JP2019149446A - スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】高いスピンホール効果を生み出すことにより反転電流密度を低減するスピン流磁化回転素子を提供することを目的とする。【解決手段】このスピン流磁化回転素子は、磁化方向が変化可能な磁化を有する第１強磁性層と、第１強磁性層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、第１強磁性層の前記第１方向に位置するスピン軌道トルク配線層と、を備え、スピン軌道トルク配線層は、内部に超常磁性体を有し、超常磁性体がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄのうちいずれかの磁性元素を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、スピン流磁化回転素子、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効果（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。

ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層と、強磁性層の間に挟持された絶縁層からなる。２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。ＭＲＡＭは、このＴＭＲ素子の特性を利用してデータを読み書きする。ＭＲＡＭの書込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書込み（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、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、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によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン流磁化回転素子に注目が集まっている（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。

非特許文献１によれば、ＳＯＴによる反転電流密度はＳＴＴによる反転電流密度と同程度であると報告されている。そのため現在のＳＯＴ方式の反転電流密度では、磁気抵抗効果素子の高集積化や低消費エネルギー化を実現するためには不十分である。さらなる反転電流密度の低減のためには、高いスピンホール効果を生じる材料を使用する必要がある。

また、スピン軌道トルク配線の材料としては、非特許文献１で用いられているＴａをはじめとする重金属材料が挙げられる。これらの材料は抵抗率が高いため、これらの材料から作製した薄膜配線を用いると、消費電力が高くなるという問題がある。

S. Fukami, T. Anekawa, C. Zhang, and H. Ohno, Nature Nanotechnology (2016) DOI: 10.1038/NNANO2016.29．

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高いスピンホール効果を生み出すことにより反転電流密度を低減するスピン流磁化回転素子、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。

本発明者らは、超常磁性体を有するスピン軌道トルク配線を採用することにより、高いスピンホール効果を生じさせて強磁性層の磁化回転をより容易に行うことができること、すなわちスピン軌道トルク配線層を流れる反転電流の電流密度を低減しても従来のスピン流磁化回転素子と同等以上の効率で磁化回転を行う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流磁化回転素子は、磁化方向が変化可能な第１強磁性層と、第１強磁性層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、第１強磁性層の前記第１方向に位置するスピン軌道トルク配線層と、を備え、スピン軌道トルク配線層は、内部に超常磁性体を有し、超常磁性体がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄのうちいずれかの磁性元素を含む。

（２）上記態様に係るスピン流磁化回転素子は、超常磁性体がスピン軌道トルク配線層内に分散して配設される。

（３）上記態様に係るスピン流磁化回転素子は、超常磁性体が、スピン軌道トルク配線層内において島状領域の超常磁性部を形成するように配設される。

（４）上記態様に係るスピン流磁化回転素子は、超常磁性体が、層状領域の超常磁性部を形成するように配設され、超常磁性部が、スピン軌道トルク配線層の面直方向において、第１強磁性層側のスピン軌道トルク配線層の第１の面と、第１の面とは反対側のスピン軌道トルク配線層の第２の面との間のいずれかの位置に配設される。

（５）上記態様に係るスピン流磁化回転素子は、層状領域の超常磁性部を挟んで配置されたスピン軌道トルク配線層の２つの領域が、互いに異なる材料を含む。

（６）上記態様に係るスピン流磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線層が、イットリウム以上の原子番号を有する重金属元素を含む。

（７）上記態様に係るスピン流磁化回転素子は、超常磁性体の粒径が１０ｎｍ以下である。

（８）上記態様に係るスピン流磁化回転素子は、超常磁性体が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄのうちいずれかの磁性元素の酸化物を含む。

（９）第２の態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記態様に係るスピン流磁化回転素子と、磁化の方向が固定された第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層とに挟持された非磁性層と、を備える。

（１０）第３の態様に係る磁気メモリは、上記態様に係る磁気抵抗効果素子を複数備える。

上記態様に係るスピン流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反転電流の電流密度を低減しても従来のスピン流磁化回転素子と同等以上の効率で磁化回転を行うことが可能である。

本発明の第１実施形態に係るスピン流磁化回転素子を模式的に示した斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るスピン流磁化回転素子を模式的に示した斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るスピン流磁化回転素子を模式的に示した斜視図である。 スピン流磁化回転素子の第１の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。 スピン流磁化回転素子の第１の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。 スピン流磁化回転素子の第２の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。 スピン流磁化回転素子の第２の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。 スピン流磁化回転素子の第３の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。 スピン流磁化回転素子の第３の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。 本発明に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。 本発明に係る磁気メモリの平面図である。

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、本発明の特徴を分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実施形態に係るスピン流磁化回転素子）
図１は、本発明の第１実施形態に係るスピン流磁化回転素子１を模式的に示した斜視図である。スピン流磁化回転素子１は、第１強磁性層４と、第１強磁性層４の面直方向であるＺ方向に対して交差するＸ方向に延在し、第１強磁性層４の−Ｚ方向に位置するスピン軌道トルク配線層２と、を備える。

＜スピン軌道トルク配線層＞
図１においてスピン軌道トルク配線層２は第１強磁性層４に接合している。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もよい。

配線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法に第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の電子の流れとは反対の方向へ向かう第２スピンＳ２の電子数とが等しい。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。

この場合、非磁性重金属は、最外殻にｄ電子またはｆ電子を有する原子番号３９、すなわちイットリウム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。

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かかわりなく電流とは逆向きに動くのに対して、最外殻にｄ電子または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、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、物質内部が絶縁体また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。そこで外部磁場がな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。

また本実施形態にかかるスピン軌道トルク配線層２は、内部に超常磁性体１６を有する。本明細書では、超常磁性体とは、超常磁性を示す微粒子を言う。超常磁性とは、非常に小さな強磁性体の微粒子では、自発磁化の方向が熱擾乱に負けて熱的に揺らぎ、微粒子の見かけ上の磁化が０になる効果を言う。超常磁性体においては、隣接する強磁性原子のスピンを同じ向きに揃えようとするエネルギー（磁気異方性エネルギー）より、個々のスピンが熱擾乱により振動するエネルギーの方が大きい。個々のスピンは強磁性状態と同じ大きさの磁気モーメントを維持するが、超常磁性体の見かけ上の磁化はベクトル的に相殺して０になる。単位体積当たりの磁気異方性エネルギーをＫ（異方性定数）と書くと、体積Ｖの微粒子の磁気異方性エネルギーはＫＶで表される。絶対温度Ｔにおける熱振動のエネルギーｋｂＴ（ただし、ｋｂはボルツマン定数を表す）がこのポテンシャルよりも大きい場合、すなわちｋｂＴ＞ＫＶを満たす場合に、微粒子は超常磁性体となる。従って、強磁性体からなる微粒子の体積を小さくすることにより、超常磁性状態を作り出すことができる。一般に、微粒子の粒径が１０ｎｍ以下になると、超常磁性状態となる。微粒子が球形でない場合、粒径とは、粒子を外接する外接球の直径を意味する。

スピン軌道トルク配線層２が内部に超常磁性体１６を含む場合、伝導スピンが超常磁性体１６によりスピン散乱され、スピン軌道トルク配線層２内の対称性の崩れが生み出される。この対称性の崩れは、スピン軌道トルク配線層２内に内場を生み出し、純スピン流を高効率に生成する。また、超常磁性体は極小的なスピン情報を維持しており、スピンの状態を残した常磁性状態を作り出すことでスピン流を生成することができる。

超常磁性体１６は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄなどの強磁性を示す磁性元素を含む微粒子である。超常磁性体１６は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄなどの強磁性体を示す磁性元素の酸化物を含んでもよい。これらの酸化物としては、例えばＦｅＯ_ｘ、ＣｏＦｅＯ_ｘ、ＮｉＯ_ｘなどが挙げられる。超常磁性体１６は、図１に示されるように、スピン軌道トルク配線層２内に分散して配設されている。超常磁性体１６の粒径は、超常磁性を発現するように、前述のように１０ｎｍ以下であることが好ましい。

＜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方向に交差する＋Ｚ方向に積層されて配設される。第１強磁性層４は、磁化方向が変化可能な磁化８を有する。図１では、磁化８はＺ方向に対して平行であるが、Ｘ方向に対して平行、または、Ｘ方向及びＺ方向のいずれに対しても交差するＹ方向に対して平行であってもよい。また、磁化８は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のいずれかまたは全てに対して傾いていてもよい。

第１強磁性層４には、強磁性材料を適用できる。例えば第１強磁性層４には、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を第１強磁性層４として例示できる。またこの他、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等のホイスラー合金も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＞
次に、図１を参照しながら、スピン流磁化回転素子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に反転電流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。第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２は、スピン軌道トルク配線層２内に配設された超常磁性体１６によって散乱されるため、純スピン流Ｊ_Ｓが高効率に生成される。

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２の＋Ｚ方向に積層して配設されているため、純スピン流Ｊ_Ｓ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。

従って、図１に示すスピン流磁化回転素子は、超常磁性体１６によって純スピン流Ｊ_Ｓが高効率に生成されるため、反転電流Ｉの電流密度を低減しても従来のスピン流磁化回転素子と同等以上の効率で磁化回転を行うことが可能である。

（第２実施形態に係るスピン流磁化回転素子）
図２は、本発明の第２実施形態に係るスピン流磁化回転素子１０１を模式的に示した斜視図である。スピン流磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１０４と、第１強磁性層１０４の面直方向であるＺ方向に対して交差するＸ方向に延在し、第１強磁性層１０４の−Ｚ方向に位置するスピン軌道トルク配線層１０２と、を備える。第１強磁性層１０４は、磁化方向が変化可能な磁化１０８を有する。

図２に示されたスピン流磁化回転素子１０１は、超常磁性体１１６がスピン軌道トルク配線層１０２内において島状領域の超常磁性部１１８を形成するように配設されている点で、図１に示されたスピン流磁化回転素子１と異なる。その他の構成は、スピン流磁化回転素子１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

図２には、スピン軌道トルク配線層１０２が島状領域の超常磁性部１１８を１つだけ含むことが示されているが、スピン軌道トルク配線層１０２は超常磁性部１１８を複数含んでもよい。

スピン流磁化回転素子１０１の超常磁性部１１８は島状領域であるため、スピン軌道トルク配線層１０２内を流れるスピンは、超常磁性部１１８に局在された超常磁性体１１６によって局所的に強く散乱を受ける。従って、純スピン流Ｊ_Ｓが高効率に生成され、反転電流Ｉの電流密度を低減しても従来のスピン流磁化回転素子と同等以上の効率で磁化回転を行うことが可能である。また、第１強磁性層１０４の近傍領域に超常磁性部１１８を形成することができる。そのため、純スピン流Ｊ_Ｓを第１強磁性層１０４の近傍に発生させることができ、高効率で磁化回転を行うことが可能である。

（第３実施形態に係るスピン流磁化回転素子）
図３は、本発明の第３実施形態に係るスピン流磁化回転素子２０１を模式的に示した斜視図である。スピン流磁化回転素子２０１は、第１強磁性層２０４と、第１強磁性層２０４の面直方向であるＺ方向に対して交差するＸ方向に延在し、第１強磁性層２０４の−Ｚ方向に位置するスピン軌道トルク配線層２０２と、を備える。第１強磁性層２０４は、磁化方向が変化可能な磁化２０８を有する。

図３に示されたスピン流磁化回転素子２０８は、超常磁性体２１６がスピン軌道トルク配線層２０２内において層状領域の超常磁性部２１８を形成するように配設されている点で、図１に示されたスピン流磁化回転素子１及び図２に示されたスピン流磁化回転素子１０１と異なる。その他の構成は、スピン流磁化回転素子１、１０１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

層状領域の超常磁性部２１８は、スピン軌道トルク配線層２０２の面直方向において、第１強磁性層２０４側に位置するスピン軌道トルク配線層２０２の第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面との間のいずれの位置に配設されてもよい。スピン軌道トルク配線層２０２内を流れるスピンは、超常磁性部２１８に局在された超常磁性体２１６によって局所的に強く散乱を受ける。従って、純スピン流Ｊ_Ｓが高効率に生成され、反転電流Ｉの電流密度を低減しても従来のスピン流磁化回転素子と同等以上の効率で磁化回転を行うことが可能である。また、第１強磁性層２０４の近傍領域に超常磁性部２１８を形成することができる。そのため、純スピン流Ｊ_Ｓを第１強磁性層２０４の近傍に発生させることができ、高効率で磁化回転を行うことが可能である。

また、層状構造の超常磁性部２１８を挟んで配置されたスピン軌道トルク配線層２０２の２つの領域が、互いに異なる材料を含んでもよい。この場合、スピン軌道トルク配線層２０２内を流れるスピンは、スピン軌道トルク配線層２０２の厚み方向の非対称性によって生じる内場の影響を受ける。従って、純スピン流Ｊ_Ｓが高効率に生成され、反転電流Ｉの電流密度を低減しても従来のスピン流磁化回転素子と同等以上の効率で磁化回転を行うことが可能である。

（スピン流磁化回転素子の第１の実施形態に係る製造方法）
図４及び５は、スピン流磁化回転素子の第１の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。

まず、図４に示されるように、支持体となる基板上に、スピン軌道トルク配線層３０２を作製する。スピン軌道トルク配線層３０２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、スパッタ等の公知の成膜手段を用いて、超常磁性体を形成することとなる強磁性材料３２０を成膜する。強磁性材料３２０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄを含む元素から選択される。強磁性材料３２０の成膜時に、低速度の成膜レートを用いると、成膜された強磁性材料３２０はスピン軌道トルク配線層３０２の表面上で凝集し、微粒子を形成する。この微粒子の粒径が１０ｎｍ以下となるように成膜レートを調整することによって、超常磁性体３１６を形成することができる。例えば、強磁性材料３２０としてＦｅを用いた場合には、０．１Å／秒程度以下とすることにより、粒径が１０ｎｍ以下の微粒子を形成することができる。

また、強磁性材料３２０の成膜中に、または強磁性材料３２０の成膜終了後に成膜チャンバーから取り出すことなく基板を加熱することによっても、スピン軌道トルク配線層３０２の表面上における強磁性材料３２０の凝集を促進することができる。例えば、強磁性材料３２０としてＦｅを用いた場合には、基板を１００℃以上３００℃以下に加熱することにより、粒径が１０ｎｍ以下の微粒子を形成することができる。

また、強磁性材料３２０として、スピン軌道トルク配線層３０２に含まれる材料よりも表面エネルギーの大きな材料を用いることができる。この場合、強磁性材料３２０は表面エネルギーによって凝集し、微粒子を形成することができる。例えば、スピン軌道トルク配線層３０２の材料としてＷを採用した場合、強磁性材料３２０の材料としてＣｏを採用することにより、粒径が１０ｎｍ以下の微粒子を形成することができる。

超常磁性体３１６を形成したのち、図５に示されるように、さらにスパッタ等の公知の成膜手段を用いてスピン軌道トルク配線層３０２を成膜する。超常磁性体３１６の形成後のスピン軌道トルク配線層３０２の成膜に使用される材料は、超常磁性体３１６の形成前のスピン軌道トルク配線層３０２の成膜に使用される材料と同じものとすることができるが、異なる材料を選択することもできる。次いで、スパッタ等の公知の成膜手段を用いて第１強磁性層３０４をスピン軌道トルク配線層３０２に積層して成膜し、スピン流磁化回転素子３０１を得る。

超常磁性体３１６の磁化測定を行うことにより、超常磁性体３１６が形成されていることを確認することができる。強磁性材料３２０を成膜したにもかかわらず、成膜面において磁化が測定されなければ、超常磁性体３１６が形成されたと判断することができる。また、強磁性材料からなる微粒子の粒径が１０ｎｍ以下であれば超常磁性体としてふるまうことが分かっているため、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて粒径が１０ｎｍ以下の微粒子が形成されていることを観察し、超常磁性体３１６が形成されていることを確認することができる。

（スピン流磁化回転素子の第２の実施形態に係る製造方法）
図６及び７は、スピン流磁化回転素子の第２の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。

まず、図６に示されるように、支持体となる基板上に、強磁性材料を用いてスピン軌道トルク配線層４０２を作製する。スピン軌道トルク配線層４０２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、非磁性元素４２４を高い成膜エネルギーでスパッタリングする。非磁性元素４２４としては、例えばＴａを選択でき、成膜エネルギーとしては、例えば１０〜５０ｅＶを選択することができる。非磁性元素４２４はスピン軌道トルク配線層４０２内の、成膜エネルギーに応じた所定の深さ領域に打ち込まれる。その結果、いわゆるミキシング層またはデッドレイヤーと呼ばれる領域が形成される。この領域内では、スピン軌道トルク配線層４０２を構成する強磁性材料が非磁性元素４２４によって分断され、強磁性材料の有効体積が小さくなり、粒径が１０ｎｍ以下である強磁性材料からなる微粒子状の構造、すなわち超常磁性体が形成される。従って、図６に示されるように、スピン軌道トルク配線層４０２内の所定の領域に、超常磁性体を含む層状の超常磁性部４１８が形成されることとなる。なお、非磁性元素４２４を打ち込む深さや平面方向の領域を調整することにより、超常磁性部４１８を島状領域とすることも可能である。

次いで、図７に示されるように、スパッタ等の公知の成膜手段を用いて第１強磁性層４０４をスピン軌道トルク配線層４０２に積層して成膜し、スピン流磁化回転素子４０１を得る。また、図７では超常磁性部４１８はスピン軌道トルク配線層４０２内の所定の深さに配設されている。しかし、超常磁性部４１８の深さはゼロであってもよい。すなわち、超常磁性部４１８は、スピン軌道トルク配線層４０２と第１強磁性層との間の界面に配設されてもよい。

（スピン流磁化回転素子の第３の実施形態に係る製造方法）
図８及び９は、スピン流磁化回転素子の第３の実施形態に係る製造方法を模式的に示した断面図である。

まず、図８に示されるように、支持体となる基板上に、強磁性材料からなるスピン軌道トルク配線層５０２を作製する。スピン軌道トルク配線層５０２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、スピン軌道トルク配線層５０２の一部の領域、または全領域において、表面を酸化させる。この酸化領域５２６は、例えば深さが１０ｎｍ以下である。酸化領域５２６は非常に薄いため、スピン軌道トルク配線層５０２を構成する強磁性材料が、酸化物（例えば、ＦｅＯ_ｘ、ＣｏＦｅＯ_ｘ、ＮｉＯ_ｘなど）によって分断され、粒径が１０ｎｍ以下の微粒子状の構造を形成する。この微粒子状の構造が、超常磁性体としてふるまう。

次いで、図９に示されるように、さらにスパッタ等の公知の成膜手段を用いてスピン軌道トルク配線層５０２を成膜する。これによって、スピン軌道トルク配線層内に、超常磁性体を含む層状の超常磁性部５１８が形成される。酸化領域５２６の形成後のスピン軌道トルク配線層５０２の成膜に使用される材料は、酸化領域５２６の形成後のスピン軌道トルク配線層５０２の成膜に使用される材料と同じものとすることができるが、異なる材料を選択することもできる。次いで、スパッタ等の公知の成膜手段を用いて第１強磁性層５０４をスピン軌道トルク配線層５０２に積層して成膜し、スピン流磁化回転素子５０１を得る。なお、酸化領域５２６の形成後のスピン軌道トルク配線層５０２の成膜は省略可能である。この場合、酸化領域５２６、すなわち超常磁性部５１８はスピン軌道トルク配線層５０２と第１強磁性層５０４との間の界面に配設される。

（磁気抵抗効果素子）
図１０は、本発明に係る磁気抵抗効果素子６０１を模式的に示した斜視図である。

磁気抵抗効果素子６０１は、第１強磁性層６０４と、第１強磁性層６０４の面直方向であるＺ方向に対して交差するＸ方向に延在し、第１強磁性層４に接合するスピン軌道トルク配線層６０２と、を備えたスピン流磁化回転素子と、第２強磁性層６２８と、第１強磁性層６０４と第２強磁性層６２８とに挟持された非磁性層６３２と、を備える。

スピン軌道トルク配線層６０２は、内部に超常磁性体６１６を有し、図１０に示された例では、超常磁性体６１６は、層状領域の超磁性体部６１８を形成するように配設されている。しかしながら、超常磁性体６１６は、例えば図１に示されるようにスピン軌道トルク配線層６０２内に分散されて配設されていてもよい。また、超常磁性体６１６は、図２に示されるようにスピン軌道トルク配線層６０２の内部で島状領域の超常磁性部６１８を形成するように配設されていてもよい。超常磁性体６１６及び超常磁性部６１８の構成及び効果については、図１から３に示されたスピン流磁化回転素子１、１０１、２０１について説明した構成及び効果と同様であるので、詳細な説明を省略する。

第１強磁性層６０４は、磁化方向が変化可能な磁化６０８を有する。また、第２強磁性層は、方向が固定された磁化６３０を有する。

＜第２強磁性層＞
磁気抵抗効果素子６０１は、第２強磁性層６２８の磁化６３０が一方向に固定され、第１強磁性層６０４の磁化６０８の方向が相対的に変化することで機能する。保持力差型（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６２８の保持力は第１強磁性層６０４の保持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、半強磁性層との交換結合によって第２強磁性層６２８の磁化方向を固定する。

また磁気抵抗効果素子６０１は、非磁性層６３２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６３２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６０１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６２８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６２８は固定層や参照層、第１強磁性層６０４は自由層や記録層などと呼ばれる。

第２強磁性層６２８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６２８と同様の材料を用いることができる。図１０に示された例では、第１強磁性層６０４が面直方向に磁化を有するため、第２強磁性層６２８も面直方向に磁化を有することが望ましい。第１強磁性層６０４が面内方向に磁化を有する場合には、第２強磁性層６２８も面内方向に磁化を有することが望ましい。

また、第２強磁性層６２８の第１強磁性層６０４に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層６２８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６２８の漏れ磁場を第１強磁性層６０４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６３２には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層６３２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６３２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６３２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などを用いることができる。

また、磁気抵抗効果素子６０１は、その他の層を有していてもよい。例えば、第１強磁性層６０４の非磁性層６３２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６２８の非磁性層６３２と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。

（磁気抵抗効果素子の原理）
次いで、磁気抵抗効果素子６０１の原理について説明する。

図１０は、磁化６０８が磁化６３０と平行で向きが反対である（反平行状態）。この場合、第１強磁性層６０４と第２強磁性層６２８との間の電気抵抗は高抵抗状態となる。

スピン軌道トルク配線層６０２に反転電流Ｉを流すと、第１強磁性層６０４にスピン流Ｊ_Ｓが注入される。この時、第１強磁性層６０４の磁化６０８が回転して反転し、磁化６０８は第２強磁性層６２８の磁化６３０と平行で向きが一致する（平行状態）。この場合、第１強磁性層６０４と第２強磁性層６２８との間の電気抵抗は高抵抗状態となる。従って、磁化６０８と磁化６３０との向きが平行状態であるか反平行状態であるかによって、磁気抵抗効果素子６０１は、第１強磁性層６０４と第２強磁性層６２８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。

（磁気メモリ）
図１１は、本発明に係る磁気メモリ７００の平面図である。図１１に示す磁気メモリ７００は、磁気抵抗効果素子６０１がアレイ状に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、磁気抵抗効果素子６０１の種類、数および配置は任意である。また制御部は、すべての磁気抵抗効果素子６０１にわたって存在してもよいし、磁気抵抗効果素子６０１ごとに設けてもよい。

磁気抵抗効果素子６０１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と、それぞれ１本のリードラインＲＬ１〜３とが接続されている。

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、任意の磁気抵抗効果素子６０１のスピン軌道トルク配線６０２にパルス電流を流し、書込み動作を行う。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を洗濯することで、任意の磁気抵抗効果素子６０１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。

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。

１、１０１、２０１…スピン流磁化回転素子、２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２…スピン軌道トルク配線層、４、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４…第１強磁性層、８、１０８、２０８…第１強磁性層の磁化、１６、１１６、２１６、３１６…超常磁性体、１１８、２１８、４１８、５１８…超常磁性部、３２０…強磁性材料、４２４…非磁性元素、５２６…酸化領域、６２８…第２強磁性層、６３０…第２強磁性層の磁化、６３２…非磁性層、６０１…磁気抵抗効果素子、７００…磁気メモリ、Ｓ１…第１スピン、Ｓ２…第２スピン、Ｉ…電流、Ｊｓ…純スピン流

Claims (10)

1. 磁化方向が変化可能な第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、前記第１強磁性層の前記第１方向に位置するスピン軌道トルク配線層と、を備え、
   前記スピン軌道トルク配線層は、内部に超常磁性体を有し、
   前記超常磁性体がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄのうちいずれかの磁性元素を含む、スピン流磁化回転素子。
2. 前記超常磁性体が前記スピン軌道トルク配線層内に分散して配設された、請求項１に記載のスピン流磁化回転素子。
3. 前記超常磁性体が、前記スピン軌道トルク配線層内において島状領域の超常磁性部を形成するように配設された、請求項１に記載のスピン流磁化回転素子。
4. 前記超常磁性体が、層状領域の超常磁性部を形成するように配設され、
   前記超常磁性部が、前記スピン軌道トルク配線層の面直方向において、前記第１強磁性層側の前記スピン軌道トルク配線層の第１の面と、前記第１の面とは反対側の前記スピン軌道トルク配線層の第２の面との間のいずれかの位置に配設された、請求項１に記載のスピン流磁化回転素子。
5. 前記層状領域の超常磁性部を挟んで配置された前記スピン軌道トルク配線層の２つの領域が、互いに異なる材料を含む、請求項４に記載のスピン流磁化回転素子。
6. 前記スピン軌道トルク配線層が、イットリウム以上の原子番号を有する重金属元素を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
7. 前記超常磁性体の粒径が１０ｎｍ以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
8. 前記超常磁性体が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄのうちいずれかの磁性元素の酸化物を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子と、
   磁化の方向が固定された第２強磁性層と、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟持された非磁性層と、を備える、磁気抵抗効果素子。
10. 請求項９に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。

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