JP6607302B2 - スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
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1(a)、(b)に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子の一例の模式図を示す。図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)のスピン軌道トルク配線2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、下記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。本実施形態のスピン軌道トルク配線2は、スピン伝導層3と界面スピン生成層4とが第1方向に交互に積層された構造を有する。
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、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3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。
界面スピン生成層4は、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元素を含む材料が挙げられ、界面スピン生成層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。
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、本発明の上記実施形態に係るスピン流磁化回転素子と、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。
図3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、磁気抵抗効果素子100は、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5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を得ない場合は、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。
本発明の実施形態に係る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。更に、原子半径の2倍以下の厚さという極薄の界面スピン生成層を形成するために、単原子層ドーピング法(デルタドーピング法)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。
本発明の一実施形態に係る磁気メモリ(MRAM)は、本発明の上記実施形態に係る磁気抵抗効果素子を複数備える。
本発明の上記実施形態に係る磁気抵抗効果素子において磁化反転を行う場合、スピン軌道トルク配線に流す電流密度を1×107A/cm2未満と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 (19)
- 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、その一面上に前記第1強磁性金属層が位置するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記第1強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第1方向に交互に積層された構造であり、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第1強磁性金属層に最近接し、
前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の2倍以下であることを特徴とするスピン流磁化回転素子。 - 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、その一面上に前記第1強磁性金属層が位置するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記第1強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第1方向に交互に積層された構造であり、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第1強磁性金属層に最近接し、
前記界面スピン生成層のうち、前記第1強磁性金属層に最も近い位置にある前記界面スピン生成層の厚さが、他の前記界面スピン生成層の厚さより薄いことを特徴とするスピン流磁化回転素子。 - 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、その一面上に前記第1強磁性金属層が位置するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記第1強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第1方向に交互に積層された構造であり、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第1強磁性金属層に最近接し、
前記スピン伝導層が、前記界面スピン生成層を挟んで異なる材料で構成されており、
前記第1強磁性金属層に近い前記スピン伝導層のスピン抵抗率が、前記第1強磁性金属層から遠い前記スピン伝導層のスピン抵抗率より小さいことを特徴とするスピン流磁化回転素子。 - 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、その一面上に前記第1強磁性金属層が位置するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記第1強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第1方向に交互に積層された構造である共に、前記界面スピン生成層を2層以上含み、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第1強磁性金属層に最近接することを特徴とするスピン流磁化回転素子。 - 前記酸化物は、Mg、Al、Ceの群から選択される少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記金属は、Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、Wの群から選択される少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の2倍以下であることを特徴とする請求項2から6のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線が、前記界面スピン生成層を2層以上含むことを特徴とする請求項2又は3のいずれかに記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の2倍以下であることを特徴とする請求項8に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記界面スピン生成層のうち、前記第1強磁性金属層に最も近い位置にある前記界面スピン生成層の厚さが、他の前記界面スピン生成層の厚さより薄いことを特徴とする請求項3に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の2倍以下であることを特徴とする請求項10に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線が、前記界面スピン生成層を2層以上含むことを特徴とする請求項10に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の2倍以下であることを特徴とする請求項12に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記スピン伝導層がAl、Si、Cu、Ag、GaAs、及びGeのうち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13のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記界面スピン生成層がMo、Ru、Rh、Pd、Ta、W、Ir、Pt、Au、又は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14のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記スピン伝導層の厚さが、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15のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
- 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16のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。
- 請求項1から17のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子と、
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18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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