JP2017216286A - スピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流−スピン流変換効率を向上させることができるスピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置を提供する。【解決手段】スピントロニクスデバイスは、強磁性層１２と、強磁性層１２上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層１３と、常磁性層１３上に設けられた常磁性層１３の酸化物からなる酸化膜１４とを備える。記憶装置は、第１の強磁性層と、第１の強磁性層上に設けられた非磁性層と、非磁性層上に設けられた第２の強磁性層と、第２の強磁性層上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層と、常磁性層上に設けられた常磁性層の酸化物からなる酸化膜とを備え、第１及び第２の強磁性層の磁化の向きに応じた情報が記憶される記憶素子を複数個配列する。【選択図】図１

Description

本発明は、スピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置に関する。

近年、電子のスピンの自由度を利用したスピントロニクスが注目を集めており、省エネルギーなスピントロニクスデバイスを実現するために、スピン流を用いた磁化の制御手法に関する研究が進められている。例えば、強磁性金属層と常磁性金属層との界面において、常磁性金属層で生成されたスピン流を利用した強磁性金属層の磁気的状態の制御手法が提案されている（特許文献１参照。）。

国際公開第２００８／１２３０２３号公報

低消費電力でより安定且つ高速で動作するスピントロニクスデバイスの実現には、物質中のスピン軌道相互作用に由来する電流−スピン流変換効率の向上が必要不可欠であり、様々な物質群における物質探索が進められている。

本発明は、電流−スピン流変換効率を向上させることができるスピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、（ａ）強磁性層と、（ｂ）強磁性層上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層と、（ｃ）常磁性層上に設けられた常磁性層の酸化物からなる酸化膜とを備えるスピントロニクスデバイスであることを要旨とする。

本発明の他の態様は、（ａ）第１の強磁性層と、（ｂ）第１の強磁性層上に設けられた非磁性層と、（ｃ）非磁性層上に設けられた第２の強磁性層と、（ｄ）第２の強磁性層上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層と、（ｅ）常磁性層上に設けられた常磁性層の酸化物からなる酸化膜とを備え、第１及び第２の強磁性層の磁化の向きに応じた情報が記憶される記憶素子を複数個配列した記憶装置であることを要旨とする。

本発明によれば、電流−スピン流変換効率を向上させることができるスピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置を提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスの一例を示す断面図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスの他の一例を示す断面図である。 スピンホール効果を説明するための概略図である。 スピン流と磁化の相互作用を説明するための概略図である。 強磁性共鳴の測定装置の構成の一例を示す概略図である。 強磁性共鳴の測定装置の構成の一部を拡大した概略図である。 強磁性共鳴スペクトルの一例を示すグラフである。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、試料Ａ〜Ｃの強磁性共鳴スペクトルの測定結果を示すグラフである。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は、試料Ａ〜Ｃの強磁性共鳴スペクトルの測定結果を対称成分及び非対称成分に分けて示すグラフである。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は、試料Ａ〜Ｃの生成直流電圧を示すグラフである。 図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、試料Ａ〜Ｃの電流−スピン流変換効率を示すグラフである。 試料ＣのＸ線光分子分光法（ＸＰＳ）スペクトルを示すグラフである。 試料Ｃの初期状態のＸＰＳスペクトルを示すグラフである。 図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、試料Ｃの初期状態〜１５秒後のＸＰＳスペクトルを順次示すグラフである。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、試料Ｃ及び比較例の生成直流電圧を示すグラフである。 図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、試料Ｃ及び比較例の電流−スピン流変換効率を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスの応用例である記憶装置の一例を示す概略図である。 図１７（ａ）は、本発明の実施形態に係る記憶素子の磁化が平行状態である場合を示す断面図であり、図１７（ｂ）は、本発明の実施形態に係る記憶素子の磁化が反平行状態である場合を示す断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を貼付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

また、本明細書において、「上側」「下側」等の「上」「下」の定義は、図示した断面図上の単なる表現上の問題であって、例えば、スピントロニクスデバイスの方位を反時計回りに９０°変えて観察すれば「上」「下」の称呼は、「左」「右」になり、１８０°変えて観察すれば「上」「下」の称呼の関係は逆になることは勿論である。

（スピントロニクスデバイスの構成）
本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスは、図１（ａ）に示すように、支持基板１１と、支持基板１１上に設けられた強磁性層１２と、強磁性層１２上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層１３と、常磁性層１３上に設けられた常磁性層１３の酸化物からなる酸化膜１４とを備える。

支持基板１１としては、例えば熱酸化シリコン（ＳｉＯ_２）基板、サファイヤ基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、ガラス基板等が使用可能である。

強磁性層１２の厚さは例えば４ｎｍ〜２０ｎｍ程度である。強磁性層１２の材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ツンデレビウム（Ｔｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）若しくはツリウム（ＴＭ）等の単体金属、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、Ｆｅ−Ｃｏ、ネオジウム鉄ボロン（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−アルミニウム（Ａｌ）若しくはサマリウムコバルト（ＳＭＣｏ_５）等の合金、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）、又は四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）若しくはγ−Ｆｅ_２Ｏ_３等の酸化鉄等が使用可能である。パーマロイとしては、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９等が挙げられる。

常磁性層１３の厚さは例えば５ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。常磁性層１３の材料としては、本発明の実施形態では、比較的弱いスピン軌道相互作用を示す銅（Ｃｕ）について例示し、本発明が電流−スピン流変換効率を向上させることに効果があることを示す。即ち、Ｃｕは、常磁性層１３として通常採用されている白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）又はタングステン（Ｗ）等と比較して弱いスピン軌道相互作用を示す材料である。スピン軌道相互作用とは、物質中を運動する電子がそのスピン方向に応じた力を受けるような相互作用である。このスピン軌道相互作用により、電流とスピン流は相互に変換される。電流からスピン流が生じる現象はスピンホール効果、スピン流から電流が生じる現象は逆スピンホール効果として知られている。

酸化膜１４の厚さは例えば１ｎｍ〜１５ｎｍ程度であり、より好ましくは３ｎｍ〜１５ｎｍ程度である。酸化膜１４は、常磁性層１３の表面が酸化されて形成された常磁性層１３の酸化物からなる層である。常磁性層１３がＣｕからなる場合、酸化膜１４はＣｕの酸化物からなる。Ｃｕの酸化物としては、酸化第一銅（ＣｕＯ）、酸化第二銅（Ｃｕ_２Ｏ）及びこれらの複合膜等が挙げられる。更に、Ｃｕの酸化物として、ＣｕＯ_０．６７等の非化学等量的酸化物が含まれていてもよい。本発明者らは、強磁性層１２及び常磁性層１３の複合構造において、常磁性層１３上に酸化膜１４を形成することにより、電流−スピン流変換効率を向上させることを見出した。

本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスは、図１（ｂ）に示すように、酸化膜１４上に設けられた絶縁膜からなるキャップ層１５を更に備えるようにしてもよい。キャップ層１５としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）やシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４膜）等の酸素の透過率の小さな絶縁膜が採用可能である。キャップ層１５の厚さが厚いほど、或いはキャップ層１５の酸素の透過率が小さいほど、キャップ層１５を酸素が透過し難くなる。このため、キャップ層１５を形成した後には、常磁性層１３の表面の酸化の進行が抑制される。

酸化膜１４の厚さを制御して酸化膜１４を形成するためにキャップ層１５を用いる場合は、キャップ層１５の種類及び厚さを調整することにより、常磁性層１３の表面に形成される酸化膜１４の厚さを制御可能である。キャップ層１５の厚さは、キャップ層１５の耐酸素透過特性に依存するが、ＳｉＯ_２膜の場合には例えば０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ程度である。

一方、常磁性層１３の表面に酸化膜１４が形成された後に、常磁性層１３の表面の酸化の進行（換言すれば、酸化膜１４の厚さの増大）を抑制する目的でキャップ層１５を採用している場合は、キャップ層１５を厚さ１ｎｍ程度以上に厚く形成してもよい。酸化膜１４を形成後にキャップ層１５を厚く形成することにより、酸化膜１４の膜厚の増大を抑制するパッシベーション膜や保護膜として機能させることができる。

本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスは、スピン角運動量の流れであるスピン流を利用して動作する。スピン流は磁化と相互作用する性質を有し、原理的にジュール熱を伴わない。図２に模式的に示すように、常磁性層１３中に電流Ｊ_ｃが流れると、スピン軌道相互作用によりアップスピンの電子とダウンスピンの電子が分離して曲がり、電流Ｊ_ｃの流れる方向と直交する方向にスピン流Ｊ_ｓが流れる。即ち、電流Ｊ_ｃがスピン流Ｊ_ｓに変換されるスピンホール効果が生じる。

スピン流Ｊ_ｓは、式（１）で示すように、電流Ｊ_ｃとスピン方向σの積に比例する。

Ｊ_ｓ ∝ Ｊ_ｃ×σ …（１）

常磁性層１３のスピン流Ｊ_ｓは強磁性層１２の磁化と相互作用し、強磁性層１２の磁化を傾ける方向に働くスピントルクを生じさせる。図３に模式的に示すように、強磁性層１２において、フィールドトルクＴ_Ｆにより、磁化Ｍが磁場Ｈの方向を軸として歳差運動を行う。ダンピングトルクＴ_Ｄは、磁化Ｍの歳差運動を減衰させる方向に働く。一方、スピントルクＴ_ｓは、ダンピングトルクＴ_Ｄとは逆方向に、磁化Ｍを傾ける方向に働く。

スピンＳ_ｉ，Ｓ_ｊがあるときに、交換相互作用（交換エネルギー）Ｅは、交換定数（＞０）をＪとして、式（２）で表すことができる。

角運動量保存の法則により、磁化をＭ、スピン流をｊ_ｓとして、式（３）が成り立つ。

ｄＭ／ｄｔ＝−∇・ｊ_ｓ …（３）

図１（ａ）に示したスピントロニクスデバイスの酸化膜１４は、常磁性層１３を自然酸化することにより形成可能である。例えば、スパッタリング法等により、支持基板１１上に、強磁性層１２、常磁性層１３を順次堆積した積層体を、常磁性層１３の表面が露出した状態で大気中で数時間〜数日間放置することにより、常磁性層１３が自然酸化し、常磁性層１３の酸化膜１４が形成される。その後、図１（ｂ）に示すように、スパッタリング法等により、酸化膜１４上にキャップ層１５を形成すれば、酸化膜１４の膜厚の増大を抑制することができる。

このように、図１（ａ）に示したキャップ層１５は必ずしもスピントロニクスデバイスの本質的な動作に影響を与えるものではないが、動作の安定性や信頼性のためにはあった方が好ましい。

試料Ａは、図１（ｂ）に対応する構造であり、ＳｉＯ_２からなる支持基板１１上に、スパッタリング法により、厚さ８ｎｍのＮｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性層１２、厚さ１０ｎｍのＣｕからなる常磁性層１３、厚さ１．０ｎｍのＳｉＯ_２膜からなるキャップ層１５を順次堆積した積層体を、大気中で５時間放置してキャップ層１５を介して常磁性層１３を自然酸化させて、常磁性層１３の表面に極僅かの酸化膜１４を形成した試料である。

試料Ｂは、図１（ｂ）に対応する構造であるが、キャップ層１５が試料Ａよりも薄い。即ち、試料Ｂは、ＳｉＯ_２からなる支持基板１１上に、スパッタリング法により、厚さ８ｎｍのＮｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性層１２、厚さ１０ｎｍのＣｕからなる常磁性層１３、厚さ０．５ｎｍのＳｉＯ_２膜からなるキャップ層１５を順次堆積した積層体を、大気中で５時間放置してキャップ層１５を介して常磁性層１３を自然酸化させて、常磁性層１３の表面に酸化膜１４を形成した試料である。試料Ｂは、試料Ａに対してキャップ層１５の厚さが薄いため、酸化膜１４の厚さが厚くなっている。

試料Ｃは、図１（ａ）に対応する構造であり、ＳｉＯ_２からなる支持基板１１上に、スパッタリング法により、厚さ８ｎｍのＮｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性層１２、厚さ１０ｎｍのＣｕからなる常磁性層１３を順次堆積した積層体を、常磁性層１３の表面が露出した状態で、大気中で５時間放置して常磁性層１３を自然酸化させて、常磁性層１３の表面に厚さ２．５ｎｍ程度の酸化膜１４を形成した試料である。試料Ｃでは、キャップ層１５が堆積されていないため、試料Ａ，Ｂに対して酸化膜１４の厚さが厚くなっている。

図４に、試料Ａ〜Ｃの強磁性共鳴スペクトルの測定装置の構成を例示する。なお、図４では試料Ｃを測定対象とする場合を例示するが、試料Ａ，Ｂを測定対象とする場合も同様の構成である。図４に示すように、支持基板１１上の常磁性層１３及び強磁性層１２を挟むように対向して電極２１及び電極２２を配置する。電極２１は接地され、電極２２には、バイアスティー２３のコンデンサＣを介して発振器２４が接続されている。電極２２とコンデンサＣの間には、バイアスティー２３のコイルＬを介して電圧計２５が接続されている。

図４に示した発振器２４により高周波信号を試料Ｃに印加すると、図５に模式的に示すように、正スピンホール効果により、常磁性層１３において電流Ｊ_ｃがスピン流Ｊ_ｓに変換される。常磁性層１３のスピン流Ｊ_ｓは強磁性層１２の磁化Ｍと相互作用して、スピントルクが強磁性共鳴を駆動する。バイアスティー２３を用いて直流電圧を切り分けて電圧計２５により検出することにより、スピントルクに起因した強磁性共鳴スペクトルを測定することができる。

強磁性共鳴スペクトルの測定原理としては、磁気抵抗効果によって、磁化と電流の成す角度により抵抗が変化する。角周波数をω、時刻をｔとして、入力電流はｃｏｓ（ωｔ）に比例し、試料Ｃの抵抗はｃｏｓ（ωｔ）に比例する。試料Ｃで生じる電圧は、ｃｏｓ２（ωｔ）＝１＋ｃｏｓ（２ωｔ）に比例するので、直流成分が発生する。この直流成分をバイアスティー２３を用いて測定することでスピントルク及び電流−スピン流変換効率を評価できる。

強磁性共鳴スペクトルは、以下の式（４）で表すことができる。

ここで、Ｖ_ｍｉｘは生成直流電圧、Ｗは強磁性共鳴スペクトルの線幅、μ_０Ｈは磁場、μ_０Ｈ_ＦＭＲは共鳴磁場、Ｓは対称成分の電圧、Ａは非対称成分の電圧である。対称成分はスピン流による成分であり、非対称成分は磁場による成分である。図６は、強磁性共鳴スペクトルの実験データと、式（４）を用いたフィッティングデータの一例を示す。

試料Ａ〜Ｃについて、７ＧＨｚの高周波信号を印加したときの強磁性共鳴スペクトルの測定結果を図７（ａ）〜図７（ｃ）に示し、強磁性共鳴スペクトルを対称成分と非対称成分に分けて図８（ａ）〜図８（ｃ）に示す。また、試料Ａ〜Ｃについて、４ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの高周波信号を印加したときの強磁性共鳴スペクトルの測定結果を図９（ａ）〜図９（ｃ）に示し、電流−スピン流変換効率ξ_ＦＭＲを図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示す。

図８（ａ）〜図８（ｃ）等から、試料Ｃ，Ｂ，Ａの順で対称成分が増大していることが分かる。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）等から、試料Ｃ，Ｂ，Ａの順で電流−スピン流変換効率ξ_ＦＭＲが増大していることが分かる。これは、キャップ層１５の厚さが薄いほど、Ｃｕの自然酸化により酸化膜１４の厚さが厚くなり、酸化膜１４の厚さが厚いほど、電流−スピン流変換効率ξ_ＦＭＲが増大したものと考えられる。

試料Ｃについて、酸化膜１４の表面をプラズマエッチングしながら、Ｘ線光電分光（ＸＰＳ）を測定した。ＸＰＳでは、エッチング速度２０ｎｍ／ｍｉｎのプラズマエッチングで試料Ｃの表面を除去しながら、５秒毎の試料Ｃの表面の状態を観測した。

図１１は、プラズマエッチングを開始前の初期状態（０秒）から、プラズマエッチングを開始して４５秒後まで観測されたＸＰＳスペクトルを示す。図１２は、図１１の初期状態のＸＰＳスペクトルの拡大図を示し、図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、図１１の初期状態、プラズマエッチングを開始して５秒後、１０秒後、１５秒後のＸＰＳスペクトルの拡大図をそれぞれ示す。

図１２に示すように、初期状態では、ＣｕＯのピーク（約９３４ｅＶ）と、ＣｕＯ_２又はＣｕのピーク（約９３２ｅＶ）が観測され、酸化膜１４の表層部分はＣｕ、ＣｕＯ、ＣｕＯ_２等を含むことが分かる。図１３（ａ）〜図１３（ｄ）に示すように、プラズマエッチング開始から５秒後〜１０秒後の時間に、ＣｕＯ_２又はＣｕのピーク強度が増大していることが観測され、この時間に酸化膜１４が除去されていることが分かる。よって、酸化膜１４の厚さは約２．５ｎｍであることが分かる。

更に、試料Ｃと、Ｃｕよりもスピン軌道相互作用が強いＰｔを用いた比較例を対比する。比較例は、支持基板上に、厚さ８ｎｍのＮｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性層と、厚さ１０ｎｍのＰｔからなる常磁性層を順次積層した構造である。試料Ｃ及び比較例についての強磁性共鳴スペクトルの測定結果を図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示し、電流−スピン流変換効率ξ_ＦＭＲを図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示す。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）から、厚さ２．５ｎｍ程度の酸化膜１４を有する試料Ｃが、スピン軌道相互作用が弱いＣｕの場合であっても、比較例と同程度以上の高い電流−スピン流変換効率ξ_ＦＭＲを実現していることが分かる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスによれば、強磁性層１２と常磁性層１３との複合構造において、常磁性層１３上に常磁性層１３の酸化物からなる酸化膜１４を設けたことにより、電流−スピン流変換効率を向上させることができる。したがって、本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスを種々のデバイスに応用することで、省電力化のデバイスを実現可能となる。特に、常磁性層１３が、スピン軌道相互作用が比較的弱いＣｕからなる常磁性層１３を用いた場合でも、電流−スピン流変換効率を向上させることができ、安価なデバイスを製造可能となる。

なお、図１（ａ）に示したスピントロニクスデバイスの酸化膜１４は、支持基板１１上に強磁性層１２及び常磁性層１３を順次堆積した後に、酸化炉内で酸化ガスを流しながら加熱することにより、常磁性層１３の表面を積極的に酸化して酸化膜１４を形成してもよい。その後、必要に応じて、図１（ｂ）に示すように、スパッタリング法等により酸化膜１４上にキャップ層１５を堆積すればよい。また、陽極酸化法や化学気相成長（ＣＶＤ）法等の手法により、常磁性層１３の表面に酸化膜１４を堆積してもよい。

（応用デバイス）
スピントロニクスデバイスの応用例として、記憶装置（磁気ランダムアクセスメモリ）を説明する。本発明の実施形態に係る記憶装置は、図１６に示すように、行方向（ｘ方向）及び列方向（ｙ方向）にマトリクス状に配置された記憶素子（メモリセル）Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}を有する（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍ）。なお、説明の便宜上、図１６ではｎ×ｍマトリクス中の２×２に配列された記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}を示しているが、実際にはｎ，ｍ＝１０^３〜１０^５等の多数の記憶素子が配列される。

行方向に配列された記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}にはワード線ＷＬ_ｊがそれぞれ接続され、行方向に配列された記憶素子Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}にはワード線ＷＬ_ｊ＋１がそれぞれ接続されている。列方向に配列された記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}にはビット線ＢＬ_ｉがそれぞれ接続され、列方向に配列された記憶素子Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}にはビット線ＢＬ_ｉ＋１がそれぞれ接続されている。

各記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}には選択トランジスタＳＴ_ｉｊ，ＳＴ_{ｉ，（ｊ＋１）}，ＳＴ_{（ｉ＋１），ｊ}，ＳＴ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}がそれぞれ接続されている。選択トランジスタＳＴ_ｉｊ，ＳＴ_{ｉ，（ｊ＋１）}のゲートには制御線ＣＬ_ｉがそれぞれ接続され、選択トランジスタＳＴ_{（ｉ＋１），ｊ}，ＳＴ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}のゲートには制御線ＣＬ_ｉ＋２がそれぞれ接続されている。ワード線ＷＬ_ｊ，ＷＬ_ｊ＋１、制御線ＣＬ_ｉ，ＣＬ_ｉ＋１、ビット線ＢＬ_ｉ，ＢＬ_ｉ＋１は図示を省略した制御回路に接続される。

記憶素子Ｍ_ｉｊは、図１７（ａ）に示すように、第１の強磁性層（固定層）３１と、第１の強磁性層３１上に設けられた非磁性層３２と、非磁性層３２上に設けられた第２の強磁性層（可動層）３３と、第２の強磁性層３３上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層３４と、常磁性層３４上に設けられ、常磁性層３４の酸化物からなる酸化膜３５とを備える巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子である。常磁性層３４上には、ワード線ＷＬ_ｊに接続される電極３６が配置されている。第１の強磁性層（固定層）３１の下には、ビット線ＢＬ_ｉに接続される電極３７が配置されている。

なお、図１６に示した他の記憶素子Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}も、図１７（ａ）に示した記憶素子Ｍ_ｉｊと同様の構成を有するＧＭＲ素子である。また、図１６に示した記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}は、図１７（ａ）に示した記憶素子Ｍ_ｉｊの第１の強磁性層３１、非磁性層３２及び第２の強磁性層３３の部分を模式的に示している。

図１７（ａ）に示した記憶素子Ｍ_ｉｊには、第１の強磁性層３１及び第２の強磁性層３３の相対的な磁化Ｍ_１，Ｍ_２の向きに応じた情報が記憶される。第１の強磁性層３１及び第２の強磁性層３３の材料としては、強磁性層１２と同様の材料が使用可能であり、例えばＮｉ_８１Ｆｅ_１９が採用できる。第１の強磁性層３１及び第２の強磁性層３３としては、互いに異なる材料を使用してもよく、同じ材料を使用してもよい。第１の強磁性層３１は磁化Ｍ_１が固定されており、第２の強磁性層３３の磁化Ｍ_２は可変である。

非磁性層３２の材料としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の絶縁体が使用可能である。常磁性層３４及び酸化膜３５の材料としては、常磁性層１３及び酸化膜１４と同様の材料がそれぞれ使用可能である。常磁性層３４及び酸化膜３５の材料としては、例えばＣｕ及びＣｕの酸化物がそれぞれ採用できる。

本発明の実施形態に係る記憶装置の記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}は、ＧＭＲ効果を利用して情報を記憶する。書き込み時には、選択された記憶素子（ここでは記憶素子Ｍ_１１とする）に対応したビット線ＢＬ_ｉとワード線ＷＬ_ｊに電流を流して有効磁場を発生させ、記憶素子Ｍ_ｉｊの常磁性層３４にスピン流Ｊ_ｓが発生する。このスピン流_ｓが、第２の強磁性層３３の磁化Ｍ_２と相互作用し、磁化Ｍ_２に対するスピン角運動量の受け渡しが起こる。この結果、第２の強磁性層３３の磁化Ｍ_２が反転する。

図１７（ａ）に示すように、第１の強磁性層３１及び第２の強磁性層３３の磁化が平行状態にあるとき、第１の強磁性層３１、非磁性層３２及び第２の強磁性層３３を通る縦方向の電流経路は相対的に低抵抗であり、ビット線ＢＬ_ｉを介して例えば「１」が読み出される。一方、図１７（ｂ）に示すように、第２の強磁性層３３の磁化の向きが反転して、第１の強磁性層３１及び第２の強磁性層３３の磁化が反平行状態にあるとき、第１の強磁性層３１、非磁性層３２及び第２の強磁性層３３を通る縦方向の電流経路は相対的に高抵抗であり、ビット線ＢＬ_ｉを介して例えば「０」が読み出される。

本発明の実施形態に係る記憶装置によれば、常磁性層３４を流れるスピン流が第２の強磁性層３３の磁化と相互作用し、第２の強磁性層３３の磁化方向を制御できる。この際、常磁性層３４の表面に常磁性層３４の酸化物からなる酸化膜３５を形成することにより、常磁性層３４の電流−スピン流変換効率を向上させることができる。したがって、省エネルギーでの磁化反転が可能となる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、本発明の実施形態においては、支持基板１１を有するスピントロニクスデバイスを説明したが、支持基板１１は必ずしも有していなくてもよい。例えば、強磁性層１２の磁化反転が不要な用途の場合等には、強磁性層１２は必ずしも有していなくてもよい。

本発明は、スピン流の自由度をそれぞれ利用する熱電変換素子、マイクロ波発振器、スピントランジスタ及びＭＲＡＭのメモリセル等の種々のスピントロニクスデバイスに利用可能である。

１１…支持基板
１２，３１，３３…強磁性層
１３，３４…常磁性層
１４，３５…酸化膜
２１，２２，３６，３７…電極
２３…バイアスティー
２４…発振器
２５…電圧計
３２…非磁性層

Claims (5)

1. 強磁性層と、
   前記強磁性層上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層と、
   前記常磁性層上に設けられた前記常磁性層の酸化物からなる酸化膜
   とを備えることを特徴とするスピントロニクスデバイス。
2. 前記金属が銅であり、
   前記酸化膜が酸化銅からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
3. 前記酸化膜の厚さが１ｎｍ〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載のスピントロニクスデバイス。
4. 前記酸化膜上に設けられた絶縁物からなるキャップ層を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピントロニクスデバイス。
5. 第１の強磁性層と、
   第１の強磁性層上に設けられた非磁性層と、
   前記非磁性層上に設けられた第２の強磁性層と、
   前記第２の強磁性層上に設けられ、スピン軌道相互作用を示す金属からなる常磁性層と、
   前記常磁性層上に設けられた前記常磁性層の酸化物からなる酸化膜
   とを備え、前記第１及び第２の強磁性層の磁化の向きに応じた情報が記憶される記憶素子を複数個配列したことを特徴とする記憶装置。

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