JP2019161176A - 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、磁気メモリ及び発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁化回転の反応速度が速い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発振器を提供する。
【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た反強磁性層と、前記反強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置し、前記反強磁性層と交換結合により磁気結合する第１強磁性層と、を備え、前記反強磁性層の前記第１方向の長さが、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向の長さより短い。
【選択図】図１
【解決手段】このスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１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た反強磁性層と、前記反強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置し、前記反強磁性層と交換結合により磁気結合する第１強磁性層と、を備え、前記反強磁性層の前記第１方向の長さが、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向の長さより短い。
【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、磁気メモリ及び発振器に関する。
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）素子が磁気抵抗効果素子として知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高く、磁気抵抗（ＭＲ）比が大きい。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、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、ＳＴＴとは異なったメカニズムで磁化反転を行う、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）を利用した磁化反転に注目が集まっている。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。
特許文献１は、スピン流を発生させるための配線として強磁性体と反強磁性体とが積層された積層配線を用いた素子が記載されている。特許文献１には、配線の内部の構造を非対称にすることで、無磁場下での磁化反転が可能であることが記載されている。
ところで、近年、反強磁性体の磁化の挙動に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。反強磁性体の磁化は、高速な磁化反転が可能であると言われている。強磁性体における磁化は磁化反転に１ｎｓｅｃ程度の時間がかかるといわれているのに対し、反強磁性体における磁化は１０ｐｓｅｃ程度で磁化反転するといわれている。
Ran Cheng, Matthew W. Daniels, Jian-Gang Zhu, and Di Xiao. Physical Review B 91, 064423 (2015).
しかしながら、特許文献１に記載の素子は、強磁性体及び反強磁性体をスピン流の発生源として用いている。強磁性体及び反強磁性体は、大きなスピン流を生み出しにくく、スピン流の発生源として適していない。すなわち配線内部の構造を非対称にしても、磁化反転を誘起させるトルク（スピン軌道トルク）を効率的に自由層の磁化に与えることができない。また書き込み時以外の時点においても、配線を構成する強磁性体が生み出す磁場が自由層に作用し、自由層の磁化の配向方向が斜めになる。磁気抵抗効果は固定層と自由層との相対角の違いにより生じるため、磁気抵抗効果素子のＭＲ比が低下する。さらに、配線を構成する強磁性体が生み出す磁場は、自由層の磁化の安定性も低下させる。自由層の磁化の安定性が低下すると、予期せぬ磁化反転によりデータが書き換わってしまう恐れがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁化回転の反応速度が速い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）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た反強磁性層と、前記反強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置し、前記反強磁性層と交換結合により磁気結合する第１強磁性層と、を備え、前記反強磁性層の前記第１方向の長さが、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向の長さより短い。
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１強磁性層の磁化容易軸が面内方向であり、前記反強磁性層の磁化と第１強磁性層の磁化とが面内方向に交換磁気異方性を示してもよい。
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１強磁性層の磁化容易軸が積層方向であり、前記反強磁性層の磁化と第１強磁性層の磁化とが積層方向に交換磁気異方性を示してもよい。
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１強磁性層の磁化の一部が、外力が加えられていない状態で面内方向及び積層方向に配向していてもよい。
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｄＭｎからなる群から選択されるいずれか１つを含んでもよい。
（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記反強磁性層の膜厚が、前記反強磁性層のスピン拡散長の２倍以下であってもよい。
（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線が、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であってもよい。
（８）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、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える。
（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。
（１０）第４の態様にかかる発振器は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を備える。
上記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、磁化回転に要する時間を短くすることができる。
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。
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
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断面図である。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１０とスピン軌道トルク配線２０と反強磁性層３０とを備える。反強磁性層３０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１０は、反強磁性層３０のスピン軌道トルク配線２０と反対側に位置する。
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
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断面図である。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１０とスピン軌道トルク配線２０と反強磁性層３０とを備える。反強磁性層３０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１０は、反強磁性層３０のスピン軌道トルク配線２０と反対側に位置する。
以下、スピン軌道トルク配線２０が延びる第１方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２０が存在する面内で第１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方向と規定して説明する。図１においてｚ方向は、第１強磁性層１０、反強磁性層３０の積層方向及びスピン軌道トルク配線２０の厚み方向と一致する。
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１０はその磁化Ｍ１０の向きが変化することで機能する。図１に示す第１強磁性層１０の磁化容易軸は面内方向であり、第１強磁性層１０は磁化Ｍ１０がｘ方向に配向した面内磁化膜である。
第１強磁性層１０はその磁化Ｍ１０の向きが変化することで機能する。図１に示す第１強磁性層１０の磁化容易軸は面内方向であり、第１強磁性層１０は磁化Ｍ１０がｘ方向に配向した面内磁化膜である。
第１強磁性層１０には、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を例示できる。
また第１強磁性層１０には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたは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、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、 Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ, 、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。ホイスラー合金は、高いスピン分極率を有する。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０のｚ方向の一面には、第１強磁性層１０及び反強磁性層３０が位置する。
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０のｚ方向の一面には、第１強磁性層１０及び反強磁性層３０が位置する。
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を生成する。スピンホール効果とは、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。
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の両端に電位差を与えるとｘ方向に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、ｙ方向に配向した第１スピンＳ１と−ｙ方向に配向した第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。
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１においては、純スピン流としてＪＳが図中のｚ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。スピン軌道トルク配線２０の上面に反強磁性層３０を接触させると、純スピン流は反強磁性層３０に拡散して流れ込む。すなわち、反強磁性層３０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ＪＳ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。
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、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１−ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
＜反強磁性層＞
反強磁性層３０は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０との間に位置する。反強磁性層３０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、他の層を介して間接的に接続されていてもよい。
反強磁性層３０は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０との間に位置する。反強磁性層３０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、他の層を介して間接的に接続されていてもよい。
反強磁性層３０は、積層方向に隣接するスピンが反平行に配列している。図１に示す反強磁性層３０は、磁化Ｍ３０Ａと磁化Ｍ３０Ｂ、磁化Ｍ３０Ｂと磁化Ｍ３０Ｃ及び磁化Ｍ３０Ｃと磁化Ｍ３０Ｄが互いに反平行に配列している。
反強磁性層３０は、第１強磁性層１０と交換結合により磁気結合している。図１では、反強磁性層３０は第１強磁性層１０と面内方向に交換磁気異方性を示す。交換磁気異方性とは、第１強磁性層１０と反強磁性層３０との間に生じる界面磁気異方性の一種である。第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は、反強磁性層３０の影響を受けて、単独の場合と異なる挙動を示す。
反強磁性層３０には、公知の反強磁性体が用いられる。反強磁性層３０は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｄＭｎからなる群から選択されるいずれか１つを含むことが好ましい。これらの物質からなる反強磁性層３０は交換磁気異方性を良好に示す。
反強磁性層３０のｘ方向の長さは、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の長さより短い。すなわち、電流Ｉは主としてスピン軌道トルク配線２０を流れる。つまり、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００におけるスピン流の主の発生源は、スピン軌道トルク配線２０である。スピン流の主の発生源をスピン軌道トルク配線２０とすることで、スピン流を効率的に発生させることができる。
反強磁性層３０のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００における機能は、反強磁性層３０が導体であるか否か、反強磁性層３０の膜厚がどの程度であるかによって分けられる。
反強磁性層３０の膜厚が十分厚く、反強磁性層３０が導体ではない場合、反強磁性層３０は、スピン軌道トルク配線２０から注入されるスピンの情報を第１強磁性層１０に伝搬する第１機能を示す。「反強磁性層３０の膜厚が十分厚い」とは、反強磁性層３０の膜厚が反強磁性層３０のスピン拡散長の２倍より厚いことを意味する。反強磁性層３０のスピン拡散長は、反強磁性層３０を構成する材料種によっても異なるが、おおよそ２ｎｍ程度である。
スピン軌道トルク配線２０から注入された第１スピンＳ１は、反強磁性層３０の最もスピン軌道トルク配線２０側の磁化Ｍ３０Ａを回転させる。磁化Ｍ３０Ａは、磁化Ｍ３０Ａに＋ｙ方向のトルクを与える。十分なトルクが磁化Ｍ３０Ａに加わると、磁化Ｍ３０Ａは磁化反転する。磁化Ｍ３０Ａが磁化反転すると、磁化Ｍ３０Ｂも磁化反転する。磁化Ｍ３０Ｂの磁化反転は磁化Ｍ３０Ｃへ伝搬し、磁化Ｍ３０Ｃの磁化反転は磁化Ｍ３０Ｄへ伝搬する。
反強磁性層３０と第１強磁性層１０とは、交換結合により磁気結合している。反強磁性層３０の磁化Ｍ３０Ｄが磁化反転すると、磁気結合により第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を磁化反転させようとする力が作用する。
反強磁性層３０の磁化回転の反応速度は、強磁性体の磁化回転の反応速度より早い。スピン軌道トルク配線２０から注入されたスピンにより反強磁性層３０の磁化を回転させ、その情報を第１強磁性層１０に伝搬することで、第１強磁性層１０の磁化を高速で回転させることができる。
反強磁性層３０の膜厚が厚いと、反強磁性層３０で交換結合磁界が生じる。交換結合磁界が生じると、隣接する磁化Ｍ３０Ａ、Ｍ３０Ｂ、Ｍ３０Ｃ、Ｍ３０Ｄ同士の結合が強くなり、第１機能をより強く示す。反強磁性層３０がＰｔ−Ｍｎ合金の場合は、反強磁性層３０の厚みが７ｎｍ以上になると交換結合磁界が生じ、反強磁性層３０がＩｒ−Ｍｎ合金の場合は、反強磁性層３０の厚みが６ｎｍ以上で交換結合磁界が生じる。
次いで、反強磁性層３０の膜厚が薄く、反強磁性層３０が導体ではない場合、反強磁性層３０は、第１機能に加えて、スピン軌道トルク配線２０から注入されるスピンを第１強磁性層１０に通過させる第２機能を示す。「反強磁性層３０の膜厚が薄い」とは、反強磁性層３０の膜厚が反強磁性層３０のスピン拡散長の２倍以下であることを意味する。
反強磁性層３０の膜厚が薄いと、スピン軌道トルク配線２０から注入された第１スピンＳ１が、反強磁性層３０を通過してそのまま反強磁性層３０に注入される。第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は、反強磁性層３０との磁気結合が与えるトルク（第１機能により生じるトルク）と、スピン軌道トルク配線２０から注入された第１スピンＳ１が与えるトルク（第２機能により生じるトルク）と、を受ける。
反強磁性層３０の膜厚が薄いと、反強磁性層３０で交換結合磁界は生じない。しかしながら、反強磁性層３０内部及び反強磁性層３０と第１強磁性層１０との界面において交換結合は生じている。つまり、反強磁性層３０の膜厚が厚い場合と比較して第１機能により生じるトルクは小さくなるが、第１機能により生じるトルクは第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０に作用する。
反強磁性層３０の磁化回転の反応速度は、強磁性体の磁化回転の反応速度より早い。第１機能により生じるトルクは、第２機能により生じるトルクより先に磁化Ｍ１０に作用する。トルクが作用するタイミングが異なると、磁化Ｍ１０は第１機能により生じるトルクが磁化回転のきっかけを与え、第２機能により生じるトルクが磁化回転を完了させる。第２機能により生じるトルクによる磁化Ｍ１０の磁化回転を、第１機能により生じるトルクがアシストする。
また反強磁性層３０の膜厚が薄く、反強磁性層３０が導体の場合、反強磁性層３０は、第１機能と第２機能に加えて、反強磁性層３０自体がスピン流を生み出す第３機能を示す。
反強磁性層３０が導体の場合、電流Ｉの一部は反強磁性層３０に分流する。この場合、反強磁性層３０もスピン流を生み出す。なお、この場合においても、十分なスピン分極を生み出すだけのｘ方向の長さを有するスピン軌道トルク配線２０が、スピン流の主の発生源である。
第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は、反強磁性層３０との磁気結合が与えるトルク（第１機能により生じるトルク）と、スピン軌道トルク配線２０から注入された第１スピンＳ１が与えるトルク（第２機能により生じるトルク）と、反強磁性層３０から注入されたスピンが与えるトルク（第３機能により生じるトルク）と、を受ける。
最後に、反強磁性層３０の膜厚が厚く、反強磁性層３０が導体の場合は、反強磁性層３０でも大きなスピン流を生み出すことができる。
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化回転素子１００は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０との間に、反強磁性層３０を備える。反強磁性層３０を備えることで、上述の第１機能に伴うトルクが磁化Ｍ１０に加わり、磁化回転に要する時間を短縮できる。また第１機能に伴うトルクにより磁化Ｍ１０の磁化回転をアシストすることもできる。
＜製造方法＞
スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の製造方法の一例について説明する。まず基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線の基となる層を積層する。積層方法は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の方法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１００の製造方法の一例について説明する。まず基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線の基となる層を積層する。積層方法は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の方法を用いることができる。
次いで、スピン軌道トルク配線の基となる層を、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、スピン軌道トルク配線２０に加工する。そして、スピン軌道トルク配線２０の周囲を囲むように、絶縁層を被覆する。絶縁層には、酸化膜、窒化膜等を用いることができる。
次いで、絶縁層とスピン軌道トルク配線の表面を、ＣＭＰ研磨（chemical mechanical polishing）により平坦化する。そして、平坦化された表面に反強磁性層３０の基となる層及び第１強磁性層１０の基となる層を積層する。最後に、フォトリソグラフィー等の技術を用いて積層膜を加工することで、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００が得られる。
ここまで図１を例に、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の一例を示した。スピン軌道トルク型磁化回転素子の構成は、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。
図２は、本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模式的に示した図である。図２に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１１とスピン軌道トルク配線２０と反強磁性層３１とを備える。第１強磁性層１１の磁化Ｍ１１及び反強磁性層３１の磁化Ｍ３１Ａ、Ｍ３１Ｂ、Ｍ３１Ｃ、Ｍ３１Ｄの配向方向がｙ方向である点のみが、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。
図２に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１機能、第２機能及び第３機能により第１強磁性層１１に注入されるスピンの向き（±ｙ方向）と第１強磁性層１１の磁化Ｍ１１の磁化の向き（±ｙ方向）とが一致している。第１強磁性層１１に注入されるスピンは、第１強磁性層１１の磁化Ｍ１１に対して１８０°反転させる方向にトルクを与える。すなわち、第１強磁性層１１の磁化Ｍ１１により大きなトルクを与えることができる。
他方、磁化回転の反応速度という観点では、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００が優れる。第１機能、第２機能及び第３機能により第１強磁性層１０に注入されるスピンの向き（±ｙ方向）と第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の磁化の向き（±ｘ方向）とが異なるためである。
図３は、本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模式的に示した図である。図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２は、第１強磁性層１２とスピン軌道トルク配線２０と反強磁性層３２とを備える。第１強磁性層１２の磁化容易軸は積層方向である。反強磁性層３２の磁化Ｍ３２Ａ、Ｍ３２Ｂ、Ｍ３２Ｃ、Ｍ３２Ｄと第１強磁性層１２の磁化Ｍ１２とは、積層方向に交換磁気異方性を示す。第１強磁性層１２の磁化Ｍ１２及び反強磁性層３２の磁化Ｍ３２Ａ、Ｍ３２Ｂ、Ｍ３２Ｃ、Ｍ３２Ｄの配向方向がｚ方向である点のみが、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。
第１強磁性層１２が垂直磁化膜の場合でも、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同様の効果を示す。第１強磁性層１２が垂直磁化膜の場合、同じ素子面積でも記録密度を高めることができる。
図４は、本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模式的に示した図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３は、第１強磁性層１３とスピン軌道トルク配線２０と反強磁性層３３とを備える。第１強磁性層１３の磁化Ｍ１３Ａ、Ｍ１３Ｂ、Ｍ１３Ｃの一部が、外力が加えられていない状態で面内方向及び積層方向に配向している。第１強磁性層１３が垂直磁化膜である点が、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。
第１強磁性層１３の磁化Ｍ１３Ａ、Ｍ１３Ｂ、Ｍ１３Ｃの一部が、外力が加えられていない状態で面内方向及び積層方向に配向している（図４においては、磁化Ｍ１３Ｂ、Ｍ１３Ｃが面内方向及び積層方向に配向）と、磁化反転のエネルギーバリアを下げることができ、より高速に磁化反転ができるという利点がある。
図２から図４に示すいずれのスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１、１０２、１０３も、第１強磁性層１１、１２、１３とスピン軌道トルク配線２０との間に、反強磁性層３１、３２、３３を備える。そのため、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１、１０２、１０３が磁化回転に要する時間を短縮できる。
本実施形態にかかるスピン流磁化回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。しかしながら、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、上記のスピン流磁化回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可する磁場をＳＯＴに置き換えてもよい。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
「第２実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図５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２００の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００と、非磁性層１１０と、第２強磁性層１２０とを備える。図５では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、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を用いたが、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１、１０２、１０３を用いてもよい。第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同等の構成については、説明を省く。
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図５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２００の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００と、非磁性層１１０と、第２強磁性層１２０とを備える。図５では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、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を用いたが、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１、１０２、１０３を用いてもよい。第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同等の構成については、説明を省く。
第１強磁性層１０と非磁性層１１０と第２強磁性層１２０とが積層された積層体（機能部１３０）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部１３０は、第２強磁性層１２０の磁化Ｍ１２０が一方向（−ｘ方向）に固定され、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０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１２０の保磁力を第１強磁性層１０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１２０の磁化Ｍ１２０を反強磁性層との交換結合によって固定する。
また機能部１３０において、非磁性層１１０が絶縁体からなる場合は、機能部１３０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１１０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。
機能部１３０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１２０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１２０は固定層や参照層、第１強磁性層１０は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第２強磁性層１２０の材料には、公知の材料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。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。また第２強磁性層１２０にＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いてもよい。
第２強磁性層１２０の第１強磁性層１０に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層１２０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１２０の漏れ磁場を第１強磁性層１０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、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。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等を用いることができる。さらに、非磁性層１１０が半導体からなる場合、その材料としてはＳｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２など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、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。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等を用いることができる。さらに、非磁性層１１０が半導体からなる場合、その材料としてはＳｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２などを用いることができる。
機能部１３０は、その他の層を有していてもよい。例えば、第２強磁性層１２０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。
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２００は、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０と第２強磁性層１２０の磁化Ｍ１２０の相対角の違いにより生じる機能部１３０の抵抗値変化を用いてデータの記録、読出しを行うことができる。第２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２００は、反強磁性層３０を構成する磁化Ｍ３０Ａ、Ｍ３０Ｂ、Ｍ３０Ｃ、Ｍ３０Ｄが高速で磁化回転するため、高速でデータを書き込むことができる。
「第３実施形態」
＜磁気メモリ＞
図６は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００（図５参照）を備える磁気メモリ３００の平面図である。図５は、図６におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００を切断した断面図に対応する。図６に示す磁気メモリ３００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００が３×３のマトリックス配置をしている。図６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２００の数及び配置は任意である。
＜磁気メモリ＞
図６は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００（図５参照）を備える磁気メモリ３００の平面図である。図５は、図６におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００を切断した断面図に対応する。図６に示す磁気メモリ３００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００が３×３のマトリックス配置をしている。図６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２００の数及び配置は任意である。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１〜ＲＬ３が接続されている。
電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３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２００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。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜ＲＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３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２００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〜ＷＬ３、ビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１〜ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。
「第４実施形態」
＜発振器＞
本実施形態にかかる発振器は、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と構成が同じである。
＜発振器＞
本実施形態にかかる発振器は、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と構成が同じである。
スピン軌道トルク配線２０に高周波電流を流すと、スピン流が誘起され、反強磁性層３０にスピンが注入される。反強磁性層３０の磁化反転は、磁気結合により第１強磁性層１０に伝わり、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は振動する。反強磁性層３０の磁化回転は高速なため、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は高速（周波数がＴＨｚ）で振動する。
磁化Ｍ１０が高速で振動すると、ＴＨｚ波等の高周波が発振する。入力される高周波電流の周波数が強磁性共鳴周波数の場合は、第１強磁性層１０が強磁性共鳴し、大きな高周波を発振する。
また発振器は、図５に示すようなスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００と同様の構成でもよい。磁化Ｍ１０が高速で振動している状態で、機能部１３０の積層方向に直流電流を印加すると、抵抗値変化の信号として高周波を読み出すことができる。
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。
１０、１１、１２、１３ 第１強磁性層
２０ スピン軌道トルク配線
３０、３１、３２、３３ 反強磁性層
１００、１０１、１０２、１０３ スピン軌道トルク型磁化回転素子
１１０ 非磁性層
１２０ 第２強磁性層
１３０ 機能部
２００ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３００ 磁気メモリ
Ｍ１０、Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３Ａ、Ｍ１３Ｂ、Ｍ１３Ｃ、Ｍ３０Ａ、Ｍ３０Ｂ、Ｍ３０Ｃ、Ｍ３０Ｄ、Ｍ３１Ａ、Ｍ３１Ｂ、Ｍ３１Ｃ、Ｍ３１Ｄ、Ｍ３２Ａ、Ｍ３２Ｂ、Ｍ３２Ｃ、Ｍ３２Ｄ、Ｍ３３Ａ、Ｍ３３Ｂ、Ｍ３３Ｃ、Ｍ３３Ｄ、Ｍ１２０ 磁化
２０ スピン軌道トルク配線
３０、３１、３２、３３ 反強磁性層
１００、１０１、１０２、１０３ スピン軌道トルク型磁化回転素子
１１０ 非磁性層
１２０ 第２強磁性層
１３０ 機能部
２００ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３００ 磁気メモリ
Ｍ１０、Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３Ａ、Ｍ１３Ｂ、Ｍ１３Ｃ、Ｍ３０Ａ、Ｍ３０Ｂ、Ｍ３０Ｃ、Ｍ３０Ｄ、Ｍ３１Ａ、Ｍ３１Ｂ、Ｍ３１Ｃ、Ｍ３１Ｄ、Ｍ３２Ａ、Ｍ３２Ｂ、Ｍ３２Ｃ、Ｍ３２Ｄ、Ｍ３３Ａ、Ｍ３３Ｂ、Ｍ３３Ｃ、Ｍ３３Ｄ、Ｍ１２０ 磁化
Claims (10)
- 第１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た反強磁性層と、
前記反強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置し、前記反強磁性層と交換結合により磁気結合する第１強磁性層と、を備え、
前記反強磁性層の前記第１方向の長さが、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向の長さより短い、スピン軌道トルク型磁化回転素子。 - 前記第１強磁性層の磁化容易軸が面内方向であり、
前記反強磁性層の磁化と第１強磁性層の磁化とが面内方向に交換磁気異方性を示す、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。 - 前記第１強磁性層の磁化容易軸が積層方向であり、
前記反強磁性層の磁化と第１強磁性層の磁化とが積層方向に交換磁気異方性を示す、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。 - 前記第１強磁性層の磁化の一部が、外力が加えられていない状態で面内方向及び積層方向に配向している、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記反強磁性層は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｄＭｎからなる群から選択されるいずれか１つを含む、請求項１から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。
- 前記反強磁性層の膜厚が、前記反強磁性層のスピン拡散長の２倍以下である、請求項１から５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。
- 前記スピン軌道トルク配線が、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属である、請求項１から６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。
- 請求項１から７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強磁性層と対向する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。 - 請求項８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た磁気メモリ。
- 請求項１から７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を備えた発振器。
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