JP6557444B1 - スピン素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
Description
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。
「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。
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。
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。
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。
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ρ0、100℃におけるそれをρ100とすると、α0,100={(ρ100−ρ0)/ρ0}×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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等を用いることができる。
(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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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