JP2018088507A - スピン軌道トルク型磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーの無駄がなく、強磁性金属層の熱安定性の高いスピン軌道トルク型磁化反転素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のスピン軌道トルク型磁化反転素子は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、スピン軌道トルク配線と、第２強磁性金属層と、が記載された順に積層され、前記スピン軌道トルク配線を介して、前記第１強磁性金属層の磁化方向と前記第２強磁性金属層の磁化方向が反平行となり、第１強磁性金属層の飽和磁界が０．１Ｔ以上となるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、スピン軌道トルク型磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。

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が高いものの、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。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の反転電流密度が高い。ＴＭＲ素子の長寿命の観点から、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。

ＳＴＴによる反転電流密度は強磁性体の体積に比例して大きくなるため、強磁性体の体積を小さくすることで反転電流密度を低減させる試みが行われている。しかし一方で、磁気記録保持時間は、強磁性体の磁気エネルギーが磁気異方性エネルギーと強磁性体の体積に依存するため、強磁性体の体積を小さくしてしまうと磁気記録保持時間は短くなってしまう。これは、強磁性体の持つ磁気エネルギーが小さくなることで強磁性体が外部からの熱により熱擾乱をし、その磁化方向が変化してしまうことに起因する。すなわち、長期間情報を保持するためには、熱擾乱に対して強い、熱安定性の高い磁気抵抗効果素子が求められている。

そこで近年、ＳＴＴとは異なったメカニズムで、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により磁化反転を起こす。あるいは、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でも同様のＳＯＴにより磁化反転を起こす。これらのメカニズムについて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、反転電流密度の小さな磁気抵抗効果素子の実現が期待されている。

国際公開第２０１５／０２１３８６８号 国際公開第２０１６／０２１４６８号

Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，Ｔ．Ａｎｅｋａｗａ，Ｃ．Ｚｈａｎｇ ａｎｄ Ｈ．Ｏｈｎｏ，Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏ Ｔｅｃｈ （２０１６）．ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＮＡＮＯ．２０１６．２９

ＳＯＴの問題点は、構造的制限、材料的制限があげられる。ＳＯＴは強磁性金属層とスピン軌道トルク配線の界面で発生するトルクを利用するため、強磁性金属層を厚くすることができない。そのため、強磁性金属層は熱安定性が悪くなってしまうことである。また、スピン軌道トルク配線からのスピン流は、スピン軌道トルク配線の各面に平行なスピンを生成するため、電流に対して垂直な４つの方向の内１つの方向のスピン流のみしか使えず、エネルギー的な無駄が生じてしまう。

特許文献１では逆側のスピン流を利用することが提案されているが、上下の磁気抵抗素子で必ず反対向きのスピンが注入されるため、上下両方の磁化方向が同時に書き換わってしまうことが考えられる。また、それぞれの磁気抵抗素子で異なった書き込みができない。

また、特許文献２ではスピン軌道トルク配線の下に強磁性金属設置することによって、上下２層の強磁性金属層を静磁界結合によって結合させることで実効的に強磁性金属層の体積を増大させているが、静磁結合という比較的弱い結合を用いているため、それぞれの強磁性金属層が外部からの力（外部磁界やＳＴＴなど）で動いてしまい、十分な熱安定性を確保できていない。
この静磁界結合はスピン軌道トルク配線が厚い場合に、それぞれの強磁性金属層から漏れる磁界によって作られる結合である。静磁界結合を大きくするには漏れる磁界を大きくする、すなわち強磁性金属層の体積を大きくすればよい。しかし、漏れ入る強磁性金属層は、その漏れ入る磁界で束縛されるため体積を小さくする必要がある。静磁界結合は、二つの強磁性金属層が互いに束縛し、束縛されるため、体積の増加による結合力の増加は不可能である。そのため、静磁界結合は小さな結合力となってしまい、熱安定性を向上させる効果は小さくなる。
また、この漏れ磁場を利用する限り、隣接する磁気抵抗効果素子からの漏れ磁場の影響も受けることとなり、外部磁場による擾乱を増長する可能性もある。これは高集積化が困難であることも意味している。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、エネルギーの無駄がなく、強磁性金属層の熱安定性の高いスピン軌道トルク型磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ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スピン軌道トルク型磁化反転素子は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、スピン軌道トルク配線と、第２強磁性金属層と、が記載された順に積層されている。

（２）上記（１）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線を介して、前記第１強磁性金属層の磁化方向と前記第２強磁性金属層の磁化方向が反平行である。

（３）上記（１）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、第１強磁性金属層の飽和磁界が０．１Ｔ以上である。

（４）上記（１）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線を介したＲＫＫＹ結合により、前記第１強磁性金属層の磁化方向と前記第２強磁性金属層の磁化方向が反平行である。

（５）上記（１）に記載のスピン軌道トルク型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が積層面に対して垂直である。

（６）上記（１）〜（５）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、膜厚が０．７ｎｍ〜０．９ｎｍであるＲｕを用いてもよい。

（７）上記（１）〜（５）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、膜厚が０．７ｎｍ〜０．９ｎｍ、あるいは１．４ｎｍ〜１．６ｎｍであるＲｈを用いてもよい。

（８）上記（１）〜（５）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、ｄ電子またはｆ電子を有する原子番号３９番以上の非磁性金属を含んでもよい。

（９）上記（１）〜（８）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記第２強磁性金属層は、垂直磁気異方性エネルギーが１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上のＬ１_０規則層合金を含む強磁性金属層でもよい。

（１０）上記（１）〜（９）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記第２強磁性金属層の体積が、前記第１強磁性金属層の体積より大きくてもよい。

（１１）上記（１）〜（１０）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記第２強磁性金属層の垂直磁気異方性エネルギーと体積の積が、前記第１強磁性金属層の垂直磁気異方性エネルギーと体積の積より大きくてもよい。

（１２）上記（１）〜（１１）に記載のスピン軌道トルク型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と接合する面と反対側の面に接合する酸化物層をさらに備えてもよい。

（１３）上記（１）〜（１１）に記載のスピン軌道トルク型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と接合する反対側の面に接合するＴｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、からなる群から選択される金属、及びこれらの金属を１種以上含む合金からなる金属下地層を備えてもよい。

（１４）上記（１）〜（１１）、及び（１３）に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前期第１強磁性金属層の、前期スピン軌道トルク配線と接合する反対側の面に接合する非磁性層と、前期非磁性層の、前期第１強磁性金属層と接合する反対側の面に接合する、磁化方向が固定された第３強磁性金属層と、を有した磁気抵抗効果素子であり、前記金属下地層と、前記第３強磁性金属層間の抵抗値から記録情報を読み取ってもよい。

（１５）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（１４）に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える。

本発明のスピン軌道トルク型磁化反転素子によれば、エネルギーの無駄がなく、強磁性金属層の熱安定性の高くすることができる。

スピン軌道トルク型磁化反転素子における一実施形態を説明するための模式図である。 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。 スピン軌道トルク型磁化反転素子の実施形態の変形例１を説明するための模式図である。 スピン軌道トルク型磁化反転素子の実施形態の変形例２を説明するための模式図である。 スピン軌道トルク型磁化反転素子の実施形態の変形例３を説明するための模式図である。 スピン軌道トルク型磁化反転素子の実施形態の変形例４を説明するための模式図である。 スピン軌道トルク型磁化反転素子の実施形態の変形例５を説明するための模式図である。

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。

図１に、本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化反転素子とスピン軌道トルク型磁化反転素子を用いた磁気抵抗効果素子の一例の模式図を示す。
スピン軌道トルク型磁化反転素子１Ａは、磁気抵抗効果素子１Ｂとスピン軌道トルク配線１４と、第２強磁性金属層１５とで構成されたものである。磁気抵抗効果素子部１Ｂは、第３強磁性金属層１１と、非磁性層１２と、第１強磁性金属層１３で構成されたものである。
図１を含めて以下では、スピン軌道トルク配線が磁気抵抗効果素子部の積層方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、直交する方向に延在する構成の場合について説明する。

＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部１Ｂは、磁化方向が固定された第３強磁性金属層１１と、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１３と、第３強磁性金属層１１及び第１強磁性金属層１３に挟持された非磁性層１２とを有する。
第３強磁性金属層１１の磁化が一方向に固定され、第１強磁性金属層１３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３強磁性金属層１１の保持力は第１強磁性金属層１３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３強磁性金属層１１では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。
また、磁気抵抗効果素子部１Ｂは、非磁性層１２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１２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。

本発明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３強磁性金属層１１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３強磁性金属層１１は固定層や参照層、第１強磁性金属層１３は自由層や記憶層などと呼ばれる。

第３強磁性金属層１１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Ｃｏ_２ＦｅＳｉ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、Ｘ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂなどが挙げられる。

また、第３強磁性金属層１１の第１強磁性金属層１３に対する保磁力をより大きくするために、第３強磁性金属層１１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３強磁性金属層１１の漏れ磁場を第１強磁性金属層１３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３強磁性金属層１１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３強磁性金属層１１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１３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１強磁性金属層１３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１３と非磁性層層１２の界面で、第１強磁性金属層１３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１３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１３の膜厚は薄い方が好ましい。

第１強磁性金属層１３は各アプリケーションにおいて重要な働きをする。第１強磁性金属層１３はＭＲＡＭにおいては情報を記録する層であり、その磁化の方向で情報の“０”と“１”を記憶する。また、第１強磁性金属層１３はセンサにおいてはセンシング層であり、その磁化の方向でセンシングする外部磁場の大きさを評価する。すなわち、第１強磁性金属層１３の磁化の向きは外乱に対して強くある必要がある。

第１強磁性金属層１３の磁化の向きを乱す外乱の一つに熱がある。強磁性体の磁化が熱によって揺らぐ熱擾乱が知られている。強磁性体は上向きスピンでも下向きスピンでも両状態のエネルギーは変わらず、二つのエネルギー的に安定な状態を有する。この二つのエネルギーの間にはエネルギーバリアが存在する。熱擾乱が大きくなりこのエネルギーバリアを超えてしまうと磁化反転してしまう。エネルギーバリアの高さは強磁性体の磁気異方性エネルギーＫと強磁性体の体積Ｖを掛けた値（Ｋ・Ｖ）であることが知られている。磁気抵抗効果素子の熱安定性を向上させるには、磁気異方性エネルギーＫを向上させるか、強磁性体の体積Ｖを増大させるか、またその両方を増大させる必要がある。

しかし、上述したように第１強磁性金属層は薄い方が望ましく、またＭＲＡＭにおいては高集積化から素子面積を小さくする必要があるため体積Ｖの増大による熱安定性の確保は難しい。

一方で、ＳＴＴにおける磁化の反転電流密度も強磁性体の磁気異方性エネルギーＫと強磁性体の体積Ｖを掛けた値（Ｋ・Ｖ）に比例する。これは電流によってエネルギーバリアを乗り越えるためであり、熱擾乱で磁化の方向が変わってしまうことと原理は同じである。すなわち、熱安定性の確保のための磁気異方性エネルギーＫの増大、または体積の増大と、反転電流密度の低減はトレードオフの関係にある。

そこで、本実施形態では、単純に体積を増大させることでは解決できない熱安定性の増大を、後述するように、第２強磁性金属層１５を、スピン軌道トルク配線１４の第１強磁性金属層１３と接合する面の反対側の面に接合し、その磁化の向きが互いに反平行になるように磁気結合させることで、第１強磁性金属層の実効的な体積を増加させることで解決する。

非磁性層１２には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層１２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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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１２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、第３強磁性金属層１１、及び第１強磁性金属層１３と非磁性層１２の間に挿入層を設けてもよい。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線１４は、磁気抵抗効果素子部１Ｂの積層方向に対して交差する方向に延在する。スピン軌道トルク配線１４は、該スピン軌道トルク配線１４に磁気抵抗効果素子部１Ｂの積層方向に対して直交する方向に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、磁気抵抗効果素子に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。
スピン軌道トルク配線１４は、第１強磁性金属層１３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１４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１４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。

図２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２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２に示すように、スピン軌道トルク配線１４ａの延在方向に電流Ｉを流すと、上向きスピンＳ^＋と下向きスピンＳ⁻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。
スピン軌道トルク配線中では、上向きスピンＳ^＋の電子数と下向きスピンＳ⁻の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう上向きスピンＳ^＋の電子数と下方向に向かう下向きスピンＳ⁻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。

ここで、上向きスピンＳ^＋のスピンの流れをＪ_↑、下向きスピンＳ⁻のスピンの流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。図２においては、純スピン流としてＪ_Ｓが図中の上方向に流れる。ここで、Ｊ_Ｓは分極率が１００％の純スピンの流れである。
図２において、スピン軌道トルク配線１４ａ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ことになる。
非特許文献１ではスピン軌道トルク配線の片面にしか強磁性金属層を備えないため、図２における下向きスピンＳ⁻のスピンの流れをＪ_↓を利用していなかった。
本実施形態では、利用していなかったＪ_↓を利用するために、図１におけるスピン軌道トルク配線１４に接合する第１強磁性金属層１３の反対側の面に第２強磁性金属層１５を備える。

本実施形態では第１強磁性金属層１３と第２強磁性金属層１５を反平行になるように磁気結合させることで熱安定性を向上させる。十分な熱安定性の向上効果を得るために、スピン軌道トルク配線１４を介した強い反平行結合が望ましい。反平行結合を生み出す結合としては強磁性金属層の静磁界による結合が知られている。特許文献２ではスピン軌道トルク層を介した静磁界結合による２層の強磁性金属層の反平行結合が提案されている。しかし、発生する静磁界は強磁性金属層の体積によるため、熱安定性と同様に体積を大きく保てない磁気抵抗効果素子ではその効果は小さい。

本実施形態では、スピン軌道トルク配線１４を介した反平行結合にＲＫＫＹ結合を利用する。ＲＫＫＹ結合はｄ電子、及びｆ電子を有する非磁性金属層を介して発生する結合であり、非磁性層の厚さに応じて結合が平行結合と反平行結合が振動する結合である。したがって、用いる非磁性層の材料に応じて、反平行結合となる適切な膜厚を選ぶ必要がある。非磁性層の膜厚は厚くなるほど平行・反平行結合を振動しつつ減衰していくため、非磁性層の膜厚は３ｎｍ以下が望ましい。

ＲＫＫＹ結合は伝導電子であるｓ電子と、局在スピンであるｄ電子またはｆ電子とのスピン軌道相互作用を用いた結合であるため、静磁界結合に比べてその結合力は強い。ＲＫＫＹ結合や静磁界結合のように２層の強磁性金属層が反平行結合する場合、それぞれの強磁性金属層が有効磁界を感じていることと同じである。この有効磁界により、２層それぞれのヒステリシスループが容易軸方向のプラス磁界、及びマイナス磁界の方向にシフトし、飽和磁界（磁化が飽和した時の磁界の大きさ）が変化する。この飽和磁界の大きさで結合力の強さを評価できる。ただし、強磁性金属層の体積（膜厚や素子サイズ）や構成元素（飽和磁化や磁気異方性エネルギー）によってシフト磁界の大きさが変わる。ＲＫＫＹ結合を生じる非磁性金属層材料として用いられるＲｕではそのシフト磁界は０．１Ｔ〜１Ｔであり、一方で静磁界結合によるシフト磁界は一般的に０．１Ｔ未満であることからも、ＲＫＫＹ結合の方が静磁界結合より強いことは明らかである。
この強い反平行結合よって、それぞれの強磁性金属層に、互いに反平行に磁化方向を保つ強い力が働くことで、第２強磁性金属層１層での熱安定性ではなく、第２強磁性金属層１３及び第３強磁性金属層１５の２層分の熱安定性を有することとなり、熱安定性が向上する。
さらに、上述したように、第３強磁性金属層にはこれまで利用していなかった下向きスピンＳ⁻のスピンの流れをＪ_↓を利用することができる。第２強磁性金属層を反転するこのＪ_↓は第１強磁性金属層を反転する効果と同じ向きに働くため、磁化反転電流密度は変わらない。すなわち、第１強磁性金属層１３と第２強磁性金属層１５がスピン軌道トルク配線１４を介したＲＫＫＹ結合により反平行結合することで、反転電流密度を上げることなく熱安定性を向上することができる。

ＲＫＫＹ結合を生じさせ、かつ純スピンを生成するスピン軌道トルク配線は、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１４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１４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Ｊ_Ｓが発生しやすい。

スピン軌道トルク配線１４は強いＲＫＫＹ結合を生じることが望ましい。強いＲＫＫＹ結合を生じる材料としては、例えばＲｕ、やＲｈがあげられる。スピン軌道トルク配線１４にＲｕを用いた場合、膜厚を反平行結合する０．７ｎｍ〜０．９ｎｍにすることが望ましい。Ｒｕは反平行結合する膜厚が０．３ｎｍ〜０．４ｎｍに第１ピークを、０．７ｎｍ〜０．９ｎｍに第２ピークをとることが知られている。書き込み電流を流す配線としては膜厚が厚く配線抵抗が低い方がよいため、強い反平行結合を維持したまま低配線抵抗を実現するには、Ｒｕの膜厚は０．７ｎｍ〜０．９ｎｍにすることが望ましい。また、Ｒｈは反平行結合がＲｕに比べると弱くなるが、反平行を生じる膜厚がＲｕより長い材料として、本実施形態のスピン軌道トルク配線に適した材料といえる。Ｒｈは反平行結合する膜厚が０．７ｎｍ〜０．９ｎｍに第１ピークを、１．４ｎｍ〜１．６ｎｍに第２ピークをとることが知られていることから、スピン軌道トルク配線１４としてのＲｈ膜厚は０．７ｎｍ〜０．９ｎｍ、または１．４ｎｍ〜１．６ｎｍとすることが望ましい。

第３強磁性金属層１１、第１強磁性金属層１３、第２強磁性金属層１５は磁化容易軸が膜面垂直に向いた面直磁化でもよい。特許文献２で用いている静磁界結合は膜面平行な面内磁化のみしか成立しないが、スピン軌道トルク配線１４を介したＲＫＫＹ結合は垂直磁化でも反平行結合するため、強磁性金属層は面直磁化でもよい。
ここで、面直磁化とは、強磁性金属層が有する垂直磁気異方性エネルギーが形状磁気異方性エネルギーより大きい磁化状態を指す。これは面内・面直磁化測定をした際に、面直磁化測定時の飽和磁界（磁化が飽和した時の磁界の大きさ）が面内磁化測定時の飽和磁界より小さいことと同じである。強磁性金属層の磁区が単磁区の場合、垂直磁気異方性エネルギーが形状磁気異方性エネルギーより大きい磁化状態を満たせば、磁化の角度が傾いてもよい。

第２強磁性金属層１５は熱安定性を向上するための強磁性金属層であるため、大きな垂直磁気異方性エネルギーを有する強磁性金属層であることが望ましい。熱安定性の観点からすると、第１強磁性金属層１１も垂直磁気異方性エネルギーが大きい方が望ましいが、第１強磁性金属層１３を含む磁気抵抗効果素子１Ｂは磁化状態を読み取る際に必要な高い磁気抵抗比を維持する必要があるため、第１強磁性金属層１３は高い磁気抵抗比を実現する材料に制限される。しかし、第２強磁性金属層１５は磁気抵抗比に関わらない層であるため、高い磁気抵抗比を満たす強磁性金属材料である必要がない。

高い垂直磁気異方性エネルギーを有する材料として、第２強磁性金属層１５はＦｅＰｔやＣｏＰｔ、ＦｅＮｉなどのＬ１_０規則合金でもよい。Ｌ１_０規則合金とは、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＮｉのいずれかの合金で、二元合金薄膜を加熱して作成するか、または各元素を一原子層ずつ積層して作成することができる。また、高い熱安定性を示すためにＬ１_０規則合金は１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い垂直磁気異方性エネルギーを有することが望ましい。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。以下、変形例、応用例について説明する。

図３は、変形例１としてスピン軌道トルク型磁化反転素子３Ａの模式図を示す。第１強磁性金属層１３の熱安定性向上のために、図３に示すように第２強磁性金属層３５の体積を、第１強磁性金属層１３の体積より大きくしてもよい。第２強磁性金属層３５を大きくすることで、熱安定性を決めるパラメーター（異方性エネルギーＫ×体積Ｖ＝Ｋ・Ｖ）の体積Ｖを大きくし熱安定性を向上することができる。第１強磁性金属層１３は、その体積を大きくしてしまうと磁区を形成する可能性があり、読み取り感度を維持するため体積を大きくし難い。
また、上述したＬ１_０規則合金など高垂直磁気異方性エネルギーを有する材料を使用すれば、熱安定性を決めるパラメーター（異方性エネルギーＫ×体積Ｖ）の両パラメーターを向上することができ、更なる熱安定性向上を実現できる。

図４は、変形例２としてスピン軌道トルク型磁化反転素子４Ａの模式図を示す。第２強磁性金属層３５の垂直磁気異方性エネルギーを向上させるために、第２強磁性金属層３５のスピン軌道トルク配線１４と接合する面と反対側の面に酸化物層４６を有する。これにより、強磁性金属層は酸化物層と接合することによって界面で生じる界面垂直磁気異方性を付与することができる。かかる材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。

図５は、変形例３としてスピン軌道トルク型磁化反転素子５Ａを用いた磁気メモリ５００Ａの模式図を示す。スピン軌道トルク配線１４に電極５７ａ、電極５８ｂと、スピン軌道トルク配線１４に書き込み電流を印加する電源５８ａと、配線５９ａと、第３強磁性金属層１１と電極５７ｂとの間の抵抗値を読み取る、読み取り電流を印加する電源５８ｂと、配線５８ｂを備える。配線５９ｂは第３強磁性金属層１１に直接接続してもよいし、低抵抗電極を用意してもよい。読み取る際に、第３強磁性金属層１１とスピン軌道トルク配線１４間の抵抗値を読み取ることによって、磁気抵抗比に寄与しない寄生抵抗として振る舞う絶縁層４６の抵抗値を測定しないため、磁気抵抗比を下げることなく読み取り感度を維持することができる。

図６は、変形例４としてスピン軌道トルク型磁化反転素子６Ａの模式図を示す。第２強磁性金属層１５の垂直磁気異方性エネルギーを向上させるために、第２強磁性金属層１５のスピン軌道トルク配線１４と接合する面の反対側の面に金属下地層６６を有している。第２強磁性金属層１５は界面磁気異方性を発生する金属下地層６６と接合することによって界面磁気異方性が付与され、垂直磁気異方性エネルギーを向上することができる。かかる材料は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕを用いることができる。

図７は、変形例５としてスピン軌道トルク型磁化反転素子７Ａを用いた磁気メモリ７００Ａの模式図を示す。スピン軌道トルク配線１４に電極７７ａ、電極７８ｂと、スピン軌道トルク配線１４に書き込み電流を印加する電源７８ａと、配線７９ａと、第３強磁性金属層１１と金属下地層６６の間の抵抗値を読み取る、読み取り電流を印加する電源７８ｂと、配線７８ｂを備える。配線７９ｂは第３強磁性金属層１１及び金属下地層６６に直接接続してもよいし、低抵抗電極を用意してもよい。読み取り際に低抵抗である金属下地層、または低抵抗電極を読み取り電極に用いることで電極抵抗を下げることができ、読み取り感度を向上することができる。

＜磁気メモリ＞
本実施形態に係る磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、上述した磁気抵抗効果素子を複数備えている。

＜製造方法＞
本発明のスピン軌道トルク型磁化反転素子は公知の方法を用いて製造することができる。例えば図５に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子５Ａはマグネトロンスパッタ装置を用いて形成することができる。酸化物層４６、第２強磁性金属層３５、スピン軌道トルク配線１４、第１強磁性金属層１３、非磁性層１２、第３強磁性金属層１１、酸化防止膜を記載の順に積層する。磁気抵抗効果素子１ＢがＴＭＲ素子の場合、例えば、トンネルバリア層は第１強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のアルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の薄膜作成法を用いることができる。
積層した薄膜は、リソグラフィーとイオンミリングによって形成することができる。まず第２強磁性金属層３５の素子サイズの大きな形状に形成し、その後第２強磁性金属層１５より小さなサイズになるようにレジストをパターニングし、イオンミリングで第１強磁性金属層１３まで削る。磁気抵抗効果素子１Ｂのまわりに層間絶縁層膜を成膜した後、スピン軌道トルク配線１４上に電極５７ａ、５７ｂを形成するために、電極になる抵抗率の低い金属薄膜、例えばＣｕやＡｕなどを成膜し、電極形状に形成する。
スピン軌道トルク配線１４、磁気抵抗効果素子１Ｂの形状が複雑な場合は、レジストまたは保護膜の形成と、電極５７ａ、５７ｂの成膜を複数回に分けて形成してもよい。

電源５８ａ及び電源５８ｂは公知のものを用いることができる。

（磁化反転方法）
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線に流れる電流密度が１×１０^７Ａ／ｃｍ^２未満とするものである。
スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線に流れる電流によって熱が生じる。熱が第１強磁性金属層に加わると、第２強磁性金属層、及び第３強磁性金属層の磁化の熱安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は１×１０^７Ａ／ｃｍ^２未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。

１１…第３強磁性金属層、１２…非磁性層、１３…第１強磁性金属層、１４…スピン軌道トルク配線、１５、３５…第２強磁性金属層、１Ｂ…磁気抵抗効果素子部、４６…酸化物層、６６…金属下地層、５７ａ、５８ｂ…電極、５９ａ、５９ｂ、７７ａ、７７ｂ…配線、５８ａ、５８ｂ…電源、１Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａ、６Ａ、７Ａ…スピン軌道トルク型磁化反転素子、５００Ａ、７００Ａ…磁気メモリ、Ｉ…電流、Ｓ^＋…上向きスピン、Ｓ⁻…下向きスピン、Ｉ_１…第１電流経路、Ｉ_２…第２電流経路

Claims (13)

1. 磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、
   スピン軌道トルク配線と、第２強磁性金属層と、が記載された順に積層され、
   前記スピン軌道トルク配線を介して、前記第１強磁性金属層の磁化方向と前記第２強磁性金属層の磁化方向が反平行であり、第１強磁性金属層の飽和磁界が０．１Ｔ以上となるスピン軌道トルク型磁化反転素子。
2. 磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、スピン軌道トルク配線と、第２強磁性金属層と、が記載された順に積層され、
   前記スピン軌道トルク配線を介したＲＫＫＹ結合により、前記第１強磁性金属層の磁化方向と前記第２強磁性金属層の磁化方向が反平行となるスピン軌道トルク型磁化反転素子。
3. 磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、スピン軌道トルク配線と、第２強磁性金属層と、が記載された順に積層され、
   前記第１強磁性金属層の容易軸が積層面に対して垂直であり、前記スピン軌道トルク配線を介して、前記第１強磁性金属層の磁化方向と前記第２強磁性金属層の磁化方向が反平行となるスピン軌道トルク型磁化反転素子。
4. 前記スピン軌道トルク配線は、膜厚が０．７ｎｍ〜０．９ｎｍであるＲｕを用いた請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
5. 前記スピン軌道トルク配線は、膜厚が０．７ｎｍ〜０．９ｎｍ、あるいは１．４ｎｍ〜１．６ｎｍであるＲｈを用いた請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
6. 前記スピン軌道トルク配線は、ｄ電子またはｆ電子を有する原子番号３９番以上の非磁性金属を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
7. 前記第２強磁性金属層は、垂直磁気異方性エネルギーが１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上のＬ１_０規則層合金を含む強磁性金属層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
8. 前記第２強磁性金属層の体積が、前記第１強磁性金属層の体積より大きい請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
9. 前記第２強磁性金属層の垂直磁気異方性エネルギーと体積の積が、前記第１強磁性金属層の垂直磁気異方性エネルギーと体積の積より大きい請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
10. 前記第２強磁性金属層の、前記スピン軌道トルク配線と接合する反対側の面に接合する酸化物層をさらに備える請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
11. 前記第２強磁性金属層の、前記スピン軌道トルク配線と接合する反対側の面に接合するＴｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、からなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含む合金からなる金属下地層を備える請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
12. 前記第１強磁性金属層の、前記スピン軌道トルク配線と接合する反対側の面に接合する非磁性層と、前記非磁性層の、前記第１強磁性金属層と接合する反対側の面に接合する、磁化方向が固定された第３強磁性金属層とを有した請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子を用いた磁気抵抗効果素子。
13. 前記金属下地層と、前記第３強磁性金属層間の抵抗値から記録情報を読み取る請求項１〜９、及び１２のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子を用いた磁気メモリ。
    
    

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