JP2021019087A - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
【課題】磁化固定層からの漏れ磁場に起因した、反転電流の非対称性が低減された磁気抵抗効果素子を提供することである。【解決手段】本発明の磁気抵抗効果素子１０は、磁化方向が変化する第１強磁性層１と、磁化方向が固定されている第２強磁性層２と、第１強磁性層１と第２強磁性層２とで挟持された非磁性層３と、が積層方向である第１方向（ｚ方向）に積層されており、第１強磁性層１及び第２強磁性層２はいずれも、第１方向（ｚ方向）において中心部１Ａ、２Ａが外周部１Ｂ、２Ｂに対して突き出るように曲がっており、中心部１Ａ、２Ａの突き出る向きは互いに逆であって、第１方向（ｚ方向）において互いの中心部１Ａ、２Ａ間の距離に比べて互いの外周部１Ｂ、２Ｂ間の距離が大きい。【選択図】図１
Description
本発明は、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。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、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（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、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。あるいは、異種材料の界面における界面ラシュバ効果によって生じた純スピン流でも同様の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。
スピンホール効果は、スピン軌道相互作用の大きさに依存する。非特許文献１では、スピン軌道トルク配線にスピン軌道相互作用を生じるｄ電子を有した重金属であるＴａを用いている。また、半導体であるＧａＡｓでは、時間的な反転対称性の崩れから生じる結晶内部の電場によってスピン軌道相互作用が生じることが知られている。
S. Fukami, T. Anekawa, C. Zhang and H. Ohno, Nature Nano Tech (2016). DOI: 10.1038/NNANO.2016.29
スピン軌道トルク（ＳＯＴ）型の磁気抵抗効果素子では、磁場によって磁化自由層（フリー層）の磁化反転挙動が変化する。
図７に、典型的な磁気抵抗効果素子１００の断面模式図を示す。磁気抵抗効果素子１００は、磁化固定層（ピン層）１０１と磁化自由層１０２とその間に挟持された非磁性層１０３を備える。磁化自由層１０２が受ける磁場には磁化固定層１０１の端部１０１ａからの漏れ磁場ＢＬもあり、この漏れ磁場ＢＬの影響で、平行から反平行への磁化反転時の反転電流と反平行から平行への磁化反転時の反転電流とで非対称な磁化反転挙動となる。
図７に、典型的な磁気抵抗効果素子１００の断面模式図を示す。磁気抵抗効果素子１００は、磁化固定層（ピン層）１０１と磁化自由層１０２とその間に挟持された非磁性層１０３を備える。磁化自由層１０２が受ける磁場には磁化固定層１０１の端部１０１ａからの漏れ磁場ＢＬもあり、この漏れ磁場ＢＬの影響で、平行から反平行への磁化反転時の反転電流と反平行から平行への磁化反転時の反転電流とで非対称な磁化反転挙動となる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁化固定層からの漏れ磁場に起因した、反転電流の対称性が向上した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）本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が変化する第１強磁性層と、磁化方向が固定されている第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とで挟持された非磁性層と、が第１方向に積層されており、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層はいずれも、前記第１方向において中心部が外周部に対して突き出るように曲がっており、中心部の突き出る向きは互いに逆であって、前記第１方向において互いの中心部間の距離に比べて互いの外周部間の距離が大きい。
（２）本発明の第２の態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が変化する第１強磁性層と、磁化方向が固定されている第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とで挟持された非磁性層と、が第１方向に積層されており、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層はいずれも、前記第１方向に沿って前記非磁性層から離間するにつれて、前記第１方向に直交する断面の断面積が大きくように形成されてなる。
（３）本発明の第３の態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に形成された非磁性層と、を備え、前記第１の強磁性層と前記非磁性層と前記第２の強磁性層とが並ぶ第１方向における前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との距離として、少なくとも、第１の距離と、前記第１の距離よりも長い第２の距離と、前記第１の距離よりも長い第３の距離と、が存在している。
（４）上記（３）納品態様に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１の方向と垂直方向の第２の方向から見て、 前記第１の距離を有する位置が、前記第２の距離を有する位置と前記第３の距離を有する位置とに挟まれていてもよい。
（５）上記態様において、前記第１強磁性層の膜厚が前記第２強磁性層の膜厚よりも薄くてもよい。
（６）上記態様において、前記非磁性層がＮａＣｌ構造を含んでもよい。
（７）上記態様において、前記非磁性層がスピンネル構造または逆スピネル構造を含んでもよい。
（８）上記態様において、前記第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、前記第１強磁性層に接合するスピン軌道トルク配線を備えてもよい。
（９）本発明の第３の態様に係る磁気メモリは、第１の態様に係る上記磁気抵抗効果素子、又は、第２の態様に係る上記磁気抵抗効果素子のいずれかを複数備えている。
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、磁化固定層からの漏れ磁場に起因した、反転電流の対称性が向上した磁気抵抗効果素子を提供できる。
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、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。
（磁気抵抗効果素子）
「第１実施形態」
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図であり、図１（ｂ）は、第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の積層体の４つの例の平面模式図である。図１（ｂ）において、矢印は磁化容易軸の方向の一例を示すものである。また、図２は、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の平面模式図であり、便宜上、当該平面模式図において、第１強磁性層及び第２強磁性層の両方の符号を付与した。
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、第１強磁性層１と第２強磁性層２とで挟持された非磁性層３と、が積層方向である第１方向（ｚ方向）に積層されており、第１強磁性層１及び第２強磁性層２はいずれも、第１方向（ｚ方向）において中心部１Ａ、２Ａが外周部１Ｂ、２Ｂに対して突き出るように曲がっており、中心部１Ａ、２Ａの突き出る向きは互いに逆であって、第１方向（ｚ方向）において互いの中心部１Ａ、２Ａ間の距離に比べて互いの外周部１Ｂ、２Ｂ間の距離が大きい。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１、非磁性層３及び第２強磁性層２の積層構造を基板５上に備えた例である。
磁気抵抗効果素子１０は、本発明の効果を奏する範囲でこれらの層以外にキャップ層、下地層等の他の層を有してもよい。
「第１実施形態」
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図であり、図１（ｂ）は、第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の積層体の４つの例の平面模式図である。図１（ｂ）において、矢印は磁化容易軸の方向の一例を示すものである。また、図２は、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の平面模式図であり、便宜上、当該平面模式図において、第１強磁性層及び第２強磁性層の両方の符号を付与した。
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、第１強磁性層１と第２強磁性層２とで挟持された非磁性層３と、が積層方向である第１方向（ｚ方向）に積層されており、第１強磁性層１及び第２強磁性層２はいずれも、第１方向（ｚ方向）において中心部１Ａ、２Ａが外周部１Ｂ、２Ｂに対して突き出るように曲がっており、中心部１Ａ、２Ａの突き出る向きは互いに逆であって、第１方向（ｚ方向）において互いの中心部１Ａ、２Ａ間の距離に比べて互いの外周部１Ｂ、２Ｂ間の距離が大きい。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１、非磁性層３及び第２強磁性層２の積層構造を基板５上に備えた例である。
磁気抵抗効果素子１０は、本発明の効果を奏する範囲でこれらの層以外にキャップ層、下地層等の他の層を有してもよい。
以下、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３の積層方向をｚ方向という。図１に示す例では、ｚ方向は基板５の主面に垂直な方向でもある。また、ｚ方向に垂直な面内方向をｘｙ面内方向といい、基板５の主面はｘｙ面内方向となる。ｘｙ面内の一方向をｘ方向、ｘｙ面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向という。
＜第１強磁性層、第２強磁性層＞
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は磁性体である。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
図１に示した第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、磁化がｘｙ平面の面内方向に配向した面内磁化膜であるが、磁化がｚ方向に配向した垂直磁化膜であってもよい。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は磁性体である。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
図１に示した第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、磁化がｘｙ平面の面内方向に配向した面内磁化膜であるが、磁化がｚ方向に配向した垂直磁化膜であってもよい。
第２強磁性層２の磁化は、例えば、第１強磁性層１の磁化より動きにくい。所定の外力を加えた場合に、第２強磁性層２の磁化の向きは変化せず（固定され）、第１強磁性層１の磁化の向きは変化する。第２強磁性層２の磁化の向きに対して第１強磁性層１の磁化の向きが変化することで、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は変化する。この場合、第２強磁性層２は磁化固定層と言われ、第１強磁性層１は磁化自由層と呼ばれる場合がある。以下、第１強磁性層１が磁化自由層、第２強磁性層２が磁化固定層の場合を例に説明する。
第１強磁性層１は、中心部１Ａが外周部１Ａに対してｚ方向の−ｚ向きに突き出るように曲がっている。また、第２強磁性層２は、中心部２Ａが外周部２Ｂに対してｚ方向の+ｚ向きに突き出るように曲がっている。
すなわち、第１強磁性層１及び第２強磁性層２について、中心部１Ａ、２Ａの突き出る向きは互いに逆である。そのため、第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ｚ方向において、互いの中心部１Ａ、２Ａ間の距離に比べて互いの外周部１Ｂ、２Ｂ間の距離が大きくなるように構成されている。
図１及び図２を参照して、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の中心部及び外周部について詳細に説明する。
まず、中心線Ｘ０−Ｘ０は、第１強磁性層及び第２強磁性層の中心を貫くｚ方向に平行な線である。第１強磁性層の中心あるいは第２強磁性層の中心とは、図１（ｂ）（i）のような円の場合はその円の中心であり、図１（ｂ）（ii）のような楕円の場合は短軸と長軸の交点であり、図１（ｂ）（iii）や（iv）のような正方形、長方形などの四辺形の場合は、対角線の交点を指す。
本明細書において「中心部」とは、+ｚ側から−ｚ側へ平面視して、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とし、第１強磁性層１あるいは第２強磁性層２の外周１ａ、２ａの、面積比で１／１０の相似形を、ｚ方向に掃引して得られる部分である。例えば、平面視で半径ｒの円の場合（図２参照）、面積比で１／１０の相似形の円とは、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とする半径がおおよそ０．３１６ｒの円である。
また、本明細書において「外周部」とは、+ｚ側から−ｚ側へ平面視して、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とし、第１強磁性層１あるいは第２強磁性層２の外周１ａ、２ａの、面積比で７／１０の相似形を強磁性層の平面形状から除いた残りの領域を、ｚ方向に掃引して得られる部分である。例えば、平面視で半径ｒの円の場合（図２参照）、面積比で７／１０の相似形の円とは、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とする半径がおおよそ０．８３７ｒの円であり、「外周部」は強磁性層の平面形状からこの０．８３７ｒの円を除いた残りの領域である。
磁気抵抗効果素子１０においては、第１強磁性層１の中心部１Ａと第２強磁性層２の中心部２Ａとのｚ方向の距離（矢印Ａ、Ａ’で示した線間の距離）に比べて、第１強磁性層１の外周部１Ｂと第２強磁性層２の外周部２Ｂとのｚ方向の距離（矢印Ｂ、Ｂ’で示した線間の距離）が大きい。第１強磁性層１と第２強磁性層２の距離とは、ｚ方向における、第１強磁性層１の下面１ｂと第２強磁性層２の上面２ｂとの距離を意味する。例えば、第１強磁性層１の中心部１Ａと第２強磁性層２の中心部２Ａとの距離とは、ｚ方向における、第１強磁性層１の中心部１Ａにおける下面１ｂと第２強磁性層２の中心部２Ａにおける上面２ｂとの距離を意味する。
なお、互いの外周部間のｚ方向の距離を決定する際、第１強磁性層１の外周部１Ｂの下面（第２強磁性層２に対向する面）１ｂの任意の点、第２強磁性層１の外周部２Ｂの上面（第１強磁性層１に対向する面）２ｂの任意の点を選択できる。図１に示す例では、第１強磁性層１の外周部１Ｂの下面１ｂと側面１Ｂａとの交点Ｐ２と、第２強磁性層１の外周部２Ｂの上面２ｂと側面２Ｂａとの交点Ｑ２との距離を、互いの外周部間のｚ方向の距離とした。同様に、互いの中心部間のｚ方向の距離を決定する際、第１強磁性層１の中心部１Ａの下面１ｂの任意の点、第２強磁性層１の中心部２Ａの上面２ｂの任意の点を選択できる。図１に示す例では、第１強磁性層１の中心部１Ａの下面１ｂの中心線Ｘ０−Ｘ０の近傍の点Ｐ１と、第２強磁性層１の外周部２Ｂの上面２ｂの中心線Ｘ０−Ｘ０の近傍の点Ｑ１との距離を、互いの中心部間のｚ方向の距離とした。
すなわち、第１強磁性層１及び第２強磁性層２について、中心部１Ａ、２Ａの突き出る向きは互いに逆である。そのため、第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ｚ方向において、互いの中心部１Ａ、２Ａ間の距離に比べて互いの外周部１Ｂ、２Ｂ間の距離が大きくなるように構成されている。
図１及び図２を参照して、第１強磁性層あるいは第２強磁性層の中心部及び外周部について詳細に説明する。
まず、中心線Ｘ０−Ｘ０は、第１強磁性層及び第２強磁性層の中心を貫くｚ方向に平行な線である。第１強磁性層の中心あるいは第２強磁性層の中心とは、図１（ｂ）（i）のような円の場合はその円の中心であり、図１（ｂ）（ii）のような楕円の場合は短軸と長軸の交点であり、図１（ｂ）（iii）や（iv）のような正方形、長方形などの四辺形の場合は、対角線の交点を指す。
本明細書において「中心部」とは、+ｚ側から−ｚ側へ平面視して、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とし、第１強磁性層１あるいは第２強磁性層２の外周１ａ、２ａの、面積比で１／１０の相似形を、ｚ方向に掃引して得られる部分である。例えば、平面視で半径ｒの円の場合（図２参照）、面積比で１／１０の相似形の円とは、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とする半径がおおよそ０．３１６ｒの円である。
また、本明細書において「外周部」とは、+ｚ側から−ｚ側へ平面視して、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とし、第１強磁性層１あるいは第２強磁性層２の外周１ａ、２ａの、面積比で７／１０の相似形を強磁性層の平面形状から除いた残りの領域を、ｚ方向に掃引して得られる部分である。例えば、平面視で半径ｒの円の場合（図２参照）、面積比で７／１０の相似形の円とは、中心線Ｘ０−Ｘ０を中心とする半径がおおよそ０．８３７ｒの円であり、「外周部」は強磁性層の平面形状からこの０．８３７ｒの円を除いた残りの領域である。
磁気抵抗効果素子１０においては、第１強磁性層１の中心部１Ａと第２強磁性層２の中心部２Ａとのｚ方向の距離（矢印Ａ、Ａ’で示した線間の距離）に比べて、第１強磁性層１の外周部１Ｂと第２強磁性層２の外周部２Ｂとのｚ方向の距離（矢印Ｂ、Ｂ’で示した線間の距離）が大きい。第１強磁性層１と第２強磁性層２の距離とは、ｚ方向における、第１強磁性層１の下面１ｂと第２強磁性層２の上面２ｂとの距離を意味する。例えば、第１強磁性層１の中心部１Ａと第２強磁性層２の中心部２Ａとの距離とは、ｚ方向における、第１強磁性層１の中心部１Ａにおける下面１ｂと第２強磁性層２の中心部２Ａにおける上面２ｂとの距離を意味する。
なお、互いの外周部間のｚ方向の距離を決定する際、第１強磁性層１の外周部１Ｂの下面（第２強磁性層２に対向する面）１ｂの任意の点、第２強磁性層１の外周部２Ｂの上面（第１強磁性層１に対向する面）２ｂの任意の点を選択できる。図１に示す例では、第１強磁性層１の外周部１Ｂの下面１ｂと側面１Ｂａとの交点Ｐ２と、第２強磁性層１の外周部２Ｂの上面２ｂと側面２Ｂａとの交点Ｑ２との距離を、互いの外周部間のｚ方向の距離とした。同様に、互いの中心部間のｚ方向の距離を決定する際、第１強磁性層１の中心部１Ａの下面１ｂの任意の点、第２強磁性層１の中心部２Ａの上面２ｂの任意の点を選択できる。図１に示す例では、第１強磁性層１の中心部１Ａの下面１ｂの中心線Ｘ０−Ｘ０の近傍の点Ｐ１と、第２強磁性層１の外周部２Ｂの上面２ｂの中心線Ｘ０−Ｘ０の近傍の点Ｑ１との距離を、互いの中心部間のｚ方向の距離とした。
図１に示す磁気抵抗効果素子１０では、第１強磁性層１及び第２強磁性層２はいずれも、ｚ方向において中心部１Ａ、２Ａが外周部１Ｂ、２Ｂに対して突き出るように曲がっており、中心部１Ａ、２Ａの突き出る向きは互いに逆であって、互いの中心部間の距離に比べて互いの外周部間の距離が大きい構成とされている。そのため、第１強磁性層及び第２強磁性層が曲がっておらず平らであって、層間の距離が一様である構成すなわち、互いの外周部間の距離が互いの中心部間の距離と同じである構成に比べて、磁化固定層である第２強磁性層２から磁化自由層である第１強磁性層１に入る漏れ磁場は低減されており、その分、第１強磁性層１の磁化反転の対称性が向上している。
ここで、非磁性層が絶縁層の場合、曲がっておらず平らな第１強磁性層及び第２強磁性層を用いた構成において、層間距離（非磁性層の厚み）を大きくすることにより、第２強磁性層から第１強磁性層に入る漏れ磁場は低減できるが、強磁性層間に流れるトンネル電流が層間距離（非磁性層の厚み）に対して指数関数的に低減し、磁気抵抗効果素子の感度が大きく損なわれる。これに対して、磁気抵抗効果素子１０では、第１強磁性層及び第２強磁性層の互いの中心部寄りの距離は小さいままで、外周部側の距離のみを大きくする構成である。そのため、磁気抵抗効果素子の感度をできるだけ維持しつつ、第２強磁性層から第１強磁性層に入る漏れ磁場を低減して、第１強磁性層の磁化反転の対称性の向上を図ることができる。
ここで、非磁性層が絶縁層の場合、曲がっておらず平らな第１強磁性層及び第２強磁性層を用いた構成において、層間距離（非磁性層の厚み）を大きくすることにより、第２強磁性層から第１強磁性層に入る漏れ磁場は低減できるが、強磁性層間に流れるトンネル電流が層間距離（非磁性層の厚み）に対して指数関数的に低減し、磁気抵抗効果素子の感度が大きく損なわれる。これに対して、磁気抵抗効果素子１０では、第１強磁性層及び第２強磁性層の互いの中心部寄りの距離は小さいままで、外周部側の距離のみを大きくする構成である。そのため、磁気抵抗効果素子の感度をできるだけ維持しつつ、第２強磁性層から第１強磁性層に入る漏れ磁場を低減して、第１強磁性層の磁化反転の対称性の向上を図ることができる。
第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子においては、第１強磁性層と第２強磁性層との距離として少なくとも、第１の距離と、第１の距離よりも長い第２の距離と、第１の距離よりも長い第３の距離とが存在する。言い換えると、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子は、第１の距離と、第１の距離よりも長い第２の距離と、第１の距離よりも長い第３の距離とが存在するような構成を有する。なお、第１強磁性層と第２強磁性層との距離とは上述の通り、ｚ方向における、第１強磁性層１の下面１ｂと第２強磁性層２の上面２ｂとの距離を意味する。
上記の大小関係を有する、第１の距離、第２の距離及び第３の距離の組み合わせは種々取り得るが、図１を用いてその一例を説明する。
例えば、第１の距離を矢印Ａ、Ａ’で示した線間の距離とし、第２の距離を矢印Ｂ、Ｂ’で示した線間の距離とし、第３の距離については、中心線Ｘ０−Ｘ０を挟んで矢印Ｂ、Ｂ’で示した線とは反対側の位置における、第１強磁性層１の外周部１Ｂと第２強磁性層１の外周部２Ｂとの距離とすることによって、第１の距離と、第１の距離よりも長い第２の距離と、第１の距離よりも長い第３の距離とが存在する。あるいは、第３の距離については、中心線Ｘ０−Ｘ０を挟んで矢印Ｂ、Ｂ’で示した線とは反対側の位置における、第１強磁性層１の中心部１Ａと外周部１Ｂとの間の部分と、第２強磁性層１の中心部２Ａと外周部２Ｂとの間の部分との距離にとることによっても、当該大小関係の距離の組み合わせとなる。
この例の場合、第１の方向と垂直方向の第２の方向（ｙ方向）から見て、第１の距離を有する位置は、第２の距離を有する位置と第３の距離を有する位置とに挟まれている。
例えば、第１の距離を矢印Ａ、Ａ’で示した線間の距離とし、第２の距離を矢印Ｂ、Ｂ’で示した線間の距離とし、第３の距離については、中心線Ｘ０−Ｘ０を挟んで矢印Ｂ、Ｂ’で示した線とは反対側の位置における、第１強磁性層１の外周部１Ｂと第２強磁性層１の外周部２Ｂとの距離とすることによって、第１の距離と、第１の距離よりも長い第２の距離と、第１の距離よりも長い第３の距離とが存在する。あるいは、第３の距離については、中心線Ｘ０−Ｘ０を挟んで矢印Ｂ、Ｂ’で示した線とは反対側の位置における、第１強磁性層１の中心部１Ａと外周部１Ｂとの間の部分と、第２強磁性層１の中心部２Ａと外周部２Ｂとの間の部分との距離にとることによっても、当該大小関係の距離の組み合わせとなる。
この例の場合、第１の方向と垂直方向の第２の方向（ｙ方向）から見て、第１の距離を有する位置は、第２の距離を有する位置と第３の距離を有する位置とに挟まれている。
第１強磁性層の中心及び第２強磁性層の中心を通る断面において、当該大小関係の第１の距離、第２の距離及び第３の距離の組み合わせを選んでもよい。この一例は、図１に示した断面において、第１の距離、第２の距離及び第３の距離の組み合わせを選ぶことが挙げられる。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。第１強磁性層１及び第２強磁性層２を構成する強磁性体は、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である。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、例えば、Ｆｅ元素を含む。Ｆｅ元素を含む第１強磁性層１及び第２強磁性層２はスピン分極率が高く、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比が大きくなる。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅである。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺ又はＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、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、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、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等である。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２の膜厚は、例えば、３ｎｍ以下である。第１強磁性層１及び第２強磁性層２の膜厚が薄いと、第１強磁性層１及び第２強磁性層２と非磁性層３との界面で、界面磁気異方性が生じ、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化の向きが積層面に対して垂直方向に配向しやすくなる。
第１強磁性層１の膜厚が第２強磁性層２の膜厚よりも薄いことが好ましい。第２強磁性層２は磁化固定層であるため、強い磁気異方性が必要になるが強い垂直磁気異方性を出すために厚い膜構成が必要となるからである。
第１強磁性層１の膜厚が第２強磁性層２の膜厚よりも薄いことが好ましい。第２強磁性層２は磁化固定層であるため、強い磁気異方性が必要になるが強い垂直磁気異方性を出すために厚い膜構成が必要となるからである。
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、反強磁性層を設けてもよい。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。
＜非磁性層＞
非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層３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などを用いることができる。また、これらのほかにも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅなどに置換された材料など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。また、非磁性層３が金属からなる場合、その材料としてはＣｕ、Ａｕ、Ａｇなどを用いることができる。さらに、非磁性層３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等を用いることができる。
非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層３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などを用いることができる。また、これらのほかにも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅなどに置換された材料など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。また、非磁性層３が金属からなる場合、その材料としてはＣｕ、Ａｕ、Ａｇなどを用いることができる。さらに、非磁性層３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等を用いることができる。
非磁性層３はＮａＣｌ構造を含むものとすることができる。この例としては、上記ＭｇＯからなる非磁性層が挙げられる。
非磁性層３はスピンネル構造または逆スピネル構造を含むものとすることができる。この例としては、上記ＭｇＡｌ２Ｏ４からなる非磁性層が挙げられる。
また、図１に示す磁気抵抗効果素子１０では、第１方向（ｚ方向）から平面視して、非磁性層３の側面３ａは、第１強磁性層１の側面１ａ及び第２強磁性層２の側面２ａにほぼ一致する。換言すると、第１方向（ｚ方向）から平面視して、非磁性層３は全体が、第１強磁性層１及び第２強磁性層２に重畳する。あるいは、磁気抵抗効果素子１０が円柱状である場合には、非磁性層３の直径は第１強磁性層１の直径及び第２強磁性層２の直径にほぼ一致する。
しかし、非磁性層３は、第１強磁性層１及び第２強磁性層２よりもｘｙ面方向のサイズが小さく、第１方向（ｚ方向）から平面視して、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の外周内に収まる構成であってもよい。
しかし、非磁性層３は、第１強磁性層１及び第２強磁性層２よりもｘｙ面方向のサイズが小さく、第１方向（ｚ方向）から平面視して、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の外周内に収まる構成であってもよい。
＜基板＞
基板５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５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。
「第２実施形態」
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図３（ｂ）は、第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の積層体の４つの例の平面模式図である。図３（ｂ）において、矢印は磁化容易軸の方向の一例を示すものである。
第１実施形態と同じ符号を用いた部材は同じ構成を有するものであり、説明を省略する。また、第１実施形態と符号が異なっていても機能が同じ部材については説明を省略する場合がある。
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図３（ｂ）は、第１強磁性層、非磁性層及び第２強磁性層の積層体の４つの例の平面模式図である。図３（ｂ）において、矢印は磁化容易軸の方向の一例を示すものである。
第１実施形態と同じ符号を用いた部材は同じ構成を有するものであり、説明を省略する。また、第１実施形態と符号が異なっていても機能が同じ部材については説明を省略する場合がある。
磁気抵抗効果素子２０は、第１強磁性層１１と、第２強磁性層１２と、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とで挟持された非磁性層１３と、が第１方向（ｚ方向）に積層されており、第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２はいずれも、第１方向（ｚ方向）に沿って非磁性層１３から離間するにつれて、第１方向（ｚ方向）に直交する断面（ｘｙ面に平行な断面）の断面積が大きくなるように形成されてなる。
図３に示した第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２は、磁化がｘｙ平面の面内方向に配向した面内磁化膜であるが、磁化がｚ方向に配向した垂直磁化膜であってもよい。
第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２がいずれも、第１方向（ｚ方向）に沿って非磁性層１３から離間するにつれて、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の断面積が大きくなるように形成されてなる。
図３を参照して、第１方向（ｚ方向）に直交する断面（ｘｙ面に平行な断面）が円状である構成を例にして説明する。
第１強磁性層１１は、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて（非磁性層１３から+ｚ方向へ向かって）、ｚ方向に直交する断面の断面積が大きくなるように（例えば、第１強磁性層１１の非磁性層１３に接する断面の直径はＲ２であるのに対して、第１強磁性層１１の、非磁性層１３から最も離間する断面の直径はＲ１である）形成されてなる。第１強磁性層１１は、非磁性層１３と同径の部分（ｚ方向から平面視して重なる部分）である同径部１１Ａと、同径部１１Ａの外側に配置して、ｚ方向から平面視して非磁性層１３と重ならない部分である周端部１１Ｂとからなる。
同様に、第２強磁性層１２は、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて（非磁性層１３から−ｚ方向へ向かって）、ｚ方向に直交する断面の断面積が大きくなるように（例えば、第２強磁性層１２の非磁性層１３に接する断面の直径はＲ２であるのに対して、第２強磁性層１２の、非磁性層１３から最も離間する断面の直径はＲ１である）形成されてなる。第２強磁性層１２は、非磁性層１３と同径の部分（ｚ方向から平面視して重なる部分）である同径部１２Ａと、同径部１１Ａの外側に配置して、ｚ方向から平面視して非磁性層１３と重ならない部分である周端部１２Ｂとからなる。
第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２がいずれも、第１方向（ｚ方向）に沿って非磁性層１３から離間するにつれて、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の断面積が大きくなるように形成されてなる。
図３を参照して、第１方向（ｚ方向）に直交する断面（ｘｙ面に平行な断面）が円状である構成を例にして説明する。
第１強磁性層１１は、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて（非磁性層１３から+ｚ方向へ向かって）、ｚ方向に直交する断面の断面積が大きくなるように（例えば、第１強磁性層１１の非磁性層１３に接する断面の直径はＲ２であるのに対して、第１強磁性層１１の、非磁性層１３から最も離間する断面の直径はＲ１である）形成されてなる。第１強磁性層１１は、非磁性層１３と同径の部分（ｚ方向から平面視して重なる部分）である同径部１１Ａと、同径部１１Ａの外側に配置して、ｚ方向から平面視して非磁性層１３と重ならない部分である周端部１１Ｂとからなる。
同様に、第２強磁性層１２は、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて（非磁性層１３から−ｚ方向へ向かって）、ｚ方向に直交する断面の断面積が大きくなるように（例えば、第２強磁性層１２の非磁性層１３に接する断面の直径はＲ２であるのに対して、第２強磁性層１２の、非磁性層１３から最も離間する断面の直径はＲ１である）形成されてなる。第２強磁性層１２は、非磁性層１３と同径の部分（ｚ方向から平面視して重なる部分）である同径部１２Ａと、同径部１１Ａの外側に配置して、ｚ方向から平面視して非磁性層１３と重ならない部分である周端部１２Ｂとからなる。
図３に示す磁気抵抗効果素子２０では、第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２は円錐台形状であるが、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて、ｚ方向に直交する断面（ｘｙ面に平行な断面）の断面積が大きくなるように形成されてなるものであれば、これに限られない。
例えば、第１強磁性層１１はその側面１１ａが、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて傾斜が急になるように、又は、傾斜が緩くなるように形成されてなるものでもよい。同様に、第２強磁性層１２はその側面１２ａが、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて傾斜が急になるように、又は、傾斜が緩くなるように形成されてなるものでもよい。
例えば、第１強磁性層１１はその側面１１ａが、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて傾斜が急になるように、又は、傾斜が緩くなるように形成されてなるものでもよい。同様に、第２強磁性層１２はその側面１２ａが、ｚ方向に沿って非磁性層１３から離間するにつれて傾斜が急になるように、又は、傾斜が緩くなるように形成されてなるものでもよい。
非磁性部１３の側面１３ａが、第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２の側面１１ａ、１２ａより中心Ｘ０−Ｘ０側に位置することが好ましい。
非磁性部１３が内側に入ることで、第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２の側面１１ａ、１２ａには、非磁性部１３から由来する界面磁気異方性が利用できないため、異方性が変化し、磁化反転が容易になるからである。
非磁性部１３が内側に入ることで、第１強磁性層１１及び第２強磁性層１２の側面１１ａ、１２ａには、非磁性部１３から由来する界面磁気異方性が利用できないため、異方性が変化し、磁化反転が容易になるからである。
図３に示す磁気抵抗効果素子２０においても、図１（ａ）に示した磁気抵抗効果素子１０と同様に、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２との距離が大きい部分（周端部１１Ｂと周端部１２Ｂ）が存在する構成であるために、第２強磁性層から第１強磁性層に入る漏れ磁場が低減して、第１強磁性層の磁化反転の対称性の向上を図ることができる。
「第３実施形態」
図４は、本発明の第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
第１実施形態又は第２実施形態と同じ符号を用いた部材は同じ構成を有するものであり、説明を省略する。また、第１実施形態又は第２実施形態と符号が異なっていても機能が同じ部材については説明を省略する場合がある。
図４は、本発明の第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
第１実施形態又は第２実施形態と同じ符号を用いた部材は同じ構成を有するものであり、説明を省略する。また、第１実施形態又は第２実施形態と符号が異なっていても機能が同じ部材については説明を省略する場合がある。
図４に示す磁気抵抗効果素子３０は、図１に示した磁気抵抗効果素子１０と比べると、スピン軌道トルク配線層７を備える点で異なる。
＜スピン軌道トルク配線層＞
スピン軌道トルク配線層７は、Ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線層７は、第１強磁性層１のＺ方向に向いた一面に接続されている。スピン軌道トルク配線層７は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線層７は、Ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線層７は、第１強磁性層１のＺ方向に向いた一面に接続されている。スピン軌道トルク配線層７は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線層７と第１強磁性層１との間に介在する層は、スピン軌道トルク配線層７から伝搬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、この層の膜厚は、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。
層の膜厚がスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線層７から伝搬するスピンを第１強磁性層１に十分に伝えることができる。
層の膜厚がスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線層７から伝搬するスピンを第１強磁性層１に十分に伝えることができる。
スピン軌道トルク配線層７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層７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、スピン流が生成される材料で構成される部分とスピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるものであってよい。
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第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とが逆方向に曲げられ、スピン流が誘起される現象を、スピンホール効果と呼ぶ。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、スピン軌道トルク配線層７の第１強磁性層１が配設された面の方向へ向かう第１スピンＳ１の電子数と、第１スピンＳ１の電子とは反対の方向へ向かう第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。純スピン流としてＪＳが一方向に流れる。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層７は、非磁性の重金属を含んでもよい。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の意味で用いている。スピン軌道トルク配線層７は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
この場合、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。かかる非磁性金属は、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からである。スピン軌道トルク配線層７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だけからなってもよい。
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、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いためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流ＪＳが発生しやすい。
また、スピン軌道トルク配線層７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軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線層７に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線層７は、反強磁性金属だけからなってもよい。
スピン軌道相互作用はスピン軌道トルク配線材料の物質の固有の内場によって生じるため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、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るため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線におけるスピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
また、スピン軌道トルク配線層７は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線層７は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。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。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。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することができる。
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。
「第４実施形態」
図５は、本発明の第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
第１実施形態〜第３実施形態のいずれかと同じ符号を用いた部材は同じ構成を有するものであり、説明を省略する。また、第１実施形態〜第３実施形態のいずれかと符号が異なっていても機能が同じ部材については説明を省略する場合がある。
図５は、本発明の第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
第１実施形態〜第３実施形態のいずれかと同じ符号を用いた部材は同じ構成を有するものであり、説明を省略する。また、第１実施形態〜第３実施形態のいずれかと符号が異なっていても機能が同じ部材については説明を省略する場合がある。
図５に示す磁気抵抗効果素子４０は、図３に示した磁気抵抗効果素子２０と比べると、スピン軌道トルク配線層７を備える点で異なる。
（磁気抵抗効果素子の製造方法）
本発明の磁気抵抗効果素子は、公知の成膜法を用いて製造することができる。
第１強磁性層及び第２強磁性層、非磁性層の加工は公知の方法例えば、イオンミリング、ＲＩＥなどを用いたり、デバイス加工後の酸化工程などで作ることができる。
図１に示した磁気抵抗効果素子１０は例えば、曲がりの内磁気抵抗効果素子に対して、円柱状に加工した後に、酸素を暴露することにより、側壁から非磁性層に酸素を侵入させて非磁性層を厚み方向に太らせるようにして作製することができる。
また、図３に示した磁気抵抗効果素子２０は例えば、第１方向（面直方向）に対して９０度未満の角度でイオンミリングを入射させることで、入射角度に応じたエッジ構造を作ることができる。ただし上層も削られてしまうので、上層にエッチングレートの遅い材料でキャップすることで、単なる円錐形から磁気抵抗効果素子２０を作製することができる。
図４に示した磁気抵抗効果素子３０は例えば、図１に示した磁気抵抗効果素子１０を形成後、ＣＭＰをかけることで作ることができる。同様に、図５に示した磁気抵抗効果素子４０は例えば、図３に示した磁気抵抗効果素子２０を形成後、ＣＭＰをかけることで作ることができる。
本発明の磁気抵抗効果素子は、公知の成膜法を用いて製造することができる。
第１強磁性層及び第２強磁性層、非磁性層の加工は公知の方法例えば、イオンミリング、ＲＩＥなどを用いたり、デバイス加工後の酸化工程などで作ることができる。
図１に示した磁気抵抗効果素子１０は例えば、曲がりの内磁気抵抗効果素子に対して、円柱状に加工した後に、酸素を暴露することにより、側壁から非磁性層に酸素を侵入させて非磁性層を厚み方向に太らせるようにして作製することができる。
また、図３に示した磁気抵抗効果素子２０は例えば、第１方向（面直方向）に対して９０度未満の角度でイオンミリングを入射させることで、入射角度に応じたエッジ構造を作ることができる。ただし上層も削られてしまうので、上層にエッチングレートの遅い材料でキャップすることで、単なる円錐形から磁気抵抗効果素子２０を作製することができる。
図４に示した磁気抵抗効果素子３０は例えば、図１に示した磁気抵抗効果素子１０を形成後、ＣＭＰをかけることで作ることができる。同様に、図５に示した磁気抵抗効果素子４０は例えば、図３に示した磁気抵抗効果素子２０を形成後、ＣＭＰをかけることで作ることができる。
（磁気メモリ）
本発明の一実施形態に係る磁気メモリは、本発明のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。
本発明の一実施形態に係る磁気メモリは、本発明のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。
次いで、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子又はその変形例の適用例について説明する。磁気抵抗効果素子は、例えば、磁気センサ、ＭＲＡＭなどのメモリ等に利用できる。一つの実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の適用例を示すが、他の実施形態にかかる磁気抵抗効果素子又はその変形例も同様に適用することができる。
図６は、適用例１にかかる磁気記録素子１０００の断面図である。
図６は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０の変形例を切断した断面図である。図６に示す磁気記録素子１０００は、磁気抵抗効果素子１０の適用例の一例である。
図６は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０の変形例を切断した断面図である。図６に示す磁気記録素子１０００は、磁気抵抗効果素子１０の適用例の一例である。
磁気記録素子１０００は、磁気抵抗効果素子１０と第１電極１１１と第２電極１１２と電源１１３と測定部１１４とを有する。第１電極１１１は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の第１面に接続されている。第２電極１１２は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の第２面に接続されている。第１電極１１１及び第２電極１１２は導体であり、例えば、Ｃｕである。電源１１３及び測定部１１４は、第１電極１１１と第２電極１１２とのそれぞれに接続されている。電源１１３は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電位差を与える。測定部１１４は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値を測定する。
電源１１３により第１電極１１１と第２電極１１２との間に電位差を生み出すと、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流が流れる。電流は、第２強磁性層２を通過する際にスピン偏極し、スピン偏極電流となる。スピン偏極電流は、トンネルバリア層３を介して、第１強磁性層１に至る。第１強磁性層１の磁化は、スピン偏極電流によるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を受けて磁化反転する。第１強磁性層１の磁化の向きと第２強磁性層２の磁化の向きとが変化することで、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値は、測定部１１４で読み出される。すなわち、図６に示す磁気記録素子１０００は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）型の磁気記録素子である。
図７は、適用例２にかかる磁気記録素子２０００の断面図である。図７は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０を切断した断面図である。図７に示す磁気記録素子２０００は、磁気抵抗効果素子１０の適用例の一例である。
磁気記録素子２０００は、磁気抵抗効果素子１０と第１電極１２１と第１配線１２２と電源１２３と測定部１２４とを有する。第１電極１２１は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の第１面に接続されている。第１配線１２２は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の第２面に接続されている。第１電極１２１は導体であり、例えば、Ｃｕである。第１配線１２２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。第１配線１２２は、例えば、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号を有する非磁性金属である。電源１２３は、第１配線１２２の第１端と第２端に接続されている。測定部１２４は、第１電極１２１と第１配線１２２とに接続され、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値を測定する。
電源１２３により第１配線１２２の第１端と第２端との間に電位差を生み出すと、第１配線１２２に沿って電流が流れる。第１配線１２２に沿って電流が流れると、スピン軌道相互作用によりスピンホール効果が生じる。スピンホール効果は、移動するスピンが電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる現象である。スピンホール効果は、第１配線１２２内にスピンの偏在を生み出し、第１配線１２２の厚み方向にスピン流を誘起する。スピンは、スピン流によって第１配線１２２から第１強磁性層１に注入される。
第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて、磁化反転する。第１強磁性層１の磁化の向きと第２強磁性層２の磁化の向きとが変化することで、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値は、測定部１２４で読み出される。すなわち、図７に示す磁気記録素子２０００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）型の磁気記録素子である。
１、１１ 第１強磁性層
２、１２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
７ スピン軌道トルク配線層
１０、２０、３０、４０ 磁気抵抗効果素子
２、１２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
７ スピン軌道トルク配線層
１０、２０、３０、４０ 磁気抵抗効果素子
Claims (9)
- 第１強磁性層と、
第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とで挟持された非磁性層と、が第１方向に積層されており、
前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層はいずれも、前記第１方向において中心部が外周部に対して突き出るように曲がっており、中心部の突き出る向きは互いに逆であって、前記第１方向において互いの中心部間の距離に比べて互いの外周部間の距離が大きい、磁気抵抗効果素子。 - 磁化方向が可変な第１強磁性層と、
磁化方向が固定されている第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とで挟持された非磁性層とが、第１方向に積層されており、
前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層はいずれも、前記第１方向に沿って前記非磁性層から離間するにつれて、前記第１方向に直交する断面の断面積が大きくように形成されてなる、磁気抵抗効果素子。 - 第１強磁性層と、
第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に形成された非磁性層と、を備え、
前記第１の強磁性層と前記非磁性層と前記第２の強磁性層とが並ぶ第１方向における前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との距離として、少なくとも、
第１の距離と、
前記第１の距離よりも長い第２の距離と、
前記第１の距離よりも長い第３の距離と、
が存在している、磁気抵抗効果素子。 - 前記第１の方向と垂直方向の第２の方向から見て、
前記第１の距離を有する位置が、前記第２の距離を有する位置と前記第３の距離を有する位置とに挟まれている、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第１強磁性層の膜厚が前記第２強磁性層の膜厚よりも薄い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性層がＮａＣｌ構造を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記非磁性層がスピンネル構造または逆スピネル構造を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、前記第１強磁性層に接合するスピン軌道トルク配線を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えた、磁気メモリ。
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