JP6462191B1 - データの書き込み方法、検査方法、スピン素子の製造方法及び磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

本発明の一態様にかかるデータの書き込み方法は、第１の方向に延在する通電部と、前記通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部と、を備えるスピン素子において、印加パルスのパルス幅をｔとした際に、前記通電部の前記第１の方向に、所定の関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷する。Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）^−１＋Ｄ ・・・（１）
前記関係式（１）において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは前記非磁性層に応じて決定する定数である。

Description

本発明は、データの書き込み方法、検査方法、スピン素子の製造方法及び磁気抵抗効果素子に関する。

二つの強磁性層の磁化の相対角の変化に基づく抵抗値変化（磁気抵抗変化）を利用した素子として、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）素子等が知られている。

近年、磁気抵抗変化を利用したスピン素子（スピントロニクスを利用した素子）の中でも、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子や、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子に注目が集まっている。

例えば、非特許文献１にはスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子が記載されている。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた純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す。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。

また例えば、特許文献１には磁壁移動型磁気記録素子が記載されている。磁壁移動型磁気記録素子は、磁気記録層内における磁壁を移動させることで、抵抗値変化が段階的になる。抵抗値が段階的に変化することで、多値のデータ記録が可能である。また「０」、「１」のデジタル的なデータ記録でなく、アナログ的なデータ記録が可能とされている。

特許第５４４１００５号公報

S.Fukami, T.Anekawa, C.Zhang and H.Ohno, Nature Nano Tec (2016). DOI:10.1038/NNANO.2016.29.

これらのスピン素子は、データの書き込みを行う際に、素子部（磁気抵抗効果を発現する機能部、磁気抵抗効果素子）の積層方向に電流を流す必要がない。そのため、素子部の絶縁破壊をほとんど考慮する必要がなく、原理的には大きな書き込み電流を流すことができると考えられていた。

しかしながら、本発明者らは鋭意検討の結果、素子部の積層方向に書き込み電流を流す必要がない３端子型のスピン素子であっても所定のエネルギーを通電部に負荷すると、素子部の抵抗値が著しく低下してしまうことを見出した。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、安定的にデータを書き込むことができるデータの書き込み方法、及び、この書き込み方法を実現できる磁気抵抗効果素子を提供する。また素子部の抵抗値変化を利用して素子のスクリーニングを行う検査方法及び製造方法を提供する。

すなわち本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかるデータの書き込み方法は、第１の方向に延在する通電部と、前記通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部と、を備えるスピン素子において、印加パルスのパルス幅をｔとした際に、前記通電部の前記第１の方向に、以下の関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷する。
Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）⁻¹＋Ｄ ・・・（１）
前記関係式（１）において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは前記非磁性層に応じて決定する定数である。

（２）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記非磁性層がＭｇＯであり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１８２６４、Ｂ＝１３．２５５４、Ｃ＝０．２２７４９、Ｄ＝０．２を満たす、または、前記非磁性層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４であり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１３７９２、Ｂ＝６．９８、Ｃ＝０．２０８３２、Ｄ＝０．２を満たす構成でもよい。

（３）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記パルス幅が１ｓｅｃ以下であり、前記通電部の前記第１の方向に付加するエネルギーが０．２ｍΩＡ^２以下であってもよい。

（４）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記通電部がスピン軌道トルク配線であり、前記素子部が第１強磁性層と第２強磁性層とこれらに挟まれた非磁性層とを備えてもよい。

（５）上記態様にかかるデータの書き込み方法において、前記通電部が磁壁を備える磁気記録層であり、前記素子部が前記磁気記録層側から非磁性層と第３強磁性層とを備えてもよい。

（６）第２の態様にかかる検査方法は、第１の方向に延在する通電部と、前記通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部と、を備えるスピン素子において、印加パルスのパルス幅をｔとした際に、前記通電部の前記第１の方向に、以下の関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷する。
Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）⁻¹＋Ｄ ・・・（１）
前記関係式（１）において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは前記非磁性層に応じて決定する定数である。

（７）上記態様にかかる検査方法において、前記非磁性層がＭｇＯであり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１８２６４、Ｂ＝１３．２５５４、Ｃ＝０．２２７４９、Ｄ＝０．２を満たす、または、前記非磁性層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４であり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１３７９２、Ｂ＝６．９８、Ｃ＝０．２０８３２、Ｄ＝０．２を満たす構成でもよい。

（８）第３の態様にかかるスピン素子の製造方法は、上記態様にかかる検査方法により前記スピン素子を検査する工程を有する。

（９）第４の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１の方向に延在する通電部と、前記通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部と、を備えるスピン素子と、前記通電部の前記第１の方向に、印加パルスのパルス幅をｔとした際に、以下の関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷できるエネルギー源と、を備える。
Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）⁻¹＋Ｄ ・・・（１）
前記関係式（１）において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは前記非磁性層に応じて決定する定数である。

本実施形態にかかるデータの書き込み方法及び磁気抵抗効果素子によれば、安定的にデータを書き込むことができる。また本実施形態にかかる検査方法及び製造方法によれば、素子部の抵抗値変化を利用して素子のスクリーニングを容易に行うことができる。

本実施形態にかかるスピン素子の一例であるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 本実施形態にかかるスピン素子の一例である磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。 印加パルスのパルス幅とブレイクダウンに至るエネルギーとの関係を示す。

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。

「データの書き込み方法」
本実施形態にかかるデータの書き込み方法は、３端子型のスピン素子の通電部に、所定のエネルギー以下のエネルギーを負荷する方法である。

３端子型のスピン素子は、第１の方向に延在する通電部と、通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部とを備える。３端子型のスピン素子は、通電部に沿って電流が流れることでデータを書き込み、素子部と通電部の一端との間に電流が流れることでデータを読み出す。３端子型のスピン素子は、通電部の素子部を挟む位置に、書き込み電流を印加するための２つの端子と、素子部の通電部と反対側の端面に、読み出し電流を印加するための１つの端子とを有する。以下、３端子型のスピン素子の具体例について説明する。

（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図１は、本実施形態にかかるスピン素子の一例であるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０の断面模式図である。図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０は、素子部１とスピン軌道トルク配線（通電部）２とを備える。スピン軌道トルク配線２の素子部１を挟む位置には、導電性を有する第１電極３及び第２電極４を備える。
以下、通電部が延在する第１の方向をｘ方向、素子部１の積層方向（第２の方向）をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向と規定して説明する。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１Ａのｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１Ａに直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。

スピン軌道トルク配線２は、電流Ｉ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２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、スピン流を生成しやすい材料で構成される部分とスピン流を生成しにくい材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。

スピンホール効果とは、材料に電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。

スピン軌道トルク配線２の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２に沿って電流Ｉが流れる。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、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対しｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して−ｚ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。一方で、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点が大きく異なる。

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＋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の電子数が等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、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、図中のｚ方向に流れる。図１において、スピン軌道トルク配線２の上面には後述する第１強磁性層１Ａが存在する。そのため、第１強磁性層１Ａにスピンが注入される。

スピン軌道トルク配線２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によって構成される。

スピン軌道トルク配線２の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。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。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。

電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、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く、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流Ｊ_Ｓが発生しやすい。

またスピン軌道トルク配線２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の散乱因子となる。スピンが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。スピン軌道トルク配線２の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。

一方で、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、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。

スピン軌道トルク配線２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。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。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できる。

トポロジカル絶縁体としては例えば、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。

＜素子部＞
素子部１は、第１強磁性層１Ａと第２強磁性層１Ｂとこれらに挟まれた非磁性層１Ｃとを備える。素子部１は、スピン軌道トルク配線２と交差する第２の方向（ｚ方向）に積層されている。

素子部１は、第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ_１Ａと第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ_１Ｂの相対角が変化することにより抵抗値が変化する。第２強磁性層１Ｂの磁化Ｍ_１Ｂは一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１Ａの磁化Ｍ_１Ａの向きが、磁化Ｍ_１Ｂに対して相対的に変化する。第２強磁性層１Ｂは固定層、参照層などと表記され、第１強磁性層１Ａは自由層、記録層などと表記されることがある。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強磁性層１Ｂの保磁力を第１強磁性層１Ａの保磁力よりも大きくする。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強磁性層１Ｂの磁化Ｍ_１Ｂを反強磁性層との交換結合によって固定する。

素子部１の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性層１Ｂ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強磁性層１Ｂは固定層や参照層、第１強磁性層１Ａは自由層や記憶層などと呼ばれる。

第１強磁性層１Ａ及び第２強磁性層１Ｂは、磁化Ｍ_１Ａ，Ｍ_１Ｂの磁化容易軸がｚ方向に配向した垂直磁化膜でも、磁化容易軸がｘｙ面内方向に配向した面内磁化膜でもよい。

第１強磁性層１Ａ及び第２強磁性層１Ｂは、強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を例示できる。また第１強磁性層１Ａが面内磁化膜の場合は、例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）等を用いることが好ましい。

第１強磁性層１Ａ及び第２強磁性層１ＢにＣｏ_２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いると、磁気抵抗効果をより強く発現することができる。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。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

第２強磁性層１Ｂには、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料からなる層を積層してもよい。シンセティック強磁性結合の構造とすることで、第２強磁性層１Ｂの漏れ磁場が、第１強磁性層１Ａに与える影響を軽減できる。

非磁性層１Ｃは、公知の材料を用いることができる。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。これらの他にも、上記酸化物の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。

素子部１は、その他の層を有していてもよい。第１強磁性層１Ａの非磁性層１Ｃと反対側の面に下地層を有していてもよい。スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１Ａとの間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２から伝播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。この層の厚みは、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。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２から伝播するスピンを第１強磁性層１Ａに十分伝えることができる。

（磁壁移動型磁気記録素子）

図２は、本実施形態にかかるスピン素子の一例である磁壁移動型磁気記録素子２０の断面模式図である。図２に示す磁壁移動型磁気記録素子２０は、素子部１１と磁気記録層（通電部）１２とを備える。磁気記録層１２の素子部１１を挟む位置には、導電性を有する第１電極３及び第２電極４を備える。

＜素子部＞
素子部１１は、第１強磁性層１１Ａと非磁性層１１Ｂとを備える。第１強磁性層１１Ａ及び非磁性層１１Ｂは、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０と同様のものを用いることができる。

＜磁気記録層＞
磁気記録層１２は、ｘ方向に延在している。磁気記録層１２は、内部に磁壁１２Ａを有する。磁壁１２Ａは、互いに反対方向の磁化を有する第１の磁区１２Ｂと第２の磁区１２Ｃとの境界である。図２に示す磁壁移動型磁気記録素子２０は、第１の磁区１２Ｂが＋ｘ方向に配向した磁化を有し、第２の磁区１２Ｃが−ｘ方向に配向した磁化を有する。

磁壁移動型磁気記録素子２０は、磁気記録層１２の磁壁１２Ａの位置によって、データを多値で記録する。磁気記録層１２に記録されたデータは、第１強磁性層１１Ａ及び磁気記録層１２の積層方向の抵抗値変化として読み出される。磁壁１２Ａが移動すると、磁気記録層１２における第１の磁区１２Ｂと第２の磁区１２Ｃとの比率が変化する。第１強磁性層１１Ａの磁化は、第１の磁区１２Ｂの磁化と同方向（平行）であり、第２の磁区１２Ｃの磁化と反対方向（反平行）である。磁壁１２Ａがｘ方向に移動し、ｚ方向から見て第１強磁性層１１Ａと重畳する部分における第１の磁区１２Ｂの面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子２０の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁１２Ａが−ｘ方向に移動し、ｚ方向から見て第１強磁性層１１Ａと重畳する部分における第２の磁区１２Ｃの面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子２０の抵抗値は高くなる。磁壁移動型磁気記録素子２０の抵抗値は、第１強磁性層１１Ａに電気的に接続された上部電極と、第１電極３又は第２電極４との間で測定される。

磁壁１２Ａは、磁気記録層１２の延在方向に電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、第１電極３から第２電極４に電流パルスを印加すると、第１の磁区１２Ｂは第２の磁区１２Ｃの方向へ広がり、磁壁１２Ａが第２の磁区１２Ｃの方向へ移動する。つまり、第１電極３及び第２電極４に流す電流の方向、強度を設定することで、磁壁１２Ａの位置が制御され、磁壁移動型磁気記録素子２０にデータが書き込まれる。

磁気記録層１２は、磁性体により構成される。磁気記録層１２を構成する磁性体は、第１強磁性層１１Ａと同様のものを用いることができる。また磁気記録層１２は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料が挙げられる。ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁を移動するために必要な閾値電流を下げることができる。またＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁の移動速度を抑えることができる。

ここまで、所定のスピン素子の具体例について説明した。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０と磁壁移動型磁気記録素子２０は、データの書込み時に素子部１，１１と交差する方向に延在する通電部２，１２に、書き込み電流を流すという点で共通する。スピン素子は、データの書込み時に素子部と交差する方向に延在する通電部に、書き込み電流を流すものであれば、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０及び磁壁移動型磁気記録素子２０に限られるものではない。

（データの書き込み）
本実施形態にかかるデータの書き込み方法は、上記の３端子型のスピン素子にデータを書き込むためのエネルギーを負荷する際に、通電部２、１２のｘ方向に、以下の関係式（１）で表記されるエネルギー以下のエネルギーを負荷する。
Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）⁻¹＋Ｄ ・・・（１）
関係式（１）において、Ｅは通電部に印加されるエネルギー（×１０^−３ｍΩＡ^２）であり、ｔは印加する印加パルスのパルス幅であり、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは非磁性層１Ｃ、１１Ｂに応じて決定する定数である。

３端子型のスピン素子の通電部２、１２に与えるエネルギーが上記の関係式（１）で表されるエネルギー以下であれば、スピン素子にデータを安定的に記録することができる。

３端子型のスピン素子は、データの書き込みを行う際に、素子部１、１１の積層方向に電流を流す必要がない。そのため、通電部２、１２を構成する配線材料がエレクトロマイグレーションを起こすほど大きなエネルギーを与えない限り、通電部２、１２に与えるエネルギーに制限はないと考えられていた。

しかしながら、実際の検討を行ったところ、上記の関係式（１）以上のエネルギーを通電部２、１２に負荷を繰り返し与える（繰り返し書き込みを行う）と、素子部１、１１の抵抗が一定の水準まで低下してしまうことが分かった。この原因は明確ではないが、通電部２、１２のｘ方向に大きな電位差が与えられると、素子部１、１１の第１電極３側の端面と第２電極４側の端面との間にも電位差が生じ、非磁性層１Ｃ、１１Ｂの絶縁性が低下すると考えられる。素子部１、１１の抵抗が使用途中で変化すると、磁化の相対角の違いに応じた抵抗値変化を適切に捉えることができなくなる。

関係式（１）における定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは非磁性層１Ｃ、１１Ｂを構成する材料によって決定される。例えば、非磁性層１Ｃ、１１ＢがＭｇＯの場合は、Ａ＝−０．１８２６４、Ｂ＝１３．２５５４、Ｃ＝０．２２７４９、Ｄ＝０．２であり、非磁性層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４の場合は、関係式（１）においてＡ＝−０．１３７９２、Ｂ＝６．９８、Ｃ＝０．２０８３２、Ｄ＝０．２である。

ここで非磁性層１Ｃ、１１Ｂを構成する材料は、定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが求められているＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４に限られるわけではない。ＭｇＯはＮａＣｌ型の結晶構造を有し、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４はスピネル型の結晶構造を有する。異なる結晶構造を有するにも関わらず同じ関係式（１）で表現されていることから、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４以外の材料の場合にも一般化できる。ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４以外の材料を非磁性層として用いる場合は、実際の素子で素子部１、１１の抵抗が一定の水準まで低下する値を求め、定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄをフィッティングにより規定する。定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが求めることで、印加できるエネルギーの範囲が明確になる。

また３端子型のスピン素子にデータを書き込む際には、印加パルスのパルス幅は１ｓｅｃ以下とし、通電部２、１２に負荷するエネルギーは０．２ｍΩＡ^２以下とすることが好ましい。

上述のように、本実施形態にかかるデータの書き込み方法によると、３端子型のスピン素子のｘ方向に大きなエネルギーが加わることを避けることができる。その結果、素子部の抵抗値が急激に低下することを避けることができ、安定的なデータの書き込みを行うことができる。

「スピン素子の製造方法」
本実施形態にかかるスピン素子の製造方法は、スピン素子を作製する第１工程と、スピン素子を検査する第２工程とを備える。

（第１工程）
第１工程は、第１の方向に延在する通電部を形成する工程と、通電部の一面に非磁性層と強磁性体とを含む素子部を形成する工程と、を有する。

スピン素子は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０（図１）の場合でも、磁壁移動型磁気記録素子（図２）の場合でも、フォトリソグラフィー等の技術を用いて作製する。

例えば、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の場合、以下の手順で作製する。まず基板に貫通孔を開け、貫通孔を導電体で充填することで、第１電極３及び第２電極４を作製する。次いで、通電部となるスピン軌道トルク配線２の基となる層を積層し、フォトリソグラフィーの技術を用い、配線上に加工する。最後に、第１強磁性層１Ａの基となる層、非磁性層１Ｃの基となる層、第２強磁性層１Ｂの基となる層を重に積層し、フォトリソグラフィーの技術を用い、素子部１を加工する。

磁壁移動型磁気記録素子２０の場合は、素子部１１を作製する際に積層する層の構成が異なるだけである。そのため、上述の工程と同様の手順で、磁壁移動型磁気記録素子２０を作製できる。

スピン素子は、個別に作製してもよいし、ウェハ上に多数の素子を一括で作製してもよい。製造効率の観点からは、ウェハ上に多数の素子を一括で作製することが好ましい。

（第２工程）
第２工程では、印加パルスのパルス幅をｔとした際に、スピン素子の通電部の第１の方向に、上記の関係式（１）で表記されるエネルギー以下のエネルギーを負荷する。

上述のように原則としてスピン素子は、上記の関係式（１）で表記されるエネルギーを負荷されても、非磁性層１Ｃ、１１Ｂの絶縁性は維持される。一方で、スピン素子に欠陥等が含まれている場合は、この限りではない。すなわち、上記関係式（１）以下のエネルギーを負荷された場合でも、素子部１、１１の抵抗が一定の水準まで低下してしまうことがある。

そこで、スピン素子に上記関係式（１）で表記されるエネルギーを印加することで、良品のスピン素子と不良品のスピン素子を、素子部１、１１の抵抗値でスクリーニングすることができる。不良品のスピン素子は、エネルギーが付加されることで素子抵抗が急激に低下する。

スクリーニングの精度を高める場合は、上記の関係式（１）で表記されるエネルギーをスピン素子に印加する。マージンを持たせる場合は、上記の関係式で表記されるエネルギー以下のエネルギーをスピン素子に印加する。

エネルギーの負荷は、複数の素子が存在するウェハの状態で行ってもよいし、ウェハ上に作製された各素子をチップ化した後に行ってもよい。製造効率を高めるためには、ウェハの状態でパルス電流を各素子に印加することが好ましい。

上述のように、本実施形態にかかるスピン素子の製造方法によれば、不良品を簡便に除くことができる。一つのウェハ上には、数千個のスピン素子が作製される場合もあり、不良品を簡便に除くことができると、スピン素子の製造効率が改善する。また本実施形態にかかるスピン素子の検査方法によれば、簡便に良品と不良品とをスクリーニングすることができる。

「磁気抵抗効果素子」
本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子は、スピン素子と、エネルギー源とを備える。スピン素子は上述のものが用いられる。エネルギー源は、スピン素子の通電部のｘ方向に、印加パルスのパルス幅をｔとした際に、関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷できる。本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子は、エネルギー源に接続される制御部を有してもよい。制御部は、印加パルスのパルス幅に応じて、関係式（１）からエネルギー源から出力されるエネルギー量を決定する。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態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。

（実施例１）
図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０を作製した。熱酸化Ｓｉ基板上にタングステン（Ｗ）を３ｎｍ積層した。そしてこのタングステンからなる層を幅５０ｎｍ、長さ３００ｎｍに加工し、スピン軌道トルク配線２とした。そしてその周囲を、酸化シリコンからなる絶縁膜で被覆した。

次いで、スピン軌道トルク配線２及び絶縁膜上に、ＣｏＦｅＢ（厚み１ｎｍ）、ＭｇＡｌ _２Ｏ_４（厚み３ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（厚み１ｎｍ）、Ｔａ（厚み０．４ｎｍ）、［Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）／Ｐｔ（厚み０．８ｎｍ）］_４、Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）、Ｒｕ（厚み０．４ｎｍ）、［Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）／Ｐｔ（厚み０．８ｎｍ）］_５、Ｃｏ（厚み０．４ｎｍ）、Ｐｔ（厚み１０ｎｍ）の順で層を形成した。そして、作製した層を３５０℃でアニールしたのち、５０ｎｍ×５０ｎｍの角形に加工し、素子部１を作製した。最初に積層したＣｏＦｅＢが第１強磁性層１Ａに対応し、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４が非磁性層１Ｃに対応し、ＳＡＦ（synthetic antiferromagnetic）構造が第２強磁性層１Ｂに対応する。第１強磁性層１Ａは垂直磁化膜である。

上記の手順で作製したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０の第１電極３と第２電極４の間にパルス電流を印加した。印加したパルス電流のパルス幅は１０ｎｓｅｃとした。印加するエネルギーは少しずつ大きくしていった。その結果、８０×１０^−３ΩＡ^２で素子抵抗が急激に低下した（ブレイクダウンした）。

同様の検討を印加するパルス幅を変えながら行った。図３は、印加パルスのパルス幅とブレイクダウンに至るエネルギーとの関係を示す。図３に示すＭｇＡｌ_２Ｏ_４についてのグラフは、Ｅ＝（−０．１３７９２＋６．９８ｔ^{０．２０８３２}）⁻¹＋０．２でフィッティングできた。

（実施例２）

実施例２は、非磁性層１ＣをＭｇＯに変えた点が実施例１と異なる。図３に示すように、非磁性層１ＣがＭｇＯの場合も実施例１と同様の曲線が得られた。図３に示すＭｇＯについてのグラフは、Ｅ＝（−０．１８２６４＋１３．２５５４ｔ^{０．２２７４９}）⁻¹＋０．２でフィッティングできた。

（実施例３）

実施例３は、非磁性層の厚みを２ｎｍとし、素子部１の平面視サイズを１００ｎｍ×１００ｎｍとした点が実施例１と異なる。実施例３の場合も実施例１と同じフィッティング曲線が得られた。すなわち、非磁性層の厚み、大きさは、ブレイクダウンに影響しないことが確認された。

１、１１ 素子部
１Ａ、１１Ａ 第１強磁性層
１Ｂ 第２強磁性層
１Ｃ、１１Ｂ 非磁性層
２ スピン軌道トルク配線
３ 第１電極
４ 第２電極
１０ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
１２ 磁気記録層
１２Ａ 磁壁
１２Ｂ 第１の磁区
１２Ｃ 第２の磁区
２０ 磁壁移動型磁気記録素子

Claims (9)

1. 第１の方向に延在する通電部と、前記通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部と、を備えるスピン素子において、
   印加パルスのパルス幅をｔとした際に、前記通電部の前記第１の方向に、以下の関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷する、データの書き込み方法；
   Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）⁻¹＋Ｄ ・・・（１）
   前記関係式（１）において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは前記非磁性層に応じて決定する定数である。
2. 前記非磁性層がＭｇＯであり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１８２６４、Ｂ＝１３．２５５４、Ｃ＝０．２２７４９、Ｄ＝０．２を満たす、
   または、前記非磁性層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４であり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１３７９２、Ｂ＝６．９８、Ｃ＝０．２０８３２、Ｄ＝０．２を満たす、請求項１に記載のデータの書き込み方法。
3. 前記パルス幅が１ｓｅｃ以下であり、前記通電部の前記第１の方向に付加するエネルギーが０．２ｍΩＡ^２以下である、請求項１または２に記載のデータの書き込み方法。
4. 前記通電部がスピン軌道トルク配線であり、前記素子部が第１強磁性層と第２強磁性層とこれらに挟まれた非磁性層とを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデータの書き込み方法。
5. 前記通電部が磁壁を備える磁気記録層であり、前記素子部が前記磁気記録層側から非磁性層と第３強磁性層とを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデータの書き込み方法。
6. 第１の方向に延在する通電部と、前記通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部と、を備えるスピン素子において、
   印加パルスのパルス幅をｔとした際に、前記通電部の前記第１の方向に、以下の関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷する、検査方法；
   Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）⁻¹＋Ｄ ・・・（１）
   前記関係式（１）において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは前記非磁性層に応じて決定する定数である。
7. 前記非磁性層がＭｇＯであり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１８２６４、Ｂ＝１３．２５５４、Ｃ＝０．２２７４９、Ｄ＝０．２を満たす、
   または、前記非磁性層がＭｇＡｌ_２Ｏ_４であり、前記関係式（１）においてＡ＝−０．１３７９２、Ｂ＝６．９８、Ｃ＝０．２０８３２、Ｄ＝０．２を満たす、請求項６に記載の検査方法。
8. 請求項６に記載の検査方法により前記スピン素子を検査する工程を有する、スピン素子の製造方法。
9. 第１の方向に延在する通電部と、
   前記通電部の一面に積層され、非磁性層と強磁性層とを含む素子部と、を備えるスピン素子と、
   前記通電部の前記第１の方向に、印加パルスのパルス幅をｔとした際に、以下の関係式（１）で表記されるエネルギーＥ以下のエネルギーを負荷できるエネルギー源と、
   を備える磁気抵抗効果素子；
   Ｅ＝（Ａ＋Ｂｔ^Ｃ）⁻¹＋Ｄ ・・・（１）
   前記関係式（１）において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは前記非磁性層に応じて決定する定数である。

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