JP6557444B1 - スピン素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

このスピン素子１００は、第１強磁性層１を含む素子部と、第１強磁性層１の積層方向（Ｚ方向）から見て、第１の方向（Ｘ方向）に延び、第１強磁性層１に面する通電部５と、前記通電部５から半導体回路３０（３０Ａ、３０Ｂ）に至り、途中に抵抗調整部１１（１１Ａ、１１Ｂ）を有する電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）と、を備え、抵抗調整部１１の抵抗値は、前記通電部５の抵抗値よりも高く、抵抗調整部１１を構成する材料の体積抵抗率の温度係数は前記通電部５の材料の体積抵抗率の温度係数よりも低い。

Description

本発明は、スピン素子及び磁気メモリに関する。本願は、２０１８年３月８日に、日本に出願された特願２０１８−０４２１３５に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

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。これらは、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）用の素子として、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ＧＭＲ素子又は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は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軌道トルク（ＳＯＴ）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には、ＳＯＴを利用した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、スピンホール効果によって生じた純スピン流、または、異種材料の界面における界面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。したがって、ＳＯＴ−ＭＲＡＭは、ＴＭＲ素子のトンネルバリア層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。
また磁化反転に寄与するスピンは、ＴＭＲ素子とスピン軌道トルク（ＳＯＴ）配線層との接合面を介して導入される。ＴＭＲ素子の強磁性体は、ＳＯＴ配線に流す電流の電流密度によって磁化反転するか否かが決まる。強磁性体の磁化を反転させるのに必要な電流密度は、臨界電流密度と言われる。

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

ここで、スピン軌道トルク配線の抵抗値は、温度に依存して変動する。抵抗値が変動すると、同じ電圧を印加した際にスピン軌道トルク配線に流れる電流の電流密度が変動する。スピン軌道トルク配線に流れる電流の電流密度の変動は、書き込み確率の低下、バックホッピングの原因となる。またこのような現象は、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に限られるものではなく、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子でも同様である。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、異なる温度域における動作安定性が向上したスピン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）第１の態様に係るスピン素子は、第１強磁性層を含む素子部と、前記第１強磁性層の積層方向から見て、第１の方向に延び、前記第１強磁性層に面する通電部と、前記通電部から半導体回路に至り、途中に抵抗調整部を有する電流経路と、を備え、前記抵抗調整部の抵抗値は、前記通電部の抵抗値よりも高く、前記抵抗調整部を構成する材料の体積抵抗率の温度係数は、前記通電部を構成する材料の体積抵抗率の温度係数よりも低い。

（２）上記態様にかかるスピン素子において、前記抵抗調整部は、離間して配置された複数の抵抗調整部分からなり、前記複数の抵抗調整部分は、第１抵抗調整部と、第２抵抗調整部とを有し、前記第１抵抗調整部は、前記通電部の前記第１の方向の第１端部と第１半導体回路との間の電流経路に配置され、前記第２抵抗調整部は、前記通電部の前記第１の方向の第２端部と第２半導体回路との間の電流経路に配置されてもよい。

（３）上記態様にかかるスピン素子において、前記抵抗調整部は、離間して配置された複数の抵抗調整部分からなり、前記抵抗調整部は、前記積層方向から平面視して前記通電部の外形の範囲内に収まり、前記複数の抵抗調整部分のうちの少なくとも一つは、前記第１方向に延びてもよい。

（４）上記態様にかかるスピン素子において、前記抵抗調整部は、離間して配置された複数の抵抗調整部分からなり、前記複数の抵抗調整部分のうちの少なくとも一つは、前記積層方向から平面視して前記通電部の外形の範囲外に配置しており、前記外形の範囲外に配置している抵抗調整部分は、前記積層方向に直交する面内方向に広がってもよい。

（５）上記態様にかかるスピン素子において、前記複数の抵抗調整部分はすべて、前記第１方向に延び、前記複数の抵抗調整部分の少なくとも一部は、前記通電部と異なる深さ位置に配置されてもよい。

（６）上記態様にかかるスピン素子において、前記抵抗調整部がＮｉ−Ｃｒ、白金ロジウム、クロメル、インコロイ及びステンレスからなる群から選択された材料からなってもよい。

（７）上記態様にかかるスピン素子において、前記通電部は、前記第１強磁性層の磁化にスピン軌道トルクを与え、前記第１強磁性層の磁化を回転させる、スピン軌道トルク配線であり、前記素子部は、第１強磁性層からなってもよい。

（８）上記態様にかかるスピン素子において、前記通電部は、前記第１強磁性層の磁化にスピン軌道トルクを与え、前記第１強磁性層の磁化を回転させる、スピン軌道トルク配線であり、前記素子部は、前記通電部に近い位置から順に、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層を有してもよい。

（９）上記態様にかかるスピン素子において、前記通電部は、磁壁を備える磁気記録層であり、前記素子部は、前記磁気記録層に近い位置から順に、非磁性層、第１強磁性層を有してもよい。

（１０）第２の態様に係る磁気メモリは、第１の態様に係るスピン素子を複数備える。

本発明のスピン素子によれば、異なる温度域でも安定して動作できる。

第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した斜視図である。 図１に示したスピン軌道トルク型磁化回転素子を含む構成の断面模式図である。 第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面模式図である。 第２実施形態の変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面模式図である。 図４Ａの矢印Ａの向きから見たスピン軌道トルク型磁化回転素子の側面模式図である。 第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面模式図である。 本発明の一実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。 第５実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した斜視図である。 第５実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した断面図である。 第６実施形態に係る磁気記録アレイの平面図である。

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、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。

（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
「第１実施形態」
図１は、本発明の第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００を模式的に示した斜視図である。スピン軌道トルク型磁化回転素子は、スピン素子の一例である。

スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線５と、電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）と、を有する。スピン軌道トルク配線５は、通電部の一例である。第１強磁性層１は、素子部の一例である。図１では、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００に接続される半導体回路３０を同時に図示した。スピン軌道トルク配線５は、第１強磁性層１との積層方向（Ｚ方向）から見て、第１の方向（Ｘ方向）に延びる。すなわち、スピン軌道トルク配線５は、Ｚ方向からの平面視で、Ｘ方向に長軸を有する。スピン軌道トルク配線５は、第１強磁性層１に面する。ここで、面するとは、互いに向き合う関係を言い、２つの層が接触していても、間に他の層を有してもよい。電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、スピン軌道トルク配線５と半導体回路３０（第１半導体回路３０Ａ、第２半導体回路３０Ｂ）との間を電気的につなぐ。電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、途中に抵抗調整部１１（第１抵抗調整部１１Ａ、第２抵抗調整部１１Ｂ）を備える。抵抗調整部１１の抵抗値は、スピン軌道トルク配線５の抵抗値よりも高い。抵抗調整部１１を構成する材料の体積抵抗率の温度係数は、スピン軌道トルク配線５を構成する材料の体積抵抗率の温度係数よりも低い。

半導体回路３０は、スピン軌道トルク配線５に電流を流すために設けられた回路であって、例えば、トランジスタ（図２参照）である。半導体回路３０は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の外部にある。

図２は、図１に示したスピン軌道トルク型磁化回転素子１００に加えて、半導体回路３０の一例を追加した断面図である。図２に示す半導体回路３０は、トランジスタ３０Ａ（ソースドレインＳ／Ｄ、ゲート電極Ｇ）、トランジスタ３０Ｂ（ソースドレインＳ／Ｄ、ゲート電極Ｇ）と、それに接続されたビア１２１Ａ、１２１Ｂと、ビットラインＢＬ１、ＢＬ２と、を有する。

トランジスタ３０Ａ、３０Ｂをオンし、ビットラインＢＬ１、ＢＬ２の間に所定の電位差を印加すると、ビットラインＢＬ１とビットラインＢＬ２との間に電流が流れる。例えば、電流は、ビットラインＢＬ１、ビア１２１Ａ、トランジスタ３０Ａ、ビア２１Ａ−２、第１抵抗調整部１１Ａ、ビア２１Ａ−１の順に流れ、スピン軌道トルク配線５の第１端部５ａに供給される。また、電流は、これと反対に、ビットラインＢＬ２、ビア１２１Ｂ、トランジスタ３０Ｂ、ビア２１Ｂ−２、第２抵抗調整部１１Ｂ、ビア２１Ｂ−１の順に流れ、スピン軌道トルク配線５の第２端部５ｂに供給してもよい。

スピン軌道トルク配線５に電流が流れると、スピン軌道トルク配線５内に純スピン流を生成される。純スピン流は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線５との接合面１ａを介して第１強磁性層１へスピンを供給する。供給されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。

本明細書において「電流経路」とは、電流の流れる経路を意味するものである。本明細書における「電流経路」は、例えば、代表的には、ビアや配線である。一方で、本明細書における「電流経路」は、寄生容量や寄生インダクタンスに起因する電流経路、絶縁体中を流れる微小な電流の電流経路は含まない。ビアは、多層配線において、下層の配線と上層の配線を電気的につなぐ接続領域である。ビアは、層間絶縁膜をエッチングしてビアホールを開口し、そのビアホールを金属材料で埋め込んで形成する。本明細書において、ビアと配線とをまとめてビア配線ということがある。本明細書における「電流経路」には、ビア配線と抵抗調整部とからなる場合と、ビア配線と抵抗調整部とそれ以外の構成とからなる場合が含まれる。

本明細書において “素子外部の半導体回路”は、スピン軌道トルク配線（通電部）から接続している電流経路を辿っていったときに、最初に到達する半導体回路を意味する。言い換えると、本明細書における“半導体回路”は、電流経路上でスピン軌道トルク配線に最も近い半導体回路を指す。従って、図１で示した例では、スピン軌道トルク配線と半導体回路との間の電流経路１０Ａ、１０Ｂは、スピン軌道トルク配線５とトランジスタ３０Ａとの間に配置するビア２１Ａ−１、第１抵抗調整部１１Ａ及びビア２１Ａ−２であり、また、スピン軌道トルク配線５とトランジスタ３０Ｂとの間に配置するビア２１Ｂ−１、第２抵抗調整部１１Ｂ及びビア２１Ｂ−２である。従って、ビア１２１Ａやビア１２１Ｂは、「スピン軌道トルク配線と半導体回路との間の電流経路」には含まれない。

＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１は、強磁性体からなる。第１強磁性層１を構成する強磁性材料としては、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を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、等が挙げられる。

第１強磁性層１を構成する材料は、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またはＸ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物である。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る。ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種である。ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、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１強磁性層１は、ｘｙ面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、ｚ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。また、磁化容易軸はＺ方向に対して傾いていても良い。

第１強磁性層１の膜厚は、第１強磁性層１の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、２．５ｎｍ以下とすることが好ましく、２．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。また十分な磁化量を確保するために、第１強磁性層１の膜厚は、１．０ｎｍ以上であることが好ましい。第１強磁性層１の膜厚を薄くすると、第１強磁性層１と他の層との界面の影響を受けて、第１強磁性層１は垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を有する。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線５は、Ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線５は、第１強磁性層１のＺ方向の一面に面する。スピン軌道トルク配線５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５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５から伝搬するスピンを散逸しにくい材料で構成されていることが好ましい。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５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５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５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。

スピンホール効果とは、配線に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。配線に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。第１スピン及び第２スピンの偏在を解消する方向にスピン流が誘起される。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）は、第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。したがって、スピン軌道トルク配線５の第１強磁性層１が配設された第１面へ向かう第１スピンの電子数と、第１面とは反対の方向へ向かう第２スピンＳ２の電子数とは、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。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。

第１スピンの電子の流れをＪ_↑、第２スピンの電子の流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。純スピン流としてＪ_Ｓが一方向に流れる。ここで、Ｊ_Ｓ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５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の意味で用いている。スピン軌道トルク配線５は、非磁性の重金属だけからなってもよい。

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。非磁性の重金属は、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５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。

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５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、スピン軌道トルク配線５に流す電流に対するスピン流の生成効率を高くなる。スピン軌道トルク配線５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に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属は流れる電子（スピン）を散乱する。その結果、スピン軌道トルク配線５のスピン流の生成効率は向上する。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場合がある。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５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５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。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。そのため、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，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。

＜抵抗調整部＞
抵抗調整部１１は、スピン軌道トルク配線と半導体回路との間の電流経路１０の途中に位置する。言い換えると、抵抗調整部１１は、スピン軌道トルク配線５と半導体回路３０との間の電流経路１０の一部として、電流経路１０を構成するものである。

抵抗調整部１１は、１つの部分から構成されてもよい。例えば、図１、図２において、第１抵抗調整部１１Ａのみ、または、第２抵抗調整部１１Ｂのみでもよい。また抵抗調整部１１は、離間して配置された複数の抵抗調整部分からなってもよい。例えば、図１及び図２に示すように、複数の抵抗調整部分は、第１抵抗調整部１１Ａと第２抵抗調整部１１Ｂとを有してもよい。抵抗調整部１１が複数の抵抗調整部分からなる場合には、隣接する抵抗調整部分はビア配線により接続されている。

図１及び図２に示す例では、抵抗調整部１１は、離間して配置する２つの抵抗調整部分から構成される場合であるが、抵抗調整部１１は３つ以上の抵抗調整部分から構成されてもよい。
抵抗調整部が離間して配置する複数の抵抗調整部分から構成される場合、抵抗調整部全体としての抵抗値の設計の自由度が高くなる。一方、抵抗調整部が1つの部分から構成される場合には、作製が容易になる。

また、図１及び図２に示す例では、抵抗調整部１１（第１抵抗調整部１１Ａ、第２抵抗調整部１１Ｂ）は、ビアを介してスピン軌道トルク配線５に接続されている。抵抗調整部１１は、この場合に限られず、ビアを介さずに直接スピン軌道トルク配線５に接続されてもよい。

また、図１及び図２に示す例では、第１抵抗調整部１１Ａ，第２抵抗調整部１１Ｂは、スピン軌道トルク配線５の長手方向であるＸ方向の第１端部５ａ、第２端部５ｂのそれぞれに、ビア２１Ａ−１、ビア２１Ｂ−１を介して電気的に接続されている。第１抵抗調整部１１Ａ、第２抵抗調整部１１Ｂは、第１端部５ａ、第２端部５ｂ以外に直接または間接的に接続されても構わない。

また、図１及び図２に示す例では、抵抗調整部１１（第１抵抗調整部１１Ａ、第２抵抗調整部１１Ｂ）は、通常のビア配線の配線に相当する部材を抵抗調整部で置き換えたものであるが、ビアに相当する部材を抵抗調整部で置き換えたものにしたものでもよいし、ビア配線以外の電流経路を構成する部材を置き替えたものにしたものでもよい。

抵抗調整部１１は、その抵抗値がスピン軌道トルク配線５の抵抗値よりも高い。
ここで、抵抗値は、Ｒ＝ρＬ／Ａ（Ｒは抵抗値、ρは抵抗率、Ｌは長さ、Ａは断面積）の式で表される。抵抗値は、抵抗率（体積抵抗率）、長さ、断面積のうちの一つ又は二つ以上を変えることによって自由に設計できる。
また、抵抗調整部１１を構成する材料の体積抵抗率の温度係数は、スピン軌道トルク配線５を構成する材料の体積抵抗率の温度係数よりも低い。
ここで、本明細書において「体積抵抗率の温度係数」は、０℃における体積抵抗率をρ_０、１００℃におけるそれをρ_１００とすると、α_{０，１００}=｛(ρ_１００−ρ_０)／ρ_０｝×１００として算出されたものである。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、抵抗調整部１１を備えることで、スピン軌道トルク配線に適度な電流値を安定的に供給できる。これによって、書き込み電流の減少による書き込み確率の低下や、電流増加によるバックホッピングが防止できる。

抵抗調整部１１の材料としては例えば、Ｎｉ−Ｃｒ、白金ロジウム、クロメル、インコロイ及びステンレスからなる群から選択された材料を用いることができる。
これらの材料は、１００℃のときの体積抵抗率は０℃のときの体積抵抗率に対しての変化率（上記定義の温度係数）が低く、すべて１５％以下であり、白金ロジウム以外は１０％以下であり、Ｎｉ−Ｃｒ、クロメル及びインコロイは４％以下である。

「第２実施形態」
図３は、本発明の第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子２００をＺ方向から見た平面模式図である。
以下、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子２００の特徴を説明する。第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と重複する構成については同じ符号をつけてその説明は省略する。

スピン軌道トルク型磁化回転素子２００において、抵抗調整部１２は、離間して配置する２つの抵抗調整部分１２Ａ、１２Ｂからなる。抵抗調整部１２は、Ｚ方向から平面視してスピン軌道トルク配線５の外形５Ａの範囲内に収まる。２つの抵抗調整部分１２Ａ、１２Ｂは、スピン軌道トルク配線５の延在方向と同じＸ方向に延在している。
抵抗調整部１２がスピン軌道トルク配線５の外形５Ａの範囲内に収まると、スピン軌道トルク型磁化回転素子を密に配置することができ、素子全体の集積度が上がる。また、抵抗調整部１２がスピン軌道トルク配線５の延在方向（Ｘ方向）に延在して長いため、抵抗調整部１２の抵抗を大きくできる。

図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子２００では、抵抗調整部１２を構成する２つの抵抗調整部分１２Ａ、１２Ｂはいずれも、スピン軌道トルク配線５の延在方向と同じＸ方向に延在する構成であるが、一方のみがＸ方向に延在する構成でもよい。この場合でも、その一つの抵抗調整部分の抵抗を大きくできる。

図４Ａは、第２実施形態の変形例にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子２００Ａの平面模式図である。図４Ｂは、図４Ａを矢印Ａの向きから見た側面模式図である。

この変形例のスピン軌道トルク型磁化回転素子２００Ａは、スピン軌道トルク配線の延在方向と同じＸ方向に延びる抵抗調整部分を異なる深さ位置に複数有する点が、図３に示す構成と異なる。

具体的には、抵抗調整部分１２Ａは、２つの抵抗調整部分を有する。抵抗調整部分１２Ａ−１と抵抗調整部分１２Ａ−２とは、異なる深さ位置にある。同様に抵抗調整部分１２Ｂは、２つの抵抗調整部分を有する。２つの抵抗調整部分は、図４Ｂにおいて、抵抗調整部分１２Ａ−１及び抵抗調整部分１２Ａ−２と重なる位置にある。すなわち、抵抗調整部１２は、４つの抵抗調整部分からなる。
深さ方向に隣接する抵抗調整部分（例えば、抵抗調整部分１２Ａ−１、１２Ａ−２）はビアによって接続されている。

図４Ａ及び図４Ｂに示す例では、抵抗調整部分は４つであるが、３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。また、抵抗調整部分は対称的に設置されている必要はない。また、抵抗調整部分は、３層以上の異なる深さ位置に配置されてもよい。それぞれの深さを１層と数えると、図３に示した例は、抵抗調整部分は１層であり、図４に示す例は２層である。
抵抗調整部を構成する抵抗調整部分が２つ以上の深さ（すなわち、２層以上）に設けることによって、１層にだけ設ける構成に比べて、抵抗の長さが長くなる。すなわち抵抗調整部全体の抵抗値を大きくできる。
抵抗調整部を構成する抵抗調整部分を、異なる深さ（異なる層）に備える構成は他の実施形態で適用してもよい。

「第３実施形態」
図５は、第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子３００をＺ方向から見た平面模式図である。
以下、第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子３００の特徴を説明する。第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００や第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子２００、２００Ａと重複する構成については同じ符号をつけてその説明は省略する。

スピン軌道トルク型磁化回転素子３００において、抵抗調整部１３は、離間して配置する２つの抵抗調整部分１３Ａ、１３Ｂからなる。抵抗調整部分１３Ａ、１３Ｂは、積層方向（Ｚ方向）から平面視して、少なくとも一部がスピン軌道トルク配線５の外形５Ａの範囲外に配置されている。２つの抵抗調整部分１３Ａ、１３Ｂは、積層方向（Ｚ方向）に直交する面内方向（ＸＹ面内）に広がっている。

ここで、抵抗調整部を構成する抵抗調整部分が積層方向（Ｚ方向）から平面視で、スピン軌道トルク配線５の外形５Ａの範囲外に配置しているとは、その抵抗調整部分の一部でもスピン軌道トルク配線の外形の範囲外に配置していればよい。例えば、図５に示した抵抗調整部分１３Ａは、第１部分１３Ａ−１と第２部分１３Ａ−２とからなる。第１部分１３Ａ−１は、ビア２３Ａ−１に接続してＹ方向に延在する部分である。第２部分１３Ａ−２は、第１部分１３Ａ−１のビア２３Ａ−１に接続していない側の端部からＸ方向に延在する部分である。第２部分１３Ａ−２はスピン軌道トルク配線の外形の範囲外に配置されている。第１部分１３Ａ−１はその一部（実線の部分）は外形の範囲外に配置されているが、他の一部（点線の部分）は外形の範囲内に配置されている。同様に、抵抗調整部分１３Ｂは、第１部分１３Ｂ−１と第２部分１３Ｂ−２とからなる。第１部分１３Ｂ−１は、ビア２３Ｂ−１に接続してＹ方向に延在する部分である。第２部分１３Ｂ−２は、第１部分１３Ｂ−１のビア２３Ｂ−１に接続していない側の端部からＸ方向に延在する部分である。第２部分１３Ｂ−２はスピン軌道トルク配線の外形の範囲外に配置する。第１部分１３Ｂ−１はその一部（実線の部分）は外形の範囲外に配置するが、他の一部（点線の部分）は外形の範囲内に配置する。

抵抗調整部を構成する抵抗調整部分１３Ａ、１３Ｂが積層方向（Ｚ方向）から平面視してスピン軌道トルク配線５の外形５Ａの範囲外に配置される構成の場合、外形５Ａの範囲内に配置される構成に比べて、スピン軌道トルク配線５の直下に配置するビアから外形５Ａの範囲外に出る部分（図５の例では、第１部分１３Ａ−１や第２部分１３Ｂ−２）だけ、長くなる。すなわち抵抗調整部全体の抵抗値を大きくできる。

第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子においても、異なる深さ（異なる層）に抵抗調整部を構成する抵抗調整部分を複数備えてもよい。

「第４実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図６は、第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子５００を模式的に示した斜視図である。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子５００は、第１強磁性層１と、非磁性層２と、第２強磁性層３と、スピン軌道トルク配線５と、電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）と、を有する。スピン軌道トルク配線５は、通電部の一例である。第１強磁性層１と非磁性層２と第２強磁性層３とを合わせた構成２０は、素子部の一例である。図６では、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子５００に接続される半導体回路３０を同時に図示した。スピン軌道トルク配線５は、第１強磁性層１との積層方向（Ｚ方向）から見て、第１の方向（Ｘ方向）に延びる。スピン軌道トルク配線５は、第１強磁性層１に面する。非磁性層２は、第１強磁性層１のスピン軌道トルク配線５と反対側の面に面する。第２強磁性層３は、非磁性層２の第１強磁性層１と反対側の面に面する。電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、スピン軌道トルク配線５と半導体回路３０（第１半導体回路３０Ａ、第２半導体回路３０Ｂ）との間を電気的につなぐ。電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、途中に抵抗調整部１１（第１抵抗調整部１１Ａ、第２抵抗調整部１１Ｂ）を備える。抵抗調整部１１の抵抗値は、スピン軌道トルク配線５の抵抗値よりも高い。抵抗調整部１１を構成する材料の体積抵抗率の温度係数は、スピン軌道トルク配線５を構成する材料の体積抵抗率の温度係数よりも低い。

第１強磁性層１と非磁性層２と第２強磁性層３とを合わせた構成２０は、通常の磁気抵抗効果素子の構成であり、構成２０において通常の磁気抵抗効果素子が備える層構成を適用することができる。

＜第２強磁性層＞
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子５００は、第２強磁性層３の磁化が一方向に固定され、第１強磁性層１の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（疑似スピンバルブ型；Pseudo spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層３の保磁力は第１強磁性層１の保磁力よりも大きいものとする。交換バイアス型（スピンバルブ型；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、反強磁性層との交換結合によって第２強磁性層３の磁化方向を固定する。

また、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子５００は、非磁性層２が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子であり、非磁性層２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子５００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３の磁化方向を固定するための反強磁性層などの他の層を備えてもよい。第２強磁性層３は固定層や参照層、第１強磁性層１は自由層や記憶層などと呼ばれる層に相当する。

第２強磁性層３の材料には、公知の材料を用いることができ、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。第１強磁性層１が面内磁化膜であるため、第２強磁性層３も面内磁化膜であることが好ましい。

また、第２強磁性層３の第１強磁性層１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層３と接する材料としてＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第２強磁性層３の漏れ磁場を第１強磁性層１に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。

＜非磁性層＞
非磁性層２には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層２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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及びＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。また、非磁性層２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２が半導体からなる場合、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５実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図７は、第５実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子６００を模式的に示した斜視図である。図８は、第５実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子６００を模式的に示した断面図である。

磁壁移動型磁気記録素子６００は、第１強磁性層１と、非磁性層４と、磁気記録層５’と、電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）と、を有する。磁気記録層５’は、通電部の一例である。第１強磁性層１と非磁性層４とを合わせた構成４０は、素子部の一例である。図７及び図８では、磁壁移動型磁気記録素子６００に接続される半導体回路３０を同時に図示した。通電部が磁気記録層５’であり、素子部が構成４０である点以外は、上述の実施形態と同様であり、同様の構成についての説明を省く。

磁気記録層５’は、第１強磁性層１との積層方向（Ｚ方向）から見て、第１の方向（Ｘ方向）に延びる。磁気記録層５’は、第１強磁性層１に面する。非磁性層４は、第１強磁性層１と磁気記録層５’との間に位置する。電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、磁気記録層５’と半導体回路３０（第１半導体回路３０Ａ、第２半導体回路３０Ｂ）との間を電気的につなぐ。電流経路１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、途中に抵抗調整部１１（第１抵抗調整部１１Ａ、第２抵抗調整部１１Ｂ）を備える。抵抗調整部１１の抵抗値は、磁気記録層５’の抵抗値よりも高い。抵抗調整部１１を構成する材料の体積抵抗率の温度係数は、磁気記録層５’を構成する材料の体積抵抗率の温度係数よりも低い。

磁気記録層５’は、内部に磁壁ＤＷを有する。磁壁ＤＷは、互いに反対方向の磁化を有する２つの磁区の境界である。磁壁移動型磁気記録素子６００は、磁気記録層５’における磁壁ＤＷの位置によって、データを多値で記録する。磁気記録層５’に記録されたデータは、第１強磁性層１と磁気記録層５’の積層方向の抵抗値変化として読み出される。

磁壁ＤＷは、磁気記録層５’に電流を流すと動く。磁壁ＤＷの位置が変化すると、磁気記録層５’の磁化状態が変化する。磁壁移動型磁気記録素子６００は、非磁性層４を挟む２つの磁性体（第１強磁性層１と磁気記録層５’）の磁化の相対角の変化に伴う抵抗値変化をデータとして出力する。

磁気記録層５’は、磁性体により構成される。磁気記録層５’を構成する磁性体は、第１強磁性層１と同様のものを用いることができる。また磁気記録層５’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ＤＷ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ＤＷの移動速度を抑えることができる。

ここまで、スピン素子の具体例として、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気抵抗効果素子、磁壁移動型磁気記録素子を例示した。これらは、データの書込み時に第１強磁性層１と交差する方向に延在する通電部（スピン軌道トルク配線５、磁気記録層５’）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、これらの素子に限られるものではない。

「第６実施形態」
（磁気メモリ）
第６実施形態に係る磁気メモリは、スピン素子を複数備える。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。

図９は、第６実施形態に係る磁気記録アレイ７００の平面図である。図９に示す磁気記録アレイ７００は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図９は、磁気記録アレイの一例であり、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００に代えて他のスピン素子にしてもよく、またスピン素子の数及び配置は任意である。

スピン軌道トルク型磁化回転素子１００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、１本のビットラインＢＬ１〜３、１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。

電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００のスピン軌道トルク配線５に電流を流し、書き込み動作を行う。また、電流を印加するリードラインＲＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３、ビットラインＢＬ１〜３、及びリードラインＲＬ１〜３はトランジスタ等により選択することができる。

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。

１ 第１強磁性層
２、４ 非磁性層
３ 第２強磁性層
５ スピン軌道トルク配線
５’ 磁気記録層
１０、１０Ａ、１０Ｂ 電流経路
１１、１２、１３ 抵抗調整部
１１Ａ 第１抵抗調整部
１１Ｂ 第２抵抗調整部
３０ 半導体回路
２０、４０ 構成（素子部）
１００、２００、２００Ａ、３００ スピン軌道トルク型磁化回転素子
５００ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
６００ 磁壁移動型磁気記録素子
７００ 磁気記録アレイ

Claims (10)

1. 第１強磁性層を含む素子部と、
   前記第１強磁性層の積層方向から見て、第１の方向に延び、前記第１強磁性層に面する通電部と、
   前記通電部から半導体回路に至り、途中に抵抗調整部を有する電流経路と、を備え、
   前記抵抗調整部の抵抗値は、前記通電部の抵抗値よりも高く、
   前記抵抗調整部を構成する材料の体積抵抗率の温度係数は、前記通電部を構成する材料の体積抵抗率の温度係数よりも低い、スピン素子。
2. 前記抵抗調整部は、離間して配置された複数の抵抗調整部分からなり、
   前記複数の抵抗調整部分は、第１抵抗調整部と、第２抵抗調整部とを有し、
   前記第１抵抗調整部は、前記通電部の前記第１の方向の第１端部と第１半導体回路との間の電流経路に配置され、
   前記第２抵抗調整部は、前記通電部の前記第１の方向の第２端部と第２半導体回路との間の電流経路に配置される、請求項１に記載のスピン素子。
3. 前記抵抗調整部は、離間して配置された複数の抵抗調整部分からなり、
   前記抵抗調整部は、前記積層方向から平面視して前記通電部の外形の範囲内に収まり、
   前記複数の抵抗調整部分のうちの少なくとも一つは、前記第１の方向に延びる、請求項１又は２のいずれかに記載のスピン素子。
4. 前記抵抗調整部は、離間して配置された複数の抵抗調整部分からなり、
   前記複数の抵抗調整部分のうちの少なくとも一つは、前記積層方向から平面視して前記通電部の外形の範囲外に配置しており、
   前記外形の範囲外に配置している抵抗調整部分は、前記積層方向に直交する面内方向に広がる、請求項１又は２のいずれかに記載のスピン素子。
5. 前記複数の抵抗調整部分はすべて、前記第１の方向に延び、
   前記複数の抵抗調整部分の少なくとも一部は、前記通電部と異なる深さ位置に配置されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載のスピン素子。
6. 前記抵抗調整部がＮｉ−Ｃｒ、白金ロジウム、クロメル、インコロイ及びステンレスからなる群から選択された材料からなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン素子。
7. 前記通電部は、前記第１強磁性層の磁化にスピン軌道トルクを与え、前記第１強磁性層の磁化を回転させる、スピン軌道トルク配線であり、
   前記素子部は、第１強磁性層からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン素子。
8. 前記通電部は、前記第１強磁性層の磁化にスピン軌道トルクを与え、前記第１強磁性層の磁化を回転させる、スピン軌道トルク配線であり、
   前記素子部は、前記通電部に近い位置から順に、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン素子。
9. 前記通電部は、磁壁を備える磁気記録層であり、
   前記素子部は、前記磁気記録層に近い位置から順に、非磁性層、第１強磁性層を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン素子を複数備えた、磁気メモリ。

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