JP2018074139A - 電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリおよび高周波フィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】純スピン流による磁化反転を利用する電流磁場アシスト型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】本発明の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１と、第１強磁性金属層１の面直方向である第１方向に対して直交する面内の第２方向に延在し、前記第１強磁性金属層１に接合するスピン軌道トルク配線２と、第１強磁性金属層１と絶縁層４によって電気的に絶縁されるように配置され、第１強磁性金属層１の磁化反転を補助する磁場Ｈ０を形成するための電流Ｉ０が流れる電流磁場アシスト用配線３と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリおよび高周波フィルタに関する。
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子及び非磁性層として絶縁層（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高いが、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。
磁場を利用する方式では、素子サイズが小さくなると、細い配線に流すことができる電流では書き込みができなくなるという問題がある。
これに対して、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式は、一方の強磁性層（固定層、参照層）が電流をスピン分極させ、その電流のスピンがもう一方の強磁性層（自由層、記録層）の磁化に移行され、その際に生じるトルク（ＳＴＴ）によって書き込み（磁化反転）が行われる。そのためＳＴＴを利用する方式は、素子サイズが小さくなるほど書き込みに必要な電流が小さくて済むという利点がある。
磁場を利用する方式では、素子サイズが小さくなると、細い配線に流すことができる電流では書き込みができなくなるという問題がある。
これに対して、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式は、一方の強磁性層（固定層、参照層）が電流をスピン分極させ、その電流のスピンがもう一方の強磁性層（自由層、記録層）の磁化に移行され、その際に生じるトルク（ＳＴＴ）によって書き込み（磁化反転）が行われる。そのためＳＴＴを利用する方式は、素子サイズが小さくなるほど書き込みに必要な電流が小さくて済むという利点がある。
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.
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。しかしながら、ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子は磁化反転をさせるための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。
また、磁化反転を起こし、ＴＭＲ素子へ情報を書き込む時には、読み込み時よりも十分大きな電流を通電する必要がある。ＴＭＲ素子の耐久性という観点からは、ＴＭＲ素子への情報の書き込み時にＴＭＲ素子へ印加する電流は低い方が望ましい。
従って、ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子のいずれの磁気抵抗効果素子においても、この磁気抵抗効果素子に流れる電流密度を低減することが望まれる。
また、磁化反転を起こし、ＴＭＲ素子へ情報を書き込む時には、読み込み時よりも十分大きな電流を通電する必要がある。ＴＭＲ素子の耐久性という観点からは、ＴＭＲ素子への情報の書き込み時にＴＭＲ素子へ印加する電流は低い方が望ましい。
従って、ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子のいずれの磁気抵抗効果素子においても、この磁気抵抗効果素子に流れる電流密度を低減することが望まれる。
近年、ＳＴＴとは異なるメカニズムで反転電流を低減する手段としてスピンホール効果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）。スピンホール効果によって生じた純スピン流又は異種材料界面におけるラシュバ効果は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴの大きさにより磁化反転を起こす。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ため電流としてはゼロである。この純スピン流だけで磁化反転させることができれば、磁気抵抗効果素子を流れる電流はゼロなので磁気抵抗効果素子の長寿命化を図ることができる。
ＳＯＴ−ＭＲＡＭは、スピン軌道トルク配線から強磁性層に純スピン流を導入することによって磁化反転を行える磁気抵抗効果素子を各メモリセルに備えた磁気メモリである。この磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層には電流を流す必要がない。純スピン流は磁気抵抗効果素子とスピン軌道トルク配線との接合面から導入される。したがって、スピン軌道トルク配線の電流密度によって強磁性層へのスピン注入効率が決まる。 スピン軌道トルク配線の延在方向を長軸とした磁気抵抗効果素子において（電流は延在方向に流す）、磁気抵抗効果素子の長軸の長さが変わっても磁気抵抗効果素子の反転電流密度は変化しない。
非特許文献２には、ＳＯＴによる磁化反転素子について、スピン軌道トルク配線に流れる電流の方向と強磁性層（磁化自由層）の磁化容易軸の方向との関係に基づいて、３つのタイプが記載されている。電流の方向と磁化容易軸の方向とが直交する場合のうち、強磁性層が垂直磁化膜からなる構成が“タイプｚ”である。また強磁性層が面内磁化膜からなる構成が“タイプｙ”である。さらに、強磁性層が面内磁化膜からなり、かつ、電流の方向と磁化容易軸の方向とが平行である構成が“タイプｘ”である。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、純スピン流による磁化反転を利用する電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリおよび高周波フィルタ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）本発明の一態様に係る電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して直交する面内の第２方向に延在し、前記第１強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、前記第１強磁性金属層と電気的に絶縁されるように配置され、前記第１強磁性金属層の磁化反転を補助する磁場を形成するための電流が流れる電流磁場アシスト用配線と、を備える。
（２）上記（１）に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、前記電流磁場アシスト用配線が前記第１方向に対して直交する面内の第３方向に延在してもよい。
（３）上記（２）に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、前記電流磁場アシスト用配線の延在方向は、前記スピン軌道トルク配線の延在方向と直交するか、又は、平行であってもよい。
但し、電流磁場アシスト用配線の延在方向は、スピン軌道トルク配線の延在方向と「直交するか、又は、平行である」ことに限定されない。ＳＯＴによる磁化反転において電流磁場アシスト用配線から印加される印加磁場は、磁化反転を開始、及び停止をサポートする働きを示す。そのため、スピン流が第１強磁性金属層の磁化にトルクを与えられるように、スピン流によって注入されるスピンの向きと強磁性層の磁化の向きとが直交しないように、印加磁場が作用すればよい。したがって、電流磁場アシスト用配線の延在方向は、スピン軌道トルク配線の延在方向と「直交するか、又は、平行である」場合において印加磁場が磁化反転に寄与する効率が最も高くなるが、「直交するか、又は、平行である」以外の場合でも有効である。
但し、電流磁場アシスト用配線の延在方向は、スピン軌道トルク配線の延在方向と「直交するか、又は、平行である」ことに限定されない。ＳＯＴによる磁化反転において電流磁場アシスト用配線から印加される印加磁場は、磁化反転を開始、及び停止をサポートする働きを示す。そのため、スピン流が第１強磁性金属層の磁化にトルクを与えられるように、スピン流によって注入されるスピンの向きと強磁性層の磁化の向きとが直交しないように、印加磁場が作用すればよい。したがって、電流磁場アシスト用配線の延在方向は、スピン軌道トルク配線の延在方向と「直交するか、又は、平行である」場合において印加磁場が磁化反転に寄与する効率が最も高くなるが、「直交するか、又は、平行である」以外の場合でも有効である。
（４）上記（３）に記載の電流磁場アシスト型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延在方向は、前記第１強磁性金属層の磁化容易軸の方向に直交してもよい。
（５）上記（４）に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、前記第１強磁性金属層の磁化容易軸の方向がその面直方向であってもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、前記第１強磁性金属層は平面視して、前記スピン軌道トルク配線の延在方向である前記第２方向を長軸とする形状異方性を有してもよい。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、前記電流磁場アシスト用配線は、前記第１強磁性金属層と対面しない側の面及び／又は側面に磁気シールド層を備えてもよい。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、前記電流磁場アシスト用配線を複数備えてもよい。
（９）上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、電流磁場アシスト用配線に通電した後に、前記スピン軌道トルク配線に通電するように制御する制御装置を備えてもよい。
（１０）上記（１）〜（９）のいずれか一つに記載の電流磁場アシスト型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通電を停止した後に、前記電流磁場アシスト用配線の通電を停止するように制御する制御装置を備えてもよい。
（１１）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える。
（１２）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（１１）に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える。
（１３）上記（１２）に記載の磁気メモリは、前記電流磁場アシスト用配線が平面視して、隣接する電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の間に設置されていてもよい。
（１４）本発明の一態様に係る高周波フィルタは、上記（１１）に記載の磁気抵抗効果素子を備える。
本発明の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子によれば、純スピン流による磁化反転を利用する電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子を提供することができる。
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。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。
（電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子）
図１に、本発明の一実施形態に係る電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１（ａ）において、平面図には見えていない内部の層の配置を示すために第１強磁性金属層１は２点鎖線で、また、スピン軌道トルク配線２は点線で示した。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１と、スピン軌道トルク配線２と、電流磁場アシスト用配線３と、を備える。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１の面直方向である第１方向に対して直交する面内の第２方向に延在し、第１強磁性金属層１に接合する。また電流磁場アシスト用配線３は、第１強磁性金属層１と絶縁層４によって電気的に絶縁されるように配置されている。電流磁場アシスト用配線３には、第１強磁性金属層１の磁化反転を補助する磁場Ｈ０を形成するための電流Ｉ０が流れる。
ここで、本実施形態においてスピン軌道トルク配線にはその延在方向に電流が流される。
図１に、本発明の一実施形態に係る電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１（ａ）において、平面図には見えていない内部の層の配置を示すために第１強磁性金属層１は２点鎖線で、また、スピン軌道トルク配線２は点線で示した。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１と、スピン軌道トルク配線２と、電流磁場アシスト用配線３と、を備える。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１の面直方向である第１方向に対して直交する面内の第２方向に延在し、第１強磁性金属層１に接合する。また電流磁場アシスト用配線３は、第１強磁性金属層１と絶縁層４によって電気的に絶縁されるように配置されている。電流磁場アシスト用配線３には、第１強磁性金属層１の磁化反転を補助する磁場Ｈ０を形成するための電流Ｉ０が流れる。
ここで、本実施形態においてスピン軌道トルク配線にはその延在方向に電流が流される。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０では、第１強磁性金属層１の面直方向すなわち、第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２とが積層する方向（第１方向）はｚ軸に平行である。スピン軌道トルク配線２の延在方向（第２方向）はｘ軸に平行である。電流磁場アシスト用配線３の延在方向（第３方向）はｙ軸に平行である。すなわち、図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２の積層方向（第１方向）、スピン軌道トルク配線２の延在方向（第２方向）、及び、電流磁場アシスト用配線３の延在方向（第３方向）が互いに直交する例である。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性金属層１の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線２に流れる電流の方向との関係でいうと、非特許文献２の“タイプｚ”の場合に相当する。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性金属層１の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線２に流れる電流の方向との関係でいうと、非特許文献２の“タイプｚ”の場合に相当する。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０において第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１は＋ｚ方向を向いている。すなわち、電流磁場アシスト用配線３の延在方向（第３方向）は、第１強磁性金属層１の磁化容易軸の方向（ｚ軸に平行な方向）に直交する。
この場合、ｙ軸に平行に延在する電流磁場アシスト用配線３に−ｙ方向から＋ｙ方向（紙面手前から紙面裏側：図１（ｂ））へ電流Ｉ０を流すことにより、紙面手前から見て右回りに磁場Ｈ０が発生する。この磁場Ｈ０の向きは第１強磁性金属層１において磁化Ｍ１の方向に直交する。したがって、磁場Ｈ０は第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１を反転する方向に力を作用する。
この場合、ｙ軸に平行に延在する電流磁場アシスト用配線３に−ｙ方向から＋ｙ方向（紙面手前から紙面裏側：図１（ｂ））へ電流Ｉ０を流すことにより、紙面手前から見て右回りに磁場Ｈ０が発生する。この磁場Ｈ０の向きは第１強磁性金属層１において磁化Ｍ１の方向に直交する。したがって、磁場Ｈ０は第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１を反転する方向に力を作用する。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、スピン軌道トルク配線に電流を流すことによって発生した純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果と、電流磁場アシスト用配線に電流を流すことによって生成した磁場とによって第１強磁性金属層の磁化反転を行う。なお、ＳＯＴ効果及び電流磁場のいずれか一方の機構を用いて第１強磁性金属層の磁化反転を行うこともできるし、また、電流磁場を利用する磁化反転を主にして、ＳＯＴ効果を利用する磁化反転を補助としても構わない。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、電流磁場アシスト用配線によって第１強磁性金属層に磁場を印加することで、低い反転電流密度での磁化反転が可能であり、その回転確率も高くできる。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、電流磁場アシスト用配線によって第１強磁性金属層に磁場を印加することで、低い反転電流密度での磁化反転が可能であり、その回転確率も高くできる。
図２に、本発明の他の実施形態に係る電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。符号が同じ部材は図１に示すものと同様な構成を示すものとしてその説明を省略する。図２（ａ）において図１（ａ）と同様に、平面図には見えていない内部の層の配置を示すために第１強磁性金属層１１は２点鎖線で、また、スピン軌道トルク配線２は点線で示した。
図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０では、電流磁場アシスト用配線１３がスピン軌道トルク配線２の延在方向と同じ方向に延在する点、及び、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸が面内方向のｙ軸に平行な方向である点で図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０と異なる。
すなわち、図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０では、第１強磁性金属層１１の面直方向すなわち、第１強磁性金属層１１とスピン軌道トルク配線２とが積層する方向（第１方向）はｚ軸に平行である。そしてスピン軌道トルク配線２の延在方向（第２方向）および電流磁場アシスト用配線１３の延在方向（第３方向）はいずれもｘ軸に平行である。すなわち、図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０は、スピン軌道トルク配線２の延在方向と電流磁場アシスト用配線１３の延在方向とが同じ方向である。第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２の積層方向はこの方向に直交する。
図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０は、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線２に流れる電流の方向との関係でいうと、非特許文献２の“タイプｙ”の場合に相当する。
図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０では、電流磁場アシスト用配線１３がスピン軌道トルク配線２の延在方向と同じ方向に延在する点、及び、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸が面内方向のｙ軸に平行な方向である点で図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０と異なる。
すなわち、図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０では、第１強磁性金属層１１の面直方向すなわち、第１強磁性金属層１１とスピン軌道トルク配線２とが積層する方向（第１方向）はｚ軸に平行である。そしてスピン軌道トルク配線２の延在方向（第２方向）および電流磁場アシスト用配線１３の延在方向（第３方向）はいずれもｘ軸に平行である。すなわち、図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０は、スピン軌道トルク配線２の延在方向と電流磁場アシスト用配線１３の延在方向とが同じ方向である。第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２の積層方向はこの方向に直交する。
図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０は、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線２に流れる電流の方向との関係でいうと、非特許文献２の“タイプｙ”の場合に相当する。
図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０において第１強磁性金属層１１の磁化Ｍ２は−ｙ方向を向いている。すなわち、電流磁場アシスト用配線１３の延在方向（第３方向）は、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸の方向（ｘ軸に平行な方向）と直交する。
この場合、ｘ方向に延在する電流磁場アシスト用配線１３に−ｘ方向から＋ｘ方向へ電流Ｉ１を流すことにより、−ｘ方向から＋ｘ方向を見て右回りに磁場Ｈ１が発生する。この磁場Ｈ１は、第１強磁性金属層１１において、第１強磁性金属層１１の磁化Ｍ２と反対方向を向いている。そのため、磁場Ｈ１は第１強磁性金属層１１の磁化Ｍ２を反転する方向に力を作用する。
この場合、ｘ方向に延在する電流磁場アシスト用配線１３に−ｘ方向から＋ｘ方向へ電流Ｉ１を流すことにより、−ｘ方向から＋ｘ方向を見て右回りに磁場Ｈ１が発生する。この磁場Ｈ１は、第１強磁性金属層１１において、第１強磁性金属層１１の磁化Ｍ２と反対方向を向いている。そのため、磁場Ｈ１は第１強磁性金属層１１の磁化Ｍ２を反転する方向に力を作用する。
＜スピン軌道トルク配線＞
図１及び図２に示すスピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１の面直方向である第１方向（ｚ軸に平行な方向）に対して直交する面内の第２方向（ｘ軸に平行な方向）に延在し、第１強磁性金属層１に接合する。スピン軌道トルク配線２において、電流は延在方向に流される。
スピン軌道トルク配線２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。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、電流の向きと直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線２中に純スピン流が生成される構成を有すれば足りる。
図１及び図２に示すに示すスピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１に接合する純スピン流発生部２Ａと、純スピン流発生部２Ａよりも電気抵抗の小さい材料からなる低抵抗部２Ｂとからなる。
図１及び図２に示すスピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１の面直方向である第１方向（ｚ軸に平行な方向）に対して直交する面内の第２方向（ｘ軸に平行な方向）に延在し、第１強磁性金属層１に接合する。スピン軌道トルク配線２において、電流は延在方向に流される。
スピン軌道トルク配線２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。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、電流の向きと直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線２中に純スピン流が生成される構成を有すれば足りる。
図１及び図２に示すに示すスピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１に接合する純スピン流発生部２Ａと、純スピン流発生部２Ａよりも電気抵抗の小さい材料からなる低抵抗部２Ｂとからなる。
図３は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図３は、図１及び図２に示すスピン軌道トルク配線２をｘ方向に沿って切断した断面図である。図３に基づいて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を説明する。
図３に示すように、スピン軌道トルク配線２の延在方向に電流Ｉを流すと、紙面手前側に配向した第１スピンＳ１と紙面奥側に配向した第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２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３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２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、第１強磁性金属層１にスピンが注入される。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、スピン軌道トルク配線を第１強磁性金属層に接合して備えた構成である。そのため、スピン軌道トルク配線に電流を流して生成した純スピン流は、スピン軌道トルク配線に接する第１強磁性金属層に拡散する。その純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果を生み出し、第１強磁性金属層の磁化反転に寄与する。
本実施形態の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、ＳＯＴ効果を利用するためにスピン軌道トルク配線に流す電流（以下、「ＳＯＴ反転電流」ということがある。）自体は、電荷の流れを伴う通常の電流であるため、電流を流すとジュール熱が発生する。
ここで、純スピン流を生成しやすい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率が高い。
そのため、ＳＯＴ反転電流によるジュール熱を低減する観点では、スピン軌道トルク配線はすべてが純スピン流を生成しうる材料だけからなるよりも、電気抵抗率が小さい部分を有することが好ましい。この観点で、本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子が備えるスピン軌道トルク配線は、純スピン流を発生する材料からなる部分（純スピン流発生部）と、この純スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなる部分（低抵抗部）と、を有することが好ましい。
ここで、純スピン流を生成しやすい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率が高い。
そのため、ＳＯＴ反転電流によるジュール熱を低減する観点では、スピン軌道トルク配線はすべてが純スピン流を生成しうる材料だけからなるよりも、電気抵抗率が小さい部分を有することが好ましい。この観点で、本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子が備えるスピン軌道トルク配線は、純スピン流を発生する材料からなる部分（純スピン流発生部）と、この純スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなる部分（低抵抗部）と、を有することが好ましい。
純スピン流発生部２Ａは、純スピン流を生成しえる材料からなっていればよい。純スピン流発生部２Ａは、例えば、複数種類の材料によって構成される部分を含んでもよい。
純スピン流発生部２Ａは、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及び、それらの金属を少なくとも１つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなるものとすることができる。タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合に、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、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くなり、効率的にスピン流を発生できる。
低抵抗部２Ｂ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２Ｂは、純スピン流発生部２Ａよりも電気抵抗率が低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、純スピン流発生部と低抵抗部との区別は、本明細書中に純スピン流発生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純スピン流発生部または低抵抗部であるとして区別できる。また、純スピン流を発生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率が低い部分は低抵抗部として、純スピン流発生部と区別できる。
純スピン流発生部２Ａは、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及び、それらの金属を少なくとも１つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなるものとすることができる。タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合に、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、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くなり、効率的にスピン流を発生できる。
低抵抗部２Ｂ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２Ｂは、純スピン流発生部２Ａよりも電気抵抗率が低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、純スピン流発生部と低抵抗部との区別は、本明細書中に純スピン流発生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純スピン流発生部または低抵抗部であるとして区別できる。また、純スピン流を発生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率が低い部分は低抵抗部として、純スピン流発生部と区別できる。
純スピン流発生部２Ａ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。
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。純スピン流発生部２Ａ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、純スピン流が発生しやすい。
仮に、低抵抗部がＣｕ（１．７μΩｃｍ）からなるものとすると、原子番号３９以上でかつＣｕよりも電気抵抗率が２倍以上大きい材料としては、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が挙げられる。
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。
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。純スピン流発生部２Ａ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、純スピン流が発生しやすい。
仮に、低抵抗部がＣｕ（１．７μΩｃｍ）からなるものとすると、原子番号３９以上でかつＣｕよりも電気抵抗率が２倍以上大きい材料としては、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が挙げられる。
純スピン流発生部２Ａが非磁性の重金属を含む場合、純スピン流発生部２Ａは、純スピン流を生成しうる重金属を有限に含んでいればよい。さらにこの場合、純スピン流発生部は、純スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度あるか、または、純スピン流を生成しうる重金属が主成分（例えば、９０％以上）を占めることが好ましい。この場合、純スピン流を生成しうる重金属は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属１００％であることが好ましい。
ここで、純スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度とは、例えば、銅を主成分とする純スピン流発生部において、モル比で重金属の濃度が１０％以下であることを指す。純スピン流発生部を構成する主成分が上述の重金属以外からなる場合、純スピン流発生部に含まれる重金属の濃度はモル比で５０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。重金属の濃度がこれらの範囲内であれば、電子のスピン散乱の効果が有効に得られる。重金属の濃度が低い場合、重金属よりも原子番号が小さい軽金属が主成分となる。なお、この場合、重金属は軽金属との合金を形成しているのではなく、軽金属中に重金属の原子が無秩序に分散していることを想定している。軽金属中ではスピン軌道相互作用が弱いため、スピンホール効果によって純スピン流は生成しにくい。しかしながら、電子が軽金属中の重金属を通過する際に、軽金属と重金属の界面でもスピンが散乱される効果があるため、重金属の濃度が低い領域でも純スピン流を効率よく発生させることが可能である。重金属の濃度が５０％を超えると、重金属中のスピンホール効果の割合は大きくなるが、軽金属と重金属の界面の効果が低下するため総合的な効果が減少する。したがって、十分な界面の効果が期待できる程度の重金属の濃度が好ましい。
ここで、純スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度とは、例えば、銅を主成分とする純スピン流発生部において、モル比で重金属の濃度が１０％以下であることを指す。純スピン流発生部を構成する主成分が上述の重金属以外からなる場合、純スピン流発生部に含まれる重金属の濃度はモル比で５０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。重金属の濃度がこれらの範囲内であれば、電子のスピン散乱の効果が有効に得られる。重金属の濃度が低い場合、重金属よりも原子番号が小さい軽金属が主成分となる。なお、この場合、重金属は軽金属との合金を形成しているのではなく、軽金属中に重金属の原子が無秩序に分散していることを想定している。軽金属中ではスピン軌道相互作用が弱いため、スピンホール効果によって純スピン流は生成しにくい。しかしながら、電子が軽金属中の重金属を通過する際に、軽金属と重金属の界面でもスピンが散乱される効果があるため、重金属の濃度が低い領域でも純スピン流を効率よく発生させることが可能である。重金属の濃度が５０％を超えると、重金属中のスピンホール効果の割合は大きくなるが、軽金属と重金属の界面の効果が低下するため総合的な効果が減少する。したがって、十分な界面の効果が期待できる程度の重金属の濃度が好ましい。
純スピン流発生部２Ａ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、純スピン流発生部２Ａに流す電流に対するスピン流生成効率を高くできる。純スピン流発生部２Ａは、反強磁性金属だけからなってもよい。反強磁性金属は重金属が最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属１００％の場合と同等の効果を得ることができる。反強磁性金属は、例えば、ＩｒＭｎやＰｔＭｎが好ましく、熱に対して安定なＩｒＭｎがより好ましい。
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純スピン流発生部２Ａ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。
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純スピン流発生部２Ａ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、純スピン流発生部２Ａは、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。純スピン流発生部２Ａ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で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、高効率でスピン流を生成することが可能である。
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、高効率でスピン流を生成することが可能である。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、スピン軌道トルク配線の第１強磁性金属層に接合する面の反対側の面に接合する絶縁層をさらに備えてもよい。
この構成では、磁気抵抗効果素子やその他の用途に適用する場合に、スピン軌道トルク配線に流す電流が第１強磁性金属層に接合する面と反対側の面から漏れることが防止され、より電流集中効果を高めることができる。
この構成では、磁気抵抗効果素子やその他の用途に適用する場合に、スピン軌道トルク配線に流す電流が第１強磁性金属層に接合する面と反対側の面から漏れることが防止され、より電流集中効果を高めることができる。
上述した実施形態ではスピン軌道トルク配線は、第１強磁性金属層に直接接続された場合のみを説明してきたが、後述するキャップ層のような他の層を介して接続されてもよい。
＜第１強磁性金属層＞
図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子においては、第１強磁性金属層は磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜を示したが、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜（図１）でもよい。
図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子においては、第１強磁性金属層は磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜を示したが、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜（図１）でもよい。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子において、第１強磁性金属層は平面視して、スピン軌道トルク配線の延在方向である第２方向を長軸とする形状異方性を有する。
このように第１強磁性金属層が細長状であることにより、この方向（形状の長手方向）に磁化が反転しやすくなる。そのため、電流磁場アシスト用配線３の電流磁場の強度が弱くても、第１強磁性金属層の磁化反転をアシストできる。
このように第１強磁性金属層が細長状であることにより、この方向（形状の長手方向）に磁化が反転しやすくなる。そのため、電流磁場アシスト用配線３の電流磁場の強度が弱くても、第１強磁性金属層の磁化反転をアシストできる。
図１及び図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子においては、第１強磁性金属層はｚ方向から平面視して矩形（より正確には、長方形）であったが、図４に示すように、楕円状であってもよいし（第１強磁性金属層１Ａ）、さらに他の形状であってもよい。この点は、他の実施形態においても同様である。
第１強磁性金属層について後で詳述する。
第１強磁性金属層について後で詳述する。
図１や図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、スピン軌道トルク配線２が低抵抗部２Ｂを備えた構成とすることで回路全体の抵抗を下げることができる。
＜電流磁場アシスト用配線＞
電流磁場アシスト用配線は、第１強磁性金属層と電気的に絶縁されるように配置される。電流磁場アシスト用配線には、第１強磁性金属層の磁化反転を促進する磁場を形成するための電流が流される。
電流磁場アシスト用配線の材料は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
電流磁場アシスト用配線は、第１強磁性金属層と電気的に絶縁されるように配置される。電流磁場アシスト用配線には、第１強磁性金属層の磁化反転を促進する磁場を形成するための電流が流される。
電流磁場アシスト用配線の材料は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
電流磁場アシスト用配線は、第１方向（ｚ方向）に対して直交する面内の所定の方向に延在していることが好ましい。第１強磁性金属層の磁化容易軸は通常、面直方向（ｚ方向）又は面内方向を向いている。そのため、電流磁場アシスト用配線が第１方向（ｚ方向）に対して直交する面内に延在すると、第１強磁性金属層の磁化反転を促進するための磁場を形成するのに要する電流量を設定しやすい。
図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０では、電流磁場アシスト用配線３はｚ方向に直交するｘｙ面内のｙ方向に延在している。図２に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０では、電流磁場アシスト用配線１３はｚ方向に直交するｘｙ面内のｘ方向に延在している。
電流磁場アシスト用配線は複数備えてもよい。
この場合、その複数の電流磁場アシスト用配線に流した電流が作る各電流磁場の合成磁場が第１強磁性金属層の磁化反転に作用する。
この場合、その複数の電流磁場アシスト用配線に流した電流が作る各電流磁場の合成磁場が第１強磁性金属層の磁化反転に作用する。
ここで、本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の作用効果について、非特許文献２に報告された知見との関係を説明する。
まず、図１に示した電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０では、第１強磁性金属層１は垂直磁化膜であり、かつ、第１強磁性金属層１の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線２の延在方向とは直交する。すなわち、第１強磁性金属層１の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線２で電流が流れる方向とは直交する。この構成は、第１強磁性金属層の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線に流れる電流の方向との関係において、非特許文献２中の“タイプｚ”に相当する。
磁化容易軸がｚ軸方向である“タイプｚ”では、第１強磁性金属層の磁化反転のためにスピン軌道トルク配線に流す必要がある電流（ＳＯＴ反転電流密度）が大きいと言われている。しかしながら、図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、電流磁場アシスト用配線３に通電することで形成した磁場Ｈ０によって第１強磁性金属層１の磁化反転を促進することができる。その結果、磁場Ｈ０により磁化反転がアシストされた分だけ、スピン軌道トルク配線に流すＳＯＴ反転電流密度を低減できる。
磁化容易軸がｚ軸方向である“タイプｚ”では、第１強磁性金属層の磁化反転のためにスピン軌道トルク配線に流す必要がある電流（ＳＯＴ反転電流密度）が大きいと言われている。しかしながら、図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０は、電流磁場アシスト用配線３に通電することで形成した磁場Ｈ０によって第１強磁性金属層１の磁化反転を促進することができる。その結果、磁場Ｈ０により磁化反転がアシストされた分だけ、スピン軌道トルク配線に流すＳＯＴ反転電流密度を低減できる。
一方、図２に示した電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０では、第１強磁性金属層１１は面内磁化膜であり、かつ、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸の方向はスピン軌道トルク配線２の延在方向とは直交する。すなわち、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸の方向と、スピン軌道トルク配線２で電流が流される方向とは直交する。この構成は、第１強磁性金属層の磁化容易軸の方向とスピン軌道トルク配線に流れる電流の方向との関係において、非特許文献２中の“タイプｙ”に相当する。“タイプｙ”は、書き込み動作が高速になると、第１強磁性金属層の磁化反転のためにスピン軌道トルク配線に流す必要がある電流（ＳＯＴ反転電流密度）が増大すると言われている。しかしながら、図２に示した電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子２０は、電流磁場アシスト用配線１３に通電することで形成した磁場によって第１強磁性金属層１１の磁化反転を促進することができる。その結果、磁場Ｈ１により磁化反転がアシストされた分だけ、スピン軌道トルク配線に流すＳＯＴ反転電流密度を低減できる。
図５に、本発明の他の実施形態に係る電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。符号が同じ部材は図１に示すものと同様な構成を示すものとしてその説明を省略する。図５（ａ）において図１（ａ）と同様に、平面図には見えていない内部の層の配置を示すために第１強磁性金属層２１は２点鎖線で、また、スピン軌道トルク配線２は点線で示した。
図５に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子３０は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層２１と、第１強磁性金属層２１の面直方向である第１方向に対して直交する面内の第２方向に延在し、第１強磁性金属層２１に接合するスピン軌道トルク配線２と、第１強磁性金属層２１と絶縁層４によって電気的に絶縁されるように配置され、第１強磁性金属層１の磁化反転を補助する磁場Ｈ０を形成するための電流Ｉ２（Ｉ２Ａ、Ｉ２Ｂ）が流れる電流磁場アシスト用配線２３（２３Ａ、２３Ｂ）と、を備える。
図５に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子３０は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層２１と、第１強磁性金属層２１の面直方向である第１方向に対して直交する面内の第２方向に延在し、第１強磁性金属層２１に接合するスピン軌道トルク配線２と、第１強磁性金属層２１と絶縁層４によって電気的に絶縁されるように配置され、第１強磁性金属層１の磁化反転を補助する磁場Ｈ０を形成するための電流Ｉ２（Ｉ２Ａ、Ｉ２Ｂ）が流れる電流磁場アシスト用配線２３（２３Ａ、２３Ｂ）と、を備える。
図５に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子３０は、図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０と以下の３点で異なる。一つ目は、第１強磁性金属層１１の磁化容易軸とスピン軌道トルク配線２に流れる電流の方向との関係については非特許文献２の“タイプｘ”に相当する点である。二つ目は、電流磁場アシスト用配線が２本備える点である。三つ目は、電流磁場アシスト用配線２３Ａ，２３Ｂが平面視して、第１強磁性金属層２１を挟んで配置してｙ軸方向に延在する点である。 図５において、電流磁場アシスト用配線２３Ａに流れる電流Ｉ２Ａによって作られる磁場がＨ２Ａであり、電流磁場アシスト用配線２３Ｂに流れる電流Ｉ２Ｂによって作られる磁場がＨ２Ｂである。
図５に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子３０において、ｙ軸に平行に延在する電流磁場アシスト用配線２３Ａに−ｙ方向から＋ｙ方向（紙面手前から紙面裏側：図５（ｂ））へ電流Ｉ２Ａを流すと、紙面手前から見て右回りに磁場Ｈ２Ａが発生する。一方、ｙ軸に平行に延在する電流磁場アシスト用配線２３Ｂに＋ｙ方向から−ｙ方向（紙面裏側から紙面手前：図５（ｂ））へ電流Ｉ２Ｂを流すと、紙面手前から見て左回りに磁場Ｈ２Ｂが発生する。第１強磁性金属層２１の位置において形成された、磁場Ｈ２Ａ及び磁場Ｈ２Ｂの合成磁場によって、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ３を反転する方向に力が作用する。
図５に示す実施形態では、電流磁場アシスト用配線を２本備え、その両方に同時に電流を印加した場合を示したが、電流磁場アシスト用配線は１本でよいし、３本以上でもよい。また、電流はいずれか一方の電流磁場アシスト用配線のみに印加する使い方をしてもよいし、時間差を設けて印加する使い方をしてもよい。
図５に示す実施形態では、電流磁場アシスト用配線を２本備え、その両方に同時に電流を印加した場合を示したが、電流磁場アシスト用配線は１本でよいし、３本以上でもよい。また、電流はいずれか一方の電流磁場アシスト用配線のみに印加する使い方をしてもよいし、時間差を設けて印加する使い方をしてもよい。
図６に、本発明の他の実施形態に係る電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。符号が同じ部材は図１に示すものと同様な構成を示すものとしてその説明を省略する。
図６に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子では、電流磁場アシスト用配線３が第１強磁性金属層１と対面しない側の面３ｂ及び側面３ａａ、３ａｂに磁気シールド層５を備える点が、図１に示した電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０と異なる。
ここで、磁気シールド層５は電流磁場アシスト用配線に流れる電流が作る電流磁場を周囲に漏洩することを防止する機能を有するものであり、典型的には磁性体からなる被覆層である。磁気シールド層５はこの機能を効果的に発揮できるような構成で形成される。
磁気シールド層５を備えることにより、目的としない外部磁場が第１強磁性金属層に印加されることを抑制でき、電流磁場アシスト用配線３に流れる電流が作る電流磁場による第１強磁性金属層１の磁化反転の促進が妨げられることが抑制される。本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子を複数含むようなデバイス（例えば、後述する磁気メモリなど）において、隣接する他のセルの電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子に対して、書き込み時にクロストークが生じることを効果的に防止できる。
図６に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子では、電流磁場アシスト用配線３が第１強磁性金属層１と対面しない側の面３ｂ及び側面３ａａ、３ａｂに磁気シールド層５を備える点が、図１に示した電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０と異なる。
ここで、磁気シールド層５は電流磁場アシスト用配線に流れる電流が作る電流磁場を周囲に漏洩することを防止する機能を有するものであり、典型的には磁性体からなる被覆層である。磁気シールド層５はこの機能を効果的に発揮できるような構成で形成される。
磁気シールド層５を備えることにより、目的としない外部磁場が第１強磁性金属層に印加されることを抑制でき、電流磁場アシスト用配線３に流れる電流が作る電流磁場による第１強磁性金属層１の磁化反転の促進が妨げられることが抑制される。本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子を複数含むようなデバイス（例えば、後述する磁気メモリなど）において、隣接する他のセルの電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子に対して、書き込み時にクロストークが生じることを効果的に防止できる。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、電流磁場アシスト用配線に流す電流とスピン軌道トルク配線に流す電流のタイミングを制御する制御装置を備えてもよい。
例えば、電流磁場アシスト用配線に通電した後に、スピン軌道トルク配線に通電するように制御する制御装置を備えてもよい。このように制御することで、磁化反転の初期の動作が速くなる。
また、スピン軌道トルク配線の通電を停止した後に、電流磁場アシスト用配線の通電を停止するように制御する制御装置を備えてもよい。このように制御することで、磁化反転を終了させ、所定の方向に磁化反転を行い、磁化反転を終了させることが可能である。
スピンの磁化反転が完了する前にスピン軌道トルク配線の通電を停止した場合には、スピンが磁化反転の途中で反転するためのエネルギーを失う。この場合には磁化容易軸に向かってスピンが収束する。スピンの磁化反転は確率的に起こるため、スピンの回転が途中である場合は熱エネルギーの影響やスピンの回転位相の関係によって、磁化反転せずに元の状態に戻る場合が確率的に存在する。この時に磁場が印加されていると、磁場が印加されている方向を量子化軸としてスピンが回転を続けるため、スピンの磁化反転を完了させることができる。つまり、当該構成によればスピンの磁化反転の成功確率が上がる。
また、スピン軌道トルク配線の通電を停止した後に、電流磁場アシスト用配線の通電を停止するように制御する制御装置を備えてもよい。このように制御することで、磁化反転を終了させ、所定の方向に磁化反転を行い、磁化反転を終了させることが可能である。
スピンの磁化反転が完了する前にスピン軌道トルク配線の通電を停止した場合には、スピンが磁化反転の途中で反転するためのエネルギーを失う。この場合には磁化容易軸に向かってスピンが収束する。スピンの磁化反転は確率的に起こるため、スピンの回転が途中である場合は熱エネルギーの影響やスピンの回転位相の関係によって、磁化反転せずに元の状態に戻る場合が確率的に存在する。この時に磁場が印加されていると、磁場が印加されている方向を量子化軸としてスピンが回転を続けるため、スピンの磁化反転を完了させることができる。つまり、当該構成によればスピンの磁化反転の成功確率が上がる。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は公知のスパッタリング法等の成膜技術と、フォトリソグラフィー及びＡｒイオンミリング等の形状加工技術を用いて製造することができる。
以下、図１に図示した電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０の製造方法について説明する。
まず、純スピン流発生部２Ａは例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて成膜することができる。純スピン流発生部２Ａを成膜後、電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子を作製したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。
その後、低抵抗部２Ｂを成膜し、化学的機械研磨（ＣＭＰ）で純スピン流発生部２Ａを露出させる。その後、第１強磁性金属層１を成膜し、レジストまたは保護膜を設置し、ミリングする。そして、第１強磁性金属層１及びスピン軌道トルク配線２を所定の形状に加工する。
また、第１強磁性金属層を後から成膜、形成することもできる。純スピン流発生部を上述の方法で形成した後に低抵抗部を成膜し、スピン軌道トルク配線を所定の形状に加工する。その後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施すことにより平坦な面を設け第１強磁性金属層を積層してもよい。
そして、絶縁層４を成膜し、その上に電流磁場アシスト用配線を成膜し、レジストまたは保護膜を設置し、ミリングすることで電流磁場アシスト用配線３の形状に形成することができる。
以下、図１に図示した電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０の製造方法について説明する。
まず、純スピン流発生部２Ａは例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて成膜することができる。純スピン流発生部２Ａを成膜後、電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子を作製したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。
その後、低抵抗部２Ｂを成膜し、化学的機械研磨（ＣＭＰ）で純スピン流発生部２Ａを露出させる。その後、第１強磁性金属層１を成膜し、レジストまたは保護膜を設置し、ミリングする。そして、第１強磁性金属層１及びスピン軌道トルク配線２を所定の形状に加工する。
また、第１強磁性金属層を後から成膜、形成することもできる。純スピン流発生部を上述の方法で形成した後に低抵抗部を成膜し、スピン軌道トルク配線を所定の形状に加工する。その後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施すことにより平坦な面を設け第１強磁性金属層を積層してもよい。
そして、絶縁層４を成膜し、その上に電流磁場アシスト用配線を成膜し、レジストまたは保護膜を設置し、ミリングすることで電流磁場アシスト用配線３の形状に形成することができる。
第１強磁性金属層の形状は、上述のようにフォトリソグラフィーにより自由に作製できる。また図１及び図２に示すように第１強磁性金属層１のｚ方向からの平面形状が長方形状の場合は、２回に分けて第１強磁性金属層１を加工する。すなわち、第１強磁性金属層を一の方向に加工する第１工程と、一の方向に加工後の積層体を、一の方向と交差する二の方向に加工する第２工程と、に分けて行う。
一方で、図４に示すように第１強磁性金属層１Ａが楕円形状の場合は、フォトマスクの形状と被加工形状との関係を利用して作製する。図９は、フォトマスクＰＭの形状と、得られる第１強磁性金属層１のｚ方向からの平面形状の対応関係を示した図である。図９（ａ）に示すように、１つのフォトマスクＰＭの形状が四角形の場合でも、第１強磁性金属層１の平面形状は楕円等の形状になる。これは、フォトマスクＰＭを通過後の光が、一部拡散してレジストを硬化するためである。またイオンミリング等のエッチング処理において、角となる部分はエッチングが進行しやすいためである。
また図９（ｃ）に示すように、楕円領域Ｅの外側に外部領域Ａを形成する場合は、フォトマスクの形状を図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示す形状とする。図９（ｂ）に示すフォトマスクＰＭ１は、楕円を内接できる長方形領域Ｒｅと、長方形領域Ｒｅの角部Ｅｄに突出領域Ｐｒ１とを有する。また図９（ｃ）に示すフォトマスクＰＭ２は、楕円を内接できる長方形領域Ｒｅと、長方形領域Ｒｅの長辺部Ｓｄに突出領域Ｐｒ２とを有する。図９（ｂ）及び（ｃ）における長方形領域Ｒｅは、図９（ａ）に示すフォトマスクに対応する。
図９（ｂ）に示すように角部Ｅｄに突出領域Ｐｒ１を設けると、エッチング処理における角部Ｅｄのエッチングの進行を遅らせることができる。その結果、図９（ｃ）に示すように外部領域Ａを形成できる。また図９（ｃ）に示すように長辺部Ｓｄに突出領域Ｐｒ２を設けると、エッチング処理における長辺部Ｓｄと角部Ｅｄとのエッチング速度差をより大きくできる。その結果、図９（ｃ）に示すように外部領域Ａを形成できる。外部領域Ａが確保されると、第１強磁性金属層１の面積が大きくなる。第１強磁性金属層１の面積が大きくなると、磁化の安定性が高まり、熱擾乱等により磁化反転が生じることが避けられる。
また別の方法として、レーザー等の指向性を有する光を用いてスポット露光してもよい。例えば、ネガレジストを用いて、硬化したい部分だけに光を当て、所定の形状にレジストを加工する。この場合も同様に、露光するスポットの形状が四角形の場合でも、得られる形状が楕円形となる。
図７に、本発明の他の実施形態に係る電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。符号が同じ部材は図１に示すものと同様な構成を示すものとしてその説明を省略する。図７（ａ）において図１（ａ）と同様に、平面図には見えていない内部の層の配置を示すために第１強磁性金属層２１は２点鎖線で、また、スピン軌道トルク配線２は点線で示した。
上述の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子では、スピン軌道トルク配線及び電流磁場アシスト用配線は第１強磁性金属層を挟んで配置する構成であったが、図７に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、スピン軌道トルク配線及び電流磁場アシスト用配線が第１強磁性金属層に対して同じ側に配置する構成である。
すなわち、図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０では、第１強磁性金属層１はスピン軌道トルク配線２の電流磁場アシスト用配線３側の面２Ａａ（図７参照）に形成され、絶縁層４中に配置していたが、図７に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子４０では、第１強磁性金属層３１はスピン軌道トルク配線２の電流磁場アシスト用配線３の反対側の面２Ａｂに形成されている。
すなわち、図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０では、第１強磁性金属層１はスピン軌道トルク配線２の電流磁場アシスト用配線３側の面２Ａａ（図７参照）に形成され、絶縁層４中に配置していたが、図７に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子４０では、第１強磁性金属層３１はスピン軌道トルク配線２の電流磁場アシスト用配線３の反対側の面２Ａｂに形成されている。
図７に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子４０では、図１に示す電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子１０に比べて、電流磁場アシスト用配線３は第１強磁性金属層からの距離が遠くなり、同じ電流量の場合には第１強磁性金属層の磁化反転に対する電流磁場の影響が小さくなる。そこで、この影響の低下を低減するために、絶縁層２４の厚みを絶縁層４に比べて薄くするなどしてもよい。
本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子は、後述するように磁気抵抗効果素子に適用することができる。用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、上記の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができるし、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印加する磁場をＳＯＴに置き換えてもよい。
（磁気抵抗効果素子）
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、上記の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備えるものである。
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、上記の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備えるものである。
図８は、本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の応用例であり、また、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子でもある磁気抵抗効果素子の一例の模式図を示す。図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図８（ａ）において、平面図には見えていない内部の構成の一部の配置を示すために磁気抵抗効果素子部１０５は２点鎖線で、また、スピン軌道トルク配線１２０は点線で示した。
図８に示す磁気抵抗効果素子１００は、本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子（第１強磁性金属層１０１とスピン軌道トルク配線１２０と電流磁場アシスト用配線１３０）と、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、第１強磁性金属層１０１及び第２強磁性金属層１０３に挟持された非磁性層１０２とを有する。また、図８に示す磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部１０５とスピン軌道トルク配線１２０と電流磁場アシスト用配線１３０とを有するということもできる。
電流磁場アシスト用配線１３０は、磁気抵抗効果素子部１０５とは絶縁層１４０によって電気的に絶縁されている。
図８においては、磁気抵抗効果素子１００を作製する基板１１０、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流を流すための配線１５０、及び、キャップ層１０４も示した。配線１５０はｙ軸方向に延在している。
図８に示す磁気抵抗効果素子１００は、本実施形態にかかる電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子（第１強磁性金属層１０１とスピン軌道トルク配線１２０と電流磁場アシスト用配線１３０）と、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、第１強磁性金属層１０１及び第２強磁性金属層１０３に挟持された非磁性層１０２とを有する。また、図８に示す磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部１０５とスピン軌道トルク配線１２０と電流磁場アシスト用配線１３０とを有するということもできる。
電流磁場アシスト用配線１３０は、磁気抵抗効果素子部１０５とは絶縁層１４０によって電気的に絶縁されている。
図８においては、磁気抵抗効果素子１００を作製する基板１１０、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流を流すための配線１５０、及び、キャップ層１０４も示した。配線１５０はｙ軸方向に延在している。
＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部１０５は、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１０１と、第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１に挟持された非磁性層１０２とを有する。
第２強磁性金属層１０３の磁化が一方向に固定され、第１強磁性金属層１０１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１０５として機能する。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２強磁性金属層の保磁力を第１強磁性金属層の保磁力よりも大きくする。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２強磁性金属層の磁化を反強磁性層との交換結合によって固定する。
また、磁気抵抗効果素子部１０５は、非磁性層１０２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１０２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
磁気抵抗効果素子部１０５は、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１０１と、第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１に挟持された非磁性層１０２とを有する。
第２強磁性金属層１０３の磁化が一方向に固定され、第１強磁性金属層１０１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１０５として機能する。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２強磁性金属層の保磁力を第１強磁性金属層の保磁力よりも大きくする。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２強磁性金属層の磁化を反強磁性層との交換結合によって固定する。
また、磁気抵抗効果素子部１０５は、非磁性層１０２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１０２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
本実施形態にかかる素子が備える磁気抵抗効果素子部としては、公知の磁気抵抗効果素子部の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性金属層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２強磁性金属層１０３は固定層や参照層、第１強磁性金属層１０１は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第２強磁性金属層１０３は固定層や参照層、第１強磁性金属層１０１は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。
図８に示す例では、第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１は垂直磁化膜の場合であり、磁化の向きが共に平行の場合を示している。
図８に示す例では、第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１は垂直磁化膜の場合であり、磁化の向きが共に平行の場合を示している。
第２強磁性金属層１０３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、垂直磁化膜を得るためには［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、Ｍｎ３Ｇａなどの合金を用いても良い。さらに、第２強磁性金属層１０３と接合する金属や酸化膜との界面磁気異方性によって垂直磁化としても良い。
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。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
また、第２強磁性金属層１０３の第１強磁性金属層１０１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性金属層１０３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２強磁性金属層１０３の漏れ磁場を第１強磁性金属層１０１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２強磁性金属層１０３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２強磁性金属層１０３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１強磁性金属層１０１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。
また、垂直磁化膜を得るためには［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、Ｍｎ３Ｇａなどの合金を用いても良い。さらに、第１強磁性金属層１０１と接合する金属や酸化膜との界面磁気異方性によって垂直磁化としても良い。
第１強磁性金属層１０１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第１強磁性金属層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第１強磁性金属層１０１と非磁性層１０２の界面で、第１強磁性金属層１０１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１強磁性金属層１０１の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層１０１の膜厚は薄い方が好ましい。
非磁性層１０２には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層１０２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、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４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１０２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１０２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、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４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１０２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。
第２強磁性金属層１０３の非磁性層１０２と反対側の面には、図８に示すようにキャップ層１０４が形成されていることが好ましい。キャップ層１０４は、第２強磁性金属層１０３からの元素の拡散を抑制することができる。キャップ層１０４は、磁気抵抗効果素子部１０５の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層１０４を設けることで、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１の磁性を安定化し、磁気抵抗効果素子部１０５を低抵抗化することができる。
キャップ層１０４には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。キャップ層１０４の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて、ｆｃｃ構造、ｈｃｐ構造またはｂｃｃ構造から適宜設定することが好ましい。
キャップ層１０４には、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウムからなる群から選択されるいずれかを用いることが好ましい。詳細は後述するが、キャップ層１０４を介してスピン軌道トルク配線１２０と磁気抵抗効果素子部１０５が接続される場合、キャップ層１０４はスピン軌道トルク配線１２０から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。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。
キャップ層１０４の厚みは、キャップ層１０４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。キャップ層１０４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１２０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子部１０５に十分伝えることができる。
＜基板＞
基板１１０は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
基板１１０は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
基板１１０の磁気抵抗効果素子部１０５側の面には、下地層（図示略）が形成されていてもよい。下地層を設けると、基板１１０上に積層される第２強磁性金属層１０３を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。
下地層は、絶縁性を有していることが好ましい。スピン軌道トルク配線１２０等に流れる電流が散逸しないようにするためである。下地層には、種々のものを用いることができる。
例えば１つの例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。
例えば１つの例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。
他の例として、下地層にはＸＹＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＸはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＹはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。
他の例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。
他の例として、下地層には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。
また、下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子部１０５の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。
＜配線＞
配線１５０は、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３に電気的に接続され、図７においては、配線１５０とスピン軌道トルク配線１２０と電源（図示略）とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流が流される。
配線１５０は、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３に電気的に接続され、図７においては、配線１５０とスピン軌道トルク配線１２０と電源（図示略）とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流が流される。
配線１５０は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
上述した本実施形態では、磁気抵抗効果素子１００において、積層が後になり基板１１０から遠い側に配置する第２強磁性金属層１０３が磁化固定層（ピン層）とされ、基板１１０から近い側に配置する第１強磁性金属層１０１が磁化自由層とされていている、いわゆるトップピン構造の例を挙げた。しかしながら、磁気抵抗効果素子１００の構造は。この場合に限定されるものではなく、磁化固定層（ピン層）である第２強磁性金属層１０３が基板１１０から近い側に配置するいわゆるボトムピン構造であってもよい。
本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子は公知の方法を用いて製造することができる。
以下、図８に図示した磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。
純スピン流発生部１２０Ａ、磁気抵抗効果素子部１０５及び、キャップ層１０４は、例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて成膜することができる。純スピン流発生部１２０Ａを成膜後、レジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。その後、低抵抗部１２０Ｂを成膜した後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施すことにより純スピン流発生部１２０Ａを露出させる。磁気抵抗効果素子を構成する各層を成膜した後、磁気抵抗効果素子を作製したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。
また、磁気抵抗効果素子部１０５、及び、キャップ層１０４を後から成膜、形成してもよい。純スピン流発生部を上述の方法で形成した後に低抵抗部を成膜、及びスピン軌道トルク配線形状に形成した後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施すことにより平坦な面を設け磁気抵抗効果素子部１０５、及び、キャップ層１０４を積層することもできる。
その後、絶縁層１４０を成膜し、その上に電流磁場アシスト用配線１３０を成膜し、レジストまたは保護膜を設置し、ミリングすることで電流磁場アシスト用配線１３０の形状に形成することができる。
以下、図８に図示した磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。
純スピン流発生部１２０Ａ、磁気抵抗効果素子部１０５及び、キャップ層１０４は、例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて成膜することができる。純スピン流発生部１２０Ａを成膜後、レジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。その後、低抵抗部１２０Ｂを成膜した後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施すことにより純スピン流発生部１２０Ａを露出させる。磁気抵抗効果素子を構成する各層を成膜した後、磁気抵抗効果素子を作製したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。
また、磁気抵抗効果素子部１０５、及び、キャップ層１０４を後から成膜、形成してもよい。純スピン流発生部を上述の方法で形成した後に低抵抗部を成膜、及びスピン軌道トルク配線形状に形成した後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施すことにより平坦な面を設け磁気抵抗効果素子部１０５、及び、キャップ層１０４を積層することもできる。
その後、絶縁層１４０を成膜し、その上に電流磁場アシスト用配線１３０を成膜し、レジストまたは保護膜を設置し、ミリングすることで電流磁場アシスト用配線１３０の形状に形成することができる。
本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子によれば、磁気抵抗効果素子に電流磁場アシスト用配線で発生した磁場を印加し、低い反転電流密度と高い回転確率での磁化反転が可能となる。
（磁気メモリ）
本実施形態にかかる磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を複数備える。
電流磁場アシスト用配線を複数本備えることによって最適な合成磁場の大きさ、角度を調整することが可能になる。
本実施形態にかかる磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を複数備える。
電流磁場アシスト用配線を複数本備えることによって最適な合成磁場の大きさ、角度を調整することが可能になる。
本実施形態にかかる磁気メモリ（ＭＲＡＭ）において、電流磁場アシスト用配線が平面視して、隣接する電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の間に設置されていてもよい。
電流磁場はアシスト効果として用いる場合、磁場だけでは反転しない。一本の電流磁場アシスト用配線で２つの磁気抵抗効果素子に磁場をかけることで配線数を低減できる。
電流磁場はアシスト効果として用いる場合、磁場だけでは反転しない。一本の電流磁場アシスト用配線で２つの磁気抵抗効果素子に磁場をかけることで配線数を低減できる。
（高周波フィルタ）
本実施形態にかかる高周波フィルタは、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を備える。
本実施形態にかかる高周波フィルタは、磁気抵抗効果素子におけるスピントルク共鳴現象を利用するものである。
磁気抵抗効果素子に交流電流を流すのと同時に、所定の磁場印加手段によって磁場を印加することで、磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を起こすことができ、スピントルク共鳴周波数に対応した周波数で周期的に磁気抵抗効果素子の抵抗値が振動する。磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強さによって、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は変化し、一般的にその共鳴周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。
本実施形態にかかる高周波フィルタは、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を備える。
本実施形態にかかる高周波フィルタは、磁気抵抗効果素子におけるスピントルク共鳴現象を利用するものである。
磁気抵抗効果素子に交流電流を流すのと同時に、所定の磁場印加手段によって磁場を印加することで、磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を起こすことができ、スピントルク共鳴周波数に対応した周波数で周期的に磁気抵抗効果素子の抵抗値が振動する。磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強さによって、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は変化し、一般的にその共鳴周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。
１、１Ａ、１１、２１、３１ 第１強磁性金属層
２ スピン軌道トルク配線
２Ａ 純スピン流発生部
２Ｂ 低抵抗部
３、１３、２３、２３Ａ、２３Ｂ 電流磁場アシスト用配線
４、１４、２４ 絶縁層
５ 磁気シールド層
１０、２０、３０、４０ 電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子
１００ 磁気抵抗効果素子
１０１ 第１強磁性金属層
１０２ 非磁性層
１０３ 第２強磁性金属層
１０５ 磁気抵抗効果素子部
１２０ スピン軌道トルク配線
１２０Ａ 純スピン流発生部
１２０Ｂ 低抵抗部
１３０ 電流磁場アシスト用配線
１４０ 絶縁層
１５０ 配線
２ スピン軌道トルク配線
２Ａ 純スピン流発生部
２Ｂ 低抵抗部
３、１３、２３、２３Ａ、２３Ｂ 電流磁場アシスト用配線
４、１４、２４ 絶縁層
５ 磁気シールド層
１０、２０、３０、４０ 電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子
１００ 磁気抵抗効果素子
１０１ 第１強磁性金属層
１０２ 非磁性層
１０３ 第２強磁性金属層
１０５ 磁気抵抗効果素子部
１２０ スピン軌道トルク配線
１２０Ａ 純スピン流発生部
１２０Ｂ 低抵抗部
１３０ 電流磁場アシスト用配線
１４０ 絶縁層
１５０ 配線
Claims (14)
- 磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、
前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して直交する面内の第２方向に延在し、前記第１強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、
前記第１強磁性金属層と電気的に絶縁されるように配置され、前記第１強磁性金属層の磁化反転を補助する磁場を形成するための電流が流れる電流磁場アシスト用配線と、を備える、電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。 - 前記電流磁場アシスト用配線が前記第１方向に対して直交する面内の第３方向に延在する請求項１に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記電流磁場アシスト用配線の延在方向は、前記スピン軌道トルク配線の延在方向と直交するか、又は、平行である請求項２に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線の延在方向は、前記第１強磁性金属層の磁化容易軸の方向と直交する請求項３に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記第１強磁性金属層の磁化容易軸の方向がその面直方向である請求項４に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記第１強磁性金属層は平面視して、前記スピン軌道トルク配線の延在方向である前記第２方向を長軸とする形状異方性を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記電流磁場アシスト用配線は、前記第１強磁性金属層と対面しない側の面及び／又は側面に磁気シールド層を備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記電流磁場アシスト用配線を複数備える請求項１〜７のいずれか一項に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記電流磁場アシスト用配線に通電した後に、前記スピン軌道トルク配線に通電するように制御する制御装置を備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線の通電を停止した後に、前記電流磁場アシスト用配線の通電を停止するように制御する制御装置を備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子。
- 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子。
- 請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える磁気メモリ。
- 前記電流磁場アシスト用配線が平面視して、隣接する電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子の間に設置されている請求項１２に記載の磁気メモリ。
- 請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子を備えた高周波フィルタ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/708,747 US10396276B2 (en) | 2016-10-27 | 2017-09-19 | Electric-current-generated magnetic field assist type spin-current-induced magnetization reversal element, magnetoresistance effect element, magnetic memory and high-frequency filter |
| CN201711008409.8A CN108011036A (zh) | 2016-10-27 | 2017-10-25 | 电流磁场辅助型自旋流磁化反转元件和磁阻效应元件 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016210536 | 2016-10-27 | ||
| JP2016210536 | 2016-10-27 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017138385A Pending JP2018074139A (ja) | 2016-10-27 | 2017-07-14 | 電流磁場アシスト型スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリおよび高周波フィルタ |
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111492491A (zh) * | 2018-05-31 | 2020-08-04 | Tdk株式会社 | 自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件以及磁存储器 |
| JP2020194927A (ja) * | 2019-05-29 | 2020-12-03 | 学校法人 関西大学 | 高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置 |
| JP2022082452A (ja) * | 2020-11-20 | 2022-06-01 | 高麗大学校産学協力団 | スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合及びその製造方法 |
| CN116120065A (zh) * | 2022-12-02 | 2023-05-16 | 安徽大学 | 具有磁化反转现象的磁性材料及其制备方法与应用 |
-
2017
- 2017-07-14 JP JP2017138385A patent/JP2018074139A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111492491A (zh) * | 2018-05-31 | 2020-08-04 | Tdk株式会社 | 自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件以及磁存储器 |
| CN111492491B (zh) * | 2018-05-31 | 2024-04-09 | Tdk株式会社 | 自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件以及磁存储器 |
| JP2020194927A (ja) * | 2019-05-29 | 2020-12-03 | 学校法人 関西大学 | 高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置 |
| JP7360121B2 (ja) | 2019-05-29 | 2023-10-12 | 学校法人 関西大学 | 高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置 |
| JP2022082452A (ja) * | 2020-11-20 | 2022-06-01 | 高麗大学校産学協力団 | スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合及びその製造方法 |
| JP7350363B2 (ja) | 2020-11-20 | 2023-09-26 | 高麗大学校産学協力団 | スピン軌道トルクベースの磁気トンネル接合及びその製造方法 |
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