場合）に“１”、小さい場合（２つの磁化が平行な場合）に“０”の情報を出力する。
配線２０に入力される電流Ｉは、様々な情報を有する。例えば、電流Ｉの周波数、電流密度、電流量等である。一方で、リザボア素子１０３は、抵抗値として、“１”、 “０”の情報を出力する。すなわち、第１実施形態に係るリザボア素子１０３は、複数の第１強磁性層１の磁化の振動をスピン流に変換して、スピン伝導層７０内で干渉することで、情報を変換する。
第４実施形態に係るリザボア素子１０３は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００を含み、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
ここまで、第１実施形態から第４実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。
また、本実施形態１の磁気記録アレイ２００においては、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとは同一の方向に延在し、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとは互いに直交する方向に延在されているが、各配線の方向はこれに限定されるものではない。例えば、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは一方向に延在し、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎはその一方向と異なる方向に延在し、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの延在方向及び読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの延在方向と異なる方向に延在している構成としてもよい。この場合、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎはｘ方向に延在し、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎはｙ方向に延在していることが好ましい。
１，４ 第１強磁性層
２ 第２強磁性層
３，５ 非磁性層
１０，１１ 積層体
２０，２１ 配線
２０ａ 第１面
２０ｂ 第２面
２１Ａ 第１磁区
２１Ｂ 第２磁区
３０ 第１導電部
４０ 第２導電部
７０ スピン伝導層
９０，９１，９２ 絶縁層
１００，１０２ 磁気抵抗効果素子
１０１ 磁化回転素子
１０３ リザボア素子
１１０ 第１スイッチング素子
１２０ 第２スイッチング素子
１３０ 第３スイッチング素子
１４０ 共有スイッチング素子
２００、２０１ 磁気記録アレイ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 中心
Ｃｍ１～Ｃｍｎ 共通配線
Ｃｗ 導電部
Ｄ ドレイン
Ｅ 導電層
Ｇ ゲート電極
ＧＩ ゲート絶縁膜
Ｒｐ１～Ｒｐｎ 読み出し配線
Ｓ ソース
Ｓｕｂ 基板
Ｔｒ トランジスタ
Ｗｐ１～Ｗｐｎ 書き込み配線

Claims (19)

  1. 配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体とをそれぞれ備え、行列状に配列した複数のスピン素子と、
    前記複数のスピン素子のそれぞれの前記配線の第１端に接続された複数の書き込み配線と、
    前記複数のスピン素子のそれぞれの前記積層体に接続された複数の読み出し配線と、
    同じ列に属するそれぞれのスピン素子の前記配線の第２端に接続された複数の共通配線と、を備え、
    前記共通配線は、電気抵抗が前記書き込み配線又は前記読み出し配線より低い、磁気記録アレイ。
  2. 前記共通配線は、電気抵抗が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記書き込み配線は、電気抵抗が前記読み出し配線より低い、請求項１に記載の磁気記録アレイ。
  3. 前記共通配線は、電気抵抗が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記読み出し配線は、電気抵抗が前記書き込み配線より低い、請求項１に記載の磁気記録アレイ。
  4. 前記共通配線は、電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線又は前記読み出し配線より大きい、請求項１に記載の磁気記録アレイ。
  5. 前記共通配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より大きく、前記書き込み配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記読み出し配線より大きい、請求項４に記載の磁気記録アレイ。
  6. 前記共通配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より大きく、前記読み出し配線は、前記電流の印加方向に対する断面積が前記書き込み配線より大きい、請求項４に記載の磁気記録アレイ。
  7. 前記共通配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線又は前記読み出し配線より低い、請求項１に記載の磁気記録アレイ。
  8. 前記共通配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記書き込み配線は、電気抵抗率が前記読み出し配線より低い、請求項７に記載の磁気記録アレイ。
  9. 前記共通配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線及び前記読み出し配線より低く、前記読み出し配線は、電気抵抗率が前記書き込み配線より低い、請求項７に記載の磁気記録アレイ。
  10. 配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体とをそれぞれ備え、行列状に配列した複数のスピン素子と、
    前記複数のスピン素子のそれぞれの前記配線の第１端に接続された複数の書き込み配線と、
    前記複数のスピン素子のそれぞれの前記積層体に接続された複数の読み出し配線と、
    同じ列に属するそれぞれのスピン素子の前記配線の第２端に接続された複数の共通配線と、を備え、
    前記共通配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線又は前記読み出し配線より高い、磁気記録アレイ。
  11. 前記共通配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線及び前記読み出し配線より高く、前記書き込み配線は、活性化エネルギーが前記読み出し配線より高い、請求項１０に記載の磁気記録アレイ。
  12. 前記共通配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線及び前記読み出し配線より高く、前記読み出し配線は、活性化エネルギーが前記書き込み配線より高い、請求項１０に記載の磁気記録アレイ。
  13. 前記共通配線は、活性化エネルギーが３００ｋＪ／ｍｏｌ以上である材料を含む、請求項１０～１２のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
  14. 前記共通配線は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ及びＩｒからなる群より選択される少なくとも一種の金属を含む、請求項１０～１３のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
  15. 前記書き込み配線は一方向に延在し、前記読み出し配線は前記一方向と異なる方向に延在し、前記共通配線は前記書き込み配線の延在方向及び前記読み出し配線の延在方向と異なる方向に延在している、請求項１～１４のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
  16. 前記スピン素子の前記配線と前記共通配線とが、制御素子を介して接続されている、請求項１～１５のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
  17. 前記配線は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかである、請求項１～１６のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
  18. 前記積層体は、前記配線に近い側から非磁性層と前記第１強磁性層とを含み、
    前記配線は、内部に磁壁を有することができる強磁性層である、請求項１～１６のいずれか１項に記載の磁気記録アレイ。
  19. 請求項１～１８のいずれか１項に記載の磁気記録アレイと、
    複数の前記スピン素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える、リザボア素子。
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