JP2020155606A - スピン流磁化反転素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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1×107A/cm2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1×107A/cm2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。
Claims (7)
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記スピン軌道トルク層はPtOx、WOx、IrO2、ReOx、TaOx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。
- 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。
- 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。
- 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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