(57)【要約】  磁壁利用型アナログメモリ素子（100）は、磁壁（DW）と、第１領域（1a）と、第２領域（1b）と、第１領域および第２領域の間に位置する第３領域（1c）と、を有する磁壁駆動層（1）と、第３領域に非磁性層（6）を介して設置された磁化固定層（5）と、第３領域の、磁化固定層が設置された第１面の反対の第２面に、平面視して磁化固定層と重なる位置に設置された下部電極層（4）と、備える。
2017183573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁壁と、第１領域と、第２領域と、前記第１領域および前記第２領域の間に位置する第３領域と、を有する磁壁駆動層と、  前記第３領域に非磁性層を介して設置された磁化固定層と、  前記第３領域の、前記磁化固定層が設置された第１面の反対の第２面に、平面視して前記磁化固定層と重なる位置に設置された下部電極層と、を備える、磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項２】
前記磁壁駆動層と前記下部電極層との間に高抵抗層をさらに備える、請求項１に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項３】
前記磁壁駆動層の長さが６０ｎｍ以上である、請求項１又は２のいずれかに記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項４】
前記第１領域に接し、第１の磁化の向きを有する第１磁化供給層と、  前記第２領域に接し、前記第１の磁化の向きと反対向きの第２の磁化の向きを有する第２磁化供給層と、をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項５】
前記磁壁駆動層、前記第１磁化供給層、前記第２磁化供給層、および前記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きが、それぞれの層に平行である、請求項４に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項６】
前記磁壁駆動層、前記第１磁化供給層、前記第２磁化供給層、および前記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きが、それぞれの層に垂直である、請求項４に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項７】
前記磁壁駆動層が磁壁ピン止め部を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項８】
前記第１磁化供給層又は前記第２磁化供給層のいずれか一方にバイポーラ素子が接続されている、請求項４〜７のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備える、磁壁利用型アナログメモリ。
【請求項１０】
読み出し時に前記下部電極層と前記磁化固定層との間の抵抗変化を読み出す機構を備える、請求項９に記載の磁壁利用型アナログメモリ。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子がアレイ状に配置された磁壁利用型アナログメモリと、ＳＴＴ−ＭＲＡＭとを備え、  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及び前記ＳＴＴ−ＭＲＡＭを備える、不揮発性ロジック回路。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子を備え、  前記磁壁駆動層の前記第３領域が、長手方向に並び、かつ第１記憶部と該第１記憶部を挟んで配置される第２記憶部および第３記憶部とを有し、  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る書き込み電流を流すように制御可能な制御回路を有する電流源を備える、磁気ニューロン素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、磁壁利用型アナログメモリ素子および磁壁利用型アナログメモリに関する。  本願は、２０１６年４月２１日に、日本に出願された特願２０１６−０８５５３０号に基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】  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として、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型メモリ例えば、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）、ＲｅＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（Phase Change Random Access Memory）などが注目されている。【０００３】  メモリの高密度化（大容量化）の方法としては、メモリを構成する素子自体を小さくする方法の他に、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットを多値化する方法があり、様々な多値化方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。【０００４】  ＭＲＡＭの一つに、磁壁駆動型あるいは磁壁移動型と呼ばれるタイプがある（例えば、特許文献４）。磁壁駆動型ＭＲＡＭは、電流を磁壁駆動層（または磁化自由層）の面内方向に流し、スピン偏極電子によるスピントランスファー効果によって磁壁を移動させ、強磁性膜の磁化を書き込み電流の方向に応じた向きに反転させることでデータ書き込みを行う。  特許文献４には、磁壁駆動型ＭＲＡＭについて、多値記録やアナログ記録の方法について記載されている。  ＭＲＡＭでは、データの異なる書き込み方法が提案されており、磁壁駆動型ＭＲＡＭ以外にも、磁場書き込み型、ヨーク磁場書き込み型、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）型、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque）型ＭＲＡＭなどが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特開２０１５−０８８６６９号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／０７２２１３号
【特許文献３】日本国特開２０１６−００４９２４号公報
【特許文献４】国際公開第２００９／１０１８２７号
【特許文献５】国際公開第２００９／０５４１８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭでは、読み出し時に磁壁駆動層（または磁化自由層）の面内方向に電流を流す必要があるため、読み出し時に流した電流によって磁壁駆動層の磁壁が移動する可能性がある。磁壁駆動層と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に磁壁が移動すると、磁壁駆動型ＭＲＡＭにおいて信号が最終的には０か１のデジタルの信号となり、アナログメモリとして使用することは困難である。【０００７】  逆に、平面視して、磁壁駆動層（または磁化自由層）と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に磁壁移動が完了していないと、読み込み時に磁壁が移動して誤書き込みや読み出し初期時の信号が変化する。すなわち、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭでは、データを多値的にあるいはアナログ的に書き込みはできても、データを安定的に読み出す方法がなかった。アナログ的に書き込んだデータを安定的に読み出すことができれば、多値的に書き込んだデータも安定的に読み出すことができる。【０００８】  本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アナログ記録データを安定的に読み出すことができる磁壁利用型アナログメモリ素子および磁壁利用型アナログメモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明の第１態様は、磁壁利用型アナログメモリ素子であって、磁壁と、第１領域と、第２領域と、前記第１領域および前記第２領域の間に位置する第３領域と、を有する磁壁駆動層と、前記第３領域に非磁性層を介して設置された磁化固定層と、前記第３領域の、前記磁化固定層が設置された第１面の反対の第２面に、平面視して前記磁化固定層と重なる位置に設置された下部電極層と、を備える。【００１０】  本発明の第２態様は、上記第１態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層と前記下部電極層との間に高抵抗層を備えてもよい。【００１１】  本発明の第３態様は、上記第１又は第２態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層の長さが６０ｎｍ以上であってもよい。【００１２】  本発明の第４態様は、上記第１〜第３態様のいずれか一態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記第１領域に接し、第１の磁化の向きを有する第１磁化供給層と、前記第２領域に接し、前記第１の磁化の向きと反対向きの第２の磁化の向きを有する第２磁化供給層と、をさらに備えてもよい。【００１３】  本発明の第５態様は、上記第４態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層、前記第１磁化供給層、前記第２磁化供給層、および前記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きが、それぞれの層に平行であってもよい。【００１４】  本発明の第６態様は、上記第４態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層、前記第１磁化供給層、前記第２磁化供給層、および前記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きが、それぞれの層に垂直であってもよい。【００１５】  本発明の第７態様は、上記第１〜第６態様のいずれか一態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層が磁壁ピン止め部を有してもよい。【００１６】  本発明の第８態様は、上記第４〜第７態様のいずれか一態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記第１磁化供給層又は前記第２磁化供給層のいずれか一方にバイポーラ素子が接続されていてもよい。【００１７】  本発明の第９態様は、磁壁利用型アナログメモリであって、上記第１〜第８態様のいずれか一態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備えている。【００１８】  本発明の第１０態様は、上記第９態様に係る磁壁利用型アナログメモリにおいて、読み出し時に前記下部電極層と前記磁化固定層との間の抵抗変化を読み出す機構を備えていてもよい。【００１９】  本発明の第１１態様は、不揮発性ロジック回路であって、上記第１〜第８態様のいずれか一態様に係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た磁壁利用型アナログメモリと、ＳＴＴ−ＭＲＡＭとを備え、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及び前記ＳＴＴ−ＭＲＡＭを備える。【００２０】  本発明の第１２態様は、磁気ニューロン素子であって、上記第１〜第８態様のいずれか一態様に係る磁壁利用型アナログメモリ素子を備え、前記磁壁駆動層の前記第３領域が、長手方向に並び、かつ第１記憶部と該第１記憶部を挟んで配置される第２記憶部および第３記憶部とを有し、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流すように制御可能な制御回路を有する電流源を備えている。
【発明の効果】
【００２１】  上記本発明に係る態様によれば、多値記録データあるいはアナログ記録データを安定的に読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一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２】本発明の一実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ素子の他の例の断面模式図である。
【図３】従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。
【図４Ａ】従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子において、磁壁の移動方法を説明する断面模式図である。
【図４Ｂ】図４Ａと逆向きに磁壁を移動させる磁壁の移動方法を説明する断面模式図である。
【図５】従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子において、読み出し電流の流れる経路を説明する断面模式図である。
【図６】本発明の磁壁利用型アナログメモリ素子において、読み出し電流の流れる経路を説明する断面模式図である。
【図７】本発明の磁壁利用型アナログメモリ素子の書き込み及び読み出しの原理を説明する断面模式図である。
【図８】磁化固定層の磁化の向きと平行な部分の面積の割合と磁気抵抗効果素子部の抵抗値との関係を概念的に示すグラフである。
【図９】本発明の磁壁利用型アナログメモリ中のセルの要部の断面模式図である。
【図１０】本発明の磁壁利用型アナログメモリの回路構造の一例を模式的に示した図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ素子の他の例の断面模式図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ素子の他の例の断面模式図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る磁気ニューロン素子の一例の断面模式図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る磁気ニューロン素子を用いた人工的な脳の概念を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】  以下、本発明を適用した磁壁利用型アナログメモリ素子及び磁壁利用型アナログメモリについて、図面を用いてその構成を説明する。なお、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同じであるとは限らない。また、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。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。
【００２４】（磁壁利用型アナログメモリ素子）  図１は、本発明の一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１００は、磁壁ＤＷを有し、第１領域１ａおよび第２領域１ｂとそれらの領域の間に位置する第３領域１ｃとからなる磁壁駆動層１と、第３領域に接する下部電極層４と、第３領域の、下部電極層４が接する面の反対の面に非磁性層６を介して設置された磁化固定層５と、を備える。  図１に示す磁壁利用型アナログメモリ素子１００ではさらに、第１領域１ａに接し、第１の磁化の向きを有する第１磁化供給層２と、第２領域に接し、第１の磁化の向きと反対向きの第２の磁化の向きを有する第２磁化供給層３と、を備えている。第１磁化供給層２および第２磁化供給層３を備えない場合には、磁壁駆動層１に流す書き込み電流をスピン偏極電流とすればよい。  また、図１に示す磁壁利用型アナログメモリ素子１００ではさらに、磁壁駆動層１と下部電極層４の間に高抵抗層７を備えている。高抵抗層７は磁壁駆動層１よりも電気抵抗率が高い層である。なお、高抵抗層７は、磁壁駆動層１の磁壁を駆動する際に、電流が下部電極層４に流れることで磁壁の駆動が阻害されることを防止する層であり、上記防止機能を奏する材料であれば、高抵抗層７の材料に特に制限はない。非磁性の材料でもよい。高抵抗層７は、トンネルバリア層であってもよい。従って、高抵抗層７は、トンネル電流を流すことができる絶縁材料であってもよい。  図１において、各層の積層方向すなわち、各層の主面に直交する方向（面直方向）をＺ方向として定義している。各層はＺ方向に直交するＸＹ面に平行に形成されている。  なお、磁化固定層とは、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）層の意味であり、それを満たす層であれば、特に限定なく用いることとができる。
【００２５】  磁壁駆動層１は強磁性体材料からなる磁化自由層であり、その磁化の向きは反転可能である。磁壁駆動層１は、磁壁を有し、磁壁を貫通する方向（Ｘ方向）に閾値以上の電流を流すことにより、磁壁駆動層１のドメイン（磁区）中で生成されたスピン偏極電流によって、磁壁を伝導電子が流れる方向に移動させることができる。
【００２６】  第１磁化供給層２、第２磁化供給層３および磁化固定層５はいずれも、磁化が固定された強磁性体材料からなる層（強磁性層）である。第１磁化供給層２及び第２磁化供給層３は、磁壁駆動層１を挟んで磁化固定層５と対向するように配置されている。また、第１磁化供給層２及び第２磁化供給層３は、磁壁駆動層１と磁気的に結合している。データ書き込み時は書き込み電流が磁壁駆動層１の一端から他端に流される。
【００２７】  図１において、矢印Ｍ１、矢印Ｍ２および矢印Ｍ３は各層の磁化の向きを示しており、矢印Ｍ４および矢印Ｍ５はそれぞれ、磁壁駆動層１のうち、磁壁ＤＷを境界として第１磁化供給層２側の部分の磁化の向き、磁壁ＤＷを境界として第２磁化供給層３側の部分の磁化の向きを示す。  図１に示す例では、磁壁駆動層１、第１磁化供給層２、第２磁化供給層３および磁化固定層５は、面内磁気異方性（面内磁化容易軸）を有する面内磁化膜であるが、図２に示すように、それらの層は垂直磁気異方性（垂直磁化容易軸）を有する垂直磁化膜であってもよい。面内磁化膜を形成しやすい材料としては例えば、ＮｉＦｅがある。また、垂直磁化膜を形成しやすい膜としては例えば、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜がある。  面内磁化膜を用いると、高いＭＲ比を有し、読み込み時にＳＴＴによる書き込みがされ難いために大きな読み取り電圧を用いることができる。一方、素子を微小化したい場合には磁気異方性が大きく、反磁界が小さい、垂直磁化膜を用いることが好ましい。熱擾乱に対する耐性が大きいため、データが消去されにくくなる。
【００２８】  以下、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子が安定的にデータを書き込み、かつ読み出すことができる原理を説明する。  本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子は従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭの各素子に比べて、読み込み時における磁壁の移動が劇的に抑制されているため、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭでは実現できなかった安定したアナログ的信号出力を得ることが可能な素子である。  そこでまず、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭについて説明する。
【００２９】  ＭＲＡＭ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する磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える。磁気抵抗効果素子は例えば、非磁性層を介して２層の強磁性層が積層された積層構造を有する。２層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）である。磁気抵抗効果素子の電気抵抗の値は、磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが反平行であるときの方が、それらの向きが平行であるときよりも大きい。ＭＲＡＭのメモリセルである磁気抵抗効果素子では、上記電気抵抗の値の差を利用して磁化が平行の状態をデータ“０”に、反平行の状態をデータ“１”に対応づけることにより、データを不揮発的に記憶される。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子を貫通するように（積層構造を貫くように）読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、スピン偏極電流を流して磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
【００３０】  現在主流のデータの書き込み方式として、スピントランスファートルク（Spin Transfer Torque）を利用した「ＳＴＴ方式」が知られている。ＳＴＴ方式では、磁化自由層にスピン偏極電流が注入され、スピン偏極電流を担う伝導電子のスピンと磁化自由層の磁気モーメントとの間の相互作用によって、磁化自由層にトルクが発生し、トルクが十分大きい場合に磁化が反転する。磁化の反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。
【００３１】  また、ＳＴＴ方式として、磁気抵抗効果素子を貫通するように書き込み電流を流す方式（例えば、特許文献１）と、磁気抵抗効果素子を貫通させず、磁化自由層の面内方向に書き込み電流を流す方式（例えば、特許文献４）とが知られている。  前者の方式では、磁化固定層と同じスピン状態を有するスピン偏極電子が磁化固定層から磁化自由層へ供給される、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれる。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。上記のように、磁気抵抗効果素子を貫通する書き込み電流の方向により、磁化自由層の磁化方向を規定することができる。なお、前者の方式の磁気抵抗効果素子を複数備える磁壁駆動型磁気メモリは、磁壁駆動型ＭＲＡＭと呼ばれる。
【００３２】  一方、後者の方式について図３を参照して説明する。図３は、従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図であり、図１に示した磁壁利用型アナログメモリ素子の構成と比較すると、下部電極層４及び高抵抗層７を有しない点が異なる。
【００３３】  図３に示す従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子において、データの書き込みは磁化自由層１１内に形成される磁壁ＤＷを移動させることによって行われる。磁化自由層１１は磁化が互いに略反平行に固定された第１領域１１ａと第２領域１１ｂと、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとの間に位置する第３領域１１ｃを有し、第３領域１１ｃの磁化は第１領域１１ａか第２領域１１ｂのいずれかと略平行方向となる。このような磁化状態の制約によって、磁化自由層１１内には磁壁が導入される。磁壁は、磁化自由層１１内に電流を流すことによって位置を移動させることができる。  例えば、図４Ａの点線で示す向きに、第２磁化供給層３から磁化自由層１１へさらに第１磁化供給層２へと電流を流すと、伝導電子は電流の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第１磁化供給層２から電子が磁化自由層１１へ入ると、電子は第１磁化供給層２及び磁化自由層１１の第１磁化供給層２と磁気結合したドメインの磁化の向きに対応したスピン偏極電子となる。スピン偏極電子が磁壁に到達すると、磁壁においてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁に対してスピントランスファーを起こし、磁壁は伝導電子の流れる向きと同じ向きに移動する。同様に、図４Ｂの点線で示す向きに、第１磁化供給層２から磁化自由層１１へさらに第２磁化供給層３へと電流を流すと、伝導電子は電流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３から、電子が磁化自由層１１へ入ると、電子は第２磁化供給層３及び磁化自由層１１の第２磁化供給層３と磁気結合したドメインの磁化の向きに対応したスピン偏極電流となる。スピン偏極電子が磁壁に到達すると、磁壁においてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁に対してスピントランスファーを起こし、磁壁は伝導電子の流れる向きと同じ向きに移動する。  このような磁壁の移動により、磁化自由層１１のうち、磁化固定層５の直下の部分の磁化を磁化固定層５の磁化の向きと平行の状態にしたり、あるいは、反平行の状態にすることができる。従って、“０”状態と“１”状態との間での情報の書き換えが可能である。  データの読み出しは、非磁性層６を介した磁化固定層５と磁化自由層１１との間で電流を流し、磁化固定層５の磁化と磁化自由層１１の磁化との相対角に応じた抵抗の変化を検出することで行う。磁化自由層１１のうち、磁化固定層５の直下の部分の磁化を磁化固定層５の磁化の向きと平行の状態のときは低抵抗であり、一方、反平行の状態のときは高抵抗である。このような抵抗の変化を検知することにより、データが判別される。
【００３４】  従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭにおいては、データの書き込み電流は磁気抵抗効果素子（図３における、非磁性層６を介した磁化固定層５及び磁化自由層１１からなる積層構造）を貫通せず、磁化自由層の面内方向（積層方向に平行な方向）に流す（図４Ａ及び図４Ｂ参照）。一方、データの読み出し電流は、図５の１点鎖線で示すように、磁気抵抗効果素子（非磁性層６を介した磁化固定層５及び磁化自由層１１からなる積層構造）を積層方向に貫通し、その後、書き込み電流が流れる経路の一部を流れる（例えば、特許文献５参照）。すなわち、読み出し電流の経路は、書き込み電流の経路と一部が重なる。  上記のように、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭの構成においては、読み出し時に、磁壁駆動層（磁化自由層）の磁壁駆動の方向（面内方向）に電流を流す必要がある。そのため、得られる出力信号は最終的には０か１のデジタルの信号になる。また、平面視して、磁壁駆動層（磁化自由層）と磁気抵抗効果素子部とが重なる部分よりも外側に磁壁移動が完了していないと、読み込み時に磁壁が移動して誤書き込みや読み出し初期時の信号が変化する。
【００３５】  これに対して、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子は、平面視して磁気抵抗効果素子を構成する磁化固定層に重なる位置に下部電極層を備える。そのため、読み出し電流は、図６において２点鎖線で示すように、磁壁駆動層（磁化自由層）を面直方向に流れる。従って、読み出し電流は磁壁駆動層の磁壁駆動の方向（面内方向）に流れることがないため、読み込み時の磁壁の移動が抑制できる。また、読み出し電流が流れる磁壁駆動層の距離が短いため、磁気ノイズを低減できる。
【００３６】  図７は、磁壁ＤＷが平面視して、磁化固定層５及び非磁性層６と下部電極層４との間の部分１ｃＡに位置した場合を示す断面模式図である。図７においては、トンネルバリア層７と下部電極層４を省略している。  磁壁ＤＷは、磁壁駆動層１の面内方向に書き込み電流（スピン偏極電流）を流すことによって移動させることができる。  磁壁ＤＷの移動方向は、書き込み電流（スピン偏極電流）の流す方向によって設定することができる。すなわち、磁壁ＤＷを−Ｘ方向に移動させたいときには、スピン偏極した電子の流れが磁壁ＤＷの右方向から当たるように、Ｘ方向に書き込み電流（スピン偏極電流）を流す（図４Ｂ参照）。逆に、磁壁ＤＷをＸ方向に移動させたいときには、スピン偏極した電子の流れが磁壁ＤＷの左方向から当たるように、−Ｘ方向に書き込み電流（スピン偏極電流）を流す（図４Ａ参照）。  また、磁壁ＤＷの移動量（移動距離）は、書き込み電流の大きさ、時間を調整することによって可変に制御することができる。書き込み電流の大きさ、時間は例えば、パルス数あるいはパルス幅によって設定してもよい。  上記のように、書き込み電流（スピン偏極電流）の流す方向、大きさ、時間、パルス数あるいはパルス幅を調整することによって、磁壁駆動層１中の磁壁ＤＷの位置を所望の位置に移動できる。
【００３７】  磁化固定層５及び非磁性層６が平面視して同じサイズであって、かつ、そのＸ方向の幅Ｗが下部電極層のＸ方向の幅と同じ場合には、磁化固定層５と、非磁性層６と、磁壁駆動層１のうち実質的には平面視して磁化固定層５及び非磁性層６と重なる部分１ｃＡとによって磁気抵抗効果素子１０（以下、「磁気抵抗効果素子部」ということがある）が形成される。磁気抵抗効果素子部１０において、磁壁ＤＷの位置によって抵抗値は変わる。  磁壁ＤＷが図７で示す位置にあるときは、磁気抵抗効果素子部１０は、磁化固定層５と、非磁性層６と、磁壁駆動層１のうちの磁壁ＤＷから第２磁化供給層３側の部分（磁化の向きが磁化固定層５の磁化の向きと平行な部分）１ｃｂとによって形成される低抵抗部と、磁化固定層５と、非磁性層６と、磁壁駆動層１のうちの磁壁ＤＷから第１磁化供給層２側の部分（磁化の向きが磁化固定層５の磁化の向きと反平行な部分）１ｃａとによって形成される高抵抗部との並列回路を備える。  上記構成によって、磁気抵抗効果素子部１０の抵抗値としてアナログ的な抵抗値を出力できる。また、磁壁ＤＷの位置を複数の位置に設定することにより、その数に応じた多値的な抵抗値を出力できる。
【００３８】  図８は、磁化固定層５の磁化の向きと平行な部分１ｃｂの面積（磁壁ＤＷの位置に対応）の割合と磁気抵抗効果素子部１０の抵抗値との関係を概念的に示すグラフである。
【００３９】  従来、磁壁駆動層中の磁壁の位置を所望の位置に移動することによって、多値的な抵抗値あるいはアナログ的な抵抗値を設定する方法はあったが、それを安定的に読み出す方法がなかった。  本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子では、磁化固定層５の直下に読み出し電流が通る下部電極層を設けることにより、読み出し電流を、磁壁駆動層を垂直方向に流すことを可能にした。すなわち、読み出し電流（スピン偏極した電子の流れ）を磁壁と平行する方向を流すことにより、読み出し時の磁壁への影響を従来技術に比べて劇的に低減することができる。その結果、従来技術に比べて安定な読み出しが可能である。
【００４０】  磁壁駆動層１の材料には、磁化自由層に用いることができる公知の材料を用いることができる。特に軟磁性材料を適用できる。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。
【００４１】  磁壁駆動層１の長さ、すなわち、第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域を合わせた長さは６０ｎｍ以上であることが好ましい。６０ｎｍ未満では単磁区になりやすく、磁壁を有しない場合があるからである。
【００４２】  磁壁駆動層１の厚さは磁壁駆動層として機能する限り、特に制限はないが、例えば、２〜６０ｎｍとすることができる。磁壁駆動層１の厚さが６０ｎｍ以上になると、積層方向に磁壁が出来る可能性がある。しかしながら、積層方向に磁壁が出来るか否かは磁壁駆動層の形状異方性とのバランスによって生じるため、磁壁駆動層１の厚さが６０ｎｍ未満である限りでは磁壁ができることはない。
【００４３】  磁壁駆動層１は、層の側面に磁壁の移動を止める磁壁ピン止め部を有してもよい。磁壁ピン止め部の具体的な構成としては公知の構成、例えば、凹凸、溝、膨らみ、くびれ、切り欠きなどを用いることができる。このような磁壁ピン止め部を備えることにより、磁壁を止める（ピンする）ことができ、閾値以上の電流を流さないとそれ以上磁壁が移動されない構成とすることができる。上記構成によって、出力信号をアナログ的ではなく、多値化することができる。  例えば、磁壁ピン止め部を所定の距離ごとに形成することにより、磁壁をより安定的に保持することができ、安定的な多値記録を可能にし、より安定的に多値化された出力信号を読み出すことを可能にする。
【００４４】  磁化固定層５の材料には、磁化固定層に用いることができる公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
【００４５】  また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、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族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００４６】  さらに、磁化固定層５は反強磁性層、強磁性層、非磁性層から成るシンセティック構造であってもよい。シンセティック構造において磁化方向は反強磁性層によって磁化方向が強く保持されているため、外部からの影響を受けにくい磁化固定層として機能させることができる。
【００４７】  さらに磁化固定層５の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、磁化固定層５は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。
【００４８】  磁化固定層５の磁化が一方向に固定され、磁壁駆動層１（より正確には、磁化固定層５及び非磁性層６と下部電極層４とに挟まれた部分１ｃＡ）の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部１０として機能する。磁化固定層５の磁化の方法は公知の方法を用いることができる。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭのように用いる場合には、磁化固定層の保持力は磁壁駆動層１の保磁力よりも大きい。また、交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭのように用いる場合には、磁化固定層５では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。  また、磁気抵抗効果素子部１０は、非磁性層６が絶縁体からなる場合はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子の役割を果たし、非磁性層６が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子の役割を果たす。
【００４９】  非磁性層６の材料としては、非磁性層に用いることができる公知の材料を用いることができる。  例えば、非磁性層６が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、ＭｇＧａ２Ｏ４、ＺｎＧａ２Ｏ４、ＭｇＩｎ２Ｏ４、ＺｎＩｎ２Ｏ４、及び、これらの材料の多層膜や混合組成膜等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。  また、非磁性層６が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
【００５０】  図１１に示したように、磁壁駆動層１と非磁性層６の間に磁気結合層８が設置されていても良い。磁壁駆動層１の主たる機能は磁壁を駆動させる層であり、磁化固定層５と非磁性層６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６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５や磁気結合層８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５や磁気結合層８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。
【００５１】  図１２に示したように、磁壁駆動層１のうち、平面視して磁化固定層５に重なる部分の厚さが他の部分よりも厚くても良い。磁壁が非磁性層６の下部を移動する際、磁壁の断面積が増大するため電流密度が減少し、磁壁の駆動速度が遅くなる。これによって、出力のアナログ値を制御しやすくすることができる。また、このような構造を作成する場合、磁壁駆動層１、非磁性層６及び磁化固定層５を連続成膜で作成し、余計な部分を削り取ることによって形成することができる。連続成膜を実施した場合には接合する層の間の結合が強くなり、より効率の高い磁気結合や出力を得ることができる。
【００５２】  本実施形態が備える磁気抵抗効果素子部１０としては、公知の磁気抵抗効果素子の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層を備えていてもよいし、磁化固定層５の磁化方向を固定する反強磁性層等の他の層を備えてもよい。
【００５３】  下部電極層４の形状は、磁壁を動かすことにつながる読み込み電流（スピン偏極電流）の水平成分が出ないように、平面視して、磁化固定層５と同じサイズであることが好ましいが、同じサイズでなくても従来の磁壁駆動型磁気抵抗効果素子に比べて効果を発揮する。例えば、平面視して、下部電極層４と磁化固定層５との重なり程度が５０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、１００％であることがさらに好ましい。  例えば、下部電極層４と磁化固定層５との重なり程度が１００％以外である場合、読み出し時に磁壁が移動する可能性がある。読み出し時に磁壁が移動するか否かは、下部電極層４と磁化固定層５との重なりの位置と読出し電流の向きに依存する。
【００５４】  下部電極層４の材料としては、電極材料として用いられる公知の材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
【００５５】  高抵抗層７が絶縁材料の場合、高抵抗層７の厚さは、書き込み電流が下部電極層４に流れ込まないように０．８ｎｍ以上にすることが好ましい。一方、読み込み動作における影響を無視できる程度にするには、書き込み電流を下部電極層４に流れ込ませない観点から、２ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００５６】  高抵抗層７の材料としては、磁壁駆動層１の磁壁を駆動する際に、磁壁駆動のための電流が下部電極層４に流れることを抑制する（実質的に防止する）ことができる層であれば、特に制限はない。高抵抗層７はトンネルバリア層であってもよく、トンネルバリア層に用いることができる公知の絶縁材料を用いることができる。例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。また上記の他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。高抵抗層７の材料は、磁壁駆動層１よりも少なくとも抵抗率が高ければ機能する。例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅやＧｅなどの半導体や、ビスマス、ニクロムなどの金属でも良い。
【００５７】  磁化固定層５のＸ方向の端部と、第１磁化供給層２及び第２磁化供給層３のＸ方向の端部との間の距離は任意に設計することができる。磁壁駆動層１における磁壁は、第１磁化供給層２及び第２磁化供給層３と接する磁化固定層５に近い端部が最大の可動範囲を有する。これは第１磁化供給層２及び第２磁化供給層３と磁壁駆動層１が磁気的に結合しており、磁壁を駆動動作させても、磁壁駆動層１における通電を止めると端部で磁壁が安定するからである。また、端部から磁壁が移動し、磁化固定層５の端部まで移動するまでの間は読出し出力に影響しない。
【００５８】（磁壁利用型アナログメモリ）  本実施形態の磁壁利用型アナログメモリは、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備える。
【００５９】  図９に、磁壁利用型アナログメモリ中のセルの要部の断面模式図を示す。  図１等で示した磁壁利用型アナログメモリ素子１００は、第１磁化供給層２及び第２磁化供給層３のそれぞれには第１配線１１、第２配線１２が接続されている。また、磁化固定層５には第３配線１３に接続され、さらに、下部電極層４には第４配線１４が接続されている。符号１５は、層間絶縁層である。
【００６０】  図１０に、本実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ１０００の回路構造の一例を模式的に示した図である。  第１制御素子１５は、複数の磁壁利用型アナログメモリ素子１００のそれぞれの第２配線１２を介して磁壁駆動層１に接続されている。第１制御素子１５は、図示略の外部電源に接続され、磁壁駆動層１に流す電流を制御する。  第１セル選択素子１６は、複数の磁壁利用型アナログメモリ素子１００のそれぞれの第１配線１１を介して磁壁駆動層１に接続されている。第１セル選択素子１６は、一つの磁壁利用型アナログメモリ素子１００に対して一つ設けられている。第１セル選択素子１６は、いずれの磁壁利用型アナログメモリ素子１００に書き込み電流を流すかを制御する。第１セル選択素子１６は、接地されている。  第２制御素子１７は、第３配線１３に接続されている。  第２制御素子１７は、図示略の外部電源に接続され、第３配線１３に流す電流を制御する。  第２セル選択素子１８は、複数の磁壁利用型アナログメモリ素子１００のそれぞれの第４配線１４を介して下部電極層４に接続されている。第２セル選択素子１８は、一つの磁壁利用型アナログメモリ素子１００に対して一つ設けられている。第２セル選択素子１８は、いずれの磁壁利用型アナログメモリ素子１００に読み出し電流を流すかを制御する。第２セル選択素子１８は、接地されている。
【００６１】  第１制御素子１５、第２制御素子１７、第１セル選択素子１６及び第２セル選択素子１８は、公知のスイッチング素子を用いることができる。例えば、電界効果トランジスタ等に代表されるトランジスタ素子等を用いることができる。
【００６２】  第１配線１１、第２配線１２、第３配線１３および第４配線１４は、通常の配線の材料として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
【００６３】  以下、図１０を用いて、磁壁利用型アナログメモリ１０００による書込み動作及び読出し動作について説明する。
【００６４】  書き込み動作は、第１制御素子１５と第１セル選択素子１６とによって書き込みを制御する。
【００６５】  まず、第１制御素子１５を開放（接続）し、開放する第１セル選択素子１６を選択する。第１制御素子１５は外部電源に接続され、第１セル選択素子１６は接地されている。そのため、第１制御素子１５、第２配線１２、第２磁化供給層３、磁壁駆動層１、第１配線１１、選択された第１セル選択素子１６の順に書き込み電流が流れる。電流を逆に流す場合の説明は省略する。
【００６６】  読み込み動作は、第２制御素子１７と第２セル選択素子１８とによって読み込みを制御する。
【００６７】  まず、第２制御素子１７を開放（接続）し、開放する第２セル選択素子１８を選択する。第２制御素子１７は外部電源に接続され、第２セル選択素子１８は接地されている。そのため、第２制御素子１７、第３配線１３、磁化固定層、非磁性層６、磁壁駆動層１、下部電極層４、選択された第２セル選択素子１８の順に読み込み電流が流れる。電流を逆に流す場合の説明は省略する。  第２制御素子１７及び第２セル選択素子１８は読み出し機構として機能する。
【００６８】  本実施形態の磁壁利用型アナログメモリは、第１磁化供給層２又は第２磁化供給層３のいずれか一方にバイポーラ素子が接続された構成としてもよい。このような構成により、電流の向きを変えることで任意の方向に磁壁を移動することができる。
【００６９】  本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子及び磁壁利用型アナログメモリは、従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子およびそのような磁気抵抗効果素子を各セルに備えた磁壁駆動型磁気メモリと比較すると、主な構造の違いは、下部電極層（及びトンネルバリア層）を備えることだけであり、公知の製造方法を用いて製造することができる。
【００７０】（不揮発性ロジック回路）  本実施形態の不揮発性ロジック回路は、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子がアレイ状に配置された磁壁利用型アナログメモリと、ＳＴＴ−ＭＲＡＭとを備え、記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として上記磁壁利用型アナログメモリ及びＳＴＴ−ＭＲＡＭを備える。  磁壁利用型アナログメモリと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がアレイ上に配置された磁壁利用型アナログメモリ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。
【００７１】（磁気ニューロン素子）  図１３は、本実施形態の一実施形態に係る磁気ニューロン素子の一例の断面模式図である。  本実施形態の磁気ニューロン素子は、本実施形態の磁壁利用型アナログメモリ素子を備え、磁壁駆動層１の第３領域１ｃが長手方向に並ぶ、第１記憶部２１ｂと第１記憶部２１ｂを挟む第２記憶部２１ａおよび第３記憶部２１ｃとを有する。また、磁気ニューロン素子は、第１記憶部２１ｂ、第２記憶部２１ａおよび第３記憶部２１ｃ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ように制御可能な制御回路を有する、電流源（図示略）を備えている。  第１記憶部２１ｂは、磁壁駆動層１の第３領域１ｃのうち、平面視して磁化固定層５と重なる部分であり、第２記憶部２１ａは、平面視して磁化固定層５と第１磁化供給層２との間の部分（磁化固定層５及び第１磁化供給層２に重ならない部分）であり、第３記憶部２１ｃは、平面視して磁化固定層５と第２磁化供給層３との間の部分（磁化固定層５及び第２磁化供給層３に重ならない部分）である。
【００７２】  本実施形態の磁壁利用型アナログメモリは、シナプスの動作を模擬する素子である磁気ニューロン素子として利用することができる。シナプスでは外部からの刺激に対して線形な出力を持つことが好ましい。また、逆向きの負荷が与えられた際にはヒステリシスがなく、可逆することが好ましい。図８に示したように、磁壁の駆動（移動）によって、磁化固定層５と磁壁駆動層１のそれぞれの磁化方向が平行な部分の面積が、連続的に変化する。すなわち、磁化固定層５と磁壁駆動層１のそれぞれの磁化方向が平行な部分の面積と反平行な部分の面積とによる並列回路が形成される。図８の横軸は磁壁の駆動距離と見なすことができ、比較的線形な抵抗変化を示すことができる。また、磁壁の駆動は電流の大きさと印可される電流パルスの時間に依存して駆動することができるため、電流の大きさと向き、さらに、印可される電流パルスの時間を外部からの負荷として見なすことができる。
【００７３】（記憶の初期段階）  例えば、磁壁駆動層１の磁壁が−Ｘ方向に最大に移動した場合、磁壁は第１磁化供給層２の磁化固定層５側の端部２１ａＡで安定化する。電流を第２磁化供給層３から第１磁化供給層２に流すと、電子が第１磁化供給層２から第２磁化供給層３に流れ、第１磁化供給層２及び磁壁駆動層１１の内部でスピン偏極した電子が磁壁にスピントランスファーを起こし、磁壁が＋Ｘ方向に移動する。磁壁が磁化固定層５の第１磁化供給層２側の端部２１ａＢに達するまでは磁壁が移動しても、読出しの抵抗が変化しない。この状態を記憶の初期段階と呼ぶことができる。すなわち、第２記憶部２１ａ内に磁壁が配置する場合を記憶の初期段階と呼ぶことができる。記憶の初期段階ではデータとしての記録がされていないが、データを記録する準備が整えられている状態である。
【００７４】（主記憶段階）  磁壁が磁化固定層５の下部（平面視して重なる部分）を通過している間は図８のように読出し時の抵抗が変化する。電流を第２磁化供給層３から第１磁化供給層２に流すことで外部からの負荷とし、読出し時には負荷に略比例したような抵抗変化となる。これが主記憶段階である。すなわち、第１記憶部２１ｂ内に磁壁が配置する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶことができる。磁壁が磁化固定層５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、磁壁が逆側の磁化固定層５の端部より外側にいる状態を無記憶、あるいは、記憶と定義することができる。当然、第２磁化供給層３と第１磁化供給層２の間に流れる電流を逆向きにすると、逆の作用となる。
【００７５】（記憶の深層化段階）  磁壁が磁化固定層５の第２磁化供給層３側の端部２１ｃＢに達して、磁化固定層５から離れる方向に移動しても読み込み時の出力は変化しない。しかし、磁壁は磁化固定層５から離れてしまった後は、逆向きの負荷が印可されても、磁壁が磁化固定層５の端部２１ｃＢ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、外部からの負荷が与えられても記憶を失わないことを意味し、これを記憶の深層化段階と呼ぶことができる。すなわち、第３記憶部２１ｃ内に磁壁が配置する場合を記憶の深層化段階と呼ぶことができる。  第２磁化供給層３と第１磁化供給層２の間に流れる電流を逆向きにすると、記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階と各記憶部との対応は逆となる。
【００７６】  本実施形態の磁壁利用型アナログメモリをシナプスの動作を模擬する素子として用いて本実施形態の磁気ニューロン素子とするためには、磁壁の移動を記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階を順に経るように書き込み電流を流すことができる電流源を備えることを要する。すなわち、少なくとも第１記憶部、第２記憶部および第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流すように制御可能な制御回路を有する電流源（図示略）を備えることを要する。  書き込み電流の条件によって、第１記憶部、第２記憶部および第３記憶部のそれぞれを何回の移動で磁壁が通過し切るかを決めることができる。
【００７７】（記憶の忘却段階）  無記憶状態に磁壁駆動層１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。本実施形態の磁壁利用型アナログメモリで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１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ことができる。
【００７８】（磁気ニューロン素子を用いた人工的な脳）  本実施形態の磁気ニューロン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。本実施形態の磁壁利用型アナログメモリを複数回路上に設置し、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。  また、図１４に示したように特定の回路を持った複数の磁気ニューロン素子を一つの塊として、アレイさせた配置では、外部負荷からの認識度が異なる脳を形成することが可能である。例えば、色について感度の良い脳や言語の理解度が高い脳などの個性を生むことができる。つまり、外部のセンサから入手された情報を、視覚、味覚、触覚、嗅覚及び聴覚認識に最適化された五感領域で認識の処理を行い、さらに、論理的思考領域で判断することによって、次の行動を決定するというプロセスを形成させることが可能である。さらに、磁壁駆動層１の材料を変化させると、負荷に対する磁壁の駆動速度や磁壁の形成方法が変化するため、その変化を個性とした人工的な脳を形成することが可能となる。
【符号の説明】
【００７９】  １  磁壁駆動層  １ａ  第１領域  １ｂ  第２領域  １ｃ  第３領域  ２  第１磁化供給層  ３  第２磁化供給層  ４  下部電極層  ５  磁化固定層  ６  非磁性層  ７  トンネルバリア層  ８  磁気結合層  ２１ａ  第２記憶部  ２１ｂ  第１記憶部  ２１ｃ  第３記憶部  １００  磁壁利用型アナログメモリ素子  １０００  磁壁利用型アナログメモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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