CN108292704A - 自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件和磁存储器 - Google Patents

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件和磁存储器 Download PDF

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Abstract

该自旋流磁化反转元件包括：磁化方向可变的第一铁磁性金属层；和在与所述第一铁磁性金属层的法线方向即第一方向交叉的第二方向上延伸，并与所述第一铁磁性金属层(1)的第一面接合的自旋轨道转矩配线，自旋轨道转矩配线由与第一铁磁性金属层接合的纯自旋流产生部，和与第二方向的纯自旋流产生部(2A)的两端连接，并由电阻率比纯自旋流产生部小的材料形成的低电阻部构成，纯自旋流产生部以与第一方向正交的截面的面积随着在第一方向上远离与第一铁磁性金属层接合的接合面而连续地和/或阶梯地变大的方式而形成。

Description

自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件和磁存储器
技术领域
本发明涉及一种自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件和磁存储器。
本申请主张基于2015年11月27日在日本申请的特愿2015-232334号，2016年3月16日在日本申请的特愿2016-53072号，2016年3月18日在日本申请的特愿2016-56058号，2016年10月27日在日本申请的特愿2016-210531号，2016年10月27日在日本申请的特愿2016-210533号的优先权，并在此引用它们的内容。
背景技术
已知由铁磁性层和非磁性层的多层膜构成的巨磁阻(GMR)元件以及作为非磁性层使用了绝缘层(隧道势垒层，势垒层)的隧道磁阻(TMR)元件。一般而言，虽然TMR元件与GMR元件相比元件电阻较高，但是TMR元件的磁阻(MR)比比GMR元件的MR比大。因此，作为用于磁传感器、高频器件、磁头以及非易失性磁性随机存储器(MRAM)的元件，TMR元件备受关注。
作为MRAM的写入方式，已知有进行利用产生电流的磁场以写入(磁化反转)的方式，或者进行利用在磁阻元件的层叠方向上流通电流而产生的自旋转移矩(STT)以写入(磁化反转)的方式。
利用磁场的方式中，存在元件尺寸缩小时不能通过能够流通于细的配线的电流进行写入的问题。
对此，利用自旋转移矩(STT)的方式中，一个铁磁性层(固定层，参照层)使电流自旋极化，将其电流的自旋转变为另一个铁磁性层(自由层，记录层)的磁化，利用此时产生的转矩(STT)进行写入(磁化反转)，具有元件尺寸越小而写入所必须的电流越小的优点。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：I.M.Miron,K.Garello,G.Gaudin,P.-J.Zermatten,M.V.Costache,S.Auffret,S.Bandiera,B.Rodmacq,A.Schuhl,and P.Gambardella,Nature,476,189(2011).
发明内容
发明想要解决的技术问题
虽然从能量的效率的角度考虑使用了STT的TMR元件的磁化反转是高效的，但是用于进行磁化反转的反转电流密度高。从TMR元件的长寿命(耐用性的提高)的观点出发，优选该反转电流密度低。这一点，对于GMR元件也是相同的。
另外，为了在向TMR元件写入信息时引起磁化反转，有必要接通比读取时充分大的电流。从TMR元件的耐用性的观点出发，优选在向TMR元件写入信息时，对此TMR元件施加的电流越小越好。
因此，优选在TMR元件和GMR元件的任一者的磁阻效应元件中，降低在该磁阻效应元件流通的电流密度。
近年来，倡导利用了自旋轨道相互作用而生成的纯自旋流的磁化反转也能够应用(例如，非专利文献1)。通过自旋轨道相互作用而产生的纯自旋流能够引起自旋轨道转矩(SOT)，并且能够根据SOT的大小引起磁化反转。纯自旋流是通过向上自旋电子和向下自旋电子以相同数目彼此逆向地流动而产生的，由于电荷流被抵消因此作为纯自旋流流动方向的电流为零。如果仅利用该纯自旋流就能够使磁化反转，那么由于在磁阻效应元件中流动的电流为零，因此能够实现磁阻效应元件的长寿命化。或者，认为如果能够在磁化反转中也利用STT，并且，能够利用纯自旋流产生的SOT，那么能够将STT中使用的电流降低对应于利用由纯自旋流产生的SOT的部分，并能够实现磁阻效应元件的长寿命化。认为在利用STT和SOT两者的情况下，利用SOT的比例越高，也越能够实现磁阻效应元件的长寿命化。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供利用纯自旋流产生的磁化反转的自旋流磁化反转元件、使用了自旋流磁化反转元件的磁阻效应元件和磁存储器。
用于解决技术问题的技术方案
本发明为了解决上述技术问题，提供了以下手段。
(1)本发明的一个方式的自旋流磁化反转元件包括：磁化方向可变的第一铁磁性金属层；和在与所述第一铁磁性金属层的法线方向即第一方向交叉的第二方向上延伸，并与所述第一铁磁性金属层的第一面接合的自旋轨道转矩配线，所述自旋轨道转矩配线由与所述第一铁磁性金属层的第一面接合的纯自旋流产生部，和与所述第二方向上的该纯自旋流产生部的两端连接并由电阻率比该纯自旋流产生部小的材料构成的低电阻部构成，所述纯自旋流产生部以与所述第一方向正交的截面的面积随着在所述第一方向远离与所述第一铁磁性金属层接合的接合面而连续地和/或阶梯地变大的方式而形成。
(2)上述(1)中记载的自旋流磁化反转元件中，与所述纯自旋流产生部的一端连接的所述低电阻部可以和与所述纯自旋流产生部的另一端连接的所述低电阻部分离。
(3)上述(1)或者(2)的任一中记载的自旋流磁化反转元件中，所述纯自旋流产生部的所述接合面可以包含于与所述第一铁磁性金属层的第一面重叠的区域。
(4)上述(1)～(3)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，所述纯自旋流产生部与所述低电阻部的边界的至少一部分可以与所述第一铁磁性金属层的所述第一面相接。
(5)上述(1)～(4)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，所述低电阻部可以由夹着所述纯自旋流产生部而隔开的第一低电阻部和第二低电阻部构成。
(6)上述(1)～(5)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，还可以具备绝缘层，其与所述自旋轨道转矩配线与所述第一铁磁性金属层接合的面的相反侧的面接合。
(7)上述(1)～(6)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，所述自旋轨道转矩配线的宽度与所述第一铁磁性金属层的宽度可以相同。
(8)上述(1)～(7)中任一项所述的自旋流磁化反转元件中，所述纯自旋流产生部可以包含具有d电子或者f电子的原子序数为39以上的非磁性金属，并且所述纯自旋流产生部的电阻率比所述低电阻部的电阻率大2倍以上。
(9)本发明的一个方式的磁阻效应元件包括：上述(1)～(8)中任一项所述的自旋流磁化反转元件；磁化方向固定的第二铁磁性金属层；以及被所述第一铁磁性金属层与所述第二铁磁性金属层所夹持的非磁性层。
(10)本发明的一个方式的磁存储器包括多个上述(9)记载的磁阻效应元件。
发明效果
根据本发明的自旋流磁化反转元件，能够提供一种利用纯自旋流的磁化反转的自旋流磁化反转元件。
附图说明
图1是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的一个实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图2是对自旋空穴(hole)效果进行说明的示意图。
图3是用于说明本发明的原理的概念图。
图4是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图5是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图6是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图7是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图8是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图9是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图10是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图11是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图，(c)是截面图。
图12是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图13是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是截面图。
图14是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是俯视图。
图15是用于说明本发明的自旋流磁化反转元件的另一实施方式的示意图，(a)是俯视图，(b)是俯视图。
图16是示意性地表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的立体图。
图17是示意性地表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件的立体图。
符号说明
1、11 第一铁磁性金属层
2、12、22、32、42、52、62、72、82、92 自旋轨道转矩配线
2A、12A、22A、32A、42A、52A、62A、72A、82A、92A 纯自旋流产生部
2B、12B、22B、32B、42B、52B、62B、72B、82B、92B 低电阻部
100 磁阻效应元件
101 第一铁磁性金属层
102 非磁性层
103 第二铁磁性金属层
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明进行详细地说明。为使本发明的特征容易理解，为方便，以下的说明中使用的附图有时将作为特征的部分进行放大表示，各构成要素的尺寸比例等与实际有所不同。以下的说明中所例示的材料、尺寸为一个例子，本发明不限于这些，可以在起到本发明的效果的范围内进行适当地改变。本发明的元件中也可以在起到本发明的效果的范围内具备另外的层。
(自旋流磁化反转元件)
本发明的自旋流磁化反转元件具备：磁化方向变化的(可变的)第一铁磁性金属层；和自旋轨道转矩配线，其在与作为第一铁磁性金属层的法线方向的第一方向交叉的第二方向上延伸，并与第一铁磁性金属层的第一面接合，自旋轨道转矩配线由与第一铁磁性金属层接合的纯自旋流产生部和电阻率比纯自旋流产生部小的材料构成的低电阻部构成，纯自旋流产生部以与第一方向正交的截面的面积随着在第一方向远离与第一铁磁性金属层接合的接合面而连续地和/或阶梯地增大的方式而形成。
在此，“连续地和/或阶梯地增大”包含“连续地增大”的情况、“阶梯地增大”的情况和“连续地增大的部分和阶梯地增大的部分”的情况。“连续地增大”的情况是逐渐增大的情况，增大程度没有特殊限制(参照图1、图4～图8、图12、图13)。“阶梯地增大”的情况是规定的大小多次阶梯地增大的情况(参照图10)。“具有连续地增大的部分和阶梯地增大的部分”的情况，是指连续地增大的部分和阶梯地增大的部分的配置顺序没有特殊限制，另外各部分的个数也没有限制，但是在远离与第一铁磁性金属层接合的接合面的方向上，远侧的该截面积与近侧的该截面积相同或者大于的情况(参照图9、图11)。作为“具有连续地增大的部分和阶梯地增大的部分”的情况的例子，远离接合面为如下构成：首先截面积有一定大小的部分、之后连接连续地增大的部分(参照图9)。
自旋轨道转矩配线层与第一铁磁性金属层的接合，可以为“直接”进行接合，也可以为如后面所述的保护层那样的“经由另一层”进行接合，如果是在自旋轨道转矩配线中产生的纯自旋流流入第一铁磁性金属层的构成，那么不限定自旋轨道转矩配线与第一铁磁性金属层的接合(连接或者结合)的方式。
图1中示出本发明的一个实施方式所涉及的自旋流磁化反转元件的一个例的示意图。图1(a)是俯视图，图1(b)是沿图1(a)的自旋轨道转矩配线2的宽度方向的中心线X-X线切割的截面图。
图1所示的自旋流磁化反转元件10具备：具有第一面1a和该第一面1a的相反侧的第二面1b、磁化方向变化的第一铁磁性金属层1；和自旋轨道转矩配线2，其在与作为第一铁磁性金属层1的法线方向的第一方向(z方向)交叉的第二方向(x方向)上延伸，并与第一铁磁性金属层1的第一面1a接合，自旋轨道转矩配线2由与第一铁磁性金属层1接合的纯自旋流产生部2A和电阻率比纯自旋流产生部2A低的材料构成的低电阻部2B构成，纯自旋流产生部2A以与第一方向正交的截面的面积随着在第一方向上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa而连续地变大的方式而形成。即，纯自旋流产生部2A以与第一方向(z方向)正交的任一截面的面积(例如，CS1、CS2)比与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa的截面积(接合面积)CS0小的方式而形成。换而言之，纯自旋流产生部2A以与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa的截面积(接合面积)CS0在与第一方向正交的截面的面积中成为最小的方式而形成。
此外，图1(b)中，符号CS0、CS1、CS2所表示的虚线箭头的长度示意地表示截面积的大小。将与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa的接合面积CS0表示在远离的位置，仅仅是为了图示上的方便。
从图1(a)到图1(b)延伸的4条虚线中，内侧的2条虚线表示纯自旋流产生部2A的与第一铁磁性金属层1的接合面2Aa的x方向上的长度，外侧的2条虚线表示纯自旋流产生部2A的与第一铁磁性金属层1的接合面2Aa的相反侧的面2Ab的x方向上的长度。
以下，将第一铁磁性金属层1的法线方向或者第一铁磁性金属层1与自旋轨道转矩配线2层叠的方向(第一方向)作为z方向，将与z方向垂直并且与自旋轨道转矩配线2平行的方向(第二方向)作为x方向，将与x方向和z方向正交的方向(第3方向)作为y方向。
以下，包含图1，作为自旋轨道转矩配线在与作为第一铁磁性金属层的法线方向的第一方向交叉的方向上延伸的结构的例子，针对在与第一方向正交的方向上延伸的结构的情况进行说明。
对于本发明的自旋流磁化反转元件，即，利用由纯自旋流得到的SOT效果进行铁磁性金属层的磁化反转的元件，可以在利用现有的STT的磁阻效应元件中作为铁磁性金属层的磁化反转的辅助机构或者主要机构使用，也可以在仅利用由纯自旋流得到的SOT进行铁磁性金属层的磁化反转的新型的磁阻效应元件中使用。
＜自旋轨道转矩配线＞
自旋轨道转矩配线2由通过电流流动时会通过自旋空穴效果而生成纯自旋流的材料构成。本发明的自旋轨道转矩配线2由与第一铁磁性金属层1接合的纯自旋流产生部2A，和与第二方向的纯自旋流产生部2A的两端连接并且电阻比纯自旋流产生部2A小的材料构成的低电阻部2B构成。
自旋空穴效果是基于在材料中流过电流时自旋轨道相互作用、在与电流的方向正交的方向上引起纯自旋流的现象。
图2是用于对自旋空穴效果进行说明的示意图。图2是将图1所示的自旋轨道转矩配线2沿x方向切断的截面图。根据图2，对利用自旋空穴效果生成有纯自旋流的机制进行说明。
如图2所示，在自旋轨道转矩配线2的延伸方向上流通电流I时，取向于-y方向(纸面跟前侧)的第一自旋S1和取向于+y方向(纸面深侧)的第二自旋S2分别被弯曲到与电流正交的方向。通常的空穴效果与自旋空穴效果在运动(移动)的电荷(电子)运动(移动)方向被弯曲这一点上相同，但是，通常的空穴效果中，在磁场中运动的电荷粒子受到洛伦兹力而运动方向被弯曲；相对于此，自旋空穴效果中，即使不存在磁场而仅通过电子移动(仅流通电流)而移动方向被弯曲这一点上大不相同。
非磁性体(不是铁磁性体的材料)中，第一自旋S1的电子数与第二自旋S2的电子数相等，因此，在图中向上方向的第一自旋S1的电子数与向下方向的第二自旋S2的电子数相等。因此，作为净电荷流的电流为零。该不伴随有电流的自旋流被特别地称作纯自旋流。
在铁磁性体中流过电流的情况下，第一自旋S1和第二自旋S2被弯曲到相互相反的方向上这一点是相同的。而另一方面，是铁磁性体中第一自旋S1和第二自旋S2的任一者较多的状态，作为结果产生了净电荷流(产生了电压)，在这一点有所不同。因此，作为自旋轨道转矩配线2的材料，不包括仅由铁磁性体构成的材料。
在此，将第一自旋S1的电子流表示为J↑，将第二自旋S2的电子流表示为J↓，将自旋流表示为JS时，定义JS＝J↑-J↓。图2中，作为纯自旋流，JS在图中的上方向流动。在此，JS为极化率是100％的电子流。
图1中，使铁磁性体接触自旋轨道转矩配线2的上表面时，纯自旋流扩散并流入铁磁性体中。即，自旋被注入第一铁磁性金属层1中。
本发明的自旋流磁化反转元件中，其如上所述在自旋轨道转矩配线中流动电流以生成纯自旋流，该纯自旋流成为在与自旋轨道转矩配线相接的第一铁磁性金属层中扩散的构成，由此通过由该纯自旋流得到的自旋轨道转矩(SOT)效果而引起第一铁磁性金属层的磁化反转。
作为用于本发明的自旋流磁化反转元件的磁化反转而流通的电流，存在为了利用SOT效果而在自旋轨道转矩配线中流通的电流(以下，有时称为“SOT反转电流”。)。该电流本身是伴随电荷流的通常的电流，因此电流流动时产生焦耳热。
在此，作为容易生成纯自旋流的材料的重金属，与作为通常的配线而使用的金属相比电阻率更高。
因此，从降低由SOT反转电流产生的焦耳热的观点出发，比起自旋轨道转矩配线全部仅由能够生成纯自旋流的材料构成，更优选具有电阻率小的部分。从该观点出发，本发明的自旋流磁化反转元件所具备的自旋轨道转矩配线由产生纯自旋流的材料构成的部分(纯自旋流产生部)，和电阻率比该纯自旋流产生部小的材料构成的部分(低电阻部)构成。
纯自旋流产生部2A可以由能够生成纯自旋流的材料构成，例如，可以为由多种材料部分构成的结构。
纯自旋流产生部2A可以由选自钨、铼、锇、铱和至少包含一种以上这些金属的合金中的材料形成。另外，钨、铼、锇和铱最外层具有5d的电子，在d轨道的5个轨道发生了简并时，具有大轨道角运动量。因此，产生自旋空穴效果的自旋轨道相互作用变大，能够高效地产生自旋流。
低电阻部2B可以使用用作通常的配线的材料。例如，可以铝、银、铜、金等。低电阻部2B可以由电阻率比纯自旋流产生部2A低的材料形成，例如，可以为由多种材料部分构成的结构。
此外，也可以在低电阻部中生成纯自旋流。在这种情况下，对于纯自旋流产生部与低电阻部的区别，可以将在本说明书中纯自旋流产生部和由作为低电阻部的材料记载的材料形成的部分作为纯自旋流产生部或者低电阻部来进行区别。另外，作为产生纯自旋流的主要部分以外的部分，即电阻率比该主要部分低的部分，可以作为低电阻部来与纯自旋流产生部进行区别。
纯自旋流产生部2A可以由其电阻率比低电阻部2B的电阻率至少大2倍以上的材料形成。这样，电阻率之大，在纯自旋流产生部2A与低电阻部2B的表面电流集中，表面上的电流密度变高。
纯自旋流产生部2A可以包含非磁性的重金属。
在此，重金属用于表示具有钇以上的比重的金属。
此时，非磁性的重金属优选在最外层具有d电子或者f电子的原子序数为39以上的原子序数大的非磁性金属。这是由于上述非磁性金属产生自旋空穴效果的自旋轨道相互作用大。纯自旋流产生部2A可以仅由在最外层具有d电子或者f电子的原子序数为39以上的原子序数大的非磁性金属构成。
通常，在金属中流通电流时，所有的电子都不管它们的自旋的方向而与电流反向地运动，对此，在最外层具有d电子或者f电子的原子序数大的非磁性金属由于自旋轨道相互作用大，因而因自旋空穴效果从而电子的运动方向依赖于电子的自旋方向，容易产生纯自旋流。
假设，低电阻部做成由Cu(1.7μΩcm)来构成时，作为原子序数为39以上并且电阻率比Cu大2倍以上的材料，可以举出Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Pd、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Hg、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。
纯自旋流产生部2A包含非磁性的重金属时，可以以规定的比例包含能够生成纯自旋流的重金属。而且此时，纯自旋流产生部优选为：与纯自旋流产生部的主成分相比，能够生成纯自旋流的重金属充分少的浓度区域，或者，能够产生纯自旋流的重金属例如为主成分的90％以上的浓度区域。此时的重金属优选为能够生成纯自旋流的重金属100％是在最外层具有d电子或者f电子的原子序数为39以上的非磁性金属。
在此，与纯自旋流产生部的主成分相比能够产生纯自旋流的重金属足够少的浓度区域是指，例如，在将铜作为主成分的纯自旋流产生部中，按摩尔比计重金属的浓度在10％以下。构成自旋流产生部的主成分由上述的重金属以外的物质构成的情况下，纯自旋流产生部所包含的重金属的浓度优选按摩尔比计在50％以下，进一步优选在10％以下。这样的浓度区域是能够有效地得到电子的自旋散射的效果的区域。在重金属的浓度低时，与重金属相比原子序数小的轻金属成为主成分。此外，此时，估计不形成重金属与轻金属的合金，而是在轻金属中无序地分散有重金属的原子。由于在轻金属中自旋轨道相互作用弱，通过自旋空穴效果难以生成纯自旋流。但是，在电子通过轻金属中的重金属时，由于即使在轻金属与重金属的界面也存在自旋被散射的效果因而即便在重金属的浓度低的区域也能够高效地产生纯自旋流。在重金属的浓度超过50％时，重金属中的自旋空穴效果的比例(产生率)增大，但是轻金属与重金属的界面的效果降低因而综合的效果减少。因此，优选能够期待有充分的界面效果的程度的重金属的浓度。
另外，纯自旋流产生部2A可以含有磁性金属。磁性金属是指铁磁性金属或者反铁磁性金属。这是由于在非磁性金属中含有微量的磁性金属时，自旋轨道相互作用被增强，能够提高与在纯自旋流产生部2A中流通的电流相对的自旋流生成效率。纯自旋流产生部2A可以仅由反铁磁性金属形成。反铁磁性金属能够得到重金属100％为在最外层具有d电子或者f电子的原子序数为39以上的非磁性金属时相同的效果。反铁磁性金属优选为例如IrMn或者PtMn，进一步优选为对热稳定的IrMn。
自旋轨道相互作用是通过自旋轨道转矩配线材料的物质的固有的内场而产生的，因此即使是非磁性材料也产生纯自旋流。若在自旋轨道转矩配线材料中添加微量的磁性金属，则磁性金属本身使流动电子自旋散射，因此提高自旋流生成效率。但是，磁性金属的添加量增大过量时，生成的纯自旋流被添加的磁性金属散射，因此作为结果，自旋流减少的作用增强。因此，添加的磁性金属的摩尔比优选远小于纯自旋流产生部2A的主成分的摩尔比。作为目标而言，优选添加的磁性金属的摩尔比在3％以下。
另外，纯自旋流产生部2A可以包含拓扑绝缘体。纯自旋流产生部2A可以仅由拓扑绝缘体构成。拓扑绝缘体是指物质内部是绝缘体或者高阻体，但在其表面产生自旋偏极的金属状态的物质。物质中存在称为自旋轨道相互作用的内部磁场那样的物质，因此即使没有外部磁场，也会在自旋轨道相互作用的效果下表现新的拓扑相。这就是拓扑绝缘体，通过强的自旋轨道相互作用和边缘处的反转对称性的破坏，能够高效地生成纯自旋流。
作为拓扑绝缘体，例如优选SnTe、Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3、TlBiSe2、Bi2Te3、(Bi1-xSbx)2Te3等。这些拓扑绝缘体能够高效地生成自旋流。
关于图1所示的自旋流磁化反转元件10，自旋轨道转矩配线2通过做成具有低电阻部2B的结构，由此能够降低电路整体的电阻，并且，通过做成在构成自旋轨道转矩配线2的纯自旋流产生部2A中，使与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa的接合面积CS0最小的结构，以使在纯自旋流产生部2A中接合面2Aa处的电流密度最高，并由此增大向第一铁磁性金属层1扩散而去的纯自旋流的密度，从而提高向第一铁磁性金属层1的自旋注入的效率。
图1所示的自旋流磁化反转元件10中，与纯自旋流产生部2A的第一铁磁性金属层1的第一面1a接合的面2Aa的相反侧的面2Ab没有被低电阻部所覆盖。
更详细而言，与纯自旋流产生部2A的一端连接的低电阻部2B和与纯自旋流产生部2A的另一端连接的低电阻部2B分开。
即，与一端连接的低电阻部2B和与另一端连接的低电阻部2B不与纯自旋流产生部2A以外的低电阻部材料连接。
此时，在自旋轨道转矩配线中流通的电流不会从纯自旋流产生部2A的下方穿过。
另外，纯自旋流产生部2A的接合面2Aa包含与第一铁磁性金属层1的第一面1a重叠的区域。
以下，对本发明的具有自旋轨道转矩配线的纯自旋流产生部的形状及其效果进行详细说明。
使用图3，首先，对本发明的原理进行说明。图3是与图1(b)所示的自旋流磁化反转元件的截面图相同的截面图。
虚线箭头I0、I1、I2分别示意地表示在接合面积CS0的位置(即，接合面2Aa)、截面积CS1的位置、截面积CS2的位置处的电流密度。这些虚线箭头的粗细示意地表示电流密度的大小的差别，越粗电流密度越高。
在自旋轨道转矩配线2中，低电阻部2B由1种材料构成，其截面形状是一样的，因此，其电流密度是一样的。另一方面，纯自旋流产生部2A中材料是相同的，但是其截面积离第一铁磁性金属层1的第一面1a越远则变得越大。纯自旋流产生部2A由电阻率比低电阻部2B高的材料形成。因此，纯自旋流产生部的截面积越小的面，电流变得越集中。
关于图1所示的自旋轨道转矩配线2，其纯自旋流产生部2A做成以与第一方向(z方向)正交的截面的面积随着在第一方向上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa而连续地变大的方式而形成的结构(更具体而言，以与第一铁磁性金属层1的接合面2Aa处的接合面积(相当于“接合面处的截面积”)比从与第一铁磁性金属层1的接合面离开的任意截面的面积都小的方式而形成的结构)，从而在纯自旋流产生部2A中在与第一铁磁性金属层1的接合面2Aa处使电流集中。作为其结果，能够增大向与接合面2Aa接合的第一铁磁性金属层1扩散而去的纯自旋流的密度，并提高向第一铁磁性金属层1去的自旋注入的效率。
作为纯自旋流产生部的形状，优选从z方向俯视时，与第一铁磁性金属层的接合面被包含于远离该接合面的截面的区域内(也包括接合面与该截面完全重叠的情况)的形状。
关于图1所示的实施方式，纯自旋流产生部2A是具有锥台形状的部。即，是从锥体去除了共有顶点且相似地缩小了的锥体的立体图形。在此，由圆锥形成的锥台称为圆锥台，由椭圆锥形成的锥台称为椭圆锥台，由棱锥形成的锥台称为棱锥台，由n棱锥形成的锥台称为n棱锥台时，图1所示的例子，其截面形状相当于长方形的四棱锥台，也可以是其它的锥台形状。
图1所示的实施方式中，纯自旋流产生部2A以在与xz面平行的截面中，与低电阻部2B的界面成为直线状的方式而形成，不过也可以形成为曲线形状。曲线形状包括在低电阻部侧凸起的曲线形状和在纯自旋流产生部侧凸起的曲线形状，可以做成对应于制造方法的曲线形状。
另外，图1所示的实施方式中，纯自旋流产生部2A的与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa和第一铁磁性金属层1的与纯自旋流产生部2A接合的接合面(第一面)1a一致。换言之，从z方向俯视，接合面2Aa与接合面1a完全重叠。此时，能够使在纯自旋流产生部2A产生的纯自旋流有效地扩散到第一铁磁性金属层1。
另外，图1所示的实施方式中，低电阻部2B为由夹着纯自旋流产生部2A而隔开的第一低电阻部2B1和第二低电阻部2B2构成的结构。因此，在自旋轨道转矩配线2中流通的电流必须通过纯自旋流产生部2A，因此在自旋轨道转矩配线2中流通的电流(SOT反转电流)可以全部用于产生纯自旋流。
以下所示的另一实施方式中，只要没有特别指明，低电阻部都为由夹着纯自旋流产生部而隔开的第一低电阻部和第二低电阻部构成的结构。
另外，图1所示的实施方式中，与自旋轨道转矩配线2的长边方向正交的方向(y方向)的宽度W1和第一铁磁性金属层1的相同方向的宽度W2相同。此时，能够同时进行第一铁磁性金属层1和自旋轨道转矩配线2的y方向上的两端的加工。
图1所示的实施方式中，第一铁磁性金属层1从z方向俯视为矩形(更正确地说，长方形)，但是也可以如图4所示，为椭圆形状，还可以是其它的形状。这一点，在以下所示的其它实施方式中也相同。
但是，图4所示的自旋流磁化反转元件20中，纯自旋流产生部2A的与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa和第一铁磁性金属层11的与纯自旋流产生部2A接合的接合面11a不一致，从z方向俯视，接合面2Aa比接合面11a大。此时，与图1所示的自旋流磁化反转元件10相比，不能使在纯自旋流产生部2A产生的纯自旋流充分地扩散到第一铁磁性金属层11。
另外，与第一铁磁性金属层的形状相匹配，纯自旋流产生部的形状也可以是该接合面与第一铁磁性金属层的第一面一致的形状。即，例如，图4(a)中，也可以是使纯自旋流产生部2A的与第一铁磁性金属层1接合的接合面2Aa和第一铁磁性金属层11的与纯自旋流产生部2A接合的接合面11a一致，从而从z方向俯视，接合面2Aa与接合面11a重叠的结构。
图5中表示本发明的另一实施方式的自旋流磁化反转元件的一个例子的示意图。图5(a)是俯视图，图5(b)是沿图5(a)的自旋轨道转矩配线12的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对与图1相同的结构，使用相同的符号并省略说明。
关于图5所示的自旋流磁化反转元件30中，自旋轨道转矩配线12的纯自旋流产生部12A以与第一方向(z方向)正交的截面的面积随着在第一方向(z方向)上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面12Aa而连续地变大的方式而形成。即，是纯自旋流产生部12A以与第一方向(z方向)正交的任意的截面的面积(例如，CS1、CS2)比与第一铁磁性金属层1接合的接合面12Aa的截面积(接合面积)CS0更小的方式而形成。换而言之，纯自旋流产生部12A以与第一铁磁性金属层1接合的接合面12Aa的截面积(接合面积)CS0成为在与第一方向(z方向)正交的截面的面积中最小的方式而形成。因此，是使纯自旋流产生部12A中与第一铁磁性金属层1的接合面12Aa处的电流密度成为最大的结构。作为其结果，能够增大该向第一铁磁性金属层1扩散的纯自旋流的密度，并提高向第一铁磁性金属层1的自旋注入的效率。
另外，图5所示的自旋流磁化反转元件30中，纯自旋流产生部12A和低电阻部12B的边界的至少一部分与第一铁磁性金属层1的第一面1a相接。
纯自旋流产生部12A中，在与低电阻部12B的边界部分并且接合面12Aa附近电流最为集中，因此容易产生纯自旋流。因此，能够使纯自旋流高效地流入第一铁磁性金属层1。纯自旋流扩散、衰减，因此在第一铁磁性金属层1的附近产生的纯自旋流最有助于第一铁磁性金属层1的磁化反转。电流集中在第一铁磁性金属层1附近的纯自旋流产生部12A，因此能够使纯自旋流高效地流入第一铁磁性金属层1。
另外，在纯自旋流产生部12A生成的纯自旋流在x方向上或者y方向上也扩散，但是在图5所示的自旋流磁化反转元件30中，关于纯自旋流产生部12A，其与第一铁磁性金属层1的接合面12Aa以比第一铁磁性金属层1的第一面1a窄的方式形成，因此，例如，能够将在与第一铁磁性金属层1的接合面12Aa附近靠近低电阻部12B产生的纯自旋流先在x方向上多少进行扩散，之后，将向第一铁磁性金属层1扩散的纯自旋流用于磁化反转。
另外，图5所示的自旋流磁化反转元件30中，关于纯自旋流产生部12A，从第一方向(z方向)俯视，其与第一铁磁性金属层1的接合面12Aa包含于第一铁磁性金属层1的第一面1a的范围内，并且，纯自旋流产生部12A的与第一铁磁性金属层1的接合面12Aa的相反侧的第二面12Ab的面积也比图1所示的自旋流磁化反转元件10小。因此，图5所示的自旋流磁化反转元件30与图1所示的自旋流磁化反转元件10相比，低电阻部增大，因此起到了元件整体的电阻下降的效果。
图6是表示本发明的另一实施方式的自旋流磁化反转元件的一个例子的示意图。图6(a)是俯视图，图6(b)是沿作为图6(a)的自旋轨道转矩配线22的宽度方向的中心线的X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
关于图6所示的自旋流磁化反转元件40，纯自旋流产生部22A以与第一方向(z方向)正交的截面的截面积随着在第一方向(z方向)上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面22Aa而连续地变大的方式而形成。即，是纯自旋流产生部22A以与第一方向(z方向)正交的任意截面的截面积(例如，CS1、CS2)比与第一铁磁性金属层1接合的接合面22Aa的截面积(接合面积)CS0小的方式而形成。换言之，纯自旋流产生部22A以与第一铁磁性金属层1结合的接合面22Aa的截面积(接合面积)CS0在与第一方向(z方向)正交的截面的截面积中成为最小的方式而形成。因此，在纯自旋流产生部22A中与第一铁磁性金属层1的接合面22Aa处的电流密度最高。作为其结果，能够增大其向第一铁磁性金属层1扩散的纯自旋流的密度，并能够提高向第一铁磁性金属层1的自旋注入的效率。
另外，图6所示的自旋流磁化反转元件40中，自旋轨道转矩配线22的纯自旋流产生部22A中，从第一方向(z方向)俯视，其与第一铁磁性金属层1的接合面22Aa比第一铁磁性金属层1的第一面1a的面积大，因此与图1所示的自旋流磁化反转元件10或者图5所示的自旋流磁化反转元件30相比，在纯自旋流产生部22A产生的纯自旋流中，不能扩散到第一铁磁性金属层1的比例高。
另外，关于图6所示的自旋流磁化反转元件40，纯自旋流产生部22A的与第一铁磁性金属层1的接合面22Aa的相反侧的第二面22Ab的面积也比图1所示的自旋流磁化反转元件10或者图5所示的自旋流磁化反转元件30大。因此，图6所示的自旋流磁化反转元件40与图1所示的自旋流磁化反转元件10或者图5所示的自旋流磁化反转元件30相比，纯自旋流产生部增大，因此元件整体的电阻上升。
图7表示本发明的另一实施方式的自旋流磁化反转元件的一个例子的示意图。图7(a)是俯视图，图7(b)是沿图7(a)的自旋轨道转矩配线32的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
关于图7所示的自旋流磁化反转元件50，自旋轨道转矩配线32的纯自旋流产生部32A以与第一方向(z方向)正交的截面的面积随着在第一方向(z方向)远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面32Aa而连续地变大的方式而形成。即，纯自旋流产生部32A以与第一方向(z方向)正交的任意的截面的面积(例如，CS1、CS2)比沿低电阻部32B的第一铁磁性金属层1一侧的面32Ba切断的截面32Aaa的截面积(接合面积)CS0小的方式而形成。此时，纯自旋流产生部32A以与第一方向(z方向)正交的截面的面积随着在第一方向(z方向)上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面32Aa而连续地变大的方式而形成，但是需要注意的是，纯自旋流产生部32A中SOT反转电流部分流通的部分中截面积最小的截面不是与第一铁磁性金属层1接合的接合面32Aa，而是沿低电阻部32B的第一铁磁性金属层1一侧的面32Ba切割的截面32Aaa。因此，纯自旋流产生部32A中，作为SOT反转电流流通的部分并且最靠近与第一铁磁性金属层1接合的接合面32Aa的是沿低电阻部32B的第一铁磁性金属层1一侧的面32Ba切割的截面32Aaa，该截面32Aaa的电流密度最大。作为其结果，能够增大其向第一铁磁性金属层1扩散的纯自旋流的密度，并提高向第一铁磁性金属层1的自旋注入的效率。
另外，图7所示的自旋流磁化反转元件50中，为了使在纯自旋流产生部32A产生的纯自旋流扩散到第一铁磁性金属层1，优选沿低电阻部32B的第一铁磁性金属层1一侧的面32Ba切割的截面32Aaa与和第一铁磁性金属层1接合的接合面32Aa的距离比自旋扩散长度小。
另外，图7所示的自旋流磁化反转元件50中，纯自旋流产生部32A中，SOT反转电流流通的部分的体积大，因此与图1所示的自旋流磁化反转元件10或者图5所示的自旋流磁化反转元件30相比，纯自旋流产生部增大，因而元件整体的电阻增大。
图8是表示本发明的另一实施方式的自旋流磁化反转元件的一个例子的示意图。图8(a)是俯视图，图8(b)是沿图8(a)的自旋轨道转矩配线42的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
关于图8所示的自旋流磁化反转元件60，自旋轨道转矩配线42的纯自旋流产生部42A以与第一方向(z方向)正交的截面的面积随着在第一方向(z方向)远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面42Aa而连续地变大的方式而形成。即，纯自旋流产生部42A以与第一方向(z方向)正交的任意的截面的面积(例如，CS1，CS2)都比与第一铁磁性金属层1接合的接合面42Aa的截面积(接合面积)CS0大的方式而形成。换言之，纯自旋流产生部42A以与第一铁磁性金属层1接合的接合面42Aa的截面积(接合面积)CS0在与第一方向(z方向)正交的截面的面积中成为最小的方式而形成。因此，纯自旋流产生部42A中与第一铁磁性金属层1的接合面42Aa处的电流密度最大。作为其结果，能够增大其向第一铁磁性金属层1扩散的纯自旋流的密度，并提高向第一铁磁性金属层1的自旋注入的效率。
另外，关于图8所示的自旋流磁化反转元件60，纯自旋流产生部42A的与第一铁磁性金属层1的接合面42Aa的相反侧的第二面42Ab比沿低电阻部42B的第一铁磁性金属层1一侧的面42Ba切割的截面向更远离第一铁磁性金属层1的方向突出。
图8所示的自旋流磁化反转元件60与图7所示的自旋流磁化反转元件50同样地，在构成纯自旋流产生部的材料中具有SOT反转电流不流动的部分这一点是共通的，但是由于SOT反转电流在纯自旋流产生部42A与第一铁磁性金属层1接合的接合面42Aa流动，因此在纯自旋流产生部42A产生的纯自旋流直接向第一铁磁性金属层1扩散而去，在这一点上是有利的。
图9是表示本发明的另一实施方式的自旋流磁化反转元件的一个例子的示意图。图9(a)是俯视图，图9(b)是沿图9(a)的自旋轨道转矩配线52的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
关于图9所示的自旋流磁化反转元件70，自旋轨道转矩配线52的纯自旋流产生部52A中，与第一方向(z方向)正交的截面的面积随着在第一方向(z方向)上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面52Aa，而“具有连续地增大的部分和阶梯地增大的部分”，特别是“具有连续地增大的部分和一定的大小的部分”。纯自旋流产生部52A依次具有其截面积随着在第一方向(z方向)远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面52Aa，而截面积为一定大小的部分52A1和连续地增大的部分52A2。即，纯自旋流产生部52A以与第一方向(z方向)正交的任意的截面的面积(例如，CS1、CS2)比低电阻部52B的沿第一铁磁性金属层1一侧的面52Ba切割的截面52Aaa的截面积(接合面积)CS0大的方式而形成。此时，注意纯自旋流产生部52A中SOT反转电流流过的部分的截面积最小的截面即截面52Aaa的截面积，和与第一铁磁性金属层1接合的接合面52Aa的截面积(接合面积)相等。纯自旋流产生部52A中，截面52Aaa的电流密度最大。作为其结果，能够增大其向第一铁磁性金属层1扩散的纯自旋流的密度，并提高向第一铁磁性金属层1的自旋注入的效率。
但是，图9所示的自旋流磁化反转元件70中，也与图7所示的自旋流磁化反转元件50同样地，为了使在纯自旋流产生部52A2中产生的纯自旋流向第一铁磁性金属层1扩散，优选截面积为一定大小的部分52A1的z方向的厚度比自旋扩散长度小。
图10是表示本发明的另一实施方式的自旋流磁化反转元件的一个例子的示意图。图10(a)是俯视图，图10(b)是沿图10(a)的自旋轨道转矩配线62的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
图10所示的自旋流磁化反转元件80中，自旋轨道转矩配线62的纯自旋流产生部62A中，与第一方向(z方向)正交的截面的面积随着在第一方向(z方向)上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面62Aa而阶梯地增大。纯自旋流产生部62A中，其截面积随着在第一方向(z方向)上远离与第一铁磁性金属层1接合的接合面62Aa而依次具有：具有截面积CS3的部分62A1；和在具有比CS3大的截面积CS4的部分变大的部分62A2。此时，纯自旋流产生部62A中，在截面积小的部分62A1中流通的电流密度比在截面积大的部分62A2中流通的电流密度大，作为其结果，能够提高向该第一铁磁性金属层1扩散的纯自旋流的密度，并提高向第一铁磁性金属层1的自旋注入的效率。
图11是表示图1所示的自旋流磁化反转元件的变形例的示意图。图11(a)是俯视图，图11(b)是沿图11(a)的自旋轨道转矩配线72的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
图11所示的自旋轨道转矩配线72中，纯自旋流产生部72A的结构为：由与第一铁磁性金属层1的第一面1a接合的四棱锥台状的第一纯自旋流产生部72A1，和在与形成有自旋轨道转矩配线72的第一铁磁性金属层1侧相反的一侧的表面的一面整体形成的第二纯自旋流产生部72A2构成，在这一点上与图1所示的自旋流磁化反转元件10的自旋轨道转矩配线2大不相同。
自旋轨道转矩配线72由如下部分构成：沿x方向，低电阻部72B与第二纯自旋流产生部72A2层叠而成的部分；包含低电阻部72B、第一纯自旋流产生部72A1的倾斜72A1a的部分与第二纯自旋流产生部72A2层叠而成部分；第一纯自旋流产生部72A1与第二纯自旋流产生部72A2层叠而成的部分；包含低电阻部72B、第一纯自旋流产生部72A1的倾斜72A1b的部分与第二纯自旋流产生部72A2层叠而成的部分；和低电阻部72B与第二纯自旋流产生部72A2层叠而成的部分。
自旋轨道转矩配线72中，第二纯自旋流产生部72A2与低电阻部72B相接的面积大，因此纯自旋流产生部72A与低电阻部72B的密接性高。
而且，作为图11所示的自旋轨道转矩配线72的变形例，如图11(c)所示，第二纯自旋流产生部72A2还可以构成为不在与形成有自旋轨道转矩配线72的第一铁磁性金属层1侧相反的一侧的表面侧的一整面，而在其一部分形成。该变形例中，能够减少纯自旋流产生部的材料。
与图11所示的图1的自旋流磁化反转元件10的变形例相同的变形也能够应用于图4～图10所示的自旋流磁化反转元件。
图12中表示图1所示的自旋流磁化反转元件的变形例的示意图。图12(a)是俯视图，图12(b)是沿图12(a)的自旋轨道转矩配线82的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
图12所示的自旋轨道转矩配线82中，纯自旋流产生部82A在z方向的厚度比低电阻部82B薄，因此，在纯自旋流产生部82A的与第一铁磁性金属层1的接合面82Aa的相反侧的面82Ab一侧具有凹部82c。另外，自旋轨道转矩配线82由纯自旋流产生部82A和由夹着纯自旋流产生部82A隔开的第一低电阻部82B1与第二低电阻部82B2构成的低电阻部82B而构成，在这一点上，与图1是相同的。
自旋轨道转矩配线82中，电流密度在纯自旋流产生部82A中与第一铁磁性金属层1的接合面82Aa处最大，这与图1所示的实施方式是相同的。
与图12所示的图1的自旋流磁化反转元件10的变形例相同的变形也能够应用于图4～图10所示的自旋流磁化反转元件。
图13是表示图1所示的自旋流磁化反转元件的变形例的示意图。图13(a)是俯视图，图13(b)是沿图13(a)的自旋轨道转矩配线2的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
图13所示的自旋流磁化反转元件中，纯自旋流产生部2A的与第一铁磁性金属层21接合的接合面2Aa，和第一铁磁性金属层21的与纯自旋流产生部2A接合的接合面(第一面)21a一致，这一点与图1所示的自旋流磁化反转元件是相同的，但是从z方向俯视，第一铁磁性金属层21比自旋轨道转矩配线2宽度窄这一点是不同的。
图13所示的自旋流磁化反转元件中，自旋轨道转矩配线2为与图1所示的自旋轨道转矩配线2相同的结构，因此使电流集中到纯自旋流产生部2A中与第一铁磁性金属层31的接合面2Aa处，在这一点上与图1所示的自旋流磁化反转元件是相同的。作为其结果，能够提高向与接合面2Aa接合的第一铁磁性金属层31扩散的纯自旋流的密度，并能够提高向第一铁磁性金属层31的自旋注入的效率。
与图13所示的图1的自旋流磁化反转元件10的变形例相同的变形也可以应用在图4～图12所示的自旋流磁化反转元件。
图14中表示图1所示的自旋流磁化反转元件的变形例的示意图。图14(a)是俯视图，图14(b)是沿图14(a)的自旋轨道转矩配线2的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
图14所示的自旋流磁化反转元件中，纯自旋流产生部2A的与第一铁磁性金属层31接合的接合面2Aa和第一铁磁性金属层31的与纯自旋流产生部2A接合的接合面(第一面)31a一致，在这一点上，与图1所示的自旋流磁化反转元件相同，但是从z方向俯视，第一铁磁性金属层31比自旋轨道转矩配线2宽度大这一点不同。
图14所示的自旋流磁化反转元件中，自旋轨道转矩配线2为与图1所示的自旋轨道转矩配线2相同的结构，因此使电流集中在纯自旋流产生部2A中与第一铁磁性金属层41的接合面2Aa处，在这一点上，与图1所示的自旋流磁化反转元件是相同的。作为其结果，能够增大向与接合面2Aa接合的第一铁磁性金属层41扩散的纯自旋流的密度，并提高向第一铁磁性金属层31的自旋注入的效率。
与图14所示的图1的自旋流磁化反转元件10的变形例相同的变形可以应用于图4～图12所示的自旋流磁化反转元件。
图15是表示图1所示的自旋流磁化反转元件的变形例的示意图。图15(a)是俯视图，图15(b)是沿图15(a)的自旋轨道转矩配线92的宽度方向的中心线即X-X线切割的截面图。对于与图1相同的结构，使用相同的符号，并省略说明。
图15所示的自旋轨道转矩配线92中，纯自旋流产生部92A中与第一铁磁性金属层1接合的接合面92Aa为成为椭圆状(椭圆状的长轴比第一铁磁性金属层1的x方向的长度长)的形状，在这一点上与图1所示的自旋轨道转矩配线2不同。因此，纯自旋流产生部92A与低电阻部92B的边界中，由符号92AB1、92AB2所表示的部分不与铁磁性金属层1的接合面(第一面)1a相接。换言之，仅纯自旋流产生部92A与低电阻部92B的边界的至少一部分(图15(a)中的边界92AB1、92AB2以外的边界)与第一铁磁性金属层1的接合面(第一面)1a相接。
纯自旋流产生部92A中，在与低电阻部92B的边界部分并且接合面92Aa附近电流最为集中，因此容易产生纯自旋流。因此，能够使纯自旋流高效地流入第一铁磁性金属层1。纯自旋流扩散、衰减，因此在第一铁磁性金属层1的附近产生的纯自旋流最有助于第一铁磁性金属层1的磁化反转。电流集中在第一铁磁性金属层1附近的纯自旋流产生部92A，因此能够使纯自旋流高效地流入第一铁磁性金属层1。
另外，自旋轨道转矩配线92由纯自旋流产生部92A、和由夹着纯自旋流产生部92A而隔开的第一低电阻部92B1与第二低电阻部92B2构成的低电阻部92B而构成，在这一点上，与图1是相同的。
与图15所示的图1的自旋流磁化反转元件10的变形例相同的变形例也能够应用在图4～图12所示的自旋流磁化反转元件，纯自旋流产生部与低电阻部的边界的形状可以成为各种形态。
还包括绝缘层，其与自旋轨道转矩配线的与第一铁磁性金属层接合的面的相反侧的面接合。
该构成中，应用于磁阻效应元件或者其它的用途时，能够防止在自旋轨道转矩配线中流动的电流从与第一铁磁性金属层接合的面的相反侧的面漏出，并能够进一步提高电流集中效果。
上述的实施方式中仅能够说明自旋轨道转矩配线与第一铁磁性金属层直接连接的情况，也可以经由后面所述的保护层的那样的其它层来进行连接。
对于第一铁磁性金属层，后面进行叙述。
本发明的自旋流磁化反转元件能够使用公知的方法来制造。
以下，对图1所示的自旋流磁化反转元件10的制造方法进行说明。
首先，自旋流产生部2A和第一铁磁性金属层1例如可以使用磁控溅射装置，在规定的基板(基材)成膜。成膜之后，在想要制作自旋流磁化反转元件的部分设置抗蚀剂或者保护膜，使用离子束铣削法或者反应离子刻蚀(RIE)法以除去不需要部分。此时，利用具有能够改变离子束铣削或者RIE的离子照射方向与自旋流磁化反转元件10的相对角度(距z轴的角度θ)的机构的装置。通过使离子照射相对于自旋流磁化反转元件10的相对角度发生变化，从而能够形成矩形比优良的元件或者锥台形状的元件，这是公知的。
设置有抗蚀剂或者保护膜的自旋流磁化反转层叠膜，以相对角度从0度到30度对第一铁磁性金属层1进行磨削。由此形成矩形比优良的第一铁磁性金属层1。之后，通过将相对角度固定在30度到80度之间，并对自旋生成部进行磨削，从而能够形成倾斜为直线状的自旋生成部。另外，通过使相对角度变化并且进行磨削，能够形成具有曲线形状的倾斜的自旋生成部。
之后，将低电阻部成膜，设置抗蚀剂或者保护膜，进行磨削，由此能够形成自旋轨道转矩配线形状。
另外，也能够从后面开始成膜、形成第一铁磁性金属层。通过用上述的方法将自旋生成部形成为锥台形状后，能够将低电阻部成膜，形成为自旋轨道转矩配线形状后，通过实施化学的机械研磨(CMP)来设置平坦的面，并将第一铁磁性金属层层叠。
用于自旋流产生部2A、第一铁磁性金属层1的成膜的基板，通常在成膜后去除，也可以根据需要保留。
本发明的自旋流磁化反转元件如后述的那样，可以应用于磁阻效应元件。作为用途，不限于磁阻效应元件，也可以用于其它的用途。作为其它的用途，例如，将上述的自旋流磁化反转元件配设于各像素，在利用磁光效应将入射光空间地调制的空间光调制器中也能够使用，为了避免磁传感器中磁体的矫顽力导致的滞后的效应，可以将对磁体的容易磁化轴施加的磁场置换为SOT。
(磁阻效应元件)
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件包括：本发明的自旋流磁化反转元件；磁化方向固定的第二铁磁性金属层；以及被第一铁磁性金属层与第二铁磁性金属层所挟持的非磁性层。
图16是本发明的自旋流磁化反转元件的应用例，并且是示意地表示本发明的一个实施方式的磁阻效应元件也即磁阻效应元件的立体图。此外，图16中，本发明的自旋流磁化反转元件的特征部分省略了图示。
图16所示的磁阻效应元件100具有：本发明的自旋流磁化反转元件(第一铁磁性金属层101和自旋轨道转矩配线120)；磁化方向固定的第二铁磁性金属层103；和被第一铁磁性金属层101和第二铁磁性金属层103所夹持的非磁性层102。另外，图15所示的磁阻效应元件100可以具有磁阻效应元件部105和自旋轨道转矩配线120。
本发明的一个实施方式的磁阻效应元件具有自旋轨道转矩配线120，从而可以是仅利用由纯自旋流产生的SOT来进行磁阻效应元件的磁化反转的构成(以下，有时称为“仅SOT”构成)，也可以是在利用现有的STT的磁阻效应元件中一同使用由纯自旋流产生的SOT的构成(以下，有时称为“STT和SOT并用”构成)。
包含图16，在以下，作为自旋轨道转矩配线在相对磁阻效应元件部的层叠方向而交叉的方向上延伸的构成的例子，对在正交的方向延伸的构成的情况进行说明。
图16中，表示了用于在磁阻效应元件100的层叠方向上流通电流的配线130，和形成该配线130的基板110。另外，第一铁磁性金属层101与自旋轨道转矩配线120之间具备保护层104。
＜磁阻效应元件部＞
磁阻效应元件部105包括：磁化方向固定的第二铁磁性金属层103；磁化方向变化的第一铁磁性金属层101；和被第二铁磁性金属层103与第一铁磁性金属层101所夹持的非磁性层102。
通过将第二铁磁性金属层103的磁化固定在一个方向，并且第一铁磁性金属层101的磁化的方向相对地变化，作为磁阻效应元件部105而发挥作用。应用于矫顽力差型(准自旋阀型；Pseudo spin valve型)的MRAM时，第二铁磁性金属层的矫顽力比第一铁磁性金属层的矫顽力大，另外，应用于交换偏置型(自旋阀；spin valve型)的MRAM时，第二铁磁性金属层通过与反铁磁性层的交换结合而固定磁化方向。
另外，在非磁性层102由绝缘体形成时，磁阻效应元件部105是隧道磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)元件，在非磁性层102由金属形成时，是巨磁阻(GMR：GiantMagnetoresistance)元件。
作为本发明具备的磁阻效应元件部，可以使用公知的磁阻效应元件部的构成。例如，各层可以是由多个层构成的，也可具有用于固定第二铁磁性金属层的磁化方向的反铁磁性层等的其它的层。
第二铁磁性金属层103被称为固定层或者参照层，第一铁磁性金属层101被称为自由层或者存储层等。
第二铁磁性金属层103和第一铁磁性金属层101可以是磁化方向为与层平行的面内方向的面内磁化膜，也可以是磁化方向相对于层为垂直方向的垂直磁化膜。
第二铁磁性金属层103的材料中，可以使用公知的物质。例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属，以及包含一种以上这些金属的表现出铁磁性的合金。另外也可以使用包含选自这些金属与B、C和N中的至少一种以上的元素的合金。具体而言，可以举出Co-Fe或者Co-Fe-B。
另外，为了得到更高的输出，优选使用Co2FeSi等的哈斯勒合金(heusleralloys)。哈斯勒合金包含具有X2YZ的化学组成的金属间化合物，X是周期表上的Co、Fe、Ni或者Cu族的过渡金属元素或者贵金属元素，Y是Mn、V、Cr或者Ti族的过渡金属并能够选择X的元素种类，Z是从III族到V族的典型元素。例如，可以举出Co2FeSi、Co2MnSi或者Co2Mn1- aFeaAlbSi1-b等。
另外，为了进一步增大第二铁磁性金属层103相对于第一铁磁性金属层101的矫顽力，作为与第二铁磁性金属层103相接的材料可以使用IrMn、PtMn等的反铁磁性材料。进一步，为了不使第二铁磁性金属层103的漏磁场对第一铁磁性金属层101产生影响，可以为合成铁磁性结合的结构。
进一步在使第二铁磁性金属层103的磁化的方向相对于层叠面垂直时，优选使用Co和Pt的层叠膜。具体而言，第二铁磁性金属层103可以为[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)。
作为第一铁磁性金属层101的材料，可以使用铁磁性材料，特别是软磁性材料。例如，可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属、包含一种以上这些金属的合金，含有这些金属和B、C和N的至少一种以上的元素的合金等。具体而言，可以列举Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
在使第一铁磁性金属层101的磁化的方向相对层叠面垂直时，优选第一铁磁性金属层的厚度为2.5nm以下。在第一铁磁性金属层101与非磁性层102的界面，可以对第一铁磁性金属层101施加垂直磁各向异性。另外，垂直磁各向异性通过增厚第一铁磁性金属层101的膜厚而效果衰减，因此优选第一铁磁性金属层101的膜厚越薄越好。
非磁性层102中可以使用公知的材料。
例如，非磁性层102由绝缘体形成时(为隧道势垒层时)，作为其材料，可以使用Al2O3、SiO2、Mg和MgAl2O4等。另外除这些之外，也可使用将Al、Si、Mg的一部分置换为Zn、Be等的材料等。其中，MgO或者MgAl2O4是能够实现相干隧道的材料，因此能够高效地注入自旋。
另外，非磁性层102由金属形成时，作为其材料，可以使用Cu、Au、Ag等。
另外，在与第一铁磁性金属层101的非磁性层102相反侧的表面，优选如图15所示的那样形成有保护层104。保护层104能够抑制来自第一铁磁性金属层101的元素的扩散。另外保护层104也有助于磁阻效应元件部105的各层的晶体取向性。其结果，通过设置保护层104，能够使磁阻效应元件部105的第二铁磁性金属层103和第一铁磁性金属层101的磁性稳定化，并使磁阻效应元件部105低电阻化。
保护层104优选使用导电性高的材料。例如，可以使用Ru、Ta、Cu、Ag、Au等。保护层104的晶体结构优选与邻接的铁磁性金属层的晶体结构匹配，可以根据fcc结构、hcp结构或者bcc结构来适当设定。
另外，保护层104优选使用选自银、铜、镁和铝中的任意种。详细内容在后面叙述，自旋轨道转矩配线120与磁阻效应元件部105经由保护层104连接时，保护层104优选不会将从自旋轨道转矩配线120传递的自旋散逸。已知银、铜、镁和铝等自旋扩散长度为100nm以上，自旋不易散逸。
保护层104的厚度优选为构成保护层104的物质的自旋扩散长度以下。保护层104的厚度如果在自旋扩散长度以下，那么能够将从自旋轨道转矩配线120传递的自旋充分地传递到磁阻效应元件部105。
＜基板＞
基板110优选平坦性优异。为了得到平坦性优越的表面，作为材料，例如可以使用Si、AlTiC等。
在基板110的磁阻效应元件部105侧的表面，可以形成有基底层(图示略)。设置有基底层时，能够控制包含层叠在基板110上的第二铁磁性金属层103的各层的晶体取向性、结晶粒直径等的结晶性。
基底层优选具有绝缘性。这是为了不使在配线130等中流动的电流散逸。基底层可以使用各种材料。
例如作为一个例子，在基底层中(001)可以使用具有取向了的NaCl结构，并含有选自Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中的至少一种元素的氮化物的层。
作为另一例子，在基底层中，可以使用由XYO3的组成式所表示的(002)取向的钙钛矿系导电性氧化物的层。在此，位点X包含选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中的至少一种元素，符号Y包含选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中的至少一种元素。
作为其它例子，基底层中可以使用具有(001)取向的NaCl结构，并且包含选自Mg、Al、Ce中的至少一种元素的氧化物的层。
作为其它例子，基底层中可以使用具有(001)取向的正方晶结构或者立方晶结构，并且包含选自Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W中的至少一种元素的层。
另外，基底层不限于一层，可以将上述的例子的层层叠多层。通过设计基底层的结构以提高磁阻效应元件部20的各层的结晶性，并能够改善磁特性。
＜配线＞
配线130与磁阻效应元件部20的第二铁磁性金属层21电连接，图5中，配线130、自旋轨道转矩配线120和电源(省略图示)构成闭合回路，电流在磁阻效应元件部20的层叠方向流动。
配线130只要是导电性强的材料就可以。例如，可以使用铝、银、铜、金等。
在上述的本实施方式中，磁阻效应元件100中，可以举出将层叠在后面并且配置于离基板110远侧的第一铁磁性金属层101作为磁化自由层；将层叠在前面并且配置于离基板110近侧的第二铁磁性金属层103作为磁化固定层(钉扎(pin)层)的所谓的底部钉扎(bottom pin)结构的例子，不过磁阻效应元件100的结构不特别地限定于此，也可以是所谓的顶部钉扎(top pin)结构。
本发明的磁阻效应元件可以使用公知的方法来制造。
磁阻效应元件部可以例如使用磁控溅射装置来形成。磁阻效应元件部是TMR元件时，例如，通过将在第二铁磁性金属层上最初为0.4～2.0nm程度的铝和成为多个非磁性元素的二价的正离子的金属薄膜进行溅射，进行等离子体氧化或者导入氧的自然氧化，并通过之后的热处理来形成隧道势垒层。作为成膜法，除了磁控溅射法之外，还可以使用蒸镀法，激光烧蚀法，MBE法等的薄膜制作法。
进行了磁阻效应元件部的成膜和形状的形成之后，优选在最开始形成纯自旋流产生部。这是由于做成尽可能抑制从纯自旋流产生部到磁阻效应元件部的纯自旋流的散射的结构与高效率化息息相关的缘故。
进行了磁阻效应元件部的成膜和形状的形成之后，在加工后的磁阻效应元件部的周围掩埋抗蚀剂等，形成包含磁阻效应元件部的上表面的面。此时，优选将磁阻效应元件部的上表面平坦化。通过进行平坦化，从而能够抑制在纯自旋流产生部与磁阻效应元件部的界面处的自旋散射。
接下来，在平坦化的磁阻效应元件部的上表面，将纯自旋流产生部的材料进行成膜。成膜可以使用溅射等。
接着，在想要制作纯自旋流产生部的部分设置抗蚀剂或者保护膜，利用离子铣削法或者反应性离子蚀刻(RIE)法来去除不要的部分。
接着，通过溅射等将构成低电阻部的材料成膜，并通过将抗蚀剂等剥离来制作自旋轨道转矩配线。纯自旋流产生部的形状复杂时，抗蚀剂或者保护膜的形成和纯自旋流产生部的成膜可以分为多次形成。
图17是表示图16所示的磁阻效应元件100中，在磁阻效应元件部105的层叠方向流通电流的第一电源140和在自旋轨道转矩配线120流通电流的第二电源150的图。
第一电源140与配线130和自旋轨道转矩配线120连接。第一电源140可以控制在磁阻效应元件100的层叠方向流通的电流。
第二电源150与自旋轨道转矩配线120的两端连接。第二电源150能够控制在与磁阻效应元件部105的层叠方向正交的方向上流通的电流，即在自旋轨道转矩配线120中流通的电流。
如上所述，在磁阻效应元件部105的层叠方向上流通的电流引起STT。与此相对，在自旋轨道转矩配线120中流通的电流引起SOT。STT和SOT都有助于第一铁磁性金属层101的磁化反转。
如此，通过2个电源来控制在磁阻效应元件部105的层叠方向和与该层叠方向垂直的方向上流通的电流量，从而能够自由地控制SOT和STT对磁化反转贡献的贡献率。
例如，在器件中不能流过大电流时，可以以对磁化反转的能量效率高的STT为主的方式进行控制。即，可以增加从第一电源140流出的电流量，并减少从第二电源150流出的电流量。
另外，例如在有必要制作薄的器件、不得不减薄非磁性层102的厚度时，要求减少非磁性层102中流通的电流。此时，可以减少从第一电源140流出的电流量，并增加从第二电源150流出的电流量，提高SOT的贡献率。
第一电源140和第二电源150能够使用公知的设备。
如上所述，根据本发明为“STT和SOT并用”构成时的磁阻效应元件，能够通过由第一电源和第二电源供给的电流量来自由地控制STT和SOT的贡献率。因此，能够根据对器件要求的性能，自由地控制STT和SOT的贡献率，并能够作为通用性更强的磁阻效应元件来发挥作用。
(磁存储器)
本发明的磁存储器(MRAM)具有多个本发明的磁阻效应元件。
(磁化反转方法)
关于磁化反转方法，本发明的磁阻效应元件中，在自旋轨道转矩配线中流通的电流密度可以不足1×107A/cm2。
在自旋轨道转矩配线中流通的电流的电流密度过大时，会由在自旋轨道转矩配线中流通的电流而产生热量。对第二铁磁性金属层施加热量时，第二铁磁性金属层的磁化的稳定性丧失，可能会产生意料之外的磁化反转等。产生这样的意料之外的磁化反转时，会产生存储的信息重写的问题。即，为了避免意料之外的磁化反转，优选使在自旋轨道转矩配线中流通的电流的电流密度不过大。如果在自旋轨道转矩配线中流通的电流的电流密度小于1×107A/cm2，则至少能够避免由于产生的热量而导致磁化反转的情况。
关于磁化反转方法，在本发明的磁阻效应元件中，为“STT和SOT并用”构成时，也可以在对自旋轨道转矩配线的电源施加电流之后，对磁阻效应元件的电源施加电流。
SOT磁化反转步骤和STT磁化反转步骤也可以同时进行，也可以在事先进行了SOT磁化反转步骤之后，再增加进行STT磁化反转步骤。可以同时从第一电源140和第二电源150供给电流，也可以在从第二电源150供给电流之后，再从第一电源140供给电流，不过为了进一步确实地获得利用了SOT的磁化反转的辅助效果，优选在对自旋轨道转矩配线的电源施加了电流之后，对磁阻效应元件的电源施加电流。即，优选在从第二电源150供给电流之后，再从第一电源140供给电流。

Claims (10)

1.一种自旋流磁化反转元件，其特征在于，包括：
磁化方向可变的第一铁磁性金属层；和
在与作为所述第一铁磁性金属层的法线方向的第一方向交叉的第二方向上延伸，并与所述第一铁磁性金属层的第一面接合的自旋轨道转矩配线，
所述自旋轨道转矩配线由与所述第一铁磁性金属层的第一面接合的纯自旋流产生部，和与所述第二方向上的该纯自旋流产生部的两端连接、并由电阻率比该纯自旋流产生部小的材料构成的低电阻部构成，
所述纯自旋流产生部以与所述第一方向正交的截面的面积随着在所述第一方向上远离与所述第一铁磁性金属层接合的接合面而连续地和/或阶梯地变大的方式而形成。
2.如权利要求1所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：
与所述纯自旋流产生部的一端连接的所述低电阻部和与所述纯自旋流产生部的另一端连接的所述低电阻部分离。
3.如权利要求1或2所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：
所述纯自旋流产生部的所述接合面包含于与所述第一铁磁性金属层的第一面重叠的区域。
4.如权利要求1～3中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：
所述纯自旋流产生部与所述低电阻部的边界的至少一部分与所述第一铁磁性金属层的所述第一面相接。
5.如权利要求1～4中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：
所述低电阻部由夹着所述纯自旋流产生部而隔开的第一低电阻部和第二低电阻部构成。
6.如权利要求1～5中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：
还包括绝缘层，其与所述自旋轨道转矩配线的与所述第一铁磁性金属层接合的面的相反侧的面接合。
7.如权利要求1～6中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：
所述自旋轨道转矩配线的宽度与所述第一铁磁性金属层的宽度相同。
8.如权利要求1～7中任一项所述的自旋流磁化反转元件，其特征在于：
所述纯自旋流产生部包含具有d电子或者f电子的原子序数为39以上的非磁性金属，并且所述纯自旋流产生部的电阻率比所述低电阻部的电阻率大2倍以上。
9.一种磁阻效应元件，其特征在于：
具备：
权利要求1～8的任一项中所述的自旋流磁化反转元件；磁化方向固定的第二铁磁性金属层；以及被第一铁磁性金属层与第二铁磁性金属层所夹持的非磁性层。
10.一种磁存储器，其特征在于：
具备多个权利要求9中所述的磁阻效应元件。
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