JP2019204948A - 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磁化の向きを反転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、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に積層された積層体と、を備え、前記積層体は、単独で第１の方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、非磁性の反強磁性結合層と、単独で第２の方向に磁化容易軸を有する第２強磁性層と、を前記スピン軌道トルク配線側から順に備え、前記第１の方向と前記第２の方向とが交差している。【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、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１）。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。

例えば、特許文献２には、磁化反転する強磁性体と結合する酸化膜の酸素量を変更することで、磁化の強度の対称性が崩れることが記載されている。磁化の強度の対称性が崩れると、磁化回転しやすくなり、無磁場下でもＳＯＴを用いた磁化反転が可能となる。

特開２０１７−２１６２８６号公報 米国特許第９３４３６５８号明細書

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。

また特許文献２に記載の方法は、一部の磁気異方性を弱めることで磁化の強度の対称性を崩している。磁気異方性が弱まると熱安定性が低下するという問題がある。

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磁化の向きを反転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。

本発明者らは、鋭意検討の結果、磁気異方性の強さを保ちつつ、磁化の対称性を崩し磁化の配向方向を傾斜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、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に積層された積層体と、を備え、前記積層体は、単独で第１の方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、非磁性の反強磁性結合層と、単独で第２の方向に磁化容易軸を有する第２強磁性層と、を前記スピン軌道トルク配線側から順に備え、前記第１の方向と前記第２の方向とが交差している、スピン軌道トルク型磁化回転素子。

（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の方向と前記第２の方向とが直交していてもよい。

（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の方向が前記積層体の面内方向であり、前記第２の方向が前記積層体の面直方向であってもよい。

（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の方向が前記積層体の面直方向であり、前記第２の方向が前記積層体の面内方向であってもよい。

（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、前記第２強磁性層がＦｅ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、前記第１強磁性層がＣｏを含んでもよい。

（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、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち面直方向に磁化容易軸を有する強磁性層の膜厚が、面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の膜厚より薄くてもよい。

（８）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２強磁性層の膜厚が、前記第１強磁性層の膜厚よりも厚くてもよい。

（９）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、前記反強磁性結合層がＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含んでもよい。

（１０）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、前記積層体は平面視円形であってもよい。

（１１）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、前記積層体は、平面視において長軸と短軸を備える形状異方性を有してもよい。

（１２）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、前記積層体の前記スピン軌道トルク配線と反対側に積層された非磁性層と、前記積層体と前記非磁性層を挟む第３強磁性層と、を備える。

（１３）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、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち前記第３強磁性層と同一方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁気異方性は、他方の強磁性層の磁気異方性より強くてもよい。

（１４）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。

上記態様にかかる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よれば、外部磁場が印加されていない状態でも磁化の向きを反転できる。

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断面図である。 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積層体の磁化状態を模式的に示した図である。 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動作を説明するための模式図である。 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を模式的に示した断面図である。 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の積層体の磁化状態を模式的に示した図である。 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の動作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変形例を模式的に示した断面図である。 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変形例を模式的に示した断面図である。 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変形例を模式的に示した断面図である。 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変形例を模式的に示した断面図である。 第３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の断面模式図である。 第４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の断面模式図である。 第５実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。 第５実施形態にかかる磁気メモリをＡ-Ａ’面で切断した断面図である。

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。

（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
「第１実施形態」
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、積層体１０とスピン軌道トルク配線５０とを備える。
以下、スピン軌道トルク配線が延在する方向をｘ方向、積層体１０の積層方向をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向に直交する方向をｙ方向という。

＜積層体１０＞
積層体１０は、スピン軌道トルク配線５０の一面に積層されている。積層体１０は、スピン軌道トルク配線５０側から第１強磁性層１１と、反強磁性結合層１３と、第２強磁性層１２と、を備える。

図２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１００の積層体１０の磁化状態を模式的に示した図である。図２に示すように、第１強磁性層１１は単独で第１の方向に磁化容易軸を有し、第２強磁性層１２は単独で第２の方向に磁化容易軸を有する。第１の方向と第２の方向とは交差しており、直交していることが好ましい。「単独で」とは、他の層と積層される前の状態を意味する。また磁化容易軸は、磁性体において磁化されやすい主の結晶方位を意味する。

図２に示す例では、単独での第１強磁性層１１の磁化容易軸は積層体１０の積層面の面内方向であり、単独での第２強磁性層１２の磁化容易軸は積層体１０の積層面の面直方向（積層方向）である。すなわち図２の例において、第１の方向は面内方向であり、第２の方向は面直方向である。

積層体１０における第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２は、それぞれ単独では存在せず、反強磁性結合層１３を介して近接して積層されている。第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１及び第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２は、反強磁性結合層１３を介して近接することで、反強磁性結合する。

その結果、単独で面内方向に配向していた第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１は面直方向に傾き、単独で面直方向に配向していた第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２は面内方向に傾く。つまり、積層体１０に組み込まれた状態における第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２は、面内方向及び面直方向から傾斜している。第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１と第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２の面内方向に対する傾斜角は、例えば、それぞれ異なる。第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１は、例えば、面内方向に対して０°以上４５°未満の角度で傾いている。第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２は、例えば、面内方向に対して４５°以上９０°未満の角度で傾いている。

第１強磁性層１及び第２強磁性層には、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、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）等が挙げられる。

強磁性層の膜厚によっても異なるが、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅを用いた場合は磁化容易軸が面直方向となりやすく、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）を用いた場合は磁化容易軸が面内方向となりやすい。

図２の例の場合、第２強磁性層１２はＦｅを含むことが好ましい。第２強磁性層１２の反強磁性結合層１３と反対側の面に酸化膜を積層することで、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２の面直方向への磁気異方性を、Ｆｅ−Ｏ結合により強めることができる。

また図２の例の場合、第２強磁性層１２の膜厚は、第１強磁性層１１の膜厚より薄いことが好ましい。膜厚が薄いと積層界面の影響をより強く受け、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２の面直方向への磁気異方性が強まる。

第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２にはＣｏ_２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いることができる。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたは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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ, Ｃｏ_２ＦｅＧａ,Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ, Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

反強磁性結合層１３は、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との間に位置する。反強磁性結合層１３は、非磁性である。第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１と第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２とは、反強磁性結合層１３を挟むことで反強磁性結合する。第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１と第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２とが反強磁性結合するか否かは、反強磁性結合層１３の材料、膜厚等により制御できる。反強磁性結合層１３の膜厚は、用いる材料にもよるが３Åから１０Åであることが好ましい。

反強磁性結合層１３は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。これらの元素は多くのスピンを有し、スピン軌道相互作用が大きい。そのため、隣接する二つの強磁性層（第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２）の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２に強く作用し、磁化Ｍ_１１と磁化Ｍ_１２とが強く反強磁性結合する。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線５０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線５０は、積層体１０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５０は、積層体１０に直接接続されていることが好ましい。

スピン軌道トルク配線５０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５０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５０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線５０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５０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５０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５０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５０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５０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５０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。

積層体１０の平面視形状は一態様として円形を選択できる。積層体１０の平面視形状が円形であると集積しやすく、集積性を高めることができる。

積層体１０の平面視形状は別の態様として長軸と短軸を備える形状異方性を有する形状を選択できる。長軸と短軸を備える形状異方性を有する形状とは、例えば長方形、楕円等が挙げられる。

積層体１０の平面視形状が形状異方性を有する場合、第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２は、長軸方向に配向しやすくなる。

高速な磁化反転が求められる場合は、スピン軌道トルク配線５０の延在方向と長軸方向とを一致させる。スピン軌道トルク配線５０から注入される第１スピンＳ１の向きと、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の配向方向（長軸方向に配向）とが直交するため、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２が高速反転する。

反転電流密度の低減が求められる場合は、スピン軌道トルク配線５０の延在方向と長軸方向とを直交させる。スピン軌道トルク配線５０から注入される第１スピンＳ１の向きと、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２の配向方向（長軸方向に配向）とが一致するため、磁化Ｍ_１１、Ｍ_１２に大きなトルクを与えることができ、反転電流密度を低減できる。

高速な磁化反転と反転電流密度の低減との両立が求められる場合は、スピン軌道トルク配線５０の延在方向に対して長軸方向を傾斜させる。

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、磁化反転が可能な理由について説明する。図３は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の動作を説明するための模式図である。

スピン軌道トルク配線５０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５０のｚ方向には、第１強磁性層１１が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線５０から第１強磁性層１１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１１の磁化Ｍ_１１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。

第１強磁性層１１の単独での磁化容易軸は面内方向（ｘ方向）である。積層体１０に組み込まれた状態では、第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１は、第１強磁性層１１の固有の磁化容易軸に配向しようとする力と、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２から作用する力とを受け、固有の磁化容易軸方向から傾斜する。つまり、第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１は、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２から作用する力を受けることにより、磁化容易軸方向と磁化困難軸方向の２状態からなる安定状態（対称な状態）から複雑な安定状態を取りうる状態に移行する（対称性が崩されている）。

ｙ方向に配向した第１スピンＳ１は、第１強磁性層１１に注入されることで、磁化Ｍ_１１をｙ方向に向かって９０°回転させるトルクを与える。

第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１の対称性が崩れていない場合（第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１がｘ方向に配向する場合）は、９０°回転した磁化Ｍ_１１が元の状態に戻る確率と反転する確率とが、ほぼ一致する。したがって、外部磁場等を加えて磁化Ｍ_１１の対称性を崩さない限り、安定的に反転させることができない。

これに対し、第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１の対称性が崩れている場合、９０°回転した磁化Ｍ_１１が元の状態に戻るか反転するかの確率が対称にならない。反転する確率を元の状態に戻ろうとする確率より高くすると、外部磁場を印加しなくても磁化Ｍ_１１は安定的に反転する。厳密な議論ではないが、以下のようなイメージが理解しやすいであろう。例えば、−ｘｚ方向に傾斜している磁化Ｍ_１１がｙ方向に配向するためには、ｚ方向のトルクが加わる。磁化Ｍ_１１がｙ方向に配向した後も、慣性の法則によりｚ方向のトルクが磁化Ｍ_１１に加わる。つまり、磁化Ｍ_１１は元の状態（図３左図）に戻るより反転した状態（図３右図）の方がとりやすく、磁化Ｍ_１１が安定的に磁化反転する。

第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とは、反強磁性結合している。第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１が磁化反転すると、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２も磁化反転する。

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、第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１が、注入される第１スピンＳ１に対して傾斜している。そのため、注入される第１スピンＳ１に対して第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１の対称性が崩れている。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。

また第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１は、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２により配向方向が傾斜しているが、第１強磁性層１１の磁気異方性の強さ自体が変化しているわけではない。したがって、第１強磁性層１１の熱安定性は高く、熱安定性に優れたスピン軌道トルク型磁化回転素子１００を実現できる。

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１００は、スパッタリング等の成膜方法及びフォトリソグラフィー等の加工方法を用いることにより製造できる。第１強磁性層１１の磁化Ｍ_１１及び第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２の磁化容易軸方向は、これらを構成する材料、膜厚を制御することで規定する。

「第２実施形態」
図４は、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を模式的に示した断面図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、積層体２０とスピン軌道トルク配線５０とを備える。図４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２１及び第２強磁性層２２の磁化Ｍ_２１、Ｍ_２２の配向方向が異なる点が、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と異なる。その他の構成は同一であり、同一の構成については同一の符号を付す。

積層体２０は、スピン軌道トルク配線５０側から第１強磁性層２１と、反強磁性結合層１３と、第２強磁性層２２と、を備える。

図５は、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１０１の積層体２０の磁化状態を模式的に示した図である。図５に示す例では、単独での第１強磁性層２１の磁化容易軸は積層体１０の積層面の面直方向であり、単独での第２強磁性層２２の磁化容易軸は積層体１０の積層面の面内方向である。すなわち図５の例において、第１の方向は面直方向であり、第２の方向は面内方向である。

第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１及び第２強磁性層２２の磁化Ｍ_２２は、反強磁性結合層１３を介して近接することで、反強磁性結合する。その結果、単独で面直方向に配向していた第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１は面内方向に向かって傾き、単独で面内方向に配向していた第２強磁性層２２の磁化Ｍ_２２は面直方向に向かって傾く。つまり、積層体２０に組み込まれた状態における第１強磁性層２１及び第２強磁性層２２の磁化Ｍ_２１、Ｍ_２２は、面内方向及び面直方向から傾斜している。第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１と第２強磁性層２２の磁化Ｍ_２２の面内方向に対する傾斜角は、例えば、それぞれ異なる。第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１は、例えば、面内方向に対して４５°以上９０°未満の角度で傾いている。第２強磁性層２２の磁化Ｍ_２２は、例えば、面内方向に対して０°以上４５°未満の角度で傾いている。

図５の例の場合、第１強磁性層２１はＣｏを含むことが好ましい。第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１は、スピン軌道トルク配線５０との界面磁気異方性の影響を受けて面直方向（垂直方向）に配向する。スピン軌道トルク配線５０の重金属とＣｏとにより、界面磁気異方性が強まる。

また図５の例の場合、第１強磁性層２１の膜厚は、第２強磁性層２２の膜厚より薄いことが好ましい。膜厚が薄いと積層界面の影響をより強く受け、第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１の面直方向への磁気異方性が強まる。

図６は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の動作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回転素子１０１の動作は、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１００と同様である。

第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１は、第１強磁性層２１の固有の磁化容易軸に配向しようとする力と、第２強磁性層２２の磁化Ｍ_２２から作用する力とを受け、固有の磁化容易軸方向から傾斜する。つまり、第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１は、注入される第１スピンＳ１に対して傾斜している。そのため、注入される第１スピンＳ１に対して第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１の対称性が崩れている。

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１０１は、第１実施形態と同様に、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。また第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、熱安定性に優れる。

以上、第１実施形態及び第２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。

「第１変形例」
図７および図８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第１変形例を模式的に示した断面図である。図７は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ａをスピン軌道トルク配線５０Ａのｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図８は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００を第１強磁性層１１Ａのｘ方向の中心を通るｙｚ平面で切断した断面図である。

図７および図８に示す第１変形例は、第２強磁性層１２Ａ、反強磁性結合層１３Ａ、第１強磁性層１１Ａのそれぞれの側面及びスピン軌道トルク配線５０Ａの一部が、＋ｚ方向に対してｘ方向またはｙ方向に湾曲している点で、第１実施形態と異なる。その他の構成は、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１００と同様であり、同様の構成には同一の符号を付し、説明を省く。

積層体１０Ａの側面１０ｓは、第２強磁性層１２Ａ、反強磁性結合層１３Ａ、および、第１強磁性層１１Ａのそれぞれの側面１２ｓ、１３ｓ、１１ｓによって構成される。積層体１０Ａの側面１０ｓは、一つの連続した側面を形成する。
「連続」とは、ｘｚ平面又はｙｚ平面で切断した断面図において、側面１０ｓの接線の傾きが一定である、又は、連続的に変化することをいう。

図７に示すとおり、第１変形例にかかるスピン軌道トルク配線５０Ａは、一部に傾斜面５０ｓを有する点が第１実施形態にかかるスピン軌道トルク配線５０と異なる。ｘｚ平面で切断した断面図では、積層体１０Ａの側面１０ｓは、スピン軌道トルク配線５０Ａの傾斜面５０ｓに連続する。図８に示すとおり、ｙｚ平面で切断した断面図では、積層体１０Ａの側面１０ｓは、スピン軌道トルク配線５０Ａの傾斜面５０ｓとの接合部分で屈折している。そのため図８では、積層体１０Ａの側面１０ｓは、傾斜面５０ｓと連続しない。スピン軌道トルク配線５０Ａのｙ方向の加工は積層体１０Ａを積層する前に行い、ｘ方向の加工は積層体１０Ａと同時に行うためである。

第１変形例の第２強磁性層１２Ａの第１面１２ａは、第１強磁性層１１Ａの第１面１１ａよりも面積が小さい。第１変形例の第１面１２ａは、積層体１０Ａを構成する層の中で、＋ｚ方向の最も高い位置に位置する面である。第１変形例の第１面１１ａは、積層体１０Ａを構成する層の中で、−ｚ方向の最も低い位置に位置する面である。

図７及び図８に示す積層体１０Ａは、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線５０Ａに近づくに従って、ｘｙ面に広がっている。ｚ方向から見て、積層体１０Ａの外周長または外径は、スピン軌道トルク配線５０Ａに近づくに従い、大きくなる。また、ｘ方向又はｙ方向から見て、積層体１０Ａの側面１０ｓは、ｘｙ平面に対して傾斜している。ｘｙ平面に対する側面１０ｓの傾斜角θ_１は、ｚ方向の高さの位置、（すなわち、側面１０ｓを構成する側面１２ｓ、１３ｓ、１１ｓ）によって、異なっていても、一定でもよい。側面１０ｓのｘｙ平面に対する傾斜角θ_１は、例えば、スピン軌道トルク配線５０Ａに近づくにつれて小さくなる。

第１変形例の積層体１０Ａの側面１０ｓおよびスピン軌道トルク配線５０の傾斜面５０ｓは、ｘｙ平面に対して傾斜する。側面１０ｓの傾斜角θ_１と傾斜面５０ｓの傾斜角θ_２とは、例えば異なる。

図７及び図８では、積層体１０Ａ及びスピン軌道トルク配線５０Ａの周囲を囲む絶縁層８０を同時に図示した。絶縁層８０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層８０は、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、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）等である。

第１変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ａは、第１実施形態と同様に、容易に磁化反転を行うことができ、熱安定性に優れる。
また第１変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ａは、第１強磁性層１１Ａの側面１１ｓが傾斜していることで、より反転電流密度を低減できる。反転電流値は第１強磁性層１１Ａの膜厚に比例するため、第１変形例にかかる第１強磁性層１１Ａのうち、ｙ方向から見てｘｙ平面に対して傾斜している部分から磁化反転が始まる。つまり、第１強磁性層１１Ａにおける磁化反転は、ｘ方向の第１端から第２端に向って順次生じる。ｘ方向の第１端から第２端に向かう磁化反転の伝播は、磁壁の移動の原理と類似する。第１強磁性層１１Ａの磁化の反転が、第１強磁性層１１Ａの面内のランダムな位置で生じると、第１強磁性層１１Ａ内において磁化のねじれ状態が複数の箇所で生じる。磁化のねじれ状態は、隣接する磁化が異なる方向に配向した状態である。これに対し、磁化反転がｘ方向の第１端から第２端に向って順次生じると、磁化のねじれ状態が生じる箇所が少なくなり、磁化反転がスムーズになり、反転電流密度を低減できる。
また図８に示す通り、第１変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ａは、スピン軌道トルク配線５０Ａの一部が、＋ｚ方向に対して電流垂直方向（ｙ方向）に湾曲している。他の層の影響を受けて、スピン軌道トルク配線５０Ａの湾曲している部分と湾曲していない部分とは、結晶の状態が異なる。スピン軌道トルク配線５０Ａの結晶格子は、他の層と結晶が繋がるｚ方向において歪む。その結果、スピン軌道トルク配線５０Ａは非対称な構造となり、より効率的にスピン流を生成できる。

「第２変形例」
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第２変形例を模式的に示した断面図である。第２変形例は、第２強磁性層１２Ｂの膜厚が、第１強磁性層１１Ａの膜厚よりも厚い点で、第１変形例と異なる。その他の構成は、第１変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ａと同様であり、同様の構成には同一の符号を付し、説明を省く。

第２変形例にかかる第２強磁性層１２Ｂの膜厚は、第１強磁性層１１Ａの膜厚よりも厚い。ｚ方向から平面視した場合の第２強磁性層１２Ｂの面積は、第１強磁性層１１Ａの面積より小さい。第２強磁性層１２Ｂの膜厚を第１強磁性層１１Ａの膜厚よりも厚くすることで、第２強磁性層１２Ｂと第１強磁性層１１Ａとの体積差を小さくできる。第２強磁性層１２Ｂの体積と第１強磁性層１１Ａの体積とは、例えば、略同一であり、同じであることが好ましい。「略同一」とは、一方を基準に他方が１０％の変化幅の間にあることをいう。ｘｚ平面で切断した断面図において、第２強磁性層１２Ｂの面積と第１強磁性層１１Ａの面積は、略同一であり、かつ／または、ｙｚ平面で切断した断面図において、第２強磁性層１２Ｂの面積と第１強磁性層１１Ａの面積は、略同一である。

第２変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ｂは、第１実施形態と同様に、容易に磁化反転を行うことができ、熱安定性に優れる。第２変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ｂは、上記構成を有することにより、磁場の強度が同じになるため、漏れ磁場の発生量を弱くすることができ、積層体１０Ｂがより安定した合成反強磁性構造(ＳＡＦ構造)となる。

「第３変形例」
図１０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第３変形例を模式的に示した断面図である。図１０に示す第３変形例は、積層体１０Ｃとスピン軌道トルク配線５０Ｃの位置関係が反対になっている点で第１変形例と異なる。その他の構成は、第１変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ａと同様であり、同様の構成には同一の符号を付し、説明を省く。

図１０に示す第３変形例において、スピン軌道トルク配線５０Ｃは積層体１０Ａの＋ｚ方向に位置する。後述する第３強磁性層４０（図１１参照）をスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ｃに適用すると、第３強磁性層４０は、積層体１０Ｃより後述する基板Ｓｕｂの近くに位置する。第３変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ｃは、第３強磁性層４０が積層されるとボトムピン構造となる。第３変形例にかかる第１強磁性層１１の第１面１１ａは、積層体１０Ｃを構成する層の中で、＋ｚ方向の最も高い位置に位置する。第３変形例に係る第２強磁性層１２の第１面１２ａは、積層体１０Ｃを構成する層の中で、−ｚ方向の最も低い位置に位置する。第１面１１ａと第１面１２ａとの位置関係が第１変形例と逆転している。第１強磁性層１１の第１面１１ａは、第２強磁性層１２の第１面１２ａより面積が小さい。

第３変形例のスピン軌道トルク配線５０Ｃは、第１強磁性層１１の第１面１１ａとｚ方向に重なる部分で−ｚ方向に凹んでいる。

第３変形例のスピン軌道トルク配線５０Ｃの第１面５０ａのうち第１面１１ａと重ならない部分は、第１面１１ａより＋ｚ方向に位置している。第１面５０ａは、スピン軌道トルク配線５０Ｃの積層体１０Ｃ側の面である。第１面５０ａは、第１面１１ａと重なる位置で−ｚ方向に凹む。第１面５０ａのｚ方向の高さ位置の変化は、例えば、絶縁層８１及び第１強磁性層１１Ａの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）する際の研磨スピードの違いにより生じる。

第３変形例のスピン軌道トルク配線５０Ｃの第２面５０ｂは、平坦ではなく、第１強磁性層１１の第１面１１ａとｚ方向に重なる部分で−ｚ方向に凹んでいる。第２面５０ｂは、第１面５０ａと反対側の面である。第２面５０ｂのｚ方向の高さ位置の変化は、第２面５０ｂが第１面５０ａの形状を反映することで生じる。スピン軌道トルク配線５０Ｃの膜厚は、例えば、ｘ方向の各位置で略一定である。

図１０に示す絶縁層８１は、積層体１０Ｃの周囲を被覆する。絶縁層８１の第１面８１ａは、第１面１１ａより＋ｚ方向に位置する。第１面８１ａは、例えば、第１面１１ａの端部１１ｈから離れるに従って＋ｚ方向に高くなる。

第３変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００Ｃは、積層体１０Ｃとスピン軌道トルク配線５０Ｃとの位置関係が第１実施形態と異なっても、第１実施形態と同様に、容易に磁化反転を行うことができ、熱安定性に優れる。

第１変形例から３変形例は、第２実施形態にも適用可能である。

例えば、第１実施形態及び第２実施形態では、磁化容易軸が面直方向の磁性膜と面内方向の磁性膜との組み合わせの例を提示した。この場合に限られず、第１強磁性層及び第２強磁性層がいずれも面内方向又は面直方向である構成でもよい。第１強磁性層の単独での磁化容易軸方向（第１の方向）と、第２強磁性層の単独での磁化容易軸方向（第２の方向）と、が交差することで、第１強磁性層の磁化の向きが注入される第１スピンＳ１に対して傾斜し、第１強磁性層２１の磁化Ｍ_２１の対称性が崩れる。したがって、無磁場下での磁化反転が可能となる。

上述の実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、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。

（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
「第３実施形態」
図１１は、第３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１１０の断面模式図である。図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０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１００と、非磁性層３０と、第３強磁性層４０とを備える。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。

積層体１０と非磁性層３０と第３強磁性層４０とが積層された機能部は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部は、第３強磁性層４０の磁化Ｍ_４０が一方向（ｚ方向）に固定され、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２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３強磁性層４０の保磁力を第２強磁性層１２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３強磁性層４０の磁化Ｍ_４０を反強磁性層との交換結合によって固定する。

また機能部において、非磁性層３０が絶縁体からなる場合は、機能部はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、機能部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３強磁性層４０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強磁性層４０は固定層や参照層、積層体１０は自由層や記憶層などに対応する。

第３強磁性層４０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３強磁性層４０には、Ｃｏ_２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金を用いることで、機能部がより高いＭＲ比を出力できる。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたは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族の遷移金属または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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂなどが挙げられる。

第３強磁性層４０の積層体１０に対する保磁力をより大きくするために、第３強磁性層４０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強磁性層４０の漏れ磁場を積層体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３０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３０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。非磁性層３０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３０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。

機能部は、その他の層を有していてもよい。例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線５０との間に下地層を設けてもよいし、第３強磁性層４０の非磁性層３０と反対側の面にキャップ層を設けてもよい。

スピン軌道トルク配線５０と第１強磁性層１１との間に層を配設する場合は、スピン軌道トルク配線５０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５０から伝播するスピンを第１強磁性層１１に十分伝えることができる。

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１１０は、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２と第３強磁性層４０の磁化Ｍ_４０の相対角の違いにより生じる機能部の抵抗値変化を用いてデータの記録、読出しを行う。

第３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１１０において、第３強磁性層４０の磁化容易軸は、単独での第２強磁性層１２の磁化容易軸と同一である。この場合、第２強磁性層１２の磁気異方性を、第１強磁性層１１の磁気異方性より強くすることが好ましい。第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２がｚ方向から大きく傾斜しないことで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０のＭＲ比を大きくすることができる。

第３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１１０においても、無磁場下での磁化反転が可能である。

「第４実施形態」
図１２は、第４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１１１の断面模式図である。図１２に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１１は、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１０１と、非磁性層３０と、第３強磁性層４２とを備える。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１０１を用いている点と、第３強磁性層４２の磁化Ｍ_４２の配向方向が異なる点が、第３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１１０と異なる。

第４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１１１は、第３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１１０と同様に、第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２と第３強磁性層４２の磁化Ｍ_４２の相対角の違いにより生じる機能部の抵抗値変化を用いてデータの記録、読出しを行う。

第４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１１１において、第３強磁性層４２の磁化容易軸は、単独での第２強磁性層１２の磁化容易軸と同一である。この場合、第２強磁性層１２の磁気異方性を、第１強磁性層１１の磁気異方性より強くすることが好ましい。第２強磁性層１２の磁化Ｍ_１２が面内方向から大きく傾斜しないことで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１１のＭＲ比を大きくすることができる。

第４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１１１においても、無磁場下での磁化反転が可能である。

「第５実施形態」
＜磁気メモリ＞
図１３は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０（図１１参照）を備える磁気メモリ２００の平面図である。図１３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１１０が３×３のマトリックス配置をしている。図１３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１１０の数及び配置は任意であり、第４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１１１を用いてもよい。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０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１１０のスピン軌道トルク配線５０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１１０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１１０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。

図１４は、図１３の第５実施形態にかかる磁気メモリ２００をＡ-Ａ’面で切断した断面図である。半導体装置２００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０と、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０に接続された複数のスイッチング素子を有する。複数のスイッチング素子のうち、一部のスイッチング素子は、図１４に示す断面上には存在せず、例えば紙面奥行き方向（−ｙ方向）に位置する。

スイッチング素子は、図１４に示すトランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、ゲート電極Ｇと、ゲート絶縁膜ＧＩと、基板Ｓｕｂに形成されたソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄと、を有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

トランジスタＴｒのそれぞれとスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０とは、導電部Ｃｗを介して、電気的に接続されている。導電部Ｃｗは、例えば、接続配線、ビア配線と言われることがある。導電部Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。導電部Ｃｗは、ｚ方向に延びる。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０とトランジスタＴｒとは、導電部Ｃｗを除いて、絶縁層８０によって電気的に分離されている。

第５実施形態にかかる磁気メモリ２００は、第４実施液体にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数有する。したがって、磁気メモリ２００は、データの書き換え（磁化の反転）を容易に行うことができ、消費電力に優れる。また磁気メモリ２００は、熱安定性に優れ、データの信頼性も優れる。

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 積層体
１１、２１ 第１強磁性層
１２、２２ 第２強磁性層
１３ 反強磁性結合層
３０ 非磁性層
４０、４２ 第３強磁性層
５０ スピン軌道トルク配線
１００、１０１ スピン軌道トルク型磁化回転素子
１１０、１１１ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
２００ 磁気メモリ
Ｍ_１１、Ｍ_１２、Ｍ_２１、Ｍ_２２、Ｍ_４０、Ｍ_４２ 磁化
Ｓ１ 第１スピン
Ｓ２ 第２スピン

Claims (14)

1. スピン軌道トルク配線と、
   前記スピン軌道トルク配線に積層された積層体と、を備え、
   前記積層体は、単独で第１の方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、非磁性の反強磁性結合層と、単独で第２の方向に磁化容易軸を有する第２強磁性層と、を前記スピン軌道トルク配線側から順に備え、
   前記第１の方向と前記第２の方向とが交差している、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
2. 前記第１の方向と前記第２の方向とが直交している、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
3. 前記第１の方向が前記積層体の面内方向であり、前記第２の方向が前記積層体の面直方向である、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の方向が前記積層体の面直方向であり、前記第２の方向が前記積層体の面内方向である、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。
5. 前記第２強磁性層がＦｅを含む、請求項３に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
6. 前記第１強磁性層がＣｏを含む、請求項４に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
7. 前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち面直方向に磁化容易軸を有する強磁性層の膜厚が、面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の膜厚より薄い、請求項３〜６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。
8. 前記第２強磁性層の膜厚が、前記第１強磁性層の膜厚よりも厚い、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回転素子。
9. 前記反強磁性結合層がＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む、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回転素子。
10. 前記積層体は、平面視円形である、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回転素子。
11. 前記積層体は、平面視において長軸と短軸を備える形状異方性を有する、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回転素子。
12. 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回転素子と、
    前記積層体の前記スピン軌道トルク配線と反対側に積層された非磁性層と、
    前記積層体と前記非磁性層を挟む第３強磁性層と、を備えるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
13. 前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち前記第３強磁性層と同一方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁気異方性は、他方の強磁性層の磁気異方性より強い、請求項１２に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
14. 請求項１２又は請求項１３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。

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