JP2018026525A - スピン流磁化反転素子、素子集合体及びスピン流磁化反転素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部磁場を印加せずに、磁化反転できるスピン流磁化反転素子を提供することを目的とする。【解決手段】このスピン流磁化反転素子は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層側の面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記第２強磁性金属層の前記積層方向の少なくとも一方の面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有し、前記第２強磁性金属層の磁化が前記傾斜面によって傾斜している。【選択図】図１
Description
本発明は、スピン流磁化反転素子、素子集合体及びスピン流磁化反転素子の製造方法に関する。
磁気抵抗効果素子として強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗は大きいが、磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子より大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。
ＭＲＡＭは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとＴＭＲ素子の素子抵抗が変化するという特性を利用して、データを読み書きする。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。
ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転はエネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるために必要な反転電流密度が高い。 ＴＭＲ素子の長寿命の観点からはこの反転電流密度は低いことが望ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
そこで近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴによる磁化反転をひき起こす。また異種材料の界面におけるラシュバ効果によって生じた純スピン流も、同様にＳＯＴによる磁化反転をひき起こす。これらのメカニズムについての詳細はこれまでに明らかになっていない。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いることで磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
一方で、ＳＯＴを用いた磁化反転には、外部磁場を印加することで、磁化反転する磁化の対称性を乱す必要があると言われている（例えば、非特許文献２）。外部磁場を印加するためには磁場の発生源が必要である。磁場の発生源を別途設けることは、スピン流磁化反転素子を含む集積回路の集積度の低下につながる。そのため、外部磁場を印加せずにＳＯＴを用いた磁化反転を可能とする手法が求められている。
例えば、特許文献１及び非特許文献３には、磁化反転する強磁性体と結合する酸化膜の酸素量を変更することで、磁化の強度の対称性が崩れることが記載されている。磁化の強度の対称性が崩れると、磁化回転しやすくなり、無磁場下でもＳＯＴを用いた磁化反転が可能となる。
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).
S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
Guoqiang Yu, et al., Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2014.94.
しかしながら、特許文献１及び非特許文献３に記載された方法は、酸素量の制御が難しい。特に、薄膜プロセスで作製されるそれぞれの素子において、同様の酸素量の傾斜を形成することは、量産において困難である。また磁気抵抗効果素子の面内方向における磁気異方性の大きさが異なると、意図しない外力（外部磁場、熱等）が加わった際に、磁気異方性の小さい部分の磁化が反転する場合がある。意図しない磁化の反転は、データのノイズとなり、データの長期保存を阻害する。特に磁気抵抗効果素子の強磁性体の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、磁気異方性の小さい部分の磁化反転が、その他の部分の磁化反転も誘発し、データを書き換えてしまうおそれがある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、外部磁場を印加せずに、磁化反転できるスピン流磁化反転素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、磁化回転を起こす強磁性体の少なくとも一面を傾斜させることで、磁化を傾斜させ、外部磁場を印加した状態に近い状態を生み出した。また磁化回転する初期状態が外部磁場を印加した状態に近づくことで、外部磁場を印加しなくてもＳＯＴによる磁化反転を行うことが可能となった。すなわち、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）第１の態様にかかるスピン流磁化反転素子は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層側の面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記第２強磁性金属層の前記積層方向の少なくとも一方の面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有し、前記第２強磁性金属層の磁化の方向が前記傾斜面によって傾斜している。
（２）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記磁気抵抗効果素子側の面が前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有してもよい。
（３）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第２強磁性金属層の両面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有してもよい。
（４）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第２強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線側の前記傾斜面と、前記非磁性層側の前記傾斜面とが平行であってもよい。
（５）上記の態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記傾斜面が、前記積層方向及び前記第１の方向と交差する第２の方向に傾斜していてもよい。
（６）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第２強磁性金属層の前記傾斜面を有する面は、基準面に対して傾斜角の正負の異なる第１傾斜面と第２傾斜面を有し、前記第１傾斜面の面積は、前記第２傾斜面の面積より大きい構成でもよい。
（７）第２の態様にかかるスピン流磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性層の一面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記強磁性金属層の前記積層方向の少なくとも一方の面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有する。
（８）第３の態様にかかる素子集合体は、上記態様にかかるスピン流磁化反転素子を複数備える。
（９）上記態様にかかる素子集合体において、複数の前記スピン流磁化反転素子のそれぞれの傾斜面が、同一の方向に傾斜している構成でもよい。
（１０）第４の態様にかかるスピン流磁化反転素子の製造方法は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を積層する積層工程を有し、前記積層工程の前又は途中において、前記第２強磁性金属層のいずれか一面に前記第１の方向に傾斜した傾斜面を形成する。
（１１）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子の製造方法において、前記傾斜面を前記第１の方向に沿った研磨により形成してもよい。
（１２）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子の製造方法において、前記傾斜面を前記第１の方向に沿った異方性エッチングにより形成してもよい。
（１３）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子の製造方法において、前記傾斜面を第１の方向に沿った異方性成膜により形成してもよい。
（１４）第５の態様にかかるスピン流磁化反転素子の製造方法は、強磁性層と、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を積層する積層工程を有し、前記積層工程の前又は途中において、前記強磁性金属層のいずれか一面に前記第１の方向に傾斜した傾斜面を形成する。
上記態様にかかるスピン流磁化反転素子によれば、外部磁場を印加せずに、磁化反転できる。
以下、本発明について、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、本発明の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。
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
以下、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２０が延在する面内方向であって第１の方向と直交する第２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する磁気抵抗効果素子１０の積層方向をｚ方向とする。
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
以下、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２０が延在する面内方向であって第１の方向と直交する第２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する磁気抵抗効果素子１０の積層方向をｚ方向とする。
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子１０は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層１と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層２と、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２に挟持された非磁性層３とを有する。
磁気抵抗効果素子１０は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層１と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層２と、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２に挟持された非磁性層３とを有する。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１が一方向に固定され、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第１強磁性金属層の保磁力は第２強磁性金属層の保磁力よりも大きいものであり、また、交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第１強磁性金属層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１０は、非磁性層３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子であり、非磁性層３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
磁気抵抗効果素子の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第１強磁性金属層１の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第１強磁性金属層１は固定層や参照層、第２強磁性金属層２は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０において、第２強磁性金属層２のスピン軌道トルク配線２０側の面はｘ方向に傾斜し、傾斜面２ａを形成している。また第２強磁性金属層２の非磁性層３側の面もｘ方向に傾斜し、傾斜面２ｂを形成している。
第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２は、積層界面の影響を大きく受ける。一般に垂直磁化膜の場合、積層界面に対して垂直な向きに磁化は配向する。図１に示す第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２は、傾斜面２ａ及び傾斜面２ｂの影響を受けて、ｚ方向に対して傾斜角θだけｘ方向に傾いて配向している。
図１において、傾斜面２ａと傾斜面２ｂは平行である。そのため、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の傾斜角θは、ｘｙ面内のいずれの位置でも等しい。この場合、磁化Ｍ２の傾斜角θは、傾斜面２ａの傾斜角φと等しい。
また傾斜面２ａと傾斜面２ｂが平行であると、第２強磁性金属層２はｘｙ面内のいずれの位置でも同一の厚さとなる。ここで、「第２強磁性金属層２の厚み」は傾斜面２ａから傾斜面２ｂに下した垂線の長さを意味する。また「同一」とは、ｘｙ面内の任意の１０点で測定した第２強磁性金属層２の厚みの平均値に対して±１０％以上厚みの変化が無いことを意味する。
第２強磁性金属層２の厚み及び磁化Ｍ２の傾斜角θがｘｙ面内方向で一定であれば、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の大きさもｘｙ面内で一定となる。第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の大きさが面内方向で一定であれば、磁気異方性の小さい部分の磁化が意図せず反転するという問題を避けることができる。意図しない磁化の反転は、データのノイズとなり、データの長期保存を阻害する。特に第２強磁性金属層２の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、磁気異方性の小さい部分の磁化反転が、その他の部分の磁化反転も誘発し、データを書き換えてしまうおそれがある。
非磁性層３及び第１強磁性金属層１は、第２強磁性金属層２上に積層されており、ｘ方向に傾斜している。そのため、第１強磁性金属層１の非磁性層３側には傾斜面１ａが形成され、その反対側の面には傾斜面１ｂが形成されている。
第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１は、傾斜面１ａ及び傾斜面１ｂの影響を受けて、ｘ方向に傾斜する。磁化Ｍ１の傾斜角は、磁化Ｍ２の傾斜角と等しい。
また図１において、傾斜面１ａと傾斜面１ｂは平行である。そのため、第１強磁性金属層１の厚みはｘｙ面内のいずれの位置でも同一である。つまり、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１は、ｘｙ面内のいずれの位置においても第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２に対して同様に作用する。すなわち、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の安定性が高まる。
また第２強磁性金属層２の傾斜面２ｂと第１強磁性金属層１の傾斜面１ａが平行であれば、非磁性層３の厚みもｘｙ面内で同一となる。非磁性層３の厚みがｘｙ面内で同一であれば、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２に対する第１強磁性金属層の磁化Ｍ１の寄与が一定となり、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の安定性が高まる。
第１強磁性金属層１の材料には、公知のもの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。
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。
また、第１強磁性金属層１の第２強磁性金属層２に対する保磁力をより大きくするために、第１強磁性金属層１と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第１強磁性金属層１の漏れ磁場を第２強磁性金属層２に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
さらに第１強磁性金属層１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、第１強磁性金属層１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。
第２強磁性金属層２の材料として、強磁性材料、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。
第２強磁性金属層２の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第２強磁性金属層２の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第２強磁性金属層２と非磁性層３の界面で、第２強磁性金属層２に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第２強磁性金属層２の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第２強磁性金属層２の膜厚は薄い方が好ましい。
非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３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、Ｍｇ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４Ｏ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３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。
例えば、非磁性層３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、Ｍｇ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４Ｏ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３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。
また、磁気抵抗効果素子１０は、その他の層を有していてもよい。例えば、第２強磁性金属層２の非磁性層３と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第１強磁性金属層１の非磁性層３と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。
スピン軌道トルク配線２０と磁気抵抗効果素子１０との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２０から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。
またこの層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子１０に十分伝えることができる。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
図１に示すスピン軌道トルク配線２０は、磁気抵抗効果素子１０側の面がｘ方向に傾斜している。磁気抵抗効果素子１０の各層は、スピン軌道トルク配線２０の傾斜面の形状を反映して積層されている。
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線２０中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。スピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムについて、図１を基に説明する。
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の両端に電位差を与えるとｘ方向に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、紙面奥側に配向した第１スピンＳ１と紙面手前側に配向した第２スピンＳ２はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。従って、スピン軌道トルク配線２０の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
ここで、第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２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。図１においては、純スピン流としてＪＳが図中の上方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
図１において、スピン軌道トルク配線２０の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。すなわち、磁気抵抗効果素子１０にスピンが注入される。
スピン軌道トルク配線２０は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線２０は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
この場合、非磁性の重金属は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。かかる非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。スピン軌道トルク配線２０は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流ＪＳが発生しやすい。特に、非磁性の重金属としてＩｒを用いると、スピンホール効果が大きい。さらに、Ｉｒと第２強磁性金属層２の界面において従来材料よりも大きな垂直磁気異方性を第２強磁性金属層２に付加することができる。
また、スピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線２０に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線２０は、反強磁性金属だけからなってもよい。
スピン軌道相互作用はスピン軌道トルク配線材料の物質の固有の内場によって生じる。そのため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱されるため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線における純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
また、スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、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。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで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。これがトポロジカル絶縁体であり、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することができる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらの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。
スピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０とスピン軌道トルク配線２０以外の構成要素を有していてもよい。例えば、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
（スピン流磁化反転素子の原理）
次いで、スピン流磁化反転素子１００の原理について説明すると共に、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２がｘ方向に傾斜していることにより無磁場下での磁化反転が可能となる理由について説明する。
次いで、スピン流磁化反転素子１００の原理について説明すると共に、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２がｘ方向に傾斜していることにより無磁場下での磁化反転が可能となる理由について説明する。
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを印加すると、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とがスピンホール効果によって曲げられる。その結果、純スピン流Ｊｓがｚ方向に生じる。
スピン軌道トルク配線２０のｚ方向には、磁気抵抗効果素子１０が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層２にスピンが注入される。注入されたスピンは、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与え、磁化反転が生じる。ここで、注入されたスピンが磁化Ｍ２を磁化反転させるだけのエネルギーを与えられるかが問題になる。
図２は、第２強磁性金属層のいずれの面にも傾斜面が形成されておらず、第２強磁性金属層の磁化が傾斜していないスピン流磁化反転素子を示す断面模式図である。図２に示すスピン流磁化反転素子１０１は、スピン軌道トルク配線２１の磁気抵抗効果素子１５側の面がｘ方向に傾斜していない。そのため、磁気抵抗効果素子１５を構成する第１強磁性金属層１１、第２強磁性金属層１２及び非磁性層１３は、いずれもｘｙ面内に延在している。その結果、第２強磁性金属層１２の磁化Ｍ１２はｚ方向に配向している。
非特許文献２の図１ａには、図２と同様の構成が記載されている。非特許文献２には、第２強磁性金属層１２の磁化Ｍ１２を反転させるために、ｘ方向に外部磁場を印加している。磁化Ｍ１２を磁化反転させるだけの回転力を磁化Ｍ１２に与えるためには、磁化Ｍ１２の対称性を乱す必要があるためである。
外部磁場を印加すると、磁化Ｍ１２がｘ方向に傾斜し、磁化Ｍ１２の対称性が乱れる。その結果、磁気抵抗効果素子１５に注入されるスピンと磁化Ｍ１２が相互作用し、磁化Ｍ１２が磁化反転するきっかけとなる回転力（ＳＯＴ）が与えられる。磁化Ｍ１２は歳差運動を行いながら磁化反転するため、このきっかけが与えられないと磁化Ｍ１２を磁化反転させるだけの十分なエネルギーを与えることができない。
これに対し、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００（図１参照）は、第２強磁性金属層２の傾斜面２ａ及び傾斜面２ｂに起因して、磁化Ｍ２が傾斜角θでｘ方向に傾斜している。すなわち、外部磁場が印加されていない状態で、磁化Ｍ２の対称性は乱れている。そのため、磁化Ｍ２は、磁気抵抗効果素子１０に注入されるスピンと相互作用し、磁化回転するきっかけとなる回転力（ＳＯＴ）を受けることができる。
上述のように、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００によれば、外部磁場等の外力を印加しなくても磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層２（自由層）の磁化Ｍ２を反転できる。これは、形状異方性に伴い磁化Ｍ２がｘ方向に傾き、磁気抵抗効果素子１０に「対称性の破れ」が生じたためである。
本実施形態は、必ずしも上記構成に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
図３は、第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子の別の例の断面を模式的に示した図である。
図３（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１００Ａは、第２強磁性金属層２Ａのスピン軌道トルク配線２０側の第１面２Ａａのみに傾斜面が設けられている点が、図１に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。
図３（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１００Ａは、スピン軌道トルク配線２０上に磁気抵抗効果素子１０Ａが積層されている。図１に示すスピン流磁化反転素子１００と、スピン軌道トルク配線２０の構成は同じである。
磁気抵抗効果素子１０Ａは、第１強磁性金属層１Ａと、第２強磁性金属層２Ａと、非磁性層３Ａを有し、第２強磁性金属層２のスピン軌道トルク配線２０側の第１面２Ａａは傾斜し、対向する第２面２Ａｂは傾斜していない。
また、図３（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１００Ｂは、第２強磁性金属層２Ｂのスピン軌道トルク配線２１と反対側の第２面２Ｂｂのみに傾斜面が設けられている点が、図１に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。
図３（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１００Ｂは、スピン軌道トルク配線２１上に磁気抵抗効果素子１０Ｂが積層されている。スピン軌道トルク配線２１は、磁気抵抗効果素子１０Ｂ側の面が傾斜していない点が、図１に示すスピン流磁化反転素子１００と形状が異なる。
磁気抵抗効果素子１０Ｂは、第１強磁性金属層１Ｂと、第２強磁性金属層２Ｂと、非磁性層３Ｂを有し、第２強磁性金属層２のスピン軌道トルク配線２１側の第１面２Ｂａは傾斜しておらず、対向する第２面２Ｂｂは傾斜している。
また、図３（ｃ）に示すスピン流磁化反転素子１００Ｃは、第２強磁性金属層２Ｃの両面に傾斜面が設けられているが、スピン軌道トルク配線２０側の第１面２Ｃａと対向する第２面２Ｃｂとで傾斜角が異なる。
図３（ｃ）に示すスピン流磁化反転素子１００Ｃは、スピン軌道トルク配線２０上に磁気抵抗効果素子１０Ｃが積層されている。図１に示すスピン流磁化反転素子１００と、スピン軌道トルク配線２０の構成は同じである。
磁気抵抗効果素子１０Ｃは、第１強磁性金属層１Ｃと、第２強磁性金属層２Ｃと、非磁性層３Ｃを有し、第２強磁性金属層２のスピン軌道トルク配線２０側の第１面２Ｃａと第２面２Ｃｂはいずれも傾斜している。第１面２Ｃａと第２面２Ｃｂの傾斜角は異なる。
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すいずれの構成においても、第２強磁性金属層の磁化は、傾斜面の影響を受けてｘ方向に傾いている。そのため、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すスピン流磁化反転素子は、いずれも無磁場下でも磁化反転を行うことができる。
一方で、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層の磁化が配向する向きが、一致していないため、ＭＲ比は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０より小さくなる。また、第２強磁性金属層の厚みが変化しているため、第２強磁性金属層の磁化の大きさはｘｙ面内の場所によって異なる。そのため、第２強磁性金属層の磁化の安定性は、図１の構成よりも低下する。
またこの他にも、スピン軌道トルク配線の構成を変更してもよい。図４は、第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子の別の例の断面を模式的に示した図である。
図４（ａ）〜（ｃ）に示すスピン流磁化反転素子は、スピン軌道トルク配線は純スピン流を生成する材料からなる部分（スピン流生成部２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ）と、このスピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなる部分（低抵抗部２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂ）とを有する。
純スピン流を生成しうる材料である重金属は、通常の配線として用いられる金属に比べて電気抵抗が大きく、ジュール熱の発生量が多い。そのため、電気抵抗が小さい低抵抗部を設けることで、スピン流磁化反転素子の発熱を抑えることができる。
スピン流生成部は、純スピン流を生成しえる材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。例えば、上述のスピン軌道トルク配線２０に用いられる材料を用いることができる。
低抵抗部は、通常の配線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。低抵抗部は、スピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
なお、低抵抗部において純スピン流が生成されても構わない。この場合、スピン流生成部と低抵抗部との区別は、本明細書中にスピン流生成部及び低抵抗部の材料として記載したものからなる部分はスピン流生成部または低抵抗部であるとして区別できる。また、純スピン流を生成する主要部以外の部分であって、その主要部より電気抵抗が小さい部分は低抵抗部として、スピン流生成部と区別できる。
図４（ａ）に示すスピン流磁化反転素子のスピン軌道トルク配線２２は、第２強磁性金属層２との接合部がすべてスピン流生成部２２Ａからなり、スピン流生成部２２Ａが低抵抗部２２Ｂに挟まれた構成である。スピン流生成部２２Ａは、磁気抵抗効果素子１０の積層方向から平面視して、第２強磁性金属層の接合部を含むように重畳している。重畳部分においてスピン軌道トルク配線２２の厚さ方向はスピン流生成部２２Ａだけからなる。
図４（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子のスピン軌道トルク配線２３は、第２強磁性金属層２との接合部がすべてスピン流生成部２３Ａからなり、スピン流生成部２３Ａが低抵抗部２３Ｂに囲まれた構成である。スピン流生成部２３Ａは、磁気抵抗効果素子１０の積層方向から平面視して、第２強磁性金属層２の接合部を含むように重畳している。重畳部分においてスピン軌道トルク配線２３の厚さ方向は、磁気抵抗効果素子１０側がスピン流生成部２２Ａであり、反対側が低抵抗部２３Ｂである。
ここで、重畳部において、スピン流生成部と低抵抗部とは電気的に並列に配置されている。この場合、スピン軌道トルク配線に流れる電流はスピン流生成部及び低抵抗部の抵抗の大きさの逆比の割合に分かれて流れる。そのため、スピン軌道トルク配線２３に流した電流のうち純スピン流の生成に寄与する電流の割合が低下し、純スピン流生成効率は低下する。一方で、ジュール熱の発生は抑制される。
図４（ｃ）に示すスピン流磁化反転素子のスピン軌道トルク配線２４は、スピン流生成部２４Ａが磁気抵抗効果素子１０側の一面に延在し、磁気抵抗効果素子１０の積層方向から平面視して磁気抵抗効果素子１０と重畳する重畳部において厚み方向全体に設けられている。低抵抗部２４Ｂは、重畳部の一部を挟むように配置されている。
図４（ｃ）に示す構成では、スピン流生成部２４Ａと低抵抗部２４Ｂとが接する面積が広いため、スピン流生成部２４Ａを構成する原子番号の大きい非磁性金属と低抵抗部２４Ｂを構成する金属との密着性が高い。
またスピン流磁化反転素子は、必ずしも第１強磁性金属層、非磁性層及び第２強磁性金属層が順に積層された磁気抵抗効果素子を備えている必要はなく、強磁性層（第２強磁性金属層）のみがスピン軌道トルク配線上に積層された構成でもよい。
図５は、強磁性層（第２強磁性金属層）のみがスピン軌道トルク配線上に積層されたスピン流磁化反転素子の断面模式図である。図５に示すスピン流磁化反転素子１００Ｄは、強磁性金属層２Ｄと、強磁性層２Ｄの一面に接合するスピン軌道トルク配線２０と、を備える。強磁性金属層２Ｄのｚ方向の少なくとも一方の面は、ｘ方向に傾斜する傾斜面をなしている。
図５に示すスピン流磁化反転素子１００Ｄは、図１に示すスピン流磁化反転素子１００から非磁性層３及び第１強磁性層１を除いたものに対応する。非磁性層３及び第１強磁性層１が無くても、スピン流磁化反転素子１００Ｄは例えば、ＡＭＲ（磁気異方性）センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した素子等として機能する。図５に示すスピン流磁化反転素子１００Ｄもｘ方向の対称性が乱されているため、強磁性金属層２Ｄの磁化を無磁場下で磁化反転できる。
（スピン流磁化反転素子の製造方法）
次いで、スピン流磁化反転素子の製造方法について説明する。
次いで、スピン流磁化反転素子の製造方法について説明する。
図１に示すスピン流磁化反転素子１００を製造する際には、スピン軌道トルク配線２０上に磁気抵抗効果素子１０を積層する工程を有する。図５に示すスピン流磁化反転素子１００Ｄを製造する際には、スピン軌道トルク配線２０上に強磁性金属層２Ｄを積層する工程を有する。またこれらの層を積層する前に、スピン軌道トルク配線２０に傾斜面を形成する。そして傾斜面を有するスピン軌道トルク配線２０上に磁気抵抗効果素子１０を積層することで、第２強磁性金属層２の一面又は両面に第１の方向に傾斜した傾斜面を形成する。
まず、スピン軌道トルク配線２０に傾斜面を形成する。傾斜面は、以下の３つの方法で得ることができる。図６は、第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子の製造方法の一部を模式的に示した図であり、スピン軌道トルク配線２０の作製方法を示した図である。
第１の方法は、図６（ａ）に示すように、積層したスピン軌道トルク配線をｘ方向に沿って研磨することにより作製する方法である。
まず、基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線２１を成膜する。成膜法としては、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の公知の方法を用いることができる。成膜されたスピン軌道トルク配線２１の積層面は、ｘｙ平面と平行であり、傾斜していない。
そこで、スピン軌道トルク配線２１の基板と反対側の面を研磨する。研磨手法は、化学機械研磨（ＣＭＰ）等を用いることができる。研磨は、異方性をもって行う。具体的には、ｘ方向の第１端部から反対側の第２端部に向けてｘ方向に沿って研磨を行う。
一般に、一方向に沿って研磨を行うと、研磨パットと研磨対象物が接触した初期に大きな力が加わるため、研磨を開始した端部である第１端部は第２端部より大きく削れる。そのため、異方性の研磨を繰り返すことにより、図６（ａ）に示すような傾斜面を有するスピン軌道トルク配線２０が形成される。
第２の方法は、図６（ｂ）に示すように、積層したスピン軌道トルク配線をｘ方向に沿って異方性エッチングすることにより作製する方法である。
スピン軌道トルク配線２１を成膜するまでの手順は第１の方法と同じである。そして、作製したスピン軌道トルク配線２１のｘ方向の側面に、保護体３０を設置する。保護体３０は、スピン軌道トルク配線２１を構成する材料より硬度の高いものであれば、材料は特に問わない。
次いで、スピン軌道トルク配線２１に対してｘ方向に傾斜した方向からエッチングを行う。エッチングの手段としては、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いることができる。
保護体３０はスピン軌道トルク配線２１より硬度が高く、エッチングされにくい。そのため、ｘ方向に傾斜した方向からイオン等を衝突させると、保護体３０の影となる部分はエッチングが進行しない（シャドーイング効果）。その結果、ｘ方向に異方性をもったエッチングとなり、ｘ方向に傾斜面を有するスピン軌道トルク配線２０が形成される。傾斜面の角度は、スピン軌道トルク配線に対してエッチングに用いるイオン、ガス等を入射させる角度を変えることで自由に制御できる。
第３の方法は、図６（ｃ）に示すように、スピン軌道トルク配線２１を異方性成膜により作製する方法である。
まずスピン軌道トルク配線２０を作製したい部分を挟むように、基板上に保護体３０を設置する。そして、基板の鉛直方向に対してｘ方向に傾斜した方向から成膜を行う。成膜法としては、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の公知の方法を用いることができる。
保護体３０の影となる部分は成膜が進行し難い（シャドーイング効果）。その結果、ｘ方向に異方性をもって成膜が進行し、ｘ方向に傾斜面を有するスピン軌道トルク配線２０が得られる。傾斜面の角度は、基板に対するターゲットの角度を調整し、基板に入射する粒子の角度を変えることで自由に制御できる。
上記の方法で得られた傾斜面を有するスピン軌道トルク配線２０上に、第２強磁性金属層２、非磁性層３、第１強磁性金属層１を順に積層し、スピン流磁化反転素子１００を作製する。また図５に示すスピン流磁化反転素子１００Ｄを作製する場合は、傾斜面を有するスピン軌道トルク配線２０上に強磁性金属層２Ｄを積層する。成膜法としては、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の公知の方法を用いることができる。磁気抵抗効果素子１０の各層は、スピン軌道トルク配線２０の傾斜面を反映するため、第２強磁性金属層２に傾斜面が形成される。
また図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０の各層がスピン軌道トルク配線の積層面の形状を反映しない場合もある。この場合は、磁気抵抗効果素子１０を積層する過程において、上記の３つの方法を用いる。例えば、図３（ａ）に示す構成は、第２強磁性金属層２をスピン軌道トルク配線２０の形状を反映させて積層した後に、積層面に対して研磨等を行うことで実現できる。
上述のように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の製造方法によれば、任意の面に傾斜面を作製することができる。そのため、磁気抵抗効果素子に「対称性の破れ」を生み出すことができ、外部磁場等の外力を印加しなくでも自由層の磁化を磁化反転できるスピン流磁化反転素子を得ることができる。
「第２実施形態」
図７は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０２は、ボトムピン構造である点が第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００と異なる。
図７は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０２は、ボトムピン構造である点が第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００と異なる。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０２は、基板Ｓｂ上に磁気抵抗効果素子４０と、スピン軌道トルク配線２５とを順に有する。磁気抵抗効果素子４０の外周には、絶縁部３１が設けられている。
磁気抵抗効果素子４０は、基板Ｓｂ側から第１強磁性金属層４１、非磁性層４３、第２強磁性金属層４２を有するボトムピン構造である。第１強磁性金属層４１、非磁性層４３及び第２強磁性金属層４２には、第１実施形態と同様の材料、構成を用いることができる。
第２強磁性金属層４２のスピン軌道トルク配線２５側の面は、ｘ方向に傾斜した傾斜面４２ａである。そのため、第２強磁性金属層４２の磁化Ｍ４２は、傾斜面４２ａの影響を受けてｘ方向に傾斜している。これに対し、第１強磁性金属層４１の磁化Ｍ４１は、ｚ方向に配向している。
スピン軌道トルク配線２５は、磁気抵抗効果素子４０の第２強磁性金属層４２側に配設されている点は第１実施形態と同様である。一方で、磁気抵抗効果素子４０の積層順が反転しているため、スピン軌道トルク配線２５が磁気抵抗効果素子４０のｚ方向上方に配設されている点が異なる。スピン軌道トルク配線２５には、第１実施形態と同様の材料、構成を用いることができる。
絶縁部３１は、磁気抵抗効果素子４０上にスピン軌道トルク配線２５を配設するための支持部である。絶縁部３１は、絶縁性を有していれば特に問わない。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０２は、スピン軌道トルク配線２５から磁気抵抗効果素子４０へ注入されるスピンにより動作する。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０２は、第２強磁性金属層４２の傾斜面４２ａに起因して、磁化Ｍ４２がｘ方向に傾斜している。すなわち、外部磁場が印加されていない状態で、磁化Ｍ４２の対称性は乱れている。そのため、磁化Ｍ４２は、磁気抵抗効果素子４０に注入されるスピンと相互作用し、磁化回転するきっかけとなる回転力（ＳＯＴ）を受けることができる。
上述のように、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０２によれば、外部磁場等の外力を印加しなくても磁気抵抗効果素子４０の第２強磁性金属層４２（自由層）の磁化Ｍ４２を反転できる。これは、形状異方性に伴い磁化Ｍ４２がｘ方向に傾き、磁気抵抗効果素子４０に「対称性の破れ」が生じたためである。
本実施形態は、必ずしも上記構成に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
図８は、第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子の別の例の断面を模式的に示した図である。
図８（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１０２Ａは、第２強磁性金属層４２Ａの両面に傾斜面が設けられている点が、図７に示すスピン流磁化反転素子１０２と異なる。
図８（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１０２Ａは、基板Ｓｂ１上に磁気抵抗効果素子４０Ａとスピン軌道トルク配線２５とを有する。磁気抵抗効果素子４０Ａの外周には、絶縁部３１Ａが設けられている。基板Ｓｂ１の磁気抵抗効果素子４０Ａ側の面は傾斜し、磁気抵抗効果素子４０Ａの第１強磁性金属層４１Ａ、第２強磁性金属層４２Ａ及び非磁性層４３Ａは傾斜している。
図８（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１０２Ａは、第１強磁性金属層４１Ａと第２強磁性金属層４２Ａの磁化が配向する方向が揃っており、大きなＭＲ比を実現できる。
図８（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１０２Ｂは、第２強磁性金属層４２Ｂの基板Ｓｂ１側の面に傾斜面が設けられている点が、図７に示すスピン流磁化反転素子１０２と異なる。またスピン軌道トルク配線２５Ｂがｘ方向に傾斜していない点が、図８（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１０２Ａと異なる。
図８（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１０２Ｂは、基板Ｓｂ１上に磁気抵抗効果素子４０Ｂとスピン軌道トルク配線２５Ｂとを有する。磁気抵抗効果素子４０Ｂの外周には、絶縁部３１Ｂが設けられている。磁気抵抗効果素子４０Ｂは、基板Ｓｂ１側から第１強磁性金属層４１Ｂ、非磁性層４３Ｂ、第２強磁性金属層４２Ｂを有する。
また第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子と同様に、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、第１強磁性金属層４１Ａ及び非磁性層４３Ａを有さない構成でもよい。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、以下のように作製できる。図７に示すスピン流磁化反転素子１０２を例に具体的に説明する。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０２の製造方法は、磁気抵抗効果素子４０上にスピン軌道トルク配線２５を積層する工程を有する。傾斜面は、磁気抵抗効果素子４０を積層した後に作製する。
第２強磁性金属層４２の傾斜面４２ａは、第１実施形態と同様にｘ方向に沿って、研磨、異方性エッチング、異方性成膜のいずれかを行うことで得られる。絶縁部３１は、異方性エッチング及び異方性成膜時の保護体３０を兼ねることができる。
また図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板Ｓｂ１の磁気抵抗効果素子４０Ａ、４０Ｂが積層される面に傾斜面を形成し、第２強磁性金属層４２Ａ、４２Ｂに傾斜面を導入してもよい。図８（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子４０Ｂのスピン軌道トルク配線２５Ｂ側の面は、ｘｙ平面と平行な研磨により得られる。
「第３実施形態」
図９は、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。また図１０は、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を断面視した図である。図１０（ａ）はｘｚ平面で断面視した図であり、図１０（ｂ）はｙｚ平面で断面視した図である。
図９は、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。また図１０は、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を断面視した図である。図１０（ａ）はｘｚ平面で断面視した図であり、図１０（ｂ）はｙｚ平面で断面視した図である。
第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０３は、磁気抵抗効果素子５０がｙ方向にも傾斜している点が、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００と異なる。
第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０３は、スピン軌道トルク配線２６と磁気抵抗効果素子５０とを有する。磁気抵抗効果素子５０は、スピン軌道トルク配線２６側から第２強磁性金属層５２、非磁性層５３、第１強磁性金属層５１を順に有する。スピン軌道トルク配線２６、第２強磁性金属層５２、非磁性層５３及び第１強磁性金属層５１には、第１実施形態と同様の材料等を用いることができる。
スピン軌道トルク配線２６は、ｘ方向のみならずｙ方向にも傾斜している点が、第１実施形態と異なる。そのため、スピン軌道トルク配線２６上に積層された磁気抵抗効果素子５０の第２強磁性金属層５２もｘ方向及びｙ方向に傾斜している。そのため、第２強磁性金属層５２の磁化Ｍ５２もｘ方向及びｙ方向に傾いている。
第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０３は、第２強磁性金属層５２の傾斜面に起因して、磁化Ｍ５２がｘ方向及びｙ方向に傾斜している。外部磁場を印加せずに、ＳＯＴにより磁化反転を行うためには、磁化Ｍ５２の対称性を乱す必要がある。第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０３はｘ方向のみならずｙ方向にも対称性が乱れているため、より簡単に磁化反転を行うことができる。
また第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子と同様に、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、第１強磁性金属層５１及び非磁性層５３を有さない構成でもよい。
「第４実施形態」
図１１は、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した断面図である。第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０４は、磁気抵抗効果素子６０の第２強磁性金属層６２の傾斜面が、第１傾斜面６２ａ１と第２傾斜面６２ａ２とを有する点が第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００と異なる。
図１１は、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した断面図である。第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０４は、磁気抵抗効果素子６０の第２強磁性金属層６２の傾斜面が、第１傾斜面６２ａ１と第２傾斜面６２ａ２とを有する点が第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００と異なる。
図１１にかかるスピン流磁化反転素子１０４は、スピン軌道トルク配線２７と磁気抵抗効果素子６０とを有する。スピン軌道トルク配線２７及び磁気抵抗効果素子６０は、第１実施形態と同様の材料、構成を用いることができる。
スピン軌道トルク配線２７は、磁気抵抗効果素子６０が積層する積層面がｚ方向下方に凹んでいる。磁気抵抗効果素子６０を構成する第２強磁性金属層６２、非磁性層６３及び第１強磁性金属層６１は、スピン軌道トルク配線２７の積層面の形状を反映している。
図１１に示す第２強磁性金属層６２は、ｚ方向の両面に傾斜面を有する。一方の傾斜面は、第１傾斜面６２ａ１と第２傾斜面６２ａ２によって構成されている。第１傾斜面６２ａ１と第２傾斜面６２ａ２は、ｘｙ平面（基準面）に対して傾斜角の正負が異なる。図１１では第１傾斜面６２ａ１と第２傾斜面６２ａ２の境界の変曲部ｐを基準に、第１傾斜面６２ａ１はｘｙ平面に対してｚ方向に正の傾きを有し、第２傾斜面６２ａ２はｘｙ平面に対してｚ方向に負の傾きを有する。
第２強磁性金属層６２の磁化Ｍ６２は、第１傾斜面６２ａ１及び第２傾斜面６２ａ２の影響を受けて配向する。第１傾斜面６２ａ１近傍に配向する磁化Ｍ６２Ａはｚ方向から−ｘ方向に傾いて配向し、第２傾斜面６２ａ２近傍に配向する磁化Ｍ６２Ｂはｚ方向から＋ｘ方向に傾いて配向する。そのため外部磁場が印加されていない状態でも、それぞれの磁化Ｍ６２Ａ，Ｍ６２Ｂの対称性は乱れている。
またスピン流磁化反転素子１０４において、第１傾斜面６２ａ１の面積は、第２傾斜面６２ａ２より大きい。図１１に示す断面においては、変曲部ｐの位置は磁気抵抗効果素子６０のｘ方向の中点からずれている。
第１傾斜面６２ａ１の面積は第２傾斜面６２ａ２より大きいため、磁気抵抗効果素子６０全体としては、第１傾斜面６２ａ１の影響を受けて配向した磁化Ｍ６２Ａが支配的となる。すなわち、第２強磁性金属層６２の磁化Ｍ６２は、マクロな視点でも対称性は乱れている。そのため、磁化Ｍ６２は、磁気抵抗効果素子６０に注入されるスピンと相互作用し、磁化回転するきっかけとなる回転力（ＳＯＴ）を受けることができる。
第１傾斜面６２ａ１と第２傾斜面６２ａ２は、傾斜面を研磨により作製した場合に形成されやすい。過剰に力が加わった部分が僅かに凹むことがあるためである。
上述のように、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０４によれば、外部磁場等の外力を印加しなくても磁気抵抗効果素子６０の第２強磁性金属層６２（自由層）の磁化Ｍ６２を反転できる。これは、形状異方性に伴い磁化Ｍ６２がｘ方向に傾き、磁気抵抗効果素子４０に「対称性の破れ」が生じたためである。
傾斜面が第１傾斜面と第２傾斜面を有する構成は、図１１の構成に限られない。例えば、図１２に示すスピン流磁化反転素子１０５の構成も考えられる。
図１２に示すスピン流磁化反転素子１０５は、スピン軌道トルク配線２８と、磁気抵抗効果素子７０とを有する。スピン軌道トルク配線２８は、磁気抵抗効果素子７０が積層する積層面がｚ方向上方に凸形状である。磁気抵抗効果素子７０を構成する第２強磁性金属層７２、非磁性層７３及び第１強磁性金属層７１は、スピン軌道トルク配線２８の積層面の形状を反映している。そのため、第２強磁性金属層７２には、第１傾斜面７２ａ１と第２傾斜面７２ａ２が形成される。
また第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子と同様に、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、第１強磁性金属層６１，７１及び非磁性層６３，７３を有さない構成でもよい。
（素子集合体）
図１３は、複数のスピン流磁化反転素子１００を備える素子集合体２００を模式的示した図である。図１３に示す素子集合体２００は、スピン流磁化反転素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１３は、素子集合体の一例であり、スピン流磁化反転素子１００の数及び配置は任意である。
図１３は、複数のスピン流磁化反転素子１００を備える素子集合体２００を模式的示した図である。図１３に示す素子集合体２００は、スピン流磁化反転素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１３は、素子集合体の一例であり、スピン流磁化反転素子１００の数及び配置は任意である。
スピン流磁化反転素子１００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、１本のソースラインＳＬ１〜３が接続されている。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びソースラインＳＬ１〜３を選択することで、任意のスピン流磁化反転素子１００のスピン軌道トルク配線２０に電流を流すことができる。
スピン軌道トルク配線２０に電流が流れると、磁気抵抗効果素子１０の自由層の磁化がＳＯＴ効果により反転する。このようにして、複数のスピン流磁化反転素子１００の内の任意の素子にデータを書込みすることができる。
図１４は、複数のスピン流磁化反転素子を備える素子集合体を、図１３のＡ−Ａ面に沿って切断した断面を模式的に示した図である。
図１４に示すように、複数のスピン流磁化反転素子１００のそれぞれの傾斜面は、同一の方向に傾斜していることが好ましい。各スピン流磁化反転素子１００の傾斜方向が異なっていると、各スピン流磁化反転素子１００に同一方向から配線を接続することができず、配線構成が複雑化する。
これに対し、素子集合体２００を構成する各スピン流磁化反転素子１００が同様の構成であれば、それぞれの素子に接続するワードラインＷＬ１〜３及びソースラインＳＬ１〜３の形状も同様にすることができる。すなわち、素子集合体２００の配線構成が複雑化することが避けられ、素子集合体２００の集積度が高まる。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１１，４１，４１Ａ，４１Ｂ，５１，６１，７１…第１強磁性金属層、
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，１２，４２，４２Ａ，４２Ｂ，５２，６２，７２…第２強磁性金属層、
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，１３，４３，４３Ａ，４３Ｂ，５３，６３，７３…非磁性層、
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１５，４０，４０Ａ，４０Ｂ，５０，６０，７０…磁気抵抗効果素子、
２０，２１，２２，２３，２４，２５，２５Ｂ，２６，２７，２８…スピン軌道トルク配線、
２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ…スピン流生成部、２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂ…低抵抗部、
３０…保護体、３１，３１Ａ，３１Ｂ…絶縁部、
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１０１，１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０３，１０４，１０５…スピン流磁化反転素子、
２００…素子集合体、
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１２，Ｍ４１，Ｍ４２，Ｍ５２，Ｍ６２Ａ，Ｍ６２Ｂ，Ｍ６２…磁化、
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，４２ａ…傾斜面、
６２ａ１，７２ａ１…第１傾斜面、６２ａ２，７２ａ２…第２傾斜面、
２Ａａ，２Ｂａ，２Ｃａ…第１面、２Ａｂ，２Ｂｂ，２Ｃｂ…第２面、
Ｓ１…第１スピン、Ｓ２…第２スピン、Ｉ…電流、Ｊｓ…純スピン流、ｐ…変曲部、
Ｓｂ，Ｓｂ１…基板、
２００…素子集合体、ＷＬ１〜３…ワードライン、ＳＬ１〜３…ソースライン
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，１２，４２，４２Ａ，４２Ｂ，５２，６２，７２…第２強磁性金属層、
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，１３，４３，４３Ａ，４３Ｂ，５３，６３，７３…非磁性層、
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１５，４０，４０Ａ，４０Ｂ，５０，６０，７０…磁気抵抗効果素子、
２０，２１，２２，２３，２４，２５，２５Ｂ，２６，２７，２８…スピン軌道トルク配線、
２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ…スピン流生成部、２２Ｂ，２３Ｂ，２４Ｂ…低抵抗部、
３０…保護体、３１，３１Ａ，３１Ｂ…絶縁部、
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１０１，１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０３，１０４，１０５…スピン流磁化反転素子、
２００…素子集合体、
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ１２，Ｍ４１，Ｍ４２，Ｍ５２，Ｍ６２Ａ，Ｍ６２Ｂ，Ｍ６２…磁化、
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ，４２ａ…傾斜面、
６２ａ１，７２ａ１…第１傾斜面、６２ａ２，７２ａ２…第２傾斜面、
２Ａａ，２Ｂａ，２Ｃａ…第１面、２Ａｂ，２Ｂｂ，２Ｃｂ…第２面、
Ｓ１…第１スピン、Ｓ２…第２スピン、Ｉ…電流、Ｊｓ…純スピン流、ｐ…変曲部、
Ｓｂ，Ｓｂ１…基板、
２００…素子集合体、ＷＬ１〜３…ワードライン、ＳＬ１〜３…ソースライン
Claims (14)
- 磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層側の面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記第２強磁性金属層の前記積層方向の少なくとも一方の面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有し、前記第２強磁性金属層の磁化の方向が前記傾斜面によって傾斜している、スピン流磁化反転素子。 - 前記スピン軌道トルク配線の前記磁気抵抗効果素子側の面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有する請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記第２強磁性金属層の両面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有する請求項１又は２のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記第２強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線側の前記傾斜面と、前記非磁性層側の前記傾斜面とが平行である請求項３に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記傾斜面が、前記積層方向及び前記第１の方向と交差する第２の方向に傾斜している請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記第２強磁性金属層の前記傾斜面を有する面は、基準面に対して傾斜角の正負の異なる第１傾斜面と第２傾斜面を有し、
前記第１傾斜面の面積は、前記第２傾斜面の面積より大きい請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。 - 強磁性金属層と、
前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性層の一面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記強磁性金属層の前記積層方向の少なくとも一方の面が、前記第１の方向に傾斜する傾斜面を有する、スピン流磁化反転素子。 - 請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子を複数備える素子集合体。
- 複数の前記スピン流磁化反転素子のそれぞれの傾斜面が、同一の方向に傾斜している請求項８に記載の素子集合体。
- 磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を積層する積層工程を有し、
前記積層工程の前又は途中において、前記第２強磁性金属層のいずれか一面に前記第１の方向に傾斜した傾斜面を形成する、スピン流磁化反転素子の製造方法。 - 前記傾斜面を前記第１の方向に沿った研磨により形成する請求項１０に記載のスピン流磁化反転素子の製造方法。
- 前記傾斜面を前記第１の方向に沿った異方性エッチングにより形成する請求項１０に記載のスピン流磁化反転素子の製造方法。
- 前記傾斜面を前記第１の方向に沿った異方性成膜により形成する請求項１０に記載のスピン流磁化反転素子の製造方法。
- 強磁性層と、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を積層する積層工程を有し、
前記積層工程の前又は途中において、前記強磁性金属層のいずれか一面に前記第１の方向に傾斜した傾斜面を形成する、スピン流磁化反転素子の製造方法。
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