JP2020155606A - スピン流磁化反転素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】より信頼性の高い記憶素子を提供する。【解決手段】スピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性金属層１と、第１強磁性金属層の表面と垂直な方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在するスピン軌道トルク層３と、スピン軌道トルク配線と第１強磁性金属層に挟持され、且つ第１強磁性金属層とスピン軌道トルク層とに接するスピン伝導層２とを備える。スピン軌道トルク層は、絶縁体化合物で構成される。スピン伝導層の抵抗は、第１強磁性金属層の電気抵抗より低い。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、スピン流磁化反転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）素子及び非磁性層として絶縁層（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。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、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磁気抵抗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、磁化反転をさせるための反転電流密度が高い。ＴＭＲ素子の長寿命の観点から、この反転電流密度は低いことが望ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。

そこで近年、ＳＴＴとは異なったメカニズムで反転電流を低減する手段としてスピンホール効果により生成された純スピン流を利用した磁化反転方式に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。スピンホール効果によって生じた純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴにより磁化反転を起こす。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電流はゼロであり、反転電流密度の小さな磁気抵抗効果素子の実現が期待されている。

非特許文献１によると、ＳＯＴ方式による反転電流密度はＳＴＴ方式による反転電流密度と同程度であると報告されている。しかしながら、現在ＳＯＴ方式で報告されている反転電流密度は、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。そのために、重金属をはじめとするスピン生成層からバルク効果として発生するスピンホール効果に加え、異種材料間の界面において生じる界面ラシュバ効果の両方を効果的に取り出す構造が求められている。

また、ＳＯＴ方式の磁気抵抗効果素子のスピン軌道トルク配線（ＳＯＴを誘起して純スピン流を生じさせる配線）に用いられている材料として、非特許文献１で用いられているようなＴａをはじめとする重金属材料が挙げられる。こうした重金属材料は電気抵抗率が高いため、薄膜や細線にした場合、消費電力が高いことも問題となる。

また、近年、磁性層と絶縁体ＳＯＴ層との積層素子において、磁性層に電流を流すことでスピン流を発生させて磁性層の磁化反転メカニズムが見つかっている（特許文献１）が、書込みや読み出し動作で電流を流した際に、磁化が反転したドメインと磁化が反転していないドメインが同時に生じることがあり、この場合、意図しないドメインウォールモーション（ＤＷＭ）が発生し、これによって磁化が反転していないドメインが支配的になるなど、意図しない書込みが大きく発生する場合があり、問題である。

Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ， Ｔ．Ａｎｅｋａｗａ， Ｃ．Ｚｈａｎｇ，ａｎｄ Ｈ．Ｏｈｎｏ， Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＮＡＮＯ．２０１６．２９． Ｊ．Ｓｉｎｏｖａ， Ｓ．Ｏ．Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａ， Ｊ．Ｗｕｎｄｅｒｌｉｃｈ， Ｃ．Ｈ．Ｂａｃｋ， Ｔ．Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈ， Ｒｅｖｉｅｗｓ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｈｙｓｉｃ， ８７， １２１３ （２０１５）

特開2017-216286

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、より信頼性の高い記憶素子を提案するものである。

本発明者らは、鋭意検討の結果、上記問題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、第１強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層の表面と垂直な方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在するスピン軌道トルク層と、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性金属層に挟持され、且つ前記第１強磁性金属層と前記スピン軌道トルク層とに接するスピン伝導層とを備え、前記スピン軌道トルク層は絶縁体化合物で構成され、前記スピン伝導層の抵抗は第１強磁性金属層の電気抵抗より低い。

（２）上記（１）に係るスピン流磁化反転素子において、スピン伝導層はＡｌ、Ａｇ、Aｕ、Ｍｇの少なくともいずれか一種の元素を含む材料から構成されてもよい。

（３）上記（１）に係るスピン流磁化反転素子において、スピン伝導層はＡｇ-Ｍｇ、Ｎｉ-Ａｌの少なくともいずれかの化合物を含む材料から構成されてもよい。

（４）上記（１）から（３）に係るスピン流磁化反転素子において、スピン軌道トルク層はＰｔＯ_ｘ、ＷＯ_ｘ、ＩｒＯ_ｘ、ＲｅＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘを主とした絶縁体化合物から構成されてもよい。

（５）上記（１）から（４）のいずれか一つに係るスピン流磁化反転素子において、スピン伝導層の厚さは、スピン伝導層の有するスピン拡散長以下の厚さであってもよい。

（６）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（５）のいずれか一つに係るスピン流磁化反転素子と、第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性体層と、を備える。

本発明によれば、より書込み信頼性の高いスピン流反転素子提供することができる。

本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子を説明するための平面模式図である。 本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子を説明するための断面模式図である。 スピンホール効果について説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す平面図である。

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。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。

（スピン流磁化反転素子）
図１Ａ及び図１Ｂに、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図１Ａは平面図であり、図１Ｂは図１Ａの第１強磁性金属層１の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すスピン流磁化反転素子１０は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１と、前記第１強磁性金属層の表面と垂直な方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、前記第１強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク層３と、前記スピン軌道トルク層３と前記第1強磁性金属層１に挟持され、これらに接合するスピン伝導層2とを備え、前記スピン軌道トルク層３は前記スピン伝導層２とは異なる絶縁体化合物で構成され、前記スピン伝導層２の抵抗は第1強磁性金属層１の抵抗より低い構造である。

以下、第１強磁性金属層１の表面と垂直な方向もしくは第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク層３とが積層する方向（第１方向）をｚ方向、ｚ方向と垂直でスピン軌道トルク層３と平行な方向（第２方向）をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向と直交する方向（第３方向）をｙ方向とする。

図１Ａ及び図１Ｂを含めて以下では、スピン軌道トルク層３が第１強磁性金属層１の表面と垂直な方向である第１方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、第１方向に対して直交する方向に延在する構成の場合について説明する。

本発明のスピン流磁化反転素子１０すなわち、純スピン流によるＳＯＴ効果で強磁性金属層の磁化反転を行う素子は、純スピン流によるＳＯＴのみで強磁性金属層の磁化反転を行う磁気抵抗効果素子において用いることができる。一方、本発明のスピン流磁化反転素子は、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において強磁性金属層の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできる。

＜第１強磁性金属層＞
第１強磁性金属層１は、磁化方向が変化するように公知の強磁性材料を含む。第１強磁性金属層１の更なる詳細については、後述の磁気抵抗効果素子の応用における第１強磁性金属層１０１に関連して説明する。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン伝導層２とスピン軌道トルク層３との間の界面には、界面ラシュバ効果によりスピン蓄積（上向きスピン又は下向きスピンの一方が多く存在している状態）が生じる。スピン蓄積は純スピン流を生じさせる。

界面ラシュバ効果の詳細なメカニズムについては明らかでないが、以下のように考えられる。異種材料間の界面においては、空間反転対称性が破れていて、表面と垂直な方向にポテンシャル勾配が存在しているとみなされる。このような表面と垂直な方向にポテンシャル勾配がある界面に沿って電流が流れる場合、つまり電子が２次元の面内を運動する場合、電子の運動方向と垂直且つ面内の方向において有効磁場がスピンに作用して、その有効磁場の方向にスピンの向きが揃う。これにより、界面にスピン蓄積が形成される。そして、このスピン蓄積は、面外に拡散する純スピン流を生じさせる。

本発明においては、上記界面ラシュバ効果に加えて、スピン軌道伝導層２内において生じるスピンホール効果も利用して、純スピン流を発生させる。

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、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。

図２は、スピン伝導層２を用いて、スピンホール効果について説明するための模式図である。図２は、図１Ｂに示すスピン伝導層２をｘ方向に沿って切断した断面図である。図２に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。

図２に示すように、スピン伝導層２の延在方向に電流Ｉを流すと、紙面手前側に配向した第１スピンＳ１と紙面奥側に配向した第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。

強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。従って、スピン伝導層２の材料としては、下記で説明するように、強磁性体だけからなる材料は含まれず、特に非磁性の金属材料が挙げられる。

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２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。

図１Ｂにおいて、スピン軌道トルク層３の上面にスピン伝導層２を接触させると、界面ラシュバ効果により界面で生じた純スピン流及びスピンホール効果により生じた純スピン流は、スピン伝導層２内を拡散して伝わり、遂には第１強磁性金属層１に到達し、第１強磁性金属層１中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性金属層１にスピンが注入される。

本発明のスピン流磁化反転素子１０では、このようにスピン伝導層２とスピン軌道トルク層３の界面に電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流がスピン伝導層２に接する第１強磁性金属層１に拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果によって第１強磁性金属層１の磁化反転を起こすものである。

一実施形態では、スピン軌道トルク層３を構成する材料として、スピン軌道相互作用が比較的強いと考えられる重金属酸化物、ＰｔＯ_ｘ、ＷＯ_ｘ、ＩｒＯ_ｘ、ＲｅＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘを主とした絶縁体化合物が挙げられ、ｘは化学両論比以下となる。スピン軌道トルク層３の材料は、単体として用いてもよく化合物等として組み合わせて用いてもよい。

（スピン伝導層）
一実施形態では、スピン伝導層２は、電気抵抗を下げるために電気抵抗率が小さく、且つ、純スピン流を第１強磁性金属層１まで伝導するためにスピン拡散長（スピン蓄積が消失する距離）の長い材料から構成される。例えば、スピン伝導層を構成する材料として、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｇの少なくとも一種の元素を含む材料、もしくは、Ａｇ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ａｌが挙げられる。スピン伝導層３の材料は、単体として用いてもよく、合金、化合物等として組み合わせて用いてもよい。

スピン伝導層２の厚さは、好ましくは、そのスピン伝導層２の有するスピン拡散長以下の厚さにされる。これによって、スピン情報を失わずに、第１強磁性金属層１までスピン流を伝えることができる。スピン拡散長は特に用いられる材料に依存する。例えば、単体のＣｕ、Ａｇのスピン拡散長は、室温において１００ｎｍ以上に達することが知られている。非特許文献２を参照すると、単体のＣｕ結晶のスピン拡散長は室温で５００μｍにも達し、単体のＡｇ結晶のスピン拡散長は室温において７００μｍにも達すると報告されている。従って、スピン伝導層３の厚さを、十分にスピン拡散長以下に設定することができる。尚、非特許文献２に記載されているように、各種材料のスピン拡散長は当業者には既知であるか、推定可能なものであり、当業者であれば、本願の開示に基づき、各種材料を用いる場合において、スピン伝導層の厚さをスピン拡散長以下に設定することができる点に留意されたい。

本発明は、第１強磁性金属層１及びスピン伝導層２の金属二層構造を有し、スピン伝導層２が第１強磁性金属層１の電気抵抗率より小さいため、ＤＷＭを抑制することができる。しかしながら、より大きなＳＯＴを得るためには、スピン軌道トルク層３とスピン伝導層２の界面により多くの電流を流すことが望まれる。スピン軌道トルク層３とスピン伝導層２の界面により多くの電流を流すことは、第１強磁性金属層１及びスピン伝導層２の膜厚を適切に設計することによって達成され得る。

（磁気抵抗効果素子）
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、本発明のスピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備えるものである。

図３は、本発明のスピン流磁化反転素子の応用例であり、また、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子でもある磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。また、図４は図３の水平方向図であり、図５は図３の上方図である。

図３に示す磁気抵抗効果素子１００は、本発明のスピン流磁化反転素子（第１強磁性金属層１０１と、スピン伝導層１１０、及びスピン軌道トルク配線１２０）と、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、第１強磁性金属層１０１及び第２強磁性金属層１０３に挟持された非磁性層１０２とを有する。第１強磁性金属層１０１は上記第１強磁性金属層１と同じ構成を有し、スピン軌道トルク配線１２０は上記スピン軌道トルク配線２と同じ構成を有する。また、図３に示す磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部１０５と、スピン伝導層１１０と、スピン軌道トルク配線１２０とを有するということもできる。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線１２０を備えることで、純スピン流によるＳＯＴのみで磁気抵抗効果素子の磁化回転を行う構成（以下、「ＳＯＴのみ」構成ということがある）とすることもできるし、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において純スピン流によるＳＯＴを併用する構成とすることもできる。

図３を含めて以下では、スピン軌道トルク配線が磁気抵抗効果素子部の積層方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、直交する方向に延在する構成の場合について説明する。
図３においては、磁気抵抗効果素子１００の積層方向に電流を流すための配線１３０と、その配線１３０を形成する基板１６０も示している。また、第２強磁性金属層１０３と配線１３０との間にキャップ層１０４を備える。
も示している。

＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部１０５は、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１０１と、第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１に挟持された非磁性層１０２とを有する。

第２強磁性金属層１０３の磁化が一方向に固定され、第１強磁性金属層１０１の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部１０５として機能する。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強磁性金属層１０３の保磁力は第１強磁性金属層１０１の保磁力よりも大きいものであり、また、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強磁性金属層１０３では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。

また、磁気抵抗効果素子部１０５は、非磁性層１０２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１０２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。

本発明が備える磁気抵抗効果素子部１０５としては、公知の磁気抵抗効果素子部の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性金属層１０３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強磁性金属層１０３は固定層、ピン層、参照層等と呼ばれ、第１強磁性金属層１０１は自由層、フリー層、記憶層等と呼ばれる。

第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。

第２強磁性金属層１０３の材料には、公知のもの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。またこれらの金属と、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、より高い出力を得るためにはＣｏ_２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、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族の遷移金属元素又は貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、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。

また、第２強磁性金属層１０３の第１強磁性金属層１０１に対する保磁力をより大きくするために、非磁性層１０２に接する面の反対側の面において第２強磁性金属層１０３と接する層（ピニング層）として、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料の層を用いてもよい。さらに、第２強磁性金属層１０３の漏れ磁場を第１強磁性金属層１０１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。

さらに第２強磁性金属層１０３の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第２強磁性金属層１０３は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］_６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］_４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。

第１強磁性金属層１０１の材料として、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が挙げられる。

第１強磁性金属層１０１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第１強磁性金属層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。何故なら、第１強磁性金属層１０１と非磁性層１０２の界面で、第１強磁性金属層１０１に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第１強磁性金属層１０１の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層１０１の膜厚は薄い方が好ましい。

非磁性層１０２には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層１０２が絶縁体からなる場合（つまり、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、Ｍｇ、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。また、非磁性層１０２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。

また、第１強磁性金属層１０１の非磁性層１０２と反対側の面には、図３に示すようにキャップ層１０４が形成されていることが好ましい。キャップ層１０４は、第２強磁性金属層１０３からの元素の拡散を抑制することができる。またキャップ層１０４は、磁気抵抗効果素子部１０５の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層１０４を設けることで、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１の磁性を安定化することができる。

キャップ層１０４には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ａｌ等を用いることができる。キャップ層１０４の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて、面心立方（ｆｃｃ）構造、六方最密充填（ｈｃｐ）構造又は体心立方（ｂｃｃ）構造から適宜設定することが好ましい。

＜基板＞
基板１６０は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。

基板１６０の磁気抵抗効果素子部１０５側の面には、下地層（図示略）が形成されていてもよい。下地層を設けると、基板１６０上に積層される第２強磁性金属層１０３を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。

下地層は、絶縁性を有していることが好ましい。配線１３０等に流れる電流が散逸しないようにするためである。下地層には、種々のものを用いることができる。例えば１つの例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。

他の例として、下地層にはＸＹＯ_３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＸはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＹはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。

他の例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。

他の例として、下地層には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。

また、下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子部１０５の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。

＜配線＞
配線１３０は、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３に電気的に接続され、図３においては、配線１３０とスピン伝導層１１０と電源（図示略）とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流が流される。

配線１３０は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。

上述した本実施形態では、磁気抵抗効果素子１００において、積層が後になり基板１６０から近い側に配置する第１強磁性金属層１０１が磁化自由層とされ、積層が先であり基板１６０に遠い側に配置する第２強磁性金属層１０３が磁化固定層（ピン層）とされている、いわゆるトップピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子１００の構造は特に限定されるものではなく、いわゆるボトムピン構造であってもよい。

＜電源＞
磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流を流す第１電源１４０と、スピン伝導層１１０に電流を流す第２電源１５０とを更に備える。

第１電源１４０は、配線１３０とスピン伝導層１１０とに接続される。第１電源１４０は磁気抵抗効果素子１００の積層方向に流れる電流を制御することができる。
第２電源１５０は、スピン伝導層１１０の両端に接続されている。第２電源１５０は、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に対して直交する方向に流れる電流である、スピン伝導層１１０に流れる電流を制御することができる。

上述のように、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に流れる電流はＳＴＴを誘起する。これに対して、スピン伝導層１１０とスピン軌道トルク配線１２０の界面に流れる電流はＳＯＴを誘起する。ＳＴＴ及びＳＯＴはいずれも第１強磁性金属層１０１の磁化反転に寄与する。

このように、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向と、この積層方向に直行する方向に流れる電流量を２つの電源によって制御することで、ＳＯＴとＳＴＴが磁化反転に対して寄与する寄与率を自由に制御することができる。

例えば、デバイスに大電流を流すことができない場合は磁化反転に対するエネルギー効率の高いＳＴＴが主となるように制御することができる。すなわち、第１電源１４０から流れる電流量を増やし、第２電源１５０から流れる電流量を少なくすることができる。
また、例えば薄いデバイスを作製する必要があり、非磁性層１０２の厚みを薄くせざる得ない場合は、非磁性層１０２に流れる電流を少なくことが求められる。この場合は、第１電源１４０から流れる電流量を少なくし、第２電源１５０から流れる電流量を多くし、ＳＯＴの寄与率を高めることができる。

第１電源１４０及び第２電源１５０は公知のものを用いることができる。

上述のように、本発明のＳＴＴ方式及びＳＯＴ方式を併用する構成の場合の磁気抵抗効果素子によれば、ＳＴＴ及びＳＯＴの寄与率を、第１電源及び第２電源から供給される電流量により自由に制御することができる。そのため、デバイスに要求される性能に応じて、ＳＴＴとＳＯＴの寄与率を自由に制御することができ、より汎用性の高い磁気抵抗効果素子として機能することができる。

（製造方法）
本発明のスピン流磁化反転素子及びそれを備える磁気抵抗効果素子の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の成膜法を用いることができる。成膜法は、例えば、物理的気相成長（ＰＶＤ）法として、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、イオンプレーティング法、イオンビームデポジション法、スパッタリング法等を用いることができる。あるいは、化学的気相成長（ＣＶＤ）法として、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法等を用いることもできる。以下では、スピン軌道トルク型磁化反転素子を適用した磁気抵抗効果素子の製造方法の一例について説明することでスピン軌道トルク型磁化反転素子の製造方法の説明も兼ねる。

まず、支持体となる基板上にスピン軌道トルク配線を作製する。例えばスパッタリング法を用いて、スピン生成層、スピン伝導層を順次成膜する。次いで、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を所定の形状に加工する。

そして、スピン軌道トルク配線以外の部分は、酸化膜等の絶縁膜で覆う。あるいは、スピン軌道トルク配線の表面を酸化や窒化し、スピン軌道トルク配線の表面を絶縁層、または、高抵抗層としてもよい。この場合では少なくとも高抵抗化されたスピン軌道トルク配線の表面を覆う様に酸化膜等の絶縁膜で覆う。スピン軌道トルク配線及び絶縁膜の露出面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨することが好ましい。

次いで、磁気抵抗効果素子を作製する。磁気抵抗効果素子を、例えばスパッタリング法を用いて作製する。磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子の場合、例えば、トンネルバリア層は第１強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のマグネシウム、アルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる金属薄膜をスパッタリングし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。

得られた積層膜は、アニール処理することが好ましい。反応性スパッタで形成した層は、アモルファスであり結晶化する必要がある。例えば、強磁性金属層としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる場合は、Ｂの一部がアニール処理により抜けて結晶化する。

アニール処理して製造した磁気抵抗効果素子は、アニール処理しないで製造した磁気抵抗効果素子と比較して、磁気抵抗比が向上する。アニール処理によって、非磁性層のトンネルバリア層の結晶サイズの均一性及び配向性が向上するためであると考えられる。

アニール処理としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度で、５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。

磁気抵抗効果素子を所定の形状にする方法としては、フォトリソグラフィー等の加工手段を利用できる。まず磁気抵抗効果素子を積層した後、磁気抵抗効果素子のスピン軌道トルク配線と反対側の面に、レジストを塗工する。そして、所定の部分のレジストを硬化し、不要部のレジストを除去する。レジストが硬化した部分は、磁気抵抗効果素子の保護膜となる。レジストが硬化した部分は、最終的に得られる磁気抵抗効果素子の形状と一致する。

そして、保護膜が形成された面に、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の処理を施す。保護膜が形成されていない部分は除去され、所定の形状の磁気抵抗効果素子が得られる。

本発明は、上記実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の構成及び製造方法に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

（磁気メモリ）
本発明の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本発明の磁気抵抗効果素子を複数備える。

（磁化反転方法）
磁化回転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン伝導層に流れる電流密度が１×１０^７Ａ／ｃｍ^２未満とすることができる。スピン伝導層に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン伝導層に流れる電流によって熱が生じる。熱が第２強磁性金属層に加わると、第２強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン伝導層に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン伝導層に流す電流の電流密度は１×１０^７Ａ／ｃｍ^２未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。

磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、ＳＴＴ方式及びＳＯＴ方式を併用する構成の場合、スピン伝導層の電源に電流を印可した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印可してもよい。

ＳＯＴ磁化回転工程とＳＴＴ磁化回転工程は、同時に行ってもよいし、ＳＯＴ磁化回転工程を事前に行った後にＳＴＴ磁化回転工程を加えて行ってもよい。第１電源１４０と第２電源１５０から電流を同時に供給してもよいし、第２電源１５０から電流を供給後に、加えて第１電源１４０から電流を供給してもよいが、ＳＯＴを利用した磁化反転のアシスト効果をより確実に得るためには、スピン伝導層の電源に電流が印可した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印可することが好ましい。すなわち、第２電源１５０から電流を供給後に、加えて第１電源１４０から電流を供給することが好ましい。

１…第１強磁性金属層、２…スピン伝導層、３…スピン軌道トルク配線、１０…スピン流磁化反転素子、１００…磁気抵抗効果素子、１０１…第１強磁性金属層、１０２…非磁性層、１０３…第２強磁性金属層、１０４…キャップ層、１０５…磁気抵抗効果素子部、１１０…スピン伝導層、１２０…スピン軌道トルク配線、１３０…配線、１４０…第１電源、１５０…第２電源、１６０…基板、１７０…トランジスタ、１８０…ビア

Claims (7)

1. 第１強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層の表面と垂直な方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在するスピン軌道トルク層と、前記スピン軌道トルク層と前記第１強磁性金属層に挟持され、且つ前記第１強磁性金属層と前記スピン軌道トルク層とに接するスピン伝導層とを備え、前記スピン軌道トルク層は絶縁体化合物で構成され、前記スピン伝導層の抵抗は第１強磁性金属層の電気抵抗より低いことを特徴とするスピン流磁化反転素子。
2. 前記スピン伝導層はＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇの少なくともいずれか一種の元素を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
3. 前記スピン伝導層はＡｇ-Ｍｇ、Ｎｉ-Ａｌの少なくともいずれかの化合物を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
4. 前記スピン軌道トルク層はＰｔＯ_ｘ、ＷＯ_ｘ、ＩｒＯ_２、ＲｅＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘを主とした絶縁体化合物から構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
5. 前記スピン伝導層の厚さは、スピン伝導層の有するスピン拡散長以下の厚さであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
6. 第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性体層と、を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のスピン流磁化反転素子を複数備えていることを特徴とする磁気メモリ。

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