JP6496098B2 - スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
本願は、2017年3月29日に、日本に出願された特願2017−064871号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
そこで、本発明は、上記問題を解決するため、以下の手段を提供する。
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のスピン伝導層3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。
スピン軌道トルク配線2は、電流が流れると純スピン流が生成され、スピン軌道トルクを誘起するように構成される。本発明のスピン軌道トルク配線2は、スピン伝導層3とスピン生成層4が第1方向に積層された構造を有する。
一実施形態では、スピン伝導層3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、Al、Si、Cu、Ag、GaAs、Geの少なくとも一種の元素を含む材料が挙げられる。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。
格子不整合が無いほど磁気抵抗比が高くなるため、より好ましい格子不整合度として0%以上5%以下が挙げられ、更に好ましくは0%以上3%以下であり、0%以上2%以下である。
スピン生成層4は、大きなスピンホール効果により大きなスピン軌道トルク(SOT)を生じさせる材料から構成される。このような材料としては、非磁性の重金属、例えば、Mo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、及びBiのうち少なくとも一種の原子を含む材料が挙げられ、スピン生成層4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。
I1/I2=R2/R1=(ρ2/ρ1)×(t1/t2) (式4)
(t1/t2)≦(ρ1/ρ2) (式6)
スピン軌道トルク配線2の厚さの下限値は1nmであることが好ましく、スピン軌道トルク配線2の厚さは2nm〜10nmであることがより好ましい。
図3Bでは符号を示していないが、図1Bと同様に、第1強磁性金属層1に接合するスピン伝導層3と、スピン伝導層3に接合し、第1強磁性金属層1の反対側の面に接合するスピン生成層4が積層された構造をスピン軌道トルク配線2とする。
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4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110も示している。また、第1強磁性金属層101とスピン軌道トルク配線120との間にキャップ層104を備える。
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110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4においては、配線130とスピン軌道トルク配線120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、スピン軌道トルク配線120に電流を流す第2電源150とを更に備える。
第2電源150は、スピン軌道トルク配線120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、スピン軌道トルク配線120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。
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線に流れる電流密度が1×107A/cm2未満とすることができる。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線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、スピン軌道トルク配線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。スピン軌道トルク配線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 (14)
- 磁化方向が変化する第1強磁性金属層と、
前記第1強磁性金属層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、前記第1強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、前記第1強磁性金属層に接合するスピン伝導層と、前記スピン伝導層に接合し、前記第1強磁性金属層の反対側の面に接合するスピン生成層が積層された構造であり、
前記スピン伝導層の膜厚t 1 と前記スピン生成層の膜厚t 2 の比率t 1 /t 2 が、前記スピン伝導層の抵抗率ρ 1 と前記スピン生成層の抵抗率ρ 2 の比率ρ 1 /ρ 2 以下となるように設計されている、スピン流磁化反転素子。 - 磁化方向が変化する第1強磁性金属層と、
前記第1強磁性金属層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、前記第1強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、前記第1強磁性金属層に接合するスピン伝導層と、前記スピン伝導層に接合し、前記第1強磁性金属層の反対側の面に接合するスピン生成層が積層された構造であり、
前記スピン伝導層は空間群Pm‐3mの対称性を有したNiAl、RuAl、RhAl、IrAl、TiNi、又は空間群Fm‐3mの対称性を有したAlN、TaN、YBi、TiC、TiNのいずれかの立方晶構造である、スピン流磁化反転素子。 - 磁化方向が変化する第1強磁性金属層と、
前記第1強磁性金属層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、前記第1強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、前記第1強磁性金属層に接合するスピン伝導層と、前記スピン伝導層に接合し、前記第1強磁性金属層の反対側の面に接合するスピン生成層が積層された構造であり、
前記スピン伝導層と前記第1強磁性金属層の格子不整合度が5%以内である、スピン流磁化反転素子。 - 磁化方向が変化する第1強磁性金属層と、
前記第1強磁性金属層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、前記第1強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、前記第1強磁性金属層に接合するスピン伝導層と、前記スピン伝導層に接合し、前記第1強磁性金属層の反対側の面に接合するスピン生成層が積層された構造であり、
前記スピン軌道トルク配線の両端に低抵抗電極を有し、
前記低抵抗電極と前記第1強磁性金属層の対向する側面間の距離が前記スピン伝導層のスピン拡散長以下である、スピン流磁化反転素子。 - 前記スピン伝導層の膜厚t1と前記スピン生成層の膜厚t2の比率t1/t2が、前記スピン伝導層の抵抗率ρ1と前記スピン生成層の抵抗率ρ2の比率ρ1/ρ2以下となるように設計されていることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載されたスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン伝導層は空間群Pm‐3mの対称性を有したNiAl、RuAl、RhAl、IrAl、TiNi、又は空間群Fm‐3mの対称性を有したAlN、TaN、YBi、TiC、TiNのいずれかの立方晶構造であることを特徴とする請求項1、請求項3又は請求項4に記載されたスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン伝導層と前記第1強磁性金属層の格子不整合度が5%以内であることを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項4に記載されたスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線の両端に低抵抗電極を有し、
前記低抵抗電極と前記第1強磁性金属層の対向する側面間の距離が前記スピン伝導層のスピン拡散長以下であ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されたスピン流磁化反転素子。 - 前記スピン伝導層はAl、Si、Cu、Ag、GaAs、Ge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から8のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン生成層はMo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、Biのいずれか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から9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、前記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10のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線の厚さが20nm以下であることを特徴とする請求項1から11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12のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、磁化の向きが固定されている第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ていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 請求項13に記載の磁気抵抗効果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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