JP2023131598A - 磁性素子及び集積装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁化を回転させるのに必要な電流密度を低くできる磁性素子及び磁気アレイを提供する。【解決手段】磁性素子１００は、第１強磁性層１と、非磁性層３と、第２強磁性層２と、ゲート絶縁層４と、第１電極５と、第２電極６と、を備える。非磁性層と第１電極は、第１強磁性層の第１面１Ａに異なる位置で接続される。第２強磁性層は、第１強磁性層と共に非磁性層を挟む。第２電極は、ゲート絶縁層を挟んで、第１強磁性層の第１面と反対側の第２面１Ｂに接続されている。【選択図】図３

Description

本発明は、磁性素子及び集積装置に関する。

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。

磁気抵抗効果素子には、ＳＴＴ型の磁気抵抗効果素子と、ＳＯＴ型の磁気抵抗効果素子と、がある。ＳＴＴ型の磁気抵抗効果素子は、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、磁化の向きを制御する。ＳＯＴ型の磁気抵抗効果素子は、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スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用して磁化の向きを制御する。例えば、特許文献１には、ＳＴＴ型の磁気抵抗効果素子が記載されている。例えば、特許文献２には、ＳＯＴ型の磁気抵抗効果素子が記載されている。

特開２０１３－１７５６１５号公報 特開２０１７－２１６２８６号公報

ＳＴＴ型の磁気抵抗効果素子とＳＯＴ型の磁気抵抗効果素子は共通して、反転電流密度を低くしたいという要望がある。少ないエネルギーで磁化反転ができれば、磁気抵抗効果素子の消費電力の低減に繋がるためである。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁化を回転させるのに必要な電流密度を低くできる、磁性素子及び磁気アレイ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）第１の態様にかかる磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、非磁性層と、ゲート絶縁層と、第１電極と、第２電極と、を備える。前記非磁性層と前記第１電極は、前記第１強磁性層の第１面に異なる位置で接続されている。前記第２強磁性層は、前記第１強磁性層と共に前記非磁性層を挟む。前記第２電極は、前記ゲート絶縁層を挟んで、前記第１強磁性層の前記第１面と反対側の第２面に接続されている。

（２）上記態様にかかる磁性素子は、スピン軌道トルク配線をさらに備えてもよい。スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層と前記ゲート絶縁層との間にある。

（３）上記態様にかかる磁性素子において、前記スピン軌道トルク配線は、第３強磁性層と、第４強磁性層と、前記第３強磁性層と前記第４強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を有してもよい。前記第３強磁性層の磁化と前記第４強磁性層の磁化は、層が広がる面内のいずれかの方向に配向する。前記第３強磁性層と前記第４強磁性層とは、反強磁性結合している。

（４）上記態様にかかる磁性素子において、前記第１強磁性層の磁化は、積層方向に配向していてもよい。

（５）上記態様にかかる磁性素子は、抵抗層と、第３電極と、をさらに備えてもよい。前記抵抗層は、前記ゲート絶縁層と前記第２電極との間にある。前記第３電極は、前記第２電極と異なる位置で前記抵抗層に接続されている。

（６）上記態様にかかる磁性素子において、前記抵抗層は、Ｉｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｃｕからなる群から選択される何れか一つ以上の元素を含む酸化物でもよい。

（７）第２の態様にかかる集積装置は、複数の磁性素子を備える。複数の磁性素子のそれぞれは、上記態様にかかる磁性素子である。

（８）上記態様にかかる集積装置において、前記複数の磁性素子のうちの少なくとも２つは、前記ゲート絶縁層を共有していてもよい。

（９）上記態様にかかる集積装置は、導電層をさらに備えてもよい。前記導電層は、前記第２電極と前記ゲート絶縁層との間にあり、異なる磁性素子の前記第２電極に接続されている。

（１０）上記態様にかかる集積装置は、接続部をさらに備えてもよい。前記接続部は、前記複数の磁性素子のうちの少なくとも２つの前記第１電極同士、又は、前記第１電極と前記第２強磁性層との間を電気的に繋ぐ。

本発明にかかる磁性素子及び集積装置は、磁化を回転させるのに必要な電流密度を低くできる。

第１実施形態にかかる集積装置の回路図である。 第１実施形態にかかる集積装置の特徴部分の断面図である。 第１実施形態にかかる磁性素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁性素子の平面図である。 第１変形例にかかる集積装置の回路図である。 第２実施形態にかかる磁性素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁性素子の断面図である。 第４実施形態にかかる磁性素子の断面図である。 第４実施形態にかかる集積装置の回路図である。 第２変形例にかかる集積装置の回路図である。 第５実施形態にかかる集積装置の断面図である。 第５実施形態にかかる集積装置の回路図である。 第６実施形態にかかる集積装置の断面図である。 第６実施形態にかかる集積装置の回路図である。 第７実施形態にかかる集積装置の断面図である。

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。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、第１強磁性層１に沿って第１電極５から非磁性層３に向かう方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、各層が積層される積層方向の一例である。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。また本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また本明細書での「接続」は電気的な接続も含む。

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる集積装置２００の回路図である。集積装置２００は、複数の磁性素子１００と、電圧源１１０と、複数の第１配線Ｌ１と、複数の第２配線Ｌ２と、複数のゲートラインＧＬと、複数の第１スイッチング素子Ｓｗ１と、複数の第２スイッチング素子Ｓｗ２と、を備える。

磁性素子１００は、例えば、ｘｙ面内に行列状に配列している。磁性素子１００の詳細は、後述する。磁性素子１００のそれぞれは、第１スイッチング素子Ｓｗ１に接続されている。

第１スイッチング素子Ｓｗ１は、例えば、第１配線Ｌ１に接続される。図１では、第１スイッチング素子Ｓｗ１は、第１配線Ｌ１とそれぞれの磁性素子１００との間にある。第２スイッチング素子Ｓｗ２は、第１配線Ｌ１の一端にある。第２スイッチング素子Ｓｗ２は、例えば、集積エリアの外側にある。第１スイッチング素子Ｓｗ１と第２スイッチング素子Ｓｗ２とで、書き込み電流又は読出し電流を流す磁性素子１００を選択できる。

第１配線Ｌ１のそれぞれは、電源と１つ以上の磁性素子１００とを電気的に接続する。第１配線Ｌ１は、例えば、磁性素子１００の後述する第２強磁性層２に接続される。第２配線Ｌ２のそれぞれは、基準電位と１つ以上の磁性素子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。第２配線Ｌ２は、例えば、磁性素子１００の後述する第１電極５に接続される。電源は、使用時に集積装置２００に接続される。

第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２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Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２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。

電圧源１１０は、磁性素子１００の後述する第１電極５と第２電極６とに接続される。電圧源１１０は、第１電極５と第２電極６との間に電位差を生み出す。

図２は、第１実施形態に係る集積装置の特徴部分の断面図である。図２は、磁性素子１００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。

図２に示す第１スイッチング素子Ｓｗ１は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、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Ｓ及びドレインＤとを有する。ソースＳとドレインＤは、電流の流れ方向によって既定されるものであり、これらは同一の領域である。ソースＳとドレインＤの位置関係は、反転していてもよい。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。第２スイッチング素子Ｓｗ２は、ｘ方向にずれた位置にある。

トランジスタＴｒと磁性素子１００とは、ビア配線Ｖ及び配線Ｗを介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒとゲートラインＧＬ又はソースラインＳＬとは、ビア配線Ｖで接続されている。ビア配線Ｖは、例えば、ｚ方向に延びる。配線Ｗは、面内のいずれかの方向に延びる。ビア配線Ｖ及び配線Ｗは、導電体である。

磁性素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層Ｉｎで覆われている。絶縁層Ｉｎ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Ｉｎ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）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。

図３は、磁性素子１００の断面図である。図３は、磁性素子１００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。図４は、磁性素子１００をｚ方向から見た平面図である。

磁性素子１００は、例えば、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とゲート絶縁層４と第１電極５と第２電極６と導電層７とを備える。

第１強磁性層１は、ｘｙ面内に広がる。第１強磁性層１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は、例えば、ｚ方向に配向している。磁化Ｍ１は、主の配向方向がｚ方向であれば、ｚ方向から傾いてもよい。また磁化Ｍ１は、ｘｙ面内のいずれかの方向に配向していてもよい。

非磁性層３は、第１強磁性層１の第１面１Ａの一部に接続されている。非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間にある。

非磁性層３は、非磁性体を含む。非磁性層３が絶縁体の場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、例えば、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Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等を非磁性層３に用いてもよい。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３が金属の場合、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３が半導体の場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

第２強磁性層２は、第１強磁性層１と共に非磁性層３を挟む。第２強磁性層２は、例えば、非磁性層３と接し、非磁性層３上にある。第２強磁性層２には、第１強磁性層１と同様の材料が用いられる。

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。図３に示す磁性素子１００は、磁化固定層が基板Ｓｕｂから離れた側にあり、トップピン構造と呼ばれる。磁性素子１００の抵抗値は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて変化する。

第２強磁性層２は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）でもよい。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。例えば、第２強磁性層２は、強磁性層、スペーサ層、強磁性層を含む積層体でもよい。ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層が反強磁性カップリングするとことで、ＳＡＦ構造ではない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。ＳＡＦ構造を構成する磁性層は、例えば、強磁性体を含み、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性体を含んでもよい。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。

第１電極５は、第１強磁性層１の第１面１Ａの一部と接する。第１電極５は、非磁性層３と異なる位置で、第１面１Ａに接続されている。第１電極５は、導電体である。第１電極５は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ等である。

ゲート絶縁層４は、例えば、第１強磁性層１の第２面１Ｂと接する。第２面１Ｂは、第１強磁性層１の第１面１Ａと反対側の面である。ゲート絶縁層４は、第１強磁性層１と第２電極６とを絶縁する。ゲート絶縁層４には、ゲート絶縁膜ＧＩや絶縁層Ｉｎと同様の材料を用いることができる。

第２電極６は、ゲート絶縁層４を挟んで、第１強磁性層１の第２面１Ｂに接続されている。第２電極６は、導電体である。第２電極６は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ等である。

導電層７は、第２電極６とゲート絶縁層４との間にある。導電層７は、ゲート絶縁層４内の電位を調整するための層である。導電層７は、導電性を有する材料からなる。導電層７は、メタルでも、導電性酸化物でもよい。図３に示す例では、導電層７は、ゲート絶縁層４に印加する電圧を均一にする。

次いで、磁性素子１００の製造方法について説明する。磁性素子１００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。

次いで、磁性素子１００の動作について説明する。磁性素子１００を記憶素子として用いる場合は、データの書き込み動作とデータの読出し動作とがある。

まずデータの書き込み動作について説明する。まずデータを書き込み磁性素子１００に接続された第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにする。また電圧源１１０によって、第１電極５と第２電極６の間に閾値以上の電位差を与える。第１電極５と第２電極６との間に電位差によって、第１強磁性層１に電圧が加わる。第１強磁性層１に電圧が加わると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が不安定になる。また第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮになることで、第２強磁性層２と第１電極５との間に電位差が生じ、第２強磁性層２と第１電極５との間に電流が流れる。第２強磁性層２と第１電極５との間に電流が流れると、スピン偏極した電子が第１強磁性層１に注入され、第１強磁性層１にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）が加わる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、電圧磁気異方性制御（ＶＣＭＡ：Voltage-controlled magnetic anisotropy）効果とスピントランスファートルク（ＳＴＴ）とによって磁化反転する。

磁性素子１００の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の向きと第２強磁性層２の磁化Ｍ２の向きが平行の場合と、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の向きと第２強磁性層２の磁化Ｍ２の向きが反平行の場合と、で異なる。例えば、二つの磁化Ｍ１、Ｍ２が平行な場合を“０”とし、二つの磁化Ｍ１、Ｍ２が反平行な場合を“０”とすることで、データが記憶される。

次いで、データの読出し動作について説明する。データを読み出す磁性素子１００に接続された第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにする。第１電極５と第２電極６の間の電位差は、例えば、電圧源１１０によって閾値未満とする。第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにすると、第２強磁性層２と第１電極５との間に電位差が生じ、第２強磁性層２と第１電極５との間に電流が流れる。読出しの際の電流量は、書き込みの際の電流量より小さくする。電流量は、第２強磁性層２と第１電極５との間に電位差を制御することで設定できる。

ここでは、磁性素子１００を記憶素子として用いる例を説明したが、磁性素子は、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も利用できる。例えば、第２強磁性層２と第１電極５との間に光を照射することで、光学素子として利用できる。

第１実施形態に係る磁性素子１００は、電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクとを利用して第１強磁性層１の磁化Ｍ１を制御する。したがって、スピントランスファートルクのみを利用して磁化反転を行うＳＴＴ型の磁気抵抗効果素子と比較して、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の反転に必要な反転電流密度を下げることができる。

ここまで、集積装置２００の一例を示したが、この例に限られるものではない。例えば、図５に示すように、電圧源１１０を複数の磁性素子１００で共有してもよい。図５に示す集積装置２００Ａは、第３配線Ｌ３と第３スイッチング素子ＳＷ３とをさらに有する。図５において、集積装置２００と同様の構成には同様の符号を付し説明を省く。

第３スイッチング素子ＳＷ３は、第２配線Ｌ２と第１電極５との間に接続されている。第３スイッチング素子ＳＷ３は、第１スイッチング素子ＳＷ１と同様のものを用いることができる。第３配線Ｌ３は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第３スイッチング素子ＳＷ３のゲートに接続されている。第３配線Ｌ３によって、第１スイッチング素子ＳＷ１と第３スイッチング素子ＳＷ３を同時にＯＮ、ＯＦＦできる。書き込み及び読み込みの際に、第３配線Ｌ３を介して第１スイッチング素子ＳＷ１と第３スイッチング素子ＳＷ３を同時にＯＮする。

「第２実施形態」
図６は、第２実施形態に係る磁性素子１０１の断面図である。図６は、磁性素子１０１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。磁性素子１０１の平面図は、図４と略同一である。磁性素子１０１において、磁性素子１００と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

磁性素子１０１は、スピン軌道トルク配線８をさらに有する点が、磁性素子１００と異なる。スピン軌道トルク配線８は、第１強磁性層１とゲート絶縁層４との間にある。スピン軌道トルク配線８は、例えば、第１強磁性層１の第２面１Ｂに接する。

スピン軌道トルク配線８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、第１強磁性層１にスピンを注入する。

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、電流の流れる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。

例えば、スピン軌道トルク配線８に沿ってｘ方向に電流が流れると、ｙ方向とｚ方向のそれぞれにスピン流が生じる。スピン流によりスピン軌道トルク配線８の第１面には、＋ｙ方向に偏極したスピン（例えば、＋スピン）が偏在し、第１面と対向する第２面には、－ｙ方向と反対方向に偏極したスピン（例えば、－スピン）が偏在する。第１面又は第２面に蓄積されたスピンは、近接する第１強磁性層１に注入される。

スピン軌道トルク配線８は、電流が流れる際のスピンホール効果によって純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、金属窒化物のいずれかを含む。

スピン軌道トルク配線８は、例えば、非磁性の重金属を含む。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、例えば、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属である。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。スピン軌道トルク配線８は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗを含む。

磁性素子１０１は、データの書き込み時に、スピン軌道トルク配線８に沿って電流が流れる。スピン軌道トルク配線８に沿って電流が流れると、第１強磁性層１にスピンが注入され、第１強磁性層１の磁化Ｍ１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）が加わる。すなわち、磁性素子１０１では、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が、電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクとスピン軌道トルクとによって磁化反転する。

上記のように、第２実施形態に係る磁性素子１０１は、３つの効果を利用して第１強磁性層１の磁化Ｍ１を制御するため、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の反転に必要な反転電流密度を下げることができる。

またＳＯＴ型の磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１がｚ方向に配向している場合、安定的な磁化反転のためには外部磁場の印加が必要とされている。これに対し、第２実施形態に係る磁性素子１０１は、電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクとが、スピン軌道トルクをアシストするため、外部磁場を印加しなくても磁化Ｍ１の反転が可能である。

「第３実施形態」
図７は、第３実施形態に係る磁性素子１０２の断面図である。図７は、磁性素子１０２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。磁性素子１０２の平面図は、図４と略同一である。磁性素子１０２において、磁性素子１０１と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

磁性素子１０２のスピン軌道トルク配線８は、第３強磁性層８１と第４強磁性層８２とスペーサ層８３と有する。スペーサ層８３は、第３強磁性層８１と第４強磁性層８２とに挟まれる。第３強磁性層８１の磁化Ｍ８１と第４強磁性層８２の磁化Ｍ８２とは、ｘｙ面内のいずれかの方向に配向し、反強磁性結合している。

第３強磁性層８１及び第４強磁性層８２には、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。スペーサ層８３には、非磁性層３と同様の材料を用いることができる。

第３強磁性層８１及び第４強磁性層８２は、磁気結合により第１強磁性層１の磁化Ｍ１を面内方向に傾ける。また第１強磁性層１には、電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクとスピン軌道トルクとが加わる。そのため、第３実施形態に係る磁性素子１０２は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の反転に必要な反転電流密度を下げることができる。

「第４実施形態」
図８は、第４実施形態に係る磁性素子１０３の断面図である。図８は、磁性素子１０３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。磁性素子１０３において、磁性素子１０１と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

磁性素子１０３は、抵抗層９と第３電極１０とをさらに備える点が、磁性素子１００と異なる。

抵抗層９は、ゲート絶縁層４と第２電極６及び第３電極１０との間にある。抵抗層９は、導電層７の別の例である。抵抗層９は、第２電極６と第３電極１０との間に電位差を生み出す。

抵抗層９は、例えば、Ｉｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｃｕからなる群から選択される何れか一つ以上の元素を含む酸化物である。抵抗層９は、例えば、ＩｒＯ_２、ＷＯ_３、ＰｄＯ_２、ＭｏＯ_３、ＮｂＯ、ＲｅＯ_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＣｒＯ_２、ＶＯ_２、Ｖ_２Ｏ_３、ＴｉＯ、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＲｕＯ_２、ＲｕＯ_３、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＣｕＯ_２である。抵抗層９が高抵抗材料であれば、第２電極６と第３電極１０との間に、電位勾配を生み出すことができる。

第３電極１０は、第２電極６と異なる位置で抵抗層９に接続されている。第３電極１０には、第１電極５と同様の材料を用いることができる。

磁性素子１０３は、データの書き込み時に、第２電極６と第３電極１０との間に電位差を与え、抵抗層９に電位勾配を生み出す。図９は、第４実施形態にかかる集積装置２０３の回路図である。図９において、集積装置２００及び集積装置２００Ａと同様の構成には同様の符号を付し説明を省く。電圧源１１０は、第１電極５、第２電極６及び第３電極１０に接続されている。電圧源１１０は、第１電極５と第２電極６及び第３電極１０との間の電位差、及び、第２電極６と第３電極１０との間の電位差を制御する。また図１０に示すように、第４実施形態においても、電圧源１１０を複数の磁性素子１０３で共有してもよい。

抵抗層９の電位勾配は、第１強磁性層１のｘ方向に電位勾配を生み出す。第１強磁性層１のｘ方向に電位勾配が生じると、ｘ方向にも電圧磁気異方性制御効果が生じる。すなわち、磁性素子１０３では、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が、ｚ方向及びｘ方向の電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクによって磁化反転する。したがって、第４実施形態に係る磁性素子１０３は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の反転に必要な反転電流密度を下げることができる。

「第５実施形態」
図１１は、第５実施形態に係る集積装置２０４の断面図である。図１１は、磁性素子１０４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。図１２は、第５実施形態に係る集積装置２０４の回路図である。磁性素子１０４において、磁性素子１００と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

集積装置２０４は、複数の磁性素子１０４を有する。隣接する磁性素子１０４は、ゲート絶縁層１１及び導電層１２を共有している。ゲート絶縁層１１は、第１実施形態にかかるゲート絶縁層４が隣接する２つの磁性素子１０４の間で接続されたものである。導電層１２は、第１実施形態にかかる導電層１２が隣接する２つの磁性素子１０４の間で接続されたものである。

集積装置２０４は、導電層１２が接続されているため、複数の磁性素子１０４の第２電極６に同時に電圧を印加することができる。電圧源１１０は、複数の磁性素子１０４で共有することができる。複数の磁性素子１０４の第２電極６に同時に電圧を印加する場合でも、第１スイッチング素子Ｓｗ１のＯＮ／ＯＦＦによって書き込みを行う磁性素子１０４を任意に設定できる。

第５実施形態にかかる集積装置２０４は、電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクとを利用して第１強磁性層１の磁化Ｍ１を制御するため、第１実施形態と同様の効果が得られる。また第１スイッチング素子Ｓｗ１を集積領域の外側に配置することができ、集積装置２０４の集積性を高めることができる。

「第６実施形態」
図１３は、第６実施形態に係る集積装置２０５の断面図である。図１３は、磁性素子１０５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。図１４は、第６実施形態に係る集積装置２０５の回路図である。磁性素子１０５において、磁性素子１００と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。集積装置２０５において、集積装置２００、２００Ａと同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。

集積装置２０５は、複数の磁性素子１０５を有する。隣接する磁性素子１０５は、接続部１３で電気的に接続されている。接続部１３は、複数の磁性素子１０５のうちの少なくとも２つの第１電極５同士、又は、第１電極５と第２強磁性層２との間を電気的に繋ぐ。接続部１３は、導電体である。

集積装置２０４は、磁性素子１０５が接続部１３で接続されているため、複数の磁性素子１０５に書き込み電流を同時に印加することができる。複数の磁性素子１０５に同時に書き込み電流を印加する場合でも、電圧源１１０による電圧印加によって書き込みを行う磁性素子１０５を任意に設定できる。また第６実施形態においても、ゲート絶縁層４や導電層１２を隣接する２つの磁性素子１０５の間で共有してもよい。

第６実施形態にかかる集積装置２０５は、電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクとを利用して第１強磁性層１の磁化Ｍ１を制御するため、第１実施形態と同様の効果が得られる。また第２スイッチング素子Ｓｗ２を集積領域の外側に配置することができ、集積装置２０５の集積性を高めることができる。

「第７実施形態」
図１５は、第７実施形態に係る磁性素子１０６の断面図である。図１５は、磁性素子１０６をｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。第７実施形態に係る磁性素子１０６において、磁性素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

磁性素子１０６は、磁性素子１００と積層順が反対である。第２強磁性層２は、第１強磁性層１より基板Ｓｕｂの近くにある。このような素子は、ボトムピン構造と言われる。磁化の安定性が求められる第２強磁性層２が基板Ｓｕｂの近傍にあることで、第２強磁性層２の磁化Ｍ２の安定性が高まる。第７実施形態にかかる磁性素子１０６は、電圧磁気異方性制御効果とスピントランスファートルクとを利用して第１強磁性層１の磁化Ｍ１を制御するため、第１実施形態と同様の効果が得られる。

ここまで、いくつかの実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。

１…第１強磁性層、１Ａ…第１面、１Ｂ…第２面、２…第２強磁性層、３…非磁性層、４…ゲート絶縁層、５…第１電極、６…第２電極、７…導電層、８…スピン軌道トルク配線、９…抵抗層、１０…第３電極、１１…ゲート絶縁層、１２…導電層、１３…接続部、８１…第３強磁性層、８２…第４強磁性層、８３…スペーサ層、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６…磁性素子、２００，２００Ａ，２０３，２０３Ａ，２０４，２０５…集積装置

Claims (10)

1. 第１強磁性層と、第２強磁性層と、非磁性層と、ゲート絶縁層と、第１電極と、第２電極と、を備え、
   前記非磁性層と前記第１電極は、前記第１強磁性層の第１面に異なる位置で接続され、
   前記第２強磁性層は、前記第１強磁性層と共に前記非磁性層を挟み、
   前記第２電極は、前記ゲート絶縁層を挟んで、前記第１強磁性層の前記第１面と反対側の第２面に接続されている、磁性素子。
2. スピン軌道トルク配線をさらに備え、
   前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層と前記ゲート絶縁層との間にある、請求項１に記載の磁性素子。
3. 前記スピン軌道トルク配線は、第３強磁性層と、第４強磁性層と、前記第３強磁性層と前記第４強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を有し、
   前記第３強磁性層の磁化と前記第４強磁性層の磁化は、層が広がる面内のいずれかの方向に配向し、
   前記第３強磁性層と前記第４強磁性層とは、反強磁性結合している、請求項２に記載の磁性素子。
4. 前記第１強磁性層の磁化は、積層方向に配向している、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁性素子。
5. 抵抗層と、第３電極と、をさらに備え、
   前記抵抗層は、前記ゲート絶縁層と前記第２電極との間にあり、
   前記第３電極は、前記第２電極と異なる位置で前記抵抗層に接続されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁性素子。
6. 前記抵抗層は、Ｉｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｃｕからなる群から選択される何れか一つ以上の元素を含む酸化物である、請求項５に記載の磁性素子。
7. 複数の磁性素子を備え、
   前記複数の磁性素子のそれぞれは、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁性素子である、集積装置。
8. 前記複数の磁性素子のうちの少なくとも２つは、前記ゲート絶縁層を共有している、請求項７に記載の集積装置。
9. 導電層をさらに備え、
   前記導電層は、前記第２電極と前記ゲート絶縁層との間にあり、異なる磁性素子の前記第２電極に接続されている、請求項７又は８に記載の集積装置。
10. 接続部をさらに備え、
    前記接続部は、前記複数の磁性素子のうちの少なくとも２つの前記第１電極同士、又は、前記第１電極と前記第２強磁性層との間を電気的に繋ぐ、請求項７～９のいずれか一項に記載の集積装置。

Images