JP2019121614A - スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁場が印加されていない条件でも容易に磁化方向を変えることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子を提供することを目的とする。【解決手段】このスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１の方向に延在する第１配線と、前記第１の方向又は前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する第２配線と、前記第１配線及び前記第２配線と電気的に接続され、前記第１の方向及び前記第２の方向のいずれとも平面視交差する第３の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記第１の方向又は前記第２の方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型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。これらは、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、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ＧＭＲ素子又は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を用いた磁気抵抗効果素子の磁化反転は、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。

そこで近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（例えば、非特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、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を用いた磁化反転の場合、素子の構成によっては、外部磁場により磁化反転をアシストする必要がある場合がある（例えば、非特許文献２）。外部磁場を印加するためには外部磁場の発生源が必要である。

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.

外部磁場の発生源を別途設けると、素子サイズの大型化や製造プロセスの複雑化を招く。素子構成によっては、外部磁場を印加せずに磁化反転を行うことができるが、磁化反転に時間がかかると言う問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、外部磁場が印加されていない条件でも容易に磁化方向を変えることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子を提供することを目的とする。

磁気メモリは、直径数十ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微細な磁気抵抗効果素子を複数集積してなる。磁気メモリは集積性を高めることが求められている。集積性の観点からも加工精度の観点からも、二次元を規定するｘ方向及びｙ方向が決定したら、この２方向に沿って全てのプロセスを進めることが好ましい。例えば、半導体のフォトリソグラフィー等の技術においても、規定されたｘ方向及びｙ方向に対して斜め方向の成分をもつプロセスは通常行わない。

一方で、本発明者らは、鋭意検討の結果、規定されたｘ方向及びｙ方向に対して斜め方向にスピン軌道トルク配線を延在させることで、外部磁場が印加されていない条件でも容易に磁化方向を変えることができることを見出した。
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軌道トルク型磁化回転素子は、第１の方向に延在する第１配線と、前記第１の方向又は前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する第２配線と、前記第１配線及び前記第２配線と電気的に接続され、前記第１の方向及び前記第２の方向のいずれとも平面視交差する第３の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記第１の方向又は前記第２の方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、を備える。

（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記第１強磁性層の平面視形状が角部に鋭角を有する平行四辺形であってもよい。

（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記第１配線と前記スピン軌道トルク配線の第１端部とを繋ぐ第１ビア配線と、前記第２配線と前記スピン軌道トルク配線の第２端部とを繋ぐ第２ビア配線と、を備え、前記第１ビア配線及び前記第２ビア配線の幅が、前記スピン軌道トルク配線の幅より広くてもよい。

（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記第１強磁性層がＨｏＣｏ_２又はＳｍＦｅ_１２であってもよい。

（５）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備える。

（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、前記第１強磁性層は、元素拡散を防ぐ拡散防止層をさらに備えてもよい。

（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、前記拡散防止層が、非磁性の重金属元素を含んでもよい。

（８）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記拡散防止層の厚みは、前記拡散防止層を構成する元素の２倍以上であってもよい。

（９）第３の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。

上述した態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子によれば、外部磁場が印加されていない条件でも容易に磁化方向を変えることができる。

第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した平面図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の要部を拡大した斜視図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の要部を拡大した斜視図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の原理を説明するための模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の原理を別の例を用いて説明するための模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例を用いて原理を説明するための模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例を用いて原理を説明するための模式図である。 スピン軌道トルク配線がｘ方向に延在し、ｘ方向及びｙ方向に対して傾斜していない場合のスピン軌道トルク型磁化回転素子の模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面模式図である。 第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の要部を拡大した斜視図である。 複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える磁気メモリの平面図である。

以下、本実施形態について、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、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。

図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した平面図である。図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２０と、ビア配線３０と、第１配線４０と、第２配線５０とを備える。

図１において、第１配線４０が延在する第１の方向をｘ方向、第１の方向と平面視直交する第２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交し、紙面手前側へ向かう方向をｚ方向とする。

＜第１配線、第２配線＞
第１配線４０はｘ方向に延在し、第２配線５０はｙ方向に延在している。第１配線４０と第２配線５０とは、ｚ方向の異なる高さに位置し、直接接続されていない。第１配線４０と第２配線５０との間に電流を流すことで、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れる。第１配線４０及び第２配線５０には、導電性の高い材料を用いることができる。例えば、銅、アルミニウム等を用いることができる。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向及びｙ方向のいずれとも平面視交差する第３の方向に延在する。第３の方向は、ｘ方向およびｙ方向に対して斜め方向である。すなわち、第１の方向、第２の方向及び第３の方向は、ｘｙ平面に投影した際に、同一面内の異なる方向として描かれる。

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、スピン流を生成しやすい材料で構成される部分とスピン流を生成しにく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、電流の向きと直交する方向に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スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。

スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流が流れる。電流が流れると、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対しｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して−ｚ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。一方で、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くても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。

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＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と−ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。

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Ｊ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、図中のｚ方向に流れる。図１において、スピン軌道トルク配線２０の上面には後述する第１強磁性層１が存在する。そのため、第１強磁性層１にスピンが注入される。

スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。

スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。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を意味する。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。これらの非磁性金属は、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。

電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、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く、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流Ｊ_Ｓが発生しやすい。

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の散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線２０の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。

一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。

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。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。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。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できる。

トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ、（Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３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。

＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０の一面に積層されている。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０と直接接続されていてもよいし、下地層などの他の層を介し接続されていてもよい。

第１強磁性層１は、ｘ方向又はｙ方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜である。第１強磁性層１の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。図１に示す第１強磁性層１は、ｘ方向に磁化容易軸を有する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、磁化の向きが変化する。外力が加わらない状態では、磁化Ｍ１は磁化容易方向（＋ｘ又は−ｘ方向）に配向する。

磁化Ｍ１の磁化容易軸とスピン軌道トルク配線２０が延在する第３の方向とのなす角は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００に求められる性能により好ましい範囲が変化する。磁化回転し始める時間を短縮したい（反応性に優れた素子を作製したい）場合は、磁化容易軸と第３方向とのなす角が４５°以下であることが好ましく、３０°以下であることがより好ましく、１０°以下であることがさらに好ましい。磁化反転の安定性を高めたい（信頼性に優れた素子を作製したい）場合は、磁化容易軸と第３方向とのなす角が４５°以上であることが好ましく、６０°以上であることがより好ましく、８０°以上であることがさらに好ましい。

第１強磁性層１は、ｃ軸長がａ軸長より短い正方晶の磁性材料であることが好ましい。例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）等を用いることが好ましい。なお、ｃ軸長がａ軸長より長い場合等においても、成膜時又はアニール時に所定の方向に磁場を印加することで、磁化Ｍ１の配向方向は制御できる。

上述のように、磁化Ｍ１の配向方向は、成膜時又はアニール時に印加する磁場方向により自由に制御できる。そのため第１強磁性層１の平面視形状は特に問わない。例えば、図１及び図２に示すように角部に鋭角を有する平行四辺形でも、図３に示すように円形でもよい。図２及び図３は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の一例の要部を拡大した斜視図である。図２に示すように、第１強磁性層１の平面視形状が角部に鋭角を有する平行四辺形の場合、平面対称性が悪いため角の部分等に、局所的に反磁界が弱い部分が形成される。反磁界が弱い部分は磁化反転しやすくい。つまりこの部分の磁化が反転し、その他の部分に伝搬していく（例えば、磁壁の移動）ことで、磁化反転に要するエネルギーを低くすることができる。したがって、磁化反転のし易さの観点から、第１強磁性層１の平面視形状は角部に鋭角を有する平行四辺形（菱形を含む）であることが好ましい。

＜ビア配線＞
ビア配線３０は、第１ビア配線３１と第２ビア配線３２との２つの配線からなる。第１ビア配線３１は、第１配線４０とスピン軌道トルク配線２０の第１端部とを繋ぐ。第２ビア配線３２は、第２配線５０とスピン軌道トルク配線２０の第２端部とを繋ぐ。第１ビア配線３１と第２ビア配線３２とは、平面視で第１強磁性層１を挟む位置にある。図１に示すビア配線３０はスピン軌道トルク配線２０から−ｚ方向に延在しているが、第１配線４０及び第２配線５０の位置によってはスピン軌道トルク配線２０から＋ｚ方向に延在してもよい。

ビア配線３０には、導電性に優れる材料を用いることができる。例えば、銅、アルミニウム、銀等をビア配線３０として用いることができる。

図２及び図３に示すように、第１ビア配線３１及び第２ビア配線３２の幅は、スピン軌道トルク配線２０の幅より広いことが好ましい。ここで、スピン軌道トルク配線２０の幅とは、第１の方向（ｘ方向）又は第２の方向（ｙ方向）のうちスピン軌道トルク配線２０の長さが長い方向と直交する方向の幅を意味する。すなわち、図２及び図３においては、スピン軌道トルク配線２０の長さはｘ方向に長く、スピン軌道トルク配線２０の幅はスピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅を意味する。

第１ビア配線３１及び第２ビア配線３２の幅Ｄは、スピン軌道トルク配線２０の幅ｄの２倍以上であることが好ましい。当該関係を満たすことで、素子サイズが最小加工寸法Ｆまで微細化した場合でも、スピン軌道トルク配線２０をｘ方向及びｙ方向に対して斜めに配設し易くなる。また第１ビア配線３１及び第２ビア配線３２の面積が大きくなることで、これらの抵抗値を下げることができる。

＜その他の構成＞
例えば、実際の素子において配線や第１強磁性層の間は、層間絶縁膜で保護されている。層間絶縁膜には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等が用いられる。

またこの他、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。

（スピン軌道トルク型磁化回転素子の原理）
次いで、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の原理について説明する。また本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００が外部磁場を印加することなく、容易に磁化反転が可能な理由について説明する。

図４及び図５は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の原理を説明するための模式図である。図４と図５の違いは、第１強磁性層１の平面視形状の違いである。第１強磁性層１の平面視形状が異なっていても磁化反転の原理は原則同じである。第１配線４０と第２配線５０との間に電位差を与えると、第１配線４０と第２配線５０との間を繋ぐスピン軌道トルク配線２０に書き込み電流Ｉが流れる。スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流Ｉが流れると、スピンホール効果が生じる。ｚ方向に曲げられた第１スピンＳ１は、書き込み電流Ｉと直交する方向に配向する。

スピン軌道トルク配線２０のｚ方向には、第１強磁性層１が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１にスピンが注入される。注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化Ｍ１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。

第１強磁性層１に注入される第１スピンＳ１はｘ方向の成分とｙ方向の成分を有する。第１スピンＳ１のｙ方向の成分は、磁化Ｍ１にｙ方向のトルク（スピン軌道トルク）を与え、磁化Ｍ１をｙ方向に向かって９０°回転させる。第１スピンＳ１のｘ方向の成分は、＋ｘ方向を向く磁化Ｍ１に対して１８０°反対の−ｘ方向のトルク（スピン軌道トルク）を与える。すなわち、第１スピンＳ１のｙ方向の成分により磁化Ｍ１をｙ方向に向けて素早く９０°回転させ、第１スピンＳ１のｘ方向の成分により磁化Ｍ１を−ｘ方向に向けて完全に反転させることができる。

図４及び図５では、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の磁化容易方向がｘ方向として説明したが、図６及び図７に示すように第１強磁性層１の磁化Ｍ１の磁化容易方向がｙ方向の場合も同様である。図６と図７の違いは、第１強磁性層１の平面視形状の違いである。第１スピンＳ１のｘ方向の成分は、磁化Ｍ１に−ｘ方向のトルク（スピン軌道トルク）を与え、磁化Ｍ１を−ｘ方向に向かって９０°回転させる。第１スピンＳ１のｙ方向の成分は、−ｙ方向を向く磁化Ｍ１に対して１８０°反対のｙ方向のトルク（スピン軌道トルク）を与える。すなわち、第１スピンＳ１のｘ方向の成分により磁化Ｍ１を−ｘ方向に向けて素早く９０°回転させ、第１スピンＳ１のｙ方向の成分により磁化Ｍ１をｙ方向に向けて完全に反転させることができる。

図８は、スピン軌道トルク配線２０’がｘ方向に延在し、ｘ方向及びｙ方向に対して傾斜していない場合のスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２の模式図である。第１強磁性層１’の磁化容易軸はｘ方向であり、磁化Ｍ１’はｘ方向に配向している。第１ビア配線３１’と第２ビア配線３２’とは、ｘ方向に第１強磁性層１’を挟んでいる。

図８に示すスピン軌道トルク配線２０’に書き込み電流Ｉ’が流れると、ｙ方向に配向した第１スピンＳ１’が第１強磁性層１’に注入される。第１スピンＳ１’は、ｙ方向の成分しか有さないため、磁化Ｍ１をｙ方向に向かって９０°回転させる。９０°回転した磁化Ｍ１がｘ方向に戻るか、−ｘ方向に向く（磁化反転する）かは、外部磁場が第１強磁性層１に印加されていない状態では、確率的に決まる。つまり、磁化反転するか否かが確率によって決定され、素子として安定的に機能しない。

上述のように、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、スピン軌道トルク配線２０がｘ方向及びｙ方向に対して斜め方向に配設されているため、磁化Ｍ１を素早く９０°回転させるトルクと１８０°確実に回転させるためのトルクを共に印加することができる。その結果、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、素子外部から磁場を印加しなくても、容易に磁化反転を行うことができる。

上述の第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、高周波部品、磁気センサなどへの適用が可能である。例えば、磁気異方性センサや、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として用いることができる。

また第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、フォトリソグラフィー等の公知の技術により製造できる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１の磁化容易方向を規定するためには、成膜時又はアニール時に所定の方向に磁場を印加することが好ましい。

以上、本実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

例えば、図９は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面模式図である。図９に示すように、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３の第１配線４０と第２配線５０との延在方向が同一であり、これらが平行に配列されていてもよい。また図９に示すように、第１強磁性層１の平面視形状は楕円でもよい。

「第２実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図１０は、第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の要部を拡大した斜視図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上述のスピン軌道トルク型磁化回転素子と第２強磁性層２と非磁性層３とを備える。第２強磁性層２は、第１強磁性層１のスピン軌道トルク配線２０と反対側に位置する。非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２に挟まれる。第１強磁性層１、非磁性層３及び第２強磁性層２とで、磁気抵抗効果素子１０をなす。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の平面図は、第１強磁性層１が磁気抵抗効果素子を１０に置き換えること以外は同様である。上述のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

磁気抵抗効果素子１０は、第２強磁性層２の磁化が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１の磁化Ｍ１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２強磁性層２の保磁力を第１強磁性層１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強磁性層２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１０において、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）素子と同様の構成であり、非磁性層３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。

磁気抵抗効果素子１０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２強磁性層２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強磁性層２は固定層や参照層、第１強磁性層１は自由層や記憶層などと呼ばれる。

第２強磁性層２の材料には、公知の材料を用いることができ、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。第１強磁性層１が面内磁化膜であるため、第２強磁性層２も面内磁化膜であることが好ましい。

第２強磁性層２の第１強磁性層１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層２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強磁性層２の漏れ磁場を第１強磁性層１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。

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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ｇａ_２Ｏ_３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。さらに、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４のＭｇがＺｎに置換された材料や、ＡｌがＧａやＩｎ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は他の層との格子整合性が高い。

磁気抵抗効果素子１０は、高い磁気抵抗比を得るためには、ＴＭＲ素子であるが好ましい。すなわち、非磁性層３はトンネルバリア層であることが好ましい。トンネルバリア材料としては、ＭｇＯ又は非磁性スピネル材料が好ましい。また第１強磁性層１と第２強磁性層２とのうち少なくとも一方は、Ｃｏ、Ｆｅのいずれか一方を含む合金であることが好ましく、Ｃｏ、Ｆｅのいずれか一方とＢとを含む合金であることがより好ましい。この場合、非磁性層３が結晶化しやすくなり、高い磁気抵抗比が得られる。

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１強磁性層１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２強磁性層２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と第１強磁性層１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第１強磁性層１に十分伝えることができる。

また第１強磁性層１は、元素拡散を防ぐ拡散防止層を有してもよい。拡散防止層は、第１強磁性層１の非磁性層３側の面に設けられていてもよいし、第１強磁性層１の厚み方向のいずれかの部分に設けられていてもよい。後者の場合、第１強磁性層は、下層、拡散防止層、上層の３層構造となる。

拡散防止層は、非磁性の重金属元素を含むことが好ましい。また拡散防止層は、拡散防止層を構成する元素の直径の２倍以上であることが好ましい。この程度の厚さの場合、厳密には重金属元素が島状に点在しており、上層又は下層と重金属元素の混合層が拡散防止層となる。拡散防止層を設けることで、高温でアニールした場合にも、第１強磁性層１の内部から第２強磁性層２へ元素拡散が生じることを抑制できる。元素拡散を抑制することで、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁気特性の劣化を防ぐことができる。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の向きによって情報を記憶する。データを書き込む際は、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流を流す（書込み動作）。スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向及びｙ方向に対して斜め方向に配設されているため、磁化Ｍ１を素早く９０°回転させるトルクと１８０°確実に回転させるためのトルクを第１強磁性層１の磁化Ｍ１に印加できる。つまり、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、素子外部から磁場を印加しなくても、容易に磁化反転を行うことができる。

データを読み出す際は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流又は電圧を印加し、第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁化の相対角の違いに伴う抵抗値の違いを測定する（読み出し動作）。例えば、第２強磁性層２に第３配線を接続し、第３配線と第１配線４０又は第２配線５０との間に、読出し電流を印加する。

上述のように、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、素子外部から磁場を印加しなくても磁化反転を安定的に行うことができる。つまり、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、データの記録及び読み出しを行うことができる記録素子として安定的に機能する。その他の作用効果については第１実施形態と同等の効果を得ることができる。

「第３実施形態」
＜磁気メモリ＞
図１１は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える磁気メモリ２００の平面図である。図１１に示す磁気メモリ２００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子が３×３のマトリックス配置をしている。図１１は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の数及び配置は任意である。

複数のスピン軌道トルク配線２０のそれぞれには、第１配線４０と第２配線５０とがそれぞれ接続されている。また磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性層２には第３配線６０が接続されている。

電流を印加する第１配線４０及び第２配線５０を選択することで、任意のスピン軌道トルク配線２０に電流を流し、書き込み動作を行うことができる。また電流を印加する第３配線６０及び電流を排出する第１配線４０（又は第２配線５０）を選択することで、任意の磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流を流し、読み出し動作を行うことができる。第１配線４０、第２配線５０及び第３配線６０はトランジスタ等により選択できる。つまり、本実施形態にかかる磁気メモリ２００は、任意の磁気抵抗効果素子１０にデータを書き込むことができ、任意の磁気抵抗効果素子１０のデータを読み出すことができる。

１、１’ 第１強磁性層
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
１０ 磁気抵抗効果素子
２０、２０’ スピン軌道トルク配線
３０ ビア配線
３１、３１’ 第１ビア配線
３２、３２’ 第２ビア配線
４０ 第１配線
５０ 第２配線
１００、１０１、１０２、１０３ スピン軌道トルク型磁化回転素子
２００ 磁気メモリ
Ｉ、Ｉ’ 書き込み電流
Ｍ１、Ｍ１’ 磁化
Ｓ１、Ｓ１’ 第１スピン

Claims (9)

1. 第１の方向に延在する第１配線と、
   前記第１の方向又は前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する第２配線と、
   前記第１配線及び前記第２配線と電気的に接続され、前記第１の方向及び前記第２の方向のいずれとも平面視交差する第３の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、
   前記スピン軌道トルク配線の一面に積層され、前記第１の方向又は前記第２の方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
2. 前記第１強磁性層の平面視形状が角部に鋭角を有する平行四辺形である、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
3. 前記第１配線と前記スピン軌道トルク配線の第１端部とを繋ぐ第１ビア配線と、
   前記第２配線と前記スピン軌道トルク配線の第２端部とを繋ぐ第２ビア配線と、を備え、
   前記第１ビア配線及び前記第２ビア配線の幅が、前記スピン軌道トルク配線の幅より広い、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
4. 前記第１強磁性層がＨｏＣｏ_２又はＳｍＦｅ_１２である、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回転素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
   前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置する第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
6. 前記第１強磁性層は、元素拡散を防ぐ拡散防止層をさらに備える、請求項５に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
7. 前記拡散防止層が、非磁性の重金属元素を含む、請求項６に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
8. 前記拡散防止層の厚みは、前記拡散防止層を構成する元素の直径の２倍以上である、請求項６又は７に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
9. 請求項５〜８のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。

Images