JP2020188138A - 記憶素子、半導体装置及び磁気記録アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】データの書き込み効率を高めることができる記憶素子、半導体装置及び磁気記録アレイを提供する。【解決手段】この記憶素子は、第１方向の磁化成分を有する第１強磁性層と、前記第１強磁性層に面し、前記第１方向と異なる第２方向に延びる第１配線と、前記第１強磁性層が位置する第１平面に対して第１方向に位置し、前記第１方向から見て延びる主方向が前記第２方向である導電部と、を有する導電部と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、記憶素子、半導体装置及び磁気記録アレイに関する。

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）素子は、磁気抵抗効果素子として知られている。磁気抵抗効果素子は、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）への応用が可能である。

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子が集積された記憶素子である。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子における非磁性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、磁気抵抗効果素子の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。強磁性層の磁化の向きは、例えば、電流が生み出す磁場を利用して制御する。また例えば、強磁性層の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して制御する。

ＳＴＴを利用して強磁性層の磁化の向きを書き換える場合、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性劣化の原因となる。

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れる。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を用いた書き込み方式は、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と言われている（例えば、非特許文献１）。例えば、強磁性層の磁化が強磁性層の積層方向（ｚ方向）に配向する場合は、配線が延びる方向（ｘ方向）への磁場の印加が求められる。

特開２０１７−２０４８３３号公報

S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.

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いわれている。反転電流密度は、磁気抵抗効果素子の磁化を反転するのに要する電流密度である。磁気抵抗効果素子は磁化の向きによりデータを記憶するため、反転電流密度はデータの書き込みに必要なエネルギー量を決める一因である。磁気抵抗効果素子は集積され磁気メモリとして用いられる場合が多い。それぞれの磁気抵抗効果素子の反転電流密度が大きくなると、磁気メモリの消費電力が増加する。磁気抵抗効果素子の反転電流密度を低減し、磁気メモリの消費電力を抑制することが求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、データの書き込み効率を高めることができる記憶素子、半導体装置及び磁気記録アレイを提供する。

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の態様に係る記憶素子は、第１方向の磁化成分を有する第１強磁性層と、前記第１強磁性層に面し、前記第１方向と異なる第２方向に延びる第１配線と、前記第１強磁性層が位置する第１平面に対して第１方向に位置し、前記第１方向から見て延びる主方向が前記第２方向である導電部と、を有する。

（２）上記態様にかかる記憶素子は、前記導電部に接続された第１ビア配線と第２ビア配線と、をさらに備えてもよい。

（３）上記態様にかかる記憶素子の前記導電部は、前記第１ビア配線との第１接続点と、前記第２ビア配線との第２接続点と、を含み、前記第１接続点と前記第２接続点とを結ぶ仮想線は、少なくとも第２方向の成分を有してもよい。

（４）上記態様にかかる記憶素子において、前記第１接続点と前記第２接続点とは、前記第１方向から見て、前記第１強磁性層を前記第２方向に挟んでもよい。

（５）上記態様に係る記憶素子において、前記第１ビア配線は、前記第１配線と接続されていてもよい。

（６）上記態様に係る記憶素子において、前記第２ビア配線は、前記第１方向から見て、前記第１強磁性層と重なってもよい。

（７）上記態様に係る記憶素子において、前記第１ビア配線及び前記第２ビア配線は、前記第１方向から見て、前記第１強磁性層と重ならない構成でもよい。

（８）上記態様に係る記憶素子において、前記導電部と前記第１強磁性層との前記第１方向の最短距離が、前記第１配線の前記第１方向の厚みの４倍以下であってもよい。

（９）上記態様に係る記憶素子において、前記導電部は、前記第１強磁性層の磁化を第１磁化方向から第２磁化方向に向ける際に電流が流れる方向と、前記第１強磁性層の磁化を第２磁化方向から第１磁化方向に向ける際に電流が流れる方向と、が異なってもよい。

（１０）上記態様に係る記憶素子において、前記第１強磁性層に対して前記第２方向に磁場を印加する磁場印加機構をさらに備えてもよい。

（１１）上記態様に係る記憶素子において、前記第１強磁性層を前記第２方向に挟む第１磁性体と第２磁性体とをさらに備えてもよい。

（１２）上記態様に係る記憶素子において、前記第１配線は、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を含んでもよい。

（１３）上記態様に係る記憶素子において、前記第１強磁性層の前記第１配線と反対側に位置する第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、さらに備えてもよい。

（１４）第２の態様に係る半導体装置は、上記態様に係る記憶素子と、前記記憶素子と電気的に接続された複数のスイッチング素子と、を備える。

（１５）第３の態様に係る磁気記録アレイは、上記態様に係る記憶素子を複数有する。

本実施形態にかかる記憶素子、半導体装置及び磁気記録アレイは、データの書き込み効率を高めることができる。

第１実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。 第１実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 第１実施形態にかかる半導体装置の要部（記憶素子）の断面図である。 第１実施形態にかかる記憶素子の平面図である。 第１実施形態にかかる記憶素子の機能を説明するための断面図である。 第１実施形態にかかる記憶素子の機能を説明するための断面図である。 ｙ方向に印加する磁場の強度を変えた際における磁気抵抗効果素子の抵抗変化の挙動の変化を示すグラフである。 ｙ方向に印加する磁場の強度を変えた際における反転電流値の挙動の変化を示すグラフである。 第２実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 第３実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 第４実施形態にかかる半導体装置の断面図である。 第５実施形態にかかる半導体装置の要部（記憶素子）の断面図である。 第６実施形態にかかる半導体装置の平面図である。 第７実施形態にかかる半導体装置の平面図である。 第８実施形態にかかる半導体装置の要部（記憶素子）の断面図である。 第９実施形態にかかる半導体装置の要部（記憶素子）の断面図である。

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。

まず方向について定義する。＋ｘ方向、−ｘ方向、＋ｙ方向及び−ｙ方向は、後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面と略平行な方向である。＋ｘ方向は、後述する第１配線２０が延びる一方向であり、後述する第１スイッチング素子１１０から第２スイッチング素子１２０に向かう方向である。−ｘ方向は、＋ｘ方向と反対の方向である。＋ｘ方向と−ｘ方向を区別しない場合は、単に「ｘ方向」と称する。ｘ方向は、第２方向の一例である。＋ｙ方向は、ｘ方向と直交する一方向である。−ｙ方向は、＋ｙ方向と反対の方向である。＋ｙ方向と−ｙ方向を区別しない場合は、単に「ｙ方向」と称する。＋ｚ方向は、後述する磁気抵抗効果素子１０の各層が積層されている方向である。−ｚ方向は、＋ｚ方向と反対の方向である。＋ｚ方向と−ｚ方向を区別しない場合は、単に「ｚ方向」と称する。ｚ方向は、第１方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、−ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。

本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されず、電気的に接続される場合も含む。本明細書で「面する」とは、２つの部材が互いに接する場合に限定されず、２つの部材の間に別の部材が存在する場合も含む。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ３００の構成図である。磁気記録アレイ３００は、複数の記憶素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ３００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。記憶素子１００は、記録素子とも呼ばれる。

書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、電源と１つ以上の記憶素子１００とを電気的に接続する。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いることができる配線である。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の記憶素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の記憶素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の記憶素子１００に亘って設けられてもよい。読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、電源と１つ以上の記憶素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ３００に接続される。

図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、複数の記憶素子１００のそれぞれに接続されている。第１スイッチング素子１１０は、記憶素子１００のそれぞれと書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、記憶素子１００のそれぞれと共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、記憶素子１００のそれぞれと読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に接続されている。

第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の記憶素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の記憶素子１００に接続された共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された記憶素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。

図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ３００を構成する半導体装置２００の断面図である。図２は、記憶素子１００を後述する第１配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。半導体装置２００は、記憶素子１００と、記憶素子１００に接続された複数のスイッチング素子（第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０）とを有する。第３スイッチング素子１３０は、図２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。第３スイッチング素子１３０は、ｙ方向に延びる電極５０と電気的に接続される。電極５０は導体であり、例えばＣｕ、Ａｌである。

図２に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、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のそれぞれと記憶素子１００との間は、導電部３０と複数のビア配線４０を介して、電気的に接続されている。ビア配線４０は、導電性を有する材料を含む。ビア配線４０は、ｚ方向に延びる。以下、導電部３０に接続された２つのビア配線４０をそれぞれ第１ビア配線４１、第２ビア配線と称し、第１配線２０の第１端に接続されたビア配線４０を第３ビア配線４３と称し、トランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐとを接続するビア配線４０を第４ビア配線４４と称し、トランジスタＴｒと共通配線Ｃｍとを接続するビア配線４０を第５ビア配線４５と称する。

記憶素子１００とトランジスタＴｒとは、導電部３０又はビア配線４０を除いて、絶縁層６０によって電気的に分離されている。絶縁層６０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６０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。

図３は、第１実施形態にかかる記憶素子１００の断面図である。図３は、図２に示す要部の拡大図である。図４は、第１実施形態にかかる記憶素子１００の平面図である。図３は、図４におけるＡ−Ａ線に沿った面で切断した断面である。

記憶素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と第１配線２０と導電部３０と第１ビア配線４１と第２ビア配線４２とを有する。また記憶素子１００は、第１磁性体７１及び第２磁性体７２を有してもよい。記憶素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用して磁化回転を行う素子であり、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化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。

磁気抵抗効果素子１０は、第１配線２０と電極５０とに挟まれる。磁気抵抗効果素子１０は、例えば、ｚ方向からの平面視が円形の柱状体である。磁気抵抗効果素子１０のｚ方向からの平面視形状は円形に問わず、例えば楕円形、矩形等でもよい。磁気抵抗効果素子１０の外周長又は直径は、例えば、電極５０から離れるに従い大きくなる。磁気抵抗効果素子１０の側面は、例えば、ｚ方向に対してｘ方向又はｙ方向に傾斜する。

磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、第１配線２０に面する。第２強磁性層２は、電極５０に面する。非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２とに挟まれる。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化Ｍ１，Ｍ２を有する。第２強磁性層２の磁化Ｍ２は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化Ｍ１よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２との磁化Ｍ２の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。強磁性体は、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である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｈｏ合金、Ｓｍ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金を含んでもよい。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む。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。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。

第１強磁性層１の磁化Ｍ１及び第２強磁性層２の磁化Ｍ２は、ｚ方向の磁化成分を有する。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、例えば、垂直磁化膜である。第１強磁性層１及び第２強磁性層２の膜厚は３ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１及び第２強磁性層２の膜厚がこの範囲であると、磁化Ｍ１，Ｍ２に界面磁気異方性が作用し、磁化Ｍ１，Ｍ２がｚ方向に配向しやすくなる。界面垂直磁気異方性は第１強磁性層１及び第２強磁性層２の膜厚を厚くすると相対的に効果が減衰するため、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の膜厚は薄い方が好ましい。

また、第１強磁性層及び第２強磁性層に、界面磁気異方性を誘起する材料を有する層を接するように形成してもよい。界面磁気異方性を誘起する材料を有する層により磁化Ｍ１、Ｍ２は、よりｚ方向に配向しやすくなる。例えば、界面磁気異方性を誘起する材料は重金属、レアアース、反強磁性体、酸化物などが挙げられる。重金属は周期表の第５周期及び第６周期に属する材料で、特にスピン軌道相互作用の強いＭｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉが挙げられる。レアアースは希土類元素に属する材料で、特にＮｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏが挙げられる。反強磁性体は第１強磁性層及び第２強磁性層に垂直方向の交換結合を与える材料で、特にＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｄＭｎが挙げられる。酸化物は３ｎｍ以下の膜厚で、化学量論比以下の酸素濃度で構成された材料で、特にＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ、ＨｆＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＷＯ_ｘ、ＰｔＯ_ｘが挙げられる。

また、第１強磁性層及び第２強磁性層は積層構造であってもよい。例えば［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎがあげられる。ｎは積層回数を表しており、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎの場合、ＣｏとＰｔとが積層された層をｎ層積層していることを意味する。積層回数ｎは、１回以上１０回以下が好ましい。

磁気抵抗効果素子１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２と反強磁性層とが反強磁性カップリングするとことで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、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。

磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、第１配線２０と磁気抵抗効果素子１０との間に下地層を有してもよい。また例えば、電極５０と磁気抵抗効果素子１０との間にキャップ層を有してもよい。下地層及びキャップ層は、磁気抵抗効果素子１０を構成する各層の結晶性を高める。

第１配線２０は、ｘ方向に延びる。第１配線２０は、例えば、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向より長い。第１配線２０は、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１に面する。第１配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。

第１配線２０は、電流Ｉ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を含む。第１配線２０は、スピン軌道トルク配線と言われる場合がある。

スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れ方向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、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果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。

第１配線２０は、電流Ｉ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。第１配線２０に電流Ｉ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とが、それぞれ電流Ｉの流れ方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、＋ｙ方向に配向した第１スピンＳ１が＋ｚ方向に曲げられ、−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２が−ｚ方向に曲げられる。

非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第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。すなわち、＋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の電子数とは等しい。第１スピンＳ１と第２スピンＳ２は、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２のｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、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、ｚ方向に生じる。第１スピンＳ１は、第１配線２０に面する第１強磁性層１に注入される。第１配線２０は、例えば、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのＳＯＴを第１強磁性層１の磁化に与える。

第１配線２０の主成分は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、イットリウム（Ｙ）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。第１配線２０は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗである。非磁性の重金属は、その他の金属よりスピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、第１配線２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすくなる。

第１配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、第１配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により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。

第１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は、物質内部が絶縁体又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。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、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。トポロジカル絶縁体は、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などである。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。

第１配線２０の厚みｈ１は、好ましくは１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、より好ましくは３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。第１配線２０の厚みｈ１が厚いと、第１配線２０を流れる電流の電流密度が低くなり、第１強磁性層１の磁化を反転させるために多くの電流が必要になる。反対に、第１配線２０の厚みｈ１が薄いと発熱の原因となる。

導電部３０は、第１強磁性層１が位置するｘｙ平面に対してｚ方向の位置に位置する。ｚ軸方向において第１強磁性層１と同じ高さ位置に広がるｘｙ平面を、第１平面と称する。導電部３０は、例えば、第１配線２０を基準に第１強磁性層１と反対側に位置する。導電部３０は導電性を有し、例えば、Ａｌ、Ｃｕである。導電部３０は、ｚ方向から見て延びる主方向がｘ方向である。「ｚ方向から見て延びる主方向がｘ方向である」とは、ｘ方向の長さ成分がｙ方向の長さ成分より長いことを意味する。導電部３０は、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向の長さより長い。導電部３０は、主として第２方向に延び、第１配線２０と略同じ方向に延びる。略同じ方向とは、第１配線２０及び導電部３０をｘ軸及びｙ軸に投影した際に、投影した線分が長い軸方向が一致することを意味する。

導電部３０は、第１ビア配線４１と第２ビア配線４２と接続される。導電部３０と第１ビア配線４１との接続点を第１接続点３１と称し、導電部３０と第２ビア配線４２との接続点を第２接続点３２と称する。第１接続点３１及び第２接続点３２は、例えば、導電部３０と第１ビア配線４１又は第２ビア配線４２との接続領域をｚ方向から平面視した際の中心である。導電部３０と第１ビア配線４１又は第２ビア配線４２との接続領域が平面視円形ではない場合は、接続領域に外接する円の中心である。

第１接続点３１と第２接続点３２とを結ぶ仮想線Ｌ１は、ｘ方向の成分を有する。図３及び図４に示す仮想線Ｌ１は、ｚ方向に傾斜しながらｘ方向に延び、ｘ方向の成分を有する。電流Ｉは、第１接続点３１と第２接続点３２との間を流れる。仮想線Ｌ１がｘ方向の成分を有すると、導電部３０を流れる電流Ｉの一部がｘ方向に流れる成分を有する。その結果、導電部３０は、第１強磁性層１においてｙ方向の成分を有する磁場を生み出す。

第１接続点３１と第２接続点３２とは、例えば、ｚ方向から見て、少なくとも一部が第１強磁性層１をｘ方向に挟む。第１接続点３１と第２接続点３２とが第１強磁性層１をｘ方向に挟むと、第１強磁性層１にｙ方向の磁場を印加しやすくなる。

導電部３０は、第１強磁性層１とｚ方向に異なる高さ位置に設けられる。導電部３０と第１強磁性層１とのｚ方向の最短距離ｈ２は、第１配線２０のｚ方向の厚みｈ１の４倍以下であることが好ましい。第１配線２０が生み出す磁場の大きさは、距離が離れるほど距離分の１で小さくなる。導電部３０と第１配線２０との距離が十分近いことで、第１強磁性層１にｙ方向の磁場を効率的に生み出すことができる。

導電部３０のｙ方向の幅ｗ２は、例えば、第１配線２０のｙ方向の幅ｗ１より広い。導電部３０は磁場を生み出す。導電部３０が生み出す磁場Ｈ，Ｈ’の強度は、電流Ｉの流れ方向（ｘ方向）と直交するｙ方向の端部を結ぶ円弧（図５、図６参照）に沿う位置で強くなる。導電部３０の幅ｗ２が第１配線２０の幅ｗ１より広いと、第１強磁性層１の位置に印加される磁場のｙ方向の成分が大きくなる。したがって、第１強磁性層１にｙ方向の磁場を効率的に印加できる。

第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、導電部３０に接続されている。第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、導電部３０に電流を供給する、又は、導電部３０から電流を排出する。第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、ｚ方向に延びる。図２及び３に示す第１ビア配線４１は、第１配線２０と導電部３０とに接続されている。図２及び３に示す第２ビア配線４２は、導電部３０とトランジスタＴｒとに接続されている。

第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、例えば、ｚ方向から見て、第１強磁性層１と重ならない位置にある。第２ビア配線４２は、例えば、ｘ方向において第３ビア配線４３と第１強磁性層１との間に位置する。第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、例えば、ｚ方向から見て、少なくとも一部が第１強磁性層１をｘ方向に挟む。

第１磁性体７１及び第２磁性体７２は、第１強磁性層１をｘ方向に挟む位置にある。第１磁性体７１及び第２磁性体７２は、磁性体を含む。第１磁性体７１及び第２磁性体７２は、例えば永久磁石であり、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、Ｎ、Ｓｉ、及びＰの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｈｏ合金、Ｓｍ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。第１磁性体７１と第２磁性体７２との間に磁場が生じる。第１磁性体７１及び第２磁性体７２は、第１強磁性層１にｘ方向の磁場を印加する。

第１磁性体７１及び第２磁性体７２は、第１強磁性層１にｘ方向の磁場を印加する磁場印加機構の一例である。磁場印加機構は、第１強磁性層１にｘ方向の磁場を印加できればよく、第１磁性体７１及び第２磁性体７２に限られない。例えば、磁場印加機構は、印加磁場強度を可変制御できる電磁石型、ストリップライン型でもよい。また磁場印加機構に変えて、電場を印加する電場印加機構としてもよい。

次いで、半導体装置２００の製造方法について説明する。半導体装置２００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。

まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄを形成する。次いで、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。

次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層６０を形成する。ｚ方向に延びるビア配線４０は、絶縁層６０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで形成される。ｘｙ面内に広がる第１配線２０、導電部３０、書き込み配線Ｗｐ、共通配線Ｃｍ等は、導電体を積層した後に所定の形状に加工することで得られる。

磁気抵抗効果素子１０は、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層し、所定の形状に加工することで得られる。第１磁性体７１及び第２磁性体７２は、磁気抵抗効果素子１０を覆うように絶縁層、磁性層を順に成膜し、所定の形状に加工することで得られる。第１磁性体７１及び第２磁性体７２の加工は、第１配線２０及び磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の形状の加工と同時に行ってもよい。

次いで、記憶素子１００の機能について説明する。図５及び図６は、記憶素子１００の機能を説明するための断面図である。図５及び図６は、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で記憶素子１００を切断した図であり、図４におけるＢ−Ｂ線に沿った面で切断した断面である。

記憶素子１００は、データの書き込み時に、第１配線２０に沿って電流Ｉを流す（図３参照）。電流Ｉを流す方向は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を第１磁化方向から第２磁化方向に変える際と、第２磁化方向から第１磁化方向に変える際とで異なる。例えば図５に示すように、磁気抵抗効果素子１０を高抵抗状態から低抵抗状態に変える際に、第１配線２０に＋ｘ方向の電流Ｉ１を流し、例えば図６に示すように、磁気抵抗効果素子１０を低抵抗状態から高抵抗状態に変える際に、第１配線２０に−ｘ方向の電流Ｉ１’を流す。電流Ｉ１，Ｉ１’の流れ方向は、第１配線２０のスピンホール角の極性によって反転する場合もある。

第１配線２０と導電部３０とは、第１ビア配線４１を介して電気的に接続されている（図３参照）。第１配線２０に電流Ｉ１，Ｉ１’が流れると、導電部３０にも電流Ｉ２、Ｉ２’が流れる。電流Ｉ１のｘ方向の成分の向きと、電流Ｉ２のｘ方向の成分の向きとは反対である。図５に示すように電流Ｉ１が＋ｘ方向に流れると、電流Ｉ２は−ｘ方向に流れる。図６に示すように電流Ｉ１’が−ｘ方向に流れると、電流Ｉ２’は＋ｘ方向に流れる。導電部３０内を流れる電流Ｉ２，Ｉ２’の方向は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を第１磁化方向から第２磁化方向に変える際と、第２磁化方向から第１磁化方向に変える際とで異なる。

導電部３０を流れる電流Ｉ２，Ｉ２’は、磁場Ｈ，Ｈ’を生み出す。磁場Ｈ，Ｈ’は、アンペールの法則に従って生じる。電流Ｉ２と電流Ｉ２’とは、電流の流れ方向が異なるため、磁場Ｈの方向と磁場Ｈ’の方向とは異なる。電流Ｉ２は、第１強磁性層１に−ｙ方向の磁場を印加する。電流Ｉ２’は、第１強磁性層１に＋ｙ方向の磁場を印加する。したがって、導電部３０は、例えば、磁化Ｍ１の向きを第１磁化方向から第２磁化方向に変える際に、第１強磁性層１に−ｙ方向の磁場を印加し、磁化Ｍ１の向きを第２磁化方向から第１磁化方向に変える際に、第１強磁性層１に＋ｙ方向の磁場を印加する。

図７は、ｙ方向に印加する磁場の強度を変えた際における磁気抵抗効果素子の抵抗変化の挙動の変化を示すグラフである。また図８は、ｙ方向に印加する磁場の強度を変えた際における反転電流値の挙動の変化を示すグラフである。反転電流値は、第１強磁性層１の磁化を反転させるのに要する電流値である。ｙ方向の磁場は、−４００Ｏｅ、−２００Ｏｅ、０Ｏｅ、＋２００Ｏｅ、＋４００Ｏｅとした。「−」は−ｙ方向に磁場を印加したことを意味し、「＋」は＋ｙ方向に磁場を印加したことを意味する。

図７に示すように、−ｙ方向に磁場を印加すると、磁気抵抗効果素子１０を高抵抗状態から低抵抗状態に変える反転電流値の絶対値が小さくなっている。反対に、＋ｙ方向に磁場を印加すると、磁気抵抗効果素子１０を低抵抗状態から高抵抗状態に変える反転電流値の絶対値が小さくなっている。図８は、この結果をｙ方向の磁場強度と、ｘ方向に流す電流の絶対値で置き換えたものである。図８において＋Ｉ_Ｃは、＋ｘ方向に流れる電流の電流量の絶対値である。また図８において−Ｉ_Ｃは、−ｘ方向に流れる電流の電流量の絶対値である。

磁気抵抗効果素子１０は、高抵抗状態から低抵抗状態に磁化状態が変化する際に＋ｙ方向の磁場を印加し、低抵抗状態から高抵抗状態に磁化状態が変化する際に−ｙ方向の磁場を印加すると、反転電流値の絶対値が小さくなっている。第１強磁性層１の磁化がｚ方向に配向している場合は、ｘ方向の磁場を印加することが磁化反転に寄与することは知られていたが、ｙ方向の磁場が磁化反転に寄与することが確認された。

磁気抵抗効果素子１０の反転電流値が小さくなると、データの書き込みに要するエネルギーが小さくなる。したがって、第１実施形態にかかる記憶素子１００は、データの書き込み効率を高めることができる。

以上、第１実施形態の一例について詳述したが、この例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。

［第２実施形態］
図９は、第２実施形態に係る半導体装置２０１の断面図である。図９は、記憶素子１０１を第１配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第２実施形態に係る半導体装置２０１は、記憶素子１０１において第２ビア配線４２が磁気抵抗効果素子１０とｚ方向に重なる位置にある点が、第１実施形態に係る半導体装置２００と異なる。第１実施形態に係る半導体装置２００と同様の構成については説明を省く。

第２ビア配線４２は、ｚ方向から見て、第１強磁性層１と重なる位置にある。第２接続点３２に対して第１接続点３１はｘ方向の位置にあるため、導電部３０に流れる電流はｘ方向の成分を有する。導電部３０は、第１強磁性層１にｙ方向の磁場を印加する。

したがって、第２実施形態にかかる記憶素子１０１は、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。また第２ビア配線４２と第１強磁性層１とが重なると、磁気記録アレイのうち一つの記憶素子１０１が示すｘ方向の幅を小さくできる。したがって、記憶素子１０１の集積度を高めることができる。
また、第２ビア配線４２と第１強磁性層１とが重なると、第１強磁性層１におけるｙ方向の磁場の強度が強くなり、第１強磁性層１にｙ方向の磁場を効率的に印加できる。

［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態に係る半導体装置２０２の断面図である。図１０は、記憶素子１０２を第１配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第３実施形態に係る半導体装置２０２は、記憶素子１０２が第２導電部３５と第６ビア配線４６とをさらに有する点が、第１実施形態に係る半導体装置２００と異なる。第１実施形態に係る半導体装置２００と同様の構成については説明を省く。

第２導電部３５は、導電部３０とｚ方向の異なる位置に、導電部３０と離間して配置されている。第２導電部３５は、導電部３０と第２ビア配線４２を介して接続されている。第６ビア配線４６は、第２スイッチング素子１２０と第２導電部３５とを接続する。第２導電部３５を構成する材料は、例えば、導電部３０と同様である。第６ビア配線４６を構成する材料は、例えば、その他のビア配線と同様である。第６ビア配線４６は、例えば、第１ビア配線４１とｚ方向に重なる位置にある。

半導体装置２０２において記憶素子１０２とトランジスタＴｒが形成された基板Ｓｕｂとは、別々に作製される場合が多い。例えば、トランジスタＴｒが形成された基板Ｓｕｂを準備し、その上に、記憶素子１０２を形成する。トランジスタＴｒが形成された基板Ｓｕｂは、所定の半導体装置２０２のための特注品を準備するとコストが増加するため、汎用性が高いことが好ましい。トランジスタＴｒは、基板Ｓｕｂ上に等間隔に形成される場合が多い。したがって、第２導電部３５によりトランジスタＴｒ間の間隔を調整することで、汎用性の高い基板Ｓｕｂを用いることができ、半導体装置２０２を低コストで製造できる。

［第４実施形態］
図１１は、第４実施形態に係る半導体装置２０３の断面図である。図１１は、記憶素子１０３を第１配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第４実施形態に係る半導体装置２０３は、記憶素子１０３の導電部３６の形状が、第１実施形態に係る半導体装置２００と異なる。第１実施形態に係る半導体装置２００と同様の構成については説明を省く。

導電部３６は、ｘｙ平面に対してｚ方向に傾斜している。導電部３６は、ｚ方向から平面視でｘ方向に延びる。導電部３６は、第１ビア配線４１と第２ビア配線４２とに接続されている。第２ビア配線４２に対して第１ビア配線４１はｘ方向の位置にあるため、導電部３６に流れる電流はｘ方向の成分を有する。導電部３６は、第１強磁性層１にｙ方向の磁場を印加する。

したがって、第３実施形態にかかる記憶素子１０３は、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。また第３実施形態にかかる記憶素子１０３は、導電部３６と第１強磁性層１とのｚ方向の距離が、ｘ方向の位置によって異なる。導電部３６が第１強磁性層１の位置に生み出す磁場の強度は、第１強磁性層１とのｚ方向の距離が近いほど大きくなる。第１強磁性層１の磁化は、ｙ方向に大きな磁場が印加されるほど磁化反転しやすくなる。第１強磁性層１の磁化反転は、一部が反転すると磁壁の移動のように伝播していく。導電部３６と第１強磁性層１とのｚ方向の距離が近い位置で、磁化反転の起点を生み出し、磁化反転を伝播させることで、第１強磁性層１の磁化を反転させるのに必要な反転電流密度をより小さくできる。

［第５実施形態］
図１２は、第５実施形態に係る半導体装置の要部（記憶素子１０４）の断面図である。図１２は、記憶素子１０４を第１配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第５実施形態に係る記憶素子１０４は、導電部３７と第２ビア配線４２との位置関係が、第１実施形態に係る記憶素子１００と異なる。第１実施形態に係る記憶素子１００と同様の構成については説明を省く。

導電部３７は、第１ビア配線４１と第２ビア配線４２と接続されている。導電部３７は、ｘ方向に延びる。導電部３７は、ビア配線の一部ともみなせる。第１接続点３１と第２接続点３２とを結ぶ仮想線Ｌ２は、ｚ方向に傾斜しながらｘ方向に延び、ｘ方向の成分を有する。電流Ｉは、第１接続点３１と第２接続点３２との間を流れる。仮想線Ｌ２がｘ方向の成分を有することで、導電部３７を流れる電流Ｉの一部がｘ方向に流れる成分を有する。導電部３７は、ｙ方向の成分を有する磁場を生み出す。導電部３７を構成する材料は、導電部３０と同様である。

第５実施形態にかかる記憶素子１０４は、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。第５実施形態にかかる記憶素子１０４における第２ビア配線４２は、第１実施形態にかかる記憶素子１００における第２ビア配線４２より径が大きく、放熱性に優れる。磁気抵抗効果素子１０及び第１配線２０で生じた熱を効率的に逃がすことで、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化Ｍ１、Ｍ２の安定性を高め、データの信頼性を高めることができる。

［第６実施形態］
図１３は、第６実施形態に係る記憶素子１０５の平面図である。第６実施形態に係る記憶素子１０５は、導電部３８の形状が、第１実施形態に係る記憶素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る記憶素子１００と同様であり、説明を省く。

導電部３８は、第１部分３８Ａと第２部分３８Ｂとを有する。第１部分３８Ａはｘ方向に延びる部分であり、第２部分３８Ｂはｙ方向に延びる部分である。導電部３８は、主としてｘ方向に延びる。導電部３８は、第１配線２０が広がるｘｙ平面に対してｚ方向の位置にある。第１部分３８Ａは、第１配線２０とｙ方向にずれた位置にある。電流Ｉは、第１部分３８Ａをｘ方向に流れる。第１部分３８Ａは、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層にｙ方向の成分を有する磁場を印加する。導電部３８を構成する材料は、導電部３０と同様である。

第６実施形態にかかる記憶素子１０５は、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。また導電部３８が第１強磁性層１に印加する磁場は、ｙ方向の成分に加えて、ｚ方向の成分も有する。ｚ方向の成分の磁場は、第１強磁性層１の磁化反転をアシストし、第１強磁性層１の磁化を反転させるのに必要な反転電流密度をより小さくできる。また磁気抵抗効果素子１０と導電部３８がｚ方向の位置が重ならないことで、磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が向上し、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の垂直磁気異方性が高まる。導電部３８とｚ方向に重ならない位置における絶縁層６０の平坦性は、導電部３８の影響を受けないため、導電部３８とｚ方向に重なる位置より高いためである。平坦性が高い基板上に磁気抵抗効果素子１０を積層すると、磁気抵抗効果素子１０の各層の結晶性が高まり、磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）、及び、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の垂直磁気異方性が向上する。

［第７実施形態］
図１４は、第７実施形態に係る記憶素子１０６の平面図である。第７実施形態に係る記憶素子１０６は、導電部３９の形状が、第１実施形態に係る記憶素子１００と異なる。第１実施形態に係る記憶素子１００と同様の構成については、説明を省く。

導電部３９は、ｘ方向に対してｙ方向に傾斜している。導電部３９をｘ軸に射影した長さはｙ軸に射影した長さより長く、導電部３９は延びる主方向がｘ方向である。導電部３９は、第１配線２０が広がるｘｙ平面に対してｚ方向の位置にある。導電部３９は、第１ビア配線４１と第２ビア配線４２と接続されている。第１接続点３１と第２接続点３２とを結ぶ仮想線Ｌ３は、ｘ方向に対してｙ方向に傾斜し、ｘ方向の成分を有する。電流Ｉは、第１接続点３１と第２接続点３２との間を流れる。仮想線Ｌ３がｘ方向の成分を有することで、導電部３９を流れる電流Ｉの一部がｘ方向に流れる成分を有する。導電部３９は、ｙ方向の成分を有する磁場を生み出す。導電部３９を構成する材料は、導電部３０と同様である。

第７実施形態にかかる記憶素子１０６は、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。また第７実施形態にかかる記憶素子１０６は、導電部３９と第１強磁性層１との距離が、ｘ方向の位置によって異なる。導電部３９が第１強磁性層１の位置に生み出す磁場の強度は、第１強磁性層１との距離が近いほど大きくなる。第１強磁性層１の磁化は、ｙ方向に大きな磁場が印加されるほど磁化反転しやすくなる。第１強磁性層１の磁化反転は、一部が反転すると磁壁の移動のように伝播していく。導電部３９と第１強磁性層１とのが近い位置で、磁化反転の起点を生み出し、磁化反転を伝播させることで、第１強磁性層１の磁化を反転させるのに必要な反転電流密度をより小さくできる。

［第８実施形態］
図１５は、第８実施形態に係る半導体装置の要部（記憶素子１０７）の断面図である。図１５は、記憶素子１０７を第１配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第８実施形態に係る記憶素子１０７は、第１ビア配線４１が第１配線２０と接続されていない点が、第１実施形態に係る記憶素子１００と異なる。第１実施形態に係る記憶素子１００と同様の構成については、説明を省く。

導電部３０は、第１ビア配線４１と第２ビア配線４２と接続されている。第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、第１配線２０と接続されていない。導電部３０は、第１配線２０とは独立に電流が流れる。導電部３０は、ｘ方向に電流が流れる。導電部３０は、第１強磁性層１にｙ方向の成分を有する磁場を印加する。第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、例えば、導電部３０に流れる電流を制御するトランジスタと接続されている。

第１配線２０は、第３ビア配線４３と第７ビア配線４７とに接続されている。第７ビア配線４７は、例えば、第２スイッチング素子と接続されている。第７ビア配線４７を構成する材料は、その他のビア配線と同様である。

第８実施形態にかかる記憶素子１０７は、導電部３０がｙ方向の磁場を生み出すため、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。また導電部３０に流す電流量を、第１配線２０に流す電流量によらず設定でき、第１強磁性層１のｙ方向により大きな磁場を生み出すことができる。

［第９実施形態］
図１６は、第９実施形態にかかる半導体装置の要部（記憶素子１０８）の断面図である。図１６は、記憶素子１０８を第１配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第９実施形態に係る記憶素子１０８は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点が、第１実施形態に係る記憶素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る記憶素子１００と同様であり、説明を省く。

記憶素子１０８は、単独で、異方性磁気センサ、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利用できる。

第９実施形態にかかる記憶素子１０８は、非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。

以上、本発明は上記の実施形態及び変形例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。例えば、各実施形態の特徴的な構成をそれぞれ組み合わせてもよい。

１ 第１強磁性層
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
１０ 磁気抵抗効果素子
２０ 第１配線
３０、３６、３７、３８、３９ 導電部
３１ 第１接続点
３２ 第２接続点
４０ ビア配線
４１ 第１ビア配線
４２ 第２ビア配線
５０ 電極
６０ 絶縁層
７１ 第１磁性体
７２ 第２磁性体
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 記憶素子
１１０ 第１スイッチング素子
１２０ 第２スイッチング素子
１３０ 第３スイッチング素子
２００、２０１、２０２ 半導体装置
３００ 磁気記録アレイ
ｈ１ 厚み
ｈ２ 最短距離
Ｉ、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ１’、Ｉ２’ 電流
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 仮想線
Ｍ１、Ｍ２ 磁化
Ｔｒ トランジスタ

Claims (15)

1. 第１方向の磁化成分を有する第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層に面し、前記第１方向と異なる第２方向に延びる第１配線と、
   前記第１強磁性層が位置する第１平面に対して前記第１方向に位置し、前記第１方向から見て延びる主方向が前記第２方向である導電部と、を有する、記憶素子。
2. 前記導電部に接続された第１ビア配線と第２ビア配線と、をさらに備える、請求項１に記載の記憶素子。
3. 前記導電部は、前記第１ビア配線との第１接続点と、前記第２ビア配線との第２接続点と、を含み、
   前記第１接続点と前記第２接続点とを結ぶ仮想線は、少なくとも第２方向の成分を有する、請求項２に記載の記憶素子。
4. 前記第１接続点と前記第２接続点とは、前記第１方向から見て、前記第１強磁性層を前記第２方向に挟む、請求項３に記載の記憶素子。
5. 前記第１ビア配線は、前記第１配線と接続されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載の記憶素子。
6. 前記第２ビア配線は、前記第１方向から見て、前記第１強磁性層と重なる、請求項２〜５のいずれか一項に記載の記憶素子。
7. 前記第１ビア配線及び前記第２ビア配線は、前記第１方向から見て、前記第１強磁性層と重ならない、請求項２〜５のいずれか一項に記載の記憶素子。
8. 前記導電部と前記第１強磁性層との前記第１方向の最短距離が、前記第１配線の前記第１方向の厚みの４倍以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の記憶素子。
9. 前記導電部は、前記第１強磁性層の磁化を第１磁化方向から第２磁化方向に向ける際に電流が流れる方向と、前記第１強磁性層の磁化を第２磁化方向から第１磁化方向に向ける際に電流が流れる方向と、が異なる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の記憶素子。
10. 前記第１強磁性層に対して前記第２方向に磁場を印加する磁場印加機構をさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の記憶素子。
11. 前記第１強磁性層を前記第２方向に挟む第１磁性体と第２磁性体とをさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の記憶素子。
12. 前記第１配線は、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を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の記憶素子。
13. 前記第１強磁性層の前記第１配線と反対側に位置する第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、さらに備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の記憶素子。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の記憶素子と、
    前記記憶素子と電気的に接続された複数のスイッチング素子と、を備える半導体装置。
15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の記憶素子を複数有する、磁気記録アレイ。

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