JP2019121783A - 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スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を起こすことが可能な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、Ｘ方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、スピン軌道トルク配線層に、積層された第１強磁性層と、を備え、第１強磁性層は形状異方性を有し、スピン軌道トルク配線層が延在する平面においてＸ方向と直交するＹ方向に長軸を有し、スピン軌道トルク配線層が延在する平面において、第１強磁性層の磁化容易軸は、Ｘ方向及び、Ｘ方向と直交するＹ方向に対して傾斜している。【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スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法に関する。

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）素子において、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化回転）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（磁化回転）を行う方式が知られている。ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化回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、磁化回転をさせるために磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を印加するため、ＴＭＲ素子を劣化させる恐れがある。

そこで近年、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さずに磁化回転を可能と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スピン軌道トルク型磁化回転素子に注目が集まっている。スピン軌道トルク配線層に電流が流れると、スピン軌道相互作用や異種材料の界面におけるラシュバ効果によって純スピン流が生じる。この純スピン流はスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴによりスピン軌道トルク配線上に配設された強磁性体の磁化回転を起こす。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。そのため磁気抵抗効果素子に流れる回転電流はゼロであり、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。スピン軌道トルク型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線に流す電流密度が高いほど磁化回転を容易に行うことができる。

スピン軌道トルク型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線に流れる電流の方向と、強磁性体の磁化容易軸の方向との関係により、いくつかの種類に分類される。スピン軌道トルク型磁化回転素子は、Ｘ方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、その一面に積層された第１強磁性層と、を備える。この第１強磁性層の磁化容易軸の向きによって、Ｘ型、Ｙ型、Ｚ型磁化回転素子に分類される。Ｘ型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線層と同じＸ方向に磁化容易軸を有する。Ｙ型磁化回転素子は、面内方向においてＸ方向と直交するＹ方向に磁化容易軸を有する。Ｚ型磁化回転素子は、面内方向と直交するＺ方向（積層方向）に磁化容易軸を有する。Ｘ型及びＺ型磁化回転素子は、磁化回転に要する時間が短く、高速で動作することが可能である。また、Ｘ型磁化回転素子はスピン軌道トルク配線層がＸ方向を長軸としているため、Ｙ方向の幅を狭くすることができる。そのため、Ｘ型磁化回転素子はＹ型磁化回転素子より少ない電流での磁化反転が可能となる。しかし、Ｘ型及びＺ型磁化回転素子は、磁化回転をアシストするためにそれぞれＺ方向及びＸ方向の外部磁場を素子に印加しなければならない。そのため、Ｘ型及びＺ型磁化回転素子は、エネルギー消費や集積度の点で問題を有する。一方、Ｙ型磁化回転素子の場合は、磁化回転をアシストするための外部磁場は不要であるが、磁化回転に要する時間が長くなるという欠点がある。

この問題を解決するために、第１強磁性層の磁化容易軸をＸ方向及びＹ方向のいずれに対しても傾斜させたＸＹ型磁化回転素子が提案されている（例えば、非特許文献１）。図１１に、このようなＸＹ型磁化回転素子５０１を示す。ＸＹ型磁化回転素子５０１は、スピン軌道トルク配線層５０２と、第１強磁性層５０４と、電極５０６とを備える。第１強磁性層５０４及び電極５０６は、スピン軌道トルク配線層５０２の一面に積層され、電極５０６は、平面視で第１強磁性層５０４を挟んでいる。また第１強磁性層５０４は、Ｘ方向に長軸を有するスピン軌道トルク配線層５０２と異なり、平面視でＸ方向及びＹ方向に対して傾斜させた長軸を有する。第１強磁性層５０４の磁化容易軸５０８は、形状異方性により第１強磁性層５０４の長軸と平行な方向に配向される。

このように構成されたＸＹ型磁化回転素子５０１は、磁化容易軸がＹ方向成分を有するため、外部磁場を印加されなくても磁化回転を起こす。また、磁化容易軸がＸ方向成分を有するため、Ｙ型磁化回転素子と比較して磁化回転に要する時間が短く、高速動作に適している。

S. Fukami, et al., Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/NNANO.2016.29 Supplement

しかしながら、図１１に示すようなＸＹ型磁化回転素子は、第１強磁性層の長軸がＸ方向及びＹ方向に対して傾斜しているため、第１強磁性層５０４のＸ方向の幅が大きくなる。第１強磁性層５０４には、スピン軌道トルク配線層５０２からスピンが注入される。このスピンの注入量は、スピン軌道トルク配線層５０２の平面視で第１強磁性層５０４と重なる位置における電流が乱れると、安定化しない。そのため、電極５０６と第１強磁性層５０４との距離をある程度確保することが好ましい。これらの間に充分な距離を確保すると、ＸＹ型磁化回転素子５０１はＸ方向にある程度の大きさが必要となり、ＸＹ型磁化回転素子５０１は複数の素子を集積した際の集積性に劣る。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を起こすことが可能で、集積性に優れた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スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、第１強磁性層の長軸をスピン軌道トルク配線層の短軸と一致させつつ、第１強磁性層の磁化容易軸のみをスピン軌道トルク配線層の長軸から傾斜させることにより、磁化のＹ方向成分を大きくし、スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を容易に行うことができることを見出した。また第１強磁性層の長軸がスピン軌道トルク配線層の短軸と一致していることで、Ｘ方向に必要なスペースを小さくすることができ、複数の素子を集積した際の集積性を高め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の態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子は、Ｘ方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、スピン軌道トルク配線層に積層された第１強磁性層と、を備え、第１強磁性層は形状異方性を有し、前記スピン軌道トルク配線層が延在する平面においてＸ方向と直交するＹ方向に長軸を有し、スピン軌道トルク配線層が延在する平面において、第１強磁性層の磁化容易軸は、Ｘ方向及びＸ方向と直交するＹ方向に対して傾斜している。

（２）上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子において、第１強磁性層は、ＨｏＣｏ合金、ＳｍＦｅ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金又はＣｏＣｒＰｔ合金でありうる。

（３）第２の態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子と、第１強磁性層のスピン軌道トルク配線層と反対側に配設され、磁化の向きが固定された第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層との間に配設された非磁性層と、を備える。

（４）上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と非磁性層との間に配設された拡散防止層をさらに備えうる。

（５）上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、拡散防止層が非磁性重金属を含みうる。

（６）上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、拡散防止層が、拡散防止層を構成する元素のイオン半径の２倍以下の厚さを有しうる。

（７）上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、非磁性層と拡散防止層との間に配設された第３強磁性層をさらに備えうる。

（８）第３の態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法は、上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、少なくとも第１強磁性層を、Ｘ方向を含む方向に磁場を印加した状態で成膜する。

（９）上記態様に係る製造方法は、少なくとも第１強磁性層の成膜後、Ｘ方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う段階を含みうる。

（１０）第４の態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法は、上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、少なくとも第１強磁性層の成膜後、Ｘ方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う。

上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子によれば、スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を起こすことが可能であり、集積性に優れる。

本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した斜視図である。 図１に係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。 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法を模式的に示した平面図である。 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。 図４に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した平面図である。 図４に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子であって、磁化が反転した状態を模式的に示した平面図である。 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。 図８に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した平面図である。 第４実施形態にかかる磁気記録アレイの平面図である。 従来の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。 スピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例を模式的に示した斜視図である。

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。

（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１は、本発明の一態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子１を模式的に示した斜視図である。図２は、図１に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子１を模式的に示した平面図である。本発明の一態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子１は、スピン軌道トルク配線層２と、スピン軌道トルク配線層２に積層されて配設された第１強磁性層４と、第１強磁性層４をはさんで、スピン軌道トルク配線層２に積層されて配設された電極６と、を備える。以下、スピン軌道トルク配線層２の長軸が延在する方向をＸ方向、スピン軌道トルク配線層２が延在する面内においてＸ方向と直交する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向のいずれにも直交する方向をＺ方向とする。図１において、第１強磁性層４の積層方向はＺ方向である。第１強磁性層４は、その長軸がＹ方向に延在する形状異方性を有する。また、第１強磁性層４は、Ｘ方向及びＹ方向に対して傾斜している磁化容易軸に沿った磁化８を有する。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線層２は、Ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線層２は、第１強磁性層４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層２は、第１強磁性層４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層２と第１強磁性層４との間に介在する層は、スピン軌道トルク配線層２から伝搬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層２から伝搬するスピンを第１強磁性層４に十分に伝えることができる。

スピン軌道トルク配線層２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層２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、スピン流が生成される材料で構成される部分と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であってよい。

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第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とが逆方向に曲げられ、スピン流が誘起される現象を、スピンホール効果と呼ぶ。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、図中でスピン軌道トルク配線層２の第１強磁性層８が配設された面の方向へ向かう第１スピンＳ１の電子数と、第１スピンＳ１の電子とは反対の方向へ向かう第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。

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Ｊ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。図１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％の電子の流れである。

スピン軌道トルク配線層２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層２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２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。

また、スピン軌道トルク配線層２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層２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層２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層２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層２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，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４は、スピン軌道トルク配線層２に、Ｘ方向に直交するＺ方向に積層されて配設される。第１強磁性層４は、その長軸がＸ方向と直交するＹ方向に延在する形状異方性を有する。また、第１強磁性層４は、スピン軌道トルク配線層２が延在する平面において、Ｘ方向及びＹ方向に対して傾斜する方向に磁化容易軸を有する磁化８を有する。第1強磁性層４は、例えば、ＨｏＣｏ合金、ＳｍＦｅ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金を含むことが好ましい。第１強磁性層４の材料としては、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。ｃ軸長がａ軸長より短いと、第１強磁性層４の磁化容易軸が面内方向に配向しやすい。例えば、ＳｍＦｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）等が好ましい。また、ｃ軸長がａ軸長より長いと、第１強磁性層４の磁化容易軸が面直方向に配向しやすいが、磁場中で成膜した場合や磁場中アニールをすることによって、ｃ軸を面内の磁場方向に向けることができる。例えば、ＨｏＣｏ合金（ＨｏＣｏ_２）等が好ましい。これらの合金は、結晶磁気異方性が強く、ダンピング定数が大きいため、磁化回転が生じにくい。従って、これらの材料を用いて形成された第１強磁性層４は、強いデータ保持力を有する。

第１強磁性層４の長軸方向と第１強磁性層４の磁化容易軸の方向とが異なる。この場合、第１強磁性層４の磁化１１４の磁化容易軸の方向は、例えば、以下の方法で求めることができる。

第１の方法は、同一の条件で作製した第１強磁性層４を複数配設し、その磁気特性を測定するものである。磁気特性は、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）、超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）、物理特性測定装置（ＰＰＭＳ）等を用いて行うことができる。

まず長軸を一方向に揃えた第１強磁性層４を、例えばアレイ状に複数配列する。そして第１強磁性層４の素子集合体に対して一定磁場をｘｙ面内の所定の方向（基準方向）から印加し、第１強磁性層４の所定の方向の磁化を測定する。第１強磁性層４が複数集まることで、素子集合体は測定可能な磁化を示す。この作業を、磁場を印加する角度を変えながら、素子集合体の面内方向の周囲の複数点で測定する。

所定の方向への磁化の大きさを縦軸、素子集合体に印加する磁場の基準方向からの傾き角を横軸としてプロットすると、素子集合体の磁化特性が求められる。第１強磁性層４がｘｙ面内において等方な形状の場合（例えば、平面視円形）は、測定される磁化特性はサインカーブを描く。また、第１強磁性層４が一方向に長軸を有し、第１強磁性層４の磁化容易軸の方向と第１強磁性層４の長軸方向とが一致する場合は、コサインカーブの形状（グラフの各点における傾き角）は変化するが、最大磁化を示す傾き角は等方形状の場合と一致する。これに対し、第１強磁性層４が一方向に長軸を有し、第１強磁性層４の磁化容易軸の方向と第１強磁性層４の長軸方向とが異なる場合は、コサインカーブの形状（グラフの各点における傾き角）が変化すると共に、最大磁化を示す傾き角がシフトする。すなわち、グラフにおいて磁化がピークを示す位置における基準方向に対する傾き角と、第１強磁性層４の長軸方向の基準方向に対する傾き角と、が異なる場合は、第１強磁性層４の長軸方向と第１強磁性層４の磁化容易軸の方向とが異なっていることが分かる。

また第２の方法は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１の抵抗値を、スピン軌道トルク型磁化回転素子１に印加しながら測定する方法である。スピン軌道トルク型磁化回転素子１の抵抗値は、一定磁場をｘｙ面内の所定の方向（基準方向）から印加する角度を変えながら測定する。スピン軌道トルク型磁化回転素子１の抵抗値は、第１強磁性層４の上面と、スピン軌道トルク配線層２の一端との間の抵抗値であり、主に第１強磁性層４の抵抗値である。

スピン軌道トルク型磁化回転素子１の抵抗値を縦軸、第１強磁性層４に印加する磁場の基準方向からの傾き角を横軸としてプロットすると、スピン軌道トルク型磁化回転素子１の抵抗特性が求められる。抵抗特性は、上述の磁化特性と同様の挙動を示す。第１強磁性層４がｘｙ面内において等方な形状の場合（例えば、平面視円形）は、測定される抵抗特性はコサインカーブを描く。また、第１強磁性層４が一方向に長軸を有し、第１強磁性層４の磁化容易軸の方向と第１強磁性層４の長軸方向とが一致する場合は、コサインカーブの形状（グラフの各点における傾き角）は変化するが、最大抵抗を示す傾き角は等方形状の場合と一致する。これに対し、第１強磁性層４が一方向に長軸を有し、第１強磁性層４の磁化容易軸の方向と第１強磁性層４の長軸方向とが異なる場合は、コサインカーブの形状（グラフの各点における傾き角）が変化すると共に、最大磁化を示す傾き角がシフトする。すなわち、グラフにおいて抵抗値がピークを示す位置における基準方向に対する傾き角と、第１強磁性層４の長軸方向の基準方向に対する傾き角と、が異なる場合は、第１強磁性層４の長軸方向と第１強磁性層４の磁化容易軸の方向とが異なっていることが分かる。

＜スピン軌道トルク型磁化回転素子の原理＞
次に、図１及び２を参照しながら、スピン軌道トルク型磁化回転素子１の原理について説明する。

図１に示すように、スピン軌道トルク配線層２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Ｊ_ＳがＺ方向に生じる。

図１において、第１強磁性層４は、スピン軌道トルク配線層にＺ方向に積層して配設されているため、純スピン流は第１強磁性層４中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性層４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４の磁化８にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与え、磁化回転が生じる。図１及び２では、第１強磁性層４の磁化８を、第１強磁性層４の重心に位置する１つの磁化として模式的に表している。

強磁性層に注入されるスピンの向きと磁化の向きが直交している場合には、磁化回転を生じさせるために、外部磁場を印加して磁化の対称性を乱す必要がある。しかし、図１に示すスピン軌道型磁化回転素子１において、スピン軌道トルク配線層２から第１強磁性層４に注入されるスピンの向きはＹ方向に配向しているのに対し、第１強磁性層４の磁化８の向きはＸ方向及びＹ方向のいずれに対しても傾斜しており、Ｘ方向成分及びＹ方向成分を有する。従って、磁化８がスピンの向きと直交しないＹ方向成分を有するため、外部磁場を印加せずに磁化回転を実現することができる。外部磁場印加が不要になれば、エネルギー消費を低減し、素子の集積度を向上することができる。また、磁化８がＸ方向成分を有するため、図１に示すスピン軌道型磁化回転素子１は、磁化８がＹ方向に延在している場合と異なり、反転電流の電流密度に対する磁化回転の依存性が小さくなる。そのため、磁化回転に要する時間を低減することができ、高速動作に適している。また、図１１に示す従来のＸＹ型磁化回転素子と異なり、第１強磁性層４の長軸はＹ方向に沿って配設されているため、第１強磁性層４のＹ方向の幅を狭めることができる。第１強磁性層４には、スピン軌道トルク配線層２からスピンが注入される。このスピンの注入量を安定化させるためには、スピン軌道トルク配線層２の平面視で第１強磁性層４と重なる位置における電流を安定化させる必要があり、電極６と第１強磁性層４との距離をある程度確保することが好ましい。つまり、第１強磁性層４のＹ方向の幅を狭めることができれば、スピン軌道トルク型磁化回転素子１全体のＸ方向の大きさを小さくすることができる。従って、複数のスピン軌道トルク型磁化回転素子１を集積する際の集積性を高めることができる。

磁化８の磁化反転の安定性を高めるためには、磁化８のＹ方向成分はＸ方向成分より大きいことが好ましい。他方、磁化８の磁化回転の反応性を高めるためには、磁化８のＸ方向成分はＹ方向成分より大きいことが好ましい。

（スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法）
図３は、本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法を模式的に示した平面図である。まず、支持体となる基板上に、スピン軌道トルク配線層２を作製する。スピン軌道トルク配線層２は、スパッタ等の公知の成膜手段を用いて作製できる。

次いで、第１強磁性層４を作製する。第１強磁性層１はスパッタ等の公知の成膜手段を用いて作製できる。しかし、第１強磁性層４を単に成膜し、Ｙ方向に沿った長軸を有する形状とすると、形状異方性により、磁化容易軸もＹ方向に延在するため、ＸＹ型磁化回転素子を実現することができない。そこで、図３に示すように、Ｘ方向成分を有する磁場Ｂ_ｘを外部から印加しつつ、第１強磁性層４を成膜する。すると、形状異方性及び磁場Ｂ_ｘの作用により、第１強磁性層４の磁化容易軸はＸ方向及びＹ方向のいずれに対しても傾斜する。

また、第１強磁性層４の成膜時には磁場Ｂ_ｘを印加せず、第１強磁性層４の成膜後、Ｘ方向成分を有する磁場Ｂ_ｘを印加しつつ、所定の温度、例えば２５０から４００℃の温度でアニールしても、Ｘ方向及びＹ方向のいずれに対しても傾斜した磁化容易軸が得られる。また、第１強磁性層４の成膜時にＸ方向成分を有する磁場Ｂ_ｘを印加して第１強磁性層４の成膜後、さらにＸ方向成分を有する磁場Ｂ_ｘを印加しつつ、所定の温度、例えば２５０から４００℃の温度でアニールしてもよい。

（第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図４は、本発明の第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１を模式的に示した断面図であり、図５は図４に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１を模式的に示した平面図である。図６は、図４に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１であって、磁化が反転した状態を模式的に示した平面図である。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、Ｘ方向に延在する長軸を有するスピン軌道トルク配線層１０２と、スピン軌道トルク配線層１０２に、Ｘ方向に対して垂直なＺ方向に積層して配設された第１強磁性層１０４と、を備えたスピン軌道トルク型磁化回転素子と、第１強磁性層１０４のスピン軌道トルク配線層１０２と反対側に配設され、磁化の向きが固定された第２強磁性層１１２と、第１強磁性層１０４と第２強磁性層１１２との間に配設された非磁性層１１０と、を備える。スピン軌道トルク型磁化回転素子の構成については、図１及び２を参照して説明したスピン軌道トルク型磁化回転素子１の構成と同様であるので、詳細な説明を省略する。

＜第２強磁性層＞
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、第２強磁性層１１２の磁化が一方向に固定され、第１強磁性層１０４の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（疑似スピンバルブ型；Pseudo spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１１２の保磁力は第１強磁性層１０４の保磁力よりも大きいものとする。交換バイアス型（スピンバルブ型；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、反強磁性層との交換結合によって第２強磁性層１１２の磁化方向を固定する。

また、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、非磁性層１１０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１１０が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１の積層構成は、公知のスピン軌道トルク型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１１２の磁化方向を固定するための反強磁性層などの他の層を備えてもよい。第２強磁性層１１２は固定層や参照層、第１強磁性層１０２は自由層や記憶層などと呼ばれる。

第２強磁性層１１２は、Ｙ方向に沿った長軸を有する。磁化１１４の方向は種々の方向をとることができるが、例えば、図５に示すように第１強磁性層１０４の磁化容易軸（磁化１０８に沿った方向）と平行な方向であってもよく、Ｙ方向に沿った方向であってもよい。

第２強磁性層１１２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１０４と同様の材料を用いることができる。第１強磁性層１０４が面内磁化膜であるため、第２強磁性層１１２も面内磁化膜であることが好ましい。

また、第２強磁性層１１２の第１強磁性層１０４に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層１１２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１１２の漏れ磁場を第１強磁性層１０２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＞
非磁性層１１０には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層１１０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などを用いることができる。また、これらのほかにも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅなどに置換された材料など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１１０が金属からなる場合、その材料としてはＣｕ、Ａｕ、Ａｇなどを用いることができる。さらに、非磁性層７０が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

また、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、その他の層を有していてもよい。例えば、第１強磁性層１０４の非磁性層１１０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１１２の非磁性層１１０と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。

（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の原理）
次いで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１の原理について説明する。

図５は、磁化１１４が磁化１０８に沿った第２強磁性層１１２を有するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１の平面図を示している。第１強磁性層１０４の磁化１０８はＸ方向及びＹ方向のいずれに対しても傾斜しており、図５では磁化１０８の方向が第２強磁性層１１２の磁化１１４と平行で向きが一致している。この場合、第１強磁性層１０４と第２強磁性層１１２との間の電気抵抗は低抵抗状態となる。

図６は、第１強磁性層１０４の磁化１０８が図５の場合とは反対方向に反転した状態を示したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１の平面図を示している。スピン軌道トルク型磁化回転素子の原理において説明したように、スピン軌道トルク配線層１０２から第１強磁性層１０４にスピンが注入されると、磁化１０８が回転して反転する。すると、磁化１０８は第２強磁性層１１２の磁化１１４と平行で向きが反対となる（反平行）。この場合、第１強磁性層１０４と第２強磁性層１１２との間の電気抵抗は高抵抗状態となる。従って、磁化１０８と磁化１１４との向きが平行であるか反平行であるかによって、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層１０４と第２強磁性層１１２との間の電気抵抗の状態に対応した０／１のデータを保持する磁気メモリとして働く。

なお、ここでは第２強磁性層１１２の磁化１１４をＸ方向及びＹ方向に傾斜させた場合を例に説明した。この場合、第１強磁性層１０４の磁化１０８と第２強磁性層１１２の磁化１１４とが、完全平行または完全反平行状態となる。つまり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比をより高めることができる。しかし、第２強磁性層１１２の磁化１１４は、第２強磁性層１１２の形状異方性に基づいて、Ｙ方向に沿っていてもよい。この場合であっても、第１強磁性層１０４の磁化１０８のＹ方向成分が、第２強磁性層１１２の磁化１１４に対して平行または反平行状態をとることができ、磁気メモリとして働くことができる。

（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）
図７は、本発明の第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２０１を模式的に示した断面図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０１において、第１強磁性層２０４は拡散防止層２１６を有してもよい。拡散防止層２１６は、第１強磁性層２０４の非磁性層２１０側の面に設けられていてもよいし、第１強磁性層２０４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。そのほかの構成は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

＜拡散防止層＞
拡散防止層２１６の材料として、非磁性重金属を用いることができる。例えばＸ方向及びＹ方向のいずれに対しても傾斜した磁化を有する第１強磁性層２０４を実現する場合のように、アニールを行うと、第１強磁性層２０４の内部から第２強磁性層２１２への元素拡散が生じ、磁気特性が劣化しうる。しかし、第１強磁性層２０４に拡散防止層２１６が配設されると、第１強磁性層及び第２強磁性層の形成後に高温でアニールを行った場合であっても、第１強磁性層２０４の内部から第２強磁性層２１２への元素拡散が生じることを抑制することができ、磁気特性が劣化しない。

また、拡散防止層２１６は非磁性重金属を含んでもよい。重金属はアニールによっても元素が動きにくいため、第１強磁性層及び第２強磁性層の形成後に高温でアニールを行った場合であっても、第１強磁性層２０４及び第２強磁性層２１２の元素が元素拡散することを抑制する。その結果、第１強磁性層２０４と第２強磁性層２１２の磁気特性の劣化を抑制できる。

拡散防止層２１６は、構成する元素のイオン半径の２倍以下の厚さを有しうる。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、上層または下層と重金属元素の混合層が拡散防止層となる。

（第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図８は、本発明の第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子３０１を模式的に示した断面図であり、図９は、図８に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子３０１を模式的に示した平面図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子３０１は、第１強磁性層３０４と非磁性層３１０との間に配設された第３強磁性層３１８を備える。そのほかの構成は、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３０１と同様であるため、詳細な説明を省略する。なお、図８では、第１強磁性層３０４が拡散防止層３１６を有する構成を示しているが、拡散防止層３１６を省略してもよい。

第３強磁性層３１８の材料として、ＣｏＦｅＢ，ＣｏＢ，ＦｅＢを用いることができる。また、第３強磁性層３１８は、第１強磁性層３０４の磁化３０８と平行な方向に沿った磁化３２０を有する。第３強磁性層３１８が第１強磁性層３０４と非磁性層３１０との間に配設されると、第１強磁性層３０４と第３強磁性層３１８とが磁気的に結合し、１つの磁化として回転することが可能になる。従って、第３強磁性層３１８を配設することにより、磁気抵抗効果が大きくなるという効果を有する。

（第４実施形態に係る磁気記録アレイ）
図１０は、第４実施形態にかかる磁気記録アレイ４００の平面図である。図１０に示す磁気記録アレイ４００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１が３×３のマトリックス配置をしている。図１０は、磁気記録アレイの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１の種類、数及び配置は任意である。また制御部は、全てのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１に渡って存在してもよいし、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１毎に設けてもよい。

磁壁移動型磁気記録素子１００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、それぞれ１本のビットラインＢＬ１〜３、それぞれ１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。

電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１の第１強磁性層１０４にパルス電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３、ビットラインＢＬ１〜３、及びリードラインＲＬ１〜３はトランジスタ等により選択できる。それぞれのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１が多値で情報を記録することで、磁気記録アレイの高容量化を実現できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ここで図１２に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１強磁性層１４がｚ方向からの平面視で円形である。平面視形状が円形であるため、形状異方性を有さない。
しかしながら、第１強磁性層１４の磁化１８の向きはＸ方向及びＹ方向のいずれに対しても傾斜しており、Ｘ方向成分及びＹ方向成分を有する。従って、磁化１８がスピンの向きと直交しないＹ方向成分を有するため、当該構成でも外部磁場を印加せずに磁化回転を実現することができる。磁化１８の磁化容易方向は、形状異方性を有さない場合でも、成膜時又はアニール時に磁場を印加することで自由に設定できる。この構成に伴う効果は、スピン軌道トルク型磁化回転素子に限られず、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子でも同様である。

１…スピン軌道トルク型磁化回転素子、２，１０２，２０２，３０２，５０２…スピントルク配線層、４，１０４，２０４，３０４，５０４…第１強磁性層、６，１０６，２０６，３０６，５０６…電極、１０８，２０８，３０８，５０８…第１強磁性層の磁気容易軸、１１０，２１０，３１０…非磁性層、１１２，２１２，３１２…第２強磁性層、１１４，３１４…第２強磁性層の磁化、２１６，３１６…拡散防止層、３１８…第３強磁性層、３２０…第３強磁性層の磁化、Ｓ１…第１スピン、Ｓ２…第２スピン、Ｉ…電流、Ｊｓ…純スピン流

Claims (10)

1. Ｘ方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、
   前記スピン軌道トルク配線層に、積層された第１強磁性層と、
   を備え、
   前記第１強磁性層は形状異方性を有し、前記スピン軌道トルク配線層が延在する平面において前記Ｘ方向と直交するＹ方向に長軸を有し、
   前記スピン軌道トルク配線層が延在する平面において、前記第１強磁性層の磁化容易軸は、前記Ｘ方向及び、前記Ｘ方向と直交するＹ方向に対して傾斜している、
   スピン軌道トルク型磁化回転素子。
2. 前記第１強磁性層が、ＨｏＣｏ合金、ＳｍＦｅ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｔ合金又はＣｏＣｒＰｔ合金である、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
3. 請求項１または２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層と反対側に配設され、磁化の向きが固定された第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に配設された非磁性層と、
   を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
4. 前記第１強磁性層と前記非磁性層との間に配設された第３強磁性層をさらに備える、請求項３に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
5. 前記第１強磁性層が、前記第１強磁性層の前記非磁性層側の面に拡散防止層を備える、請求項３または４に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
6. 前記拡散防止層が非磁性重金属を含む、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、前記拡散防止層を構成する元素のイオン半径の２倍以下の厚さを有する、請求項５または６に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
8. 請求項１または２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、 少なくとも前記第１強磁性層を、前記Ｘ方向を含む方向に磁場を印加した状態で成膜する、スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。
9. 少なくとも前記第１強磁性層の成膜後、前記Ｘ方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う段階を含む、請求項８に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。
10. 請求項１または２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、 少なくとも前記第１強磁性層の成膜後、前記Ｘ方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う、スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。

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