JP6610839B1 - 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、磁気メモリ及びリザボア素子 - Google Patents

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、磁気メモリ及びリザボア素子 Download PDF

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Abstract

本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、前記第１開口内に形成された第１導電部と、前記第２開口内に形成された第２導電部と、前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第1面と、前記第1面と対向し前記第１面より前記スピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、前記側面は、連続する主面と、前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、を有する。

Description

本発明は、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、磁気メモリ及びリザボア素子に関するものである。
磁気抵抗効果素子は、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）への応用が期待されている。
磁気抵抗効果素子は、非磁性層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きの変化を素子の抵抗変化として出力する。磁気抵抗効果素子は、強磁性層の磁化の向きを制御して、データを記録する。磁化の向きを制御する方法として、電流が生み出す磁場を利用する方式、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流した際に生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式が知られている。ＳＴＴを利用する方式は、非磁性層を貫通する方向に電位差を与える必要があり、非磁性層にダメージを与える場合がある。
近年、磁化の向きを制御する新たな方式としてスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用する方式が検討されている（例えば、特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた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強磁性層内に誘起される。強磁性層内の磁化にＳＯＴが作用することで、磁化が反転する。スピン流及びラシュバ効果は、強磁性層の積層方向と交差する方向に電流が流れると生じる。ＳＯＴを利用する方式は、非磁性層及び強磁性層の積層方向に大きな書き込み電流を流すことを避けられ、非磁性層等へのダメージを抑制できる。
特開２０１７−２１６２８６号公報
磁気抵抗効果素子は、データを記録する記録領域であり、複数の磁気抵抗効果素子を集積した磁気メモリとして用いることが多い。磁気メモリ全体の小型化を図るためには、磁気抵抗効果素子の集積性を高まることが求められている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、集積性を高めることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子及びスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。また集積性の高い磁気メモリ及びリザボア素子を提供することを目的とする。
磁気抵抗効果素子は、半導体素子と接続して用いられる。磁気抵抗効果素子と半導体素子を繋ぐ導電部の一部を除去し、傾斜面とすることで、集積性を高めることができることを見出した。
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の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、前記第１開口内に形成された第１導電部と、前記第２開口内に形成された第２導電部と、前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面より前記スピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、前記側面は、連続する主面と、前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、を有する。
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第３面は、前記第１方向に対して傾斜又は湾曲していてもよい。
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第３面は、前記第１方向に対して傾斜又は湾曲する第１部分と、前記第１部分に対して傾斜又は湾曲する第２部分とを有してもよい。
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、前記第１側面は、前記第１導電部の前記第３面の少なくとも一部と連続してもよい。
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１導電部の前記側面は、前記主面及び前記第３面に対して傾斜又は湾曲し前記主面及び前記第３面に対して不連続な第４面及び第５面をさらに有してもよい。
（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向と交差する第３方向に、第３側面と第４側面とを有し、前記第３側面は、前記第４面の少なくとも一部と連続し、前記第４側面は、前記第５面の少なくとも一部と連続してもよい。
（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１強磁性層は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、前記第１強磁性層の第１側面は、前記スピン軌道トルク配線の第１側面と連続し、前記第１強磁性層の第２側面は、前記スピン軌道トルク配線の第２側面と連続してもよい。
（８）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１強磁性層は、前記第２方向と交差する第３方向に、第３側面と第４側面とを有し、前記第１強磁性層の第３側面は、前記スピン軌道トルク配線の第３側面と連続し、前記第１強磁性層の第４側面は、前記スピン軌道トルク配線の第４側面と連続してもよい。
（９）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、前記第２方向と交差する第３方向に第３側面と第４側面とを有し、前記第１側面の前記第１方向に対する傾斜角は、前記第３側面及び前記第４側面の前記第１方向に対する傾斜角より大きくてもよい。
（１０）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、前記第１側面の前記第２方向に対する傾斜角が４５°以上であってもよい。
（１１）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との間に下地層をさらに有してもよい。
（１２）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層の前記第１方向に位置する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を有する。
（１３）第３の態様にかかる磁気メモリは、複数の上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を繋ぐ配線と、を備える。
（１４）第４の態様にかかるリザボア素子は、複数の上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記複数のスピン軌道トルク型磁化回転素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える。
上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子及びスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子によれば、素子の集積性を高めることができる。また上記態様にかかる磁気メモリ及びリザボア素子は小型化が可能である。
第１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の斜視図である。 第１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の断面図である。 第１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の別の切断面における断面図である。 第１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の平面図である。 第１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が複数ある場合における素子の配置を示す断面図である。 第１変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第４変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第５変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第６変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第７変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 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断面図である。 第３実施形態にかかる磁気メモリの回路図である。 第４実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。
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、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。
まず方向について定義する。ｘ方向及びｙ方向は、後述するスピン軌道トルク配線３０と略平行な方向である。ｘ方向は、後述するスピン軌道トルク配線３０が延びる方向である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は第１方向の一例であり、ｘ方向は第２方向の一例である。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図１は、第１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の斜視図である。図２は、第１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の断面図である。図３は、第１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の別の切断面における断面図である。図４は、第１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の別の切断面における平面図である。図２は、後述するスピン軌道トルク配線３０のｙ方向の中央を通るｘｚ平面（図４のＡ−Ａ面）で切断した断面である。図３は、後述する素子部９０と後述する第１導電部２０Ａとが重なる位置を通るｙｚ平面（図４のＢ−Ｂ面）で切断した断面である。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、第１絶縁層１０と、２つの導電部２０と、スピン軌道トルク配線３０と、第１強磁性層４０と、非磁性層５０と、第２強磁性層６０と、キャップ層７０と、第２絶縁層８０とを有する。スピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０を、素子部９０と称する。導電部２０は、便宜上、一方を第１導電部２０Ａ、他方を第２導電部２０Ｂと称する場合がある。
＜第１絶縁層＞
第１絶縁層１０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する層間絶縁膜である。第１絶縁層１０は、導電部２０を除き、素子部９０と半導体素子（例えば図５に示すトランジスタＴｒ）とを電気的に分離する。第１絶縁層１０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。
第１絶縁層１０は、第１開口Ｈ１と第２開口Ｈ２とを有する。第１開口Ｈ１及び第２開口Ｈ２は、ｚ方向に延びる。第１開口Ｈ１及び第２開口Ｈ２は、例えば、ｚ方向に第１絶縁層１０を貫通する。
＜導電部＞
２つの導電部２０は、第１絶縁層１０内に位置する。２つの導電部２０は、それぞれｘ方向に離間して配置する。第１導電部２０Ａは、第１絶縁層１０の第１開口Ｈ１内に形成される。第２導電部２０Ｂは、第１絶縁層１０の第２開口Ｈ２内に形成される。２つの導電部２０は、素子部９０と半導体素子（例えば図５に示すトランジスタＴｒ）とを電気的に接続する。
２つの導電部２０はそれぞれ、第１面２１と第２面２２と側面２３とを有する。第１面２１は、他の面よりスピン軌道トルク配線３０に近い位置でスピン軌道トルク配線３０に面する面である。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。第１面２１は、例えば、スピン軌道トルク配線３０に接続される。第２面２２は、第１面２１と反対側の面である。側面２３は、第１面２１と第２面２２とを繋ぐ面である。
図１に示す導電部２０の側面２３は、主面２３Ａと第３面２３Ｂと第４面２３Ｃと第５面２３Ｄ（図３、図４参照）とを有する。主面２３Ａは、ｚ方向に連続する。第３面２３Ｂ、第４面２３Ｃ及び第５面２３Ｄは、それぞれ主面２３Ａに対して傾斜又は湾曲し、主面２３Ａに対して不連続である。ここで「連続」とは、導電部２０をｘｚ平面又はｙｚ平面で切断した切断面において、側面２３に沿って引いた接線の傾きが連続的に変化することをいう。また「不連続」とは、導電部２０をｘｚ平面又はｙｚ平面で切断した切断面において、側面２３に沿って引いた接線の傾きが連続的に変化しないことを言う。例えば、２つの連続面間が変曲点を介して接続されている場合、「不連続」となる。主面２３Ａと第３面２３Ｂ、第４面２３Ｃ又は第５面２３Ｄとの境界で、側面２３は屈曲する。第３面２３Ｂ、第４面２３Ｃ及び第５面２３Ｄは、例えば、導電部２０の一部が除去されることで形成された部分である。
図２に示すｘｚ切断面において、第３面２３Ｂは、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜する。またｘｚ切断面において、第３面２３Ｂは、主面２３Ａに対してｘ方向に傾斜する。ｘｚ平面において、主面２３Ａと第３面２３Ｂとの境界で、側面２３は屈曲する。図３に示すｙｚ切断面において、第４面２３Ｃ及び第５面２３Ｄは、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜する。またｙｚ切断面において、第４面２３Ｃ及び第５面２３Ｄは、主面２３Ａに対してｙ方向に傾斜する。ｙｚ平面において、主面２３Ａと第４面２３Ｃとの境界及び主面２３Ａと第５面２３Ｄで、側面２３は屈曲する。
導電部２０の主面２３Ａはそれぞれ、図２に示すｘｚ切断面において、第１側面２３ａと第２側面２３ｂとを有する。第１側面２３ａは、ｘｚ切断面において異なる導電部２０に近い位置にある。例えば、第１導電部２０Ａにおける第１側面２３ａは、第２導電部２０Ｂに近い側の面である。第２側面２３ｂは、第１側面２３ａと反対側にある。第１側面２３ａと第２側面２３ｂとは、ｚ方向の長さが異なる。第１側面２３ａと第２側面２３ｂ及び第３面２３Ｂとは、導電部２０のｘ方向の中心軸に対して線対称ではない。
導電部２０は、導電性の高い材料を含む。導電部２０は、例えば、銅、アルミニウム、銀、導電性を有する酸化膜、導電性を有する窒化膜等である。
第１絶縁層１０と導電部２０とのビッカース硬度差は３ＧＰａ以下であることが好ましい。スピン軌道トルク配線３０は、第１絶縁層１０及び導電部２０上に積層される。第１絶縁層１０及び導電部２０のスピン軌道トルク配線３０の積層面は、平坦であることが好ましい。第１絶縁層１０と導電部２０とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であると、化学機械研磨（ＣＭＰ）等により積層面を平坦化しやすい。
第１絶縁層１０と導電部２０とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下となる具体的な組み合わせとしては以下のような組合せが考えられる。
例えば、第１絶縁層１０が酸化シリコンの場合は、導電部２０に窒化バナジウムを用いることができる。
また例えば、第１絶縁層１０が酸化ジルコニウムの場合は、導電部２０にＮｂ、Ｖ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、第１絶縁層１０が窒化シリコンの場合は、導電部２０にＮｂ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、第１絶縁層１０に窒化クロム、単窒化珪素、酸化アルミニウムのいずれかの場合は、導電部２０にＴｉ又はＺｒを含む窒化物を用いることができる。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線３０は、第１絶縁層１０のｚ方向に位置する。スピン軌道トルク配線３０は、ｚ方向から見て、２つの導電部２０に亘ってｘ方向に延びる。
スピン軌道トルク配線３０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線３０に沿って電流Ｉが流れる。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とは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、＋ｙ方向に配向した第１スピンｓ１が＋ｚ方向に曲げられ、−ｙ方向に配向した第２スピンｓ２が−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）は、スピンホール効果により生じる第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。図２において、＋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。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ＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。図１において、スピン軌道トルク配線３０は第１強磁性層４０に面する。スピンは、スピン軌道トルク配線３０から第１強磁性層４０に注入される。注入されたスピンは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を、第１強磁性層４０の磁化にくわえる。第１強磁性層４０の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）により磁化反転する。
スピン軌道トルク配線３０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３０は、第１強磁性層４０の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層４０に生み出す材料を含む。
スピン軌道トルク配線３０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、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。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。
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生じる。ｚ方向のスピンの流れは、ｚ方向のスピンの偏在の程度に依存する。スピンホール効果が強く生じるとスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。
スピン軌道トルク配線３０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、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３０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場合がある。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３０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は、物質内部が絶縁体又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。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、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。トポロジカル絶縁体は、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は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１−ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。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。
スピン軌道トルク配線３０は、ｘ方向に第１側面３１、第２側面３２を有し、ｙ方向に第３側面３３、第４側面３４を有する。第１側面３１及び第２側面３２は、例えば、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜角θ１で傾斜する。第３側面３３及び第４側面３４は、例えば、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜角θ２で傾斜する。傾斜角θ１は、例えば、傾斜角θ２より大きい。傾斜角θ１は、例えば、４５°以上であり、好ましくは５０°以上であり、より好ましくは６０°以上である。傾斜角θ２は、例えば、１０°以上であり、好ましくは２０°以上であり、より好ましくは３０°以上である。
第１側面３１は、例えば、第１導電部２０Ａの第３面２３Ｂと連続し、第２側面３２は、例えば、第２導電部２０Ｂの第３面２３Ｂと連続する。第３側面３３は、第１導電部２０Ａ及び第２導電部２０Ｂの第４面２３Ｃと連続する。第４側面３４は、第１導電部２０Ａ及び第２導電部２０Ｂの第５面２３Ｄと連続する。
ここで「複数の面が連続する」とは、二つの面の間に、実質的なずれ（段差）が存在しないことを意味する。すなわち「連続する」とは、ｘｚ平面又はｙｚ平面で切断した切断面において２つの面に沿う一つのフィッティング線（直線又は曲線）を描けることを意味する。例えば、スピン軌道トルク配線３０の厚みの１０％以下の凹凸は、誤差とみなされる。
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層４０は、スピン軌道トルク配線３０の第１絶縁層１０と反対側（＋ｚ方向）に位置する。
第１強磁性層４０は、強磁性体、特に軟磁性体を含む。強磁性体は、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である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｈｏ合金、Ｓｍ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
第１強磁性層４０は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。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。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
第１強磁性層４０は、ｘｙ面内のいずれかの方向又はｚ方向に磁化容易軸を有する。第１強磁性層４０がｘｙ面内のいずれかの方向に磁化容易軸を有する場合、第１強磁性層４０は面内磁化膜と言われる。第１強磁性層４０がｚ方向に磁化容易軸を有する場合、第１強磁性層４０は垂直磁化膜と言われる。
第１強磁性層４０は、ｘ方向に第１側面４１、第２側面４２を有し、ｙ方向に第３側面４３、第４側面４４を有する。第１側面４１は、第１側面３１及び第３面２３Ｂと連続する。第２側面４２は、第２側面３２及び第３面２３Ｂと連続する。第３側面４３は、第３側面３３及び第４面２３Ｃと連続する。第４側面４４は、第４側面３４及び第５面２３Ｄと連続する。第１側面４１及び第２側面４２は、例えば、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜角θ１で傾斜する。第３側面４３及び第４側面４４は、例えば、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜角θ２で傾斜する。
第１強磁性層４０は、例えば図４に示すように、ｚ方向から見て、２つの導電部２０と一部で重畳する。第１強磁性層４０と導電部２０とがｚ方向から見て重畳しない場合は、１つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のために第１強磁性層４０と導電部２０のそれぞれの面積を足した分の面積が必要である。これに対して、導電部２０と第１強磁性層４０とがｚ方向から見て一部で重畳すると、１つの素子に必要な面積が、その重畳している面積分だけ小さくなる。すなわち、複数の素子をより効率的に集積できる。
＜非磁性層＞
非磁性層５０は、第１強磁性層４０のｚ方向に位置する。非磁性層５０は、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０に挟まれる。
非磁性層５０は、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。非磁性層５０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層５０はトンネルバリア層である。ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０との間にコヒーレントトンネルを実現しやすい。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
非磁性層５０は、ｘ方向に第１側面５１、第２側面５２を有し、ｙ方向に第３側面５３、第４側面５４を有する。第１側面５１は、第１側面３１、４１及び第３面２３Ｂと連続する。第２側面５２は、第２側面３２、４２及び第３面２３Ｂと連続する。第３側面５３は、第３側面３３、４３及び第４面２３Ｃと連続する。第４側面５４は、第４側面３４、４４及び第５面２３Ｄと連続する。第１側面５１及び第２側面５２は、例えば、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜角θ１で傾斜する。第３側面５３及び第４側面５４は、例えば、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜角θ２で傾斜する。
＜第２強磁性層＞
第２強磁性層６０は、非磁性層５０の第１強磁性層４０と反対側（＋ｚ方向）に位置する。第２強磁性層６０は、強磁性体を含む。第２強磁性層６０は、例えば、第１強磁性層４０と同様の材料を用いることができる。第２強磁性層６０の保磁力は、第１強磁性層４０の保磁力より大きい。素子部９０が保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）の磁気抵抗効果素子の場合は、第２強磁性層６０の保磁力を第１強磁性層４０の保磁力よりも大きくする。素子部９０が交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）の磁気抵抗効果素子の場合は、第２強磁性層６０を層間反強磁性（ＳＡＦ）結合にし、第２強磁性層６０の磁化を第１強磁性層４０に対して固定する。
第２強磁性層６０は、ｘ方向に第１側面６１、第２側面６２を有し、ｙ方向に第３側面６３、第４側面６４を有する。第１側面６１は、第１側面３１、４１、５１及び第３面２３Ｂと連続する。第２側面６２は、第２側面３２、４２、５２及び第３面２３Ｂと連続する。第３側面６３は、第３側面３３、４３、５３及び第４面２３Ｃと連続する。第４側面６４は、第４側面３４、４４、５４及び第５面２３Ｄと連続する。第１側面６１及び第２側面６２は、例えば、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜角θ１で傾斜する。第３側面６３及び第４側面６４は、例えば、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜角θ２で傾斜する。
＜キャップ層＞
キャップ層７０は、第２強磁性層６０のｚ方向に位置する。キャップ層７０は、第２強磁性層６０から元素の拡散を抑制し、素子部９０の各層の結晶配向性に影響を及ぼす。キャップ層７０は、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の磁化を安定化させる。
キャップ層７０は、例えば、導電性に優れるＲｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を含む。
キャップ層７０は、ｘ方向に第１側面７１、第２側面７２を有し、ｙ方向に第３側面７３、第４側面７４を有する。第１側面７１は、第１側面３１、４１、５１、６１及び第３面２３Ｂと連続する。第２側面７２は、第２側面３２、４２、５２、６２及び第３面２３Ｂと連続する。第３側面７３は、第３側面３３、４３、５３、６３及び第４面２３Ｃと連続する。第４側面７４は、第４側面３４、４４、５４、６４及び第５面２３Ｄと連続する。第１側面７１及び第２側面７２は、例えば、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜角θ１で傾斜する。第３側面７３及び第４側面７４は、例えば、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜角θ２で傾斜する。
＜第２絶縁層＞
第２絶縁層８０は、導電部２０の一部及び素子部９０の周囲を覆う絶縁膜である。第２絶縁層８０は、第１絶縁層１０と同様の材料を含む。第２絶縁層８０と第１絶縁層１０とは同じ材料でもよい。
＜製造方法＞
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、例えば、以下の手順で作製する。まず例えば、半導体基板上に第１絶縁層１０を積層する。第１絶縁層１０は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等を用いて積層する。
次いで、第１絶縁層１０に第１開口Ｈ１と第２開口Ｈ２を形成する。第１開口Ｈ１及び第２開口Ｈ２の内部に導電体を充填し、導電部２０が形成される。第１開口Ｈ１及び第２開口Ｈ２は、例えば、フォトリソグラフィー等を用いて形成する。次いで、第１絶縁層１０及び導電部２０の一面を、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）で平坦化する。
平坦化された第１絶縁層１０及び導電部２０の一面に、スピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０を順に積層する。
次いで、スピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０を所定の形状に加工する。これらの層の加工は、エッチング、イオンミリング等を用いて行う。スピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０を所定の形状に加工する際に、導電部２０の一部が除去される。除去された部分が、導電部２０の第３面２３Ｂ、第４面２３Ｃ及び第５面２３Ｄとなる。所定の形状に加工されたスピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０は素子部９０となる。
素子部９０を加工する際に、例えば、導電部２０やスピン軌道トルク配線３０の一部が、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の側壁に不純物として飛散する場合がある。不純物は、第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の磁気特性を劣化させ、第１強磁性層４０と第２強磁性層６０との間のリークの原因となる。
不純物は、側方（ｘ方向又はｙ方向）からイオンビームを照射して除去できる。イオンビームは、ｘｙ平面と平行に近い角度から入射される。入射されるイオンビームとｘｙ平面とのなす角は１０°程度まで傾けることができる。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の側面（第１側面４１、６１、第２側面４２、６２、第３側面４３、６３及び第４側面４４、６４）が傾斜していると、イオンビームを側面に照射しやすくなる。
また不純物を除去するためのイオンビーム自体が、不純物の発生源となる場合がある。例えば、スピン軌道トルク配線３０にイオンビームが照射されると、スピン軌道トルク配線３０の一部が飛散し、不純物となる。第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の側面が傾斜していると、イオンビームによって飛散した不純物の軌道を第１強磁性層４０及び第２強磁性層６０の側面が妨げることが避けられ、不純物の再付着を抑制できる。スピン軌道トルク配線３０はｘ方向に延びるため、傾斜角θ１が傾斜角θ２より大きい場合に、不純物の再付着をより抑制できる。
最後に、加工後の素子部９０及び導電部２０の一部が除去されることで露出した部分の周囲を第２絶縁層８０で覆い、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００が得られる。
第１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１００によれば、複数の素子を集積する際の集積性を高めることができる。図５は、第１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１００を複数有する場合におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の配置の一例を示す断面図である。
導電部２０は、トランジスタＴｒと素子部９０とを繋ぐ。トランジスタＴｒは、例えば、ソースＳとドレインＤとがゲート絶縁膜８１を介してゲート電極Ｇで制御される電界効果型トランジスタである。
導電部２０のｘｙ平面におけるサイズは、設計されており自由に変更することはできない。例えば、現状の半導体における最小加工寸法（feature size：Ｆ）は７ｎｍと言われており、導電部２０のｘ方向及びｙ方向の幅は最小で７ｎｍである。換言すると、導電部２０のｘ方向及びｙ方向の幅は、このサイズ以上に小さくすることは難しく、導電部２０の面積を変えることで集積性を高めることは難しい。また導電部２０を流れる電流が生み出す電界等による電気的な影響も無視できない。つまり導電部２０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の集積性に影響を与える要素の一つである。
導電部２０が第３面２３Ｂを有する場合、導電部２０の第１面２１におけるｘ方向の幅は短くなる。導電部２０のｘ方向の幅が短くなれば、構造状、その分だけ隣り合うスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の距離を近づけることができる。また導電部２０の電気的な影響を考慮した場合においても、隣り合うスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の距離を近づけることができる。したがって、第１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１００によれば、複数の素子を集積する際の集積性を高めることができる。
また第１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１００によれば、電流（書き込み電流）Ｉをスピン軌道トルク配線３０に流しやすくなる。書き込み電流は、スピン軌道トルク配線３０を介して２つの導電部２０間を流れる。スピン軌道トルク配線３０の電気抵抗Ｒは、Ｒ＝ρＬ／Ａで表記される。ρは電気抵抗率であり、Ｌはｘ方向の長さであり、Ａはスピン軌道トルク配線３０をｙｚ平面で切断した断面の面積である。
スピン軌道トルク配線３０の第１側面３１及び第２側面３２が傾斜すると、スピン軌道トルク配線３０のｙｚ平面における断面積が徐々に大きくなる。つまり、スピン軌道トルク配線３０の電気抵抗Ｒはｘ方向に徐々に変化し、書き込み電流の流れがなだらかになる。またスピン軌道トルク配線３０の第１側面３１は、第１強磁性層４０の第１側面４１と連続し、スピン軌道トルク配線３０の第２側面３２は第１強磁性層４０の第２側面４２と連続する。書き込み電流の一部は、第１強磁性層４０にも流れるため、ｘ方向の側面が連続することで、書き込み電流の流れがスムーズになる。書き込み電流の流れがスムーズになると、スピン軌道トルク配線３０の発熱が抑制される。
以上、第１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１００の一例について詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
（第１変形例）
図６は、第１変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。図６は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ａのｘ方向の端部を拡大したものである。第１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１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図６に示す導電部２０の第３面２３Ｂａは、ｚ方向に対してｘ方向に湾曲している。またスピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０の第１側面３１、４１、５１、６１、７１も、ｚ方向に対してｘ方向に湾曲している。第３面２３Ｂａと第１側面３１、４１、５１、６１、７１とは連続している。
（第２変形例）
図７は、第２変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。図７は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ｂのｘ方向の端部を拡大したものである。第１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１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図７に示す導電部２０の第３面２３Ｂｂは、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜している。またスピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０の第１側面３１、４１、５１、６１、７１も、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜している。第３面２３Ｂｂのｚ方向に対する傾斜角と、第１側面３１、４１、５１、６１、７１のｚ方向に対する傾斜角と、は異なる。第３面２３Ｂａと第１側面３１、４１、５１、６１、７１とは不連続である。素子部９０と導電部２０とのエッチングレートの違いにより、第３面２３Ｂｂのｚ方向に対する傾斜角と、第１側面３１、４１、５１、６１、７１のｚ方向に対する傾斜角と、は異なる場合がある。
（第３変形例）
図８は、第３変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。図８は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ｃのｘ方向の端部を拡大したものである。第１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１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図８に示す導電部２０の第３面２３Ｂｃは、ｚ方向に対してｘ方向に湾曲している。またスピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０の第１側面３１、４１、５１、６１、７１も、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜している。第３面２３Ｂｃと、第１側面３１、４１、５１、６１、７１と、は不連続である。導電部２０が第１絶縁層１０よりエッチングされやすい場合、導電部２０の一部が素子部９０の内側に向ってえぐれ、第３面２３Ｂｃが湾曲する場合がある。
（第４変形例）
図９は、第４変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。図９は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ｄのｘ方向の端部を拡大したものである。第１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１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図９に示す導電部２０の第３面２３Ｂｄは、第１部分ｐ１と第２部分ｐ２とを有する。第１部分ｐ１は、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜する。第２部分ｐ２は、第１部分ｐ１に対してｘ方向に傾斜する。第１部分ｐ１と第２部分ｐ２との境界で、第３面２３Ｂｄは屈曲する。またスピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０の第１側面３１、４１、５１、６１、７１は、ｚ方向に対して傾斜している。第１部分ｐ１と第１側面３１、４１、５１、６１、７１とは連続し、第１部分ｐ１と第２部分ｐ２とは不連続である。
（第５変形例）
図１０は、第５変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。図１０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ｅのｘ方向の端部を拡大したものである。第１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１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１０に示す導電部２０の第３面２３Ｂｅは、第１部分ｐ１と第２部分ｐ２とを有する。第１部分ｐ１は、ｚ方向に対してｘ方向に湾曲する。第２部分ｐ２は、第１部分ｐ１に対してｘ方向に傾斜する。第１部分ｐ１と第２部分ｐ２との境界で、第３面２３Ｂｅは屈曲する。またスピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０の第１側面３１、４１、５１、６１、７１は、ｚ方向に対して湾曲している。第１部分ｐ１と第１側面３１、４１、５１、６１、７１とは連続し、第１部分ｐ１と第２部分ｐ２とは不連続である。
（第６変形例）
図１１は、第６変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。図１１は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ｆのｘ方向の端部を拡大したものである。第１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１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１１に示す導電部２０の第３面２３Ｂｆは、第１部分ｐ１と第２部分ｐ２とを有する。第１部分ｐ１は、ｚ方向に対してｘ方向に湾曲する。第１部分ｐ１は、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線３０の内側に向ってえぐれている。第２部分ｐ２は、第１部分に対してｘ方向に傾斜する。第１部分ｐ１と第２部分ｐ２との境界で、第３面２３Ｂｆは屈曲する。またスピン軌道トルク配線３０、第１強磁性層４０、非磁性層５０、第２強磁性層６０及びキャップ層７０の第１側面３１、４１、５１、６１、７１は、ｚ方向に対して傾斜している。第１部分ｐ１及び第２部分ｐ２は、第１側面３１、４１、５１、６１、７１と不連続である。
（第７変形例）
図１２は、第７変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。第１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１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
図１２に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００Ｇは、下地層Ｕを有する点が、図２に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と異なる。下地層Ｕは、スピン軌道トルク配線３０と第１強磁性層４０との間に位置する。下地層Ｕの第１側面Ｕ１は、第１側面３１、４１、５１、６１、７１及び第３面２３Ｂと連続し、下地層Ｕの第２側面Ｕ２は、第２側面３２、４２、５２、６２、７２及び第３面２３Ｂと連続する。
下地層Ｕは、スピン軌道トルク配線３０の結晶格子が第１強磁性層４０の結晶成長に与える影響を緩和する層である。下地層Ｕを設けると、スピン軌道トルク配線３０の結晶構造が第１強磁性層４０に与える影響を低減でき、第１強磁性層４０の結晶構造を設計しやすくなる。その結果、第１強磁性層４０の磁化容易軸を任意の方向に設定しやすくなる。例えば、第１強磁性層４０の磁化容易軸をｚ方向にすると、データの記録密度が高まる。また第１強磁性層４０に磁化容易軸をｘｙ面内のいずれかの方向にすると、データの書込み速度が速くなる。
下地層Ｕには、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃからなる群から選択される一つ以上の元素を含む金属又は合金を例えば用いることができる。下地層Ｕは、アモルファスであることが好ましい。
下地層Ｕは複数層でもよい。下地層Ｕは、例えば、第１強磁性層４０の磁化方向を制御する磁化制御層を有してもよい。磁化制御層は、例えば、ＳｍＦｅ１２である。
第１強磁性層４０の結晶構造は、磁化制御層の影響を受け、磁化制御層の結晶構造と一致する。第１強磁性層４０は磁化制御層との格子整合性を保つように積層される。結晶構造が正方晶の場合、磁化容易方向はｃ軸方向に配向しやすい。磁化制御層の結晶構造をｃ軸がｘｙ面内に配向した正方晶とすると、磁化制御層は面内磁化膜となり、第１強磁性層４０も面内磁化膜になる。ｃ軸がｘｙ面内に配向した正方晶構造は、ｘｙ面内方向に磁場を印加しながら磁化制御層を成長させることで作製できる。
第１変形例から第７変形例にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、いずれも導電部２０の側面に不連続な第３面を有する。したがって、第１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１００と同様の効果が得られる。
ここまで２つの導電部２０がそれぞれ、第３面２３Ｂ、第４面２３Ｃ、第５面２３Ｄを有する例を基に説明を行ったが、一方の導電部２０（第１導電部２０Ａ）のみが第３面２３Ｂ、第４面２３Ｃ、第５面２３Ｄを有してもよい。また導電部２０は、第４面２３Ｃ及び第５面２３Ｄを有さなくてもよい。
「第２実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１３は、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断面図である。図１３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１２０は、非磁性層５０、第２強磁性層６０、キャップ層７０を有さない点が、第１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１００と異なる。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１２０は、上述のように磁気抵抗効果素子として用いることができる。またスピン軌道トルク型磁化回転素子１２０は、単独でも異方性磁気センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として利用できる。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
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１２０は、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と同様に、集積する際の集積性を高めることができる。また第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１２０は、書き込み電流の流れがスムーズであり、発熱を抑制できる。さらに、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１２０は、加工時の不純物の再付着を抑制でき、第１強磁性層４０の磁気特性が安定化する。また第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１２０は、第１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１００と同様の変形例を選択できる。
「第３実施形態」
（磁気メモリ）
図１４は、第３実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。磁気メモリ２００は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（図１１参照）とこれらを接続する配線とを備える。
図１４に示す磁気メモリ２００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１４は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の数及び配置は任意である。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子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気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線３０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気抵抗効果素子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できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。
「第４実施形態」
（リザボア素子）
リザボア素子は、ニューロモルフィック素子の一つであるリザボアコンピュータに用いられる素子である。ニューロモルフィック素子は、ニューラルネットワークにより人間の脳を模倣した素子である。リザボア素子は、互いに相互作用する複数のチップからなる。複数のチップは、入力された信号によって、互いに相互作用し、信号を出力する。複数のチップを繋ぐ伝達手段は、重みが固定され、学習しない。リザボア素子はデータを圧縮する部分であり、圧縮されたデータは出力部で重み付けをされ、問題の正答率が向上する。リザボアコンピュータは、ニューロモルフィック素子の回路設計の簡素化及び消費電力の向上を可能にする手段の一つとして期待されている。
図１５は、第４実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。リザボア素子３００は、導電部２０とスピン軌道トルク配線３０と第１強磁性層４０とスピン伝導層３０１とを備える。導電部２０、スピン軌道トルク配線３０及び第１強磁性層４０との組み合わせは、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１２０に対応する。
スピン伝導層３０１は、例えば、複数の第１強磁性層４０の間を繋ぐ。スピン伝導層３０１は、例えば、非磁性の導電体からなる。スピン伝導層３０１は、第１強磁性層４０から染みだしたスピン流を伝播する。
スピン伝導層３０１は、例えば、金属又は半導体である。スピン伝導層３０１に用いられる金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金である。スピン伝導層３０１に用いられる半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの元素の単体又は合金である。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ化合物、ＧａＡｓ、グラフェン等が挙げられる。
スピン軌道トルク配線３０に電流Ｉが流れると、第１強磁性層４０にスピンが注入され、第１強磁性層４０の磁化にスピン軌道トルクが加わる。スピン軌道トルク配線３０に高周波電流を印加すると、第１強磁性層４０に注入されるスピンの向きが変化し、第１強磁性層４０の磁化は振動する。
スピン流は、第１強磁性層４０からスピン伝導層３０１に至る。第１強磁性層４０の磁化は振動しているため、スピン伝導層３０１を流れるスピン流も磁化に対応して振動する。第１強磁性層４０とスピン伝導層３０１との界面に蓄積されたスピンは、スピン流としてスピン伝導層３０１内を伝播する。
二つの第１強磁性層４０の磁化がそれぞれ生み出すスピン流は、スピン伝導層３０１内で合流し、干渉する。スピン流の干渉は、それぞれの第１強磁性層４０の磁化の振動に影響を及ぼし、二つの第１強磁性層４０の磁化の振動が共振する。二つの磁化の振動の位相は、同期する又は半波長（π）ずれる。
スピン軌道トルク配線３０への電流Ｉの印加が止まると、第１強磁性層４０磁化の振動は止まる。共振後の第１強磁性層４０の磁化は、平行又は反平行となる。２つの振動の位相が同期した場合、二つの磁化の向きが揃い平行となる。２つの振動の位相が半波長（π）ずれた場合は、２つの磁化の向きが逆向きになり、反平行となる。
２つの第１強磁性層４０の磁化が平行な場合は、リザボア素子３００の抵抗値は反平行な場合より小さくなる。リザボア素子３００は、例えば、リザボア素子３００の抵抗値が大きい場合（２つの磁化が反平行な場合）に“１”、小さい場合（２つの磁化が平行な場合）に“０”の情報を出力する。
スピン軌道トルク配線３０に入力される電流Ｉは、様々な情報を有する。例えば、電流Ｉの周波数、電流密度、電流量等である。一方で、リザボア素子３００は、抵抗値として、“１”、 “０”の情報を出力する。すなわち、第１実施形態にかかるリザボア素子３００は、複数の第１強磁性層４０の磁化の振動をスピン流に変換して、スピン伝導層３０１内で干渉することで、情報を圧縮する。
１０ 第１絶縁層
２０ 導電部
２０Ａ 第１導電部
２０Ｂ 第２導電部
２１ 第１面
２２ 第２面
２３ 側面
２３Ａ 主面
２３Ｂ、２３Ｂａ、２３Ｂｂ、２３Ｂｃ、２３Ｂｄ、２３Ｂｅ、２３Ｂｆ 第３面
２３Ｃ 第４面
２３Ｄ 第５面
３０ スピン軌道トルク配線
４０ 第１強磁性層
５０ 非磁性層
６０ 第２強磁性層
７０ キャップ層
３１、４１、５１、６１、７１、Ｕ１ 第１側面
３２、４２、５２、６２、７２、Ｕ２ 第２側面
３３、４３、５３、６３、７３ 第３側面
３４、４４、５４、６４、７４ 第４側面
８０ 第２絶縁層
８１ ゲート絶縁膜
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
１２０ スピン軌道トルク型磁化回転素子
２００ 磁気メモリ
３００ リザボア素子
３０１ スピン伝導層
Ｕ 下地層

Claims (19)

  1. 第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、
    前記第１開口内に形成された第１導電部と、
    前記第２開口内に形成された第２導電部と、
    前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、
    前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面よりスピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、
    前記側面は、連続する主面と、前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、を有し、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第１側面は、前記第１導電部の前記第３面の少なくとも一部と連続する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  2. 第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、
    前記第１開口内に形成された第１導電部と、
    前記第２開口内に形成された第２導電部と、
    前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、
    前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面よりスピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、
    前記側面は、連続する主面と、前記スピン軌道トルク配線の前記第２方向の側面に接し前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、前記主面及び前記第３面に対して傾斜又は湾曲し前記主面および前記第３面に対して不連続な第４面及び第５面と、を有し、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向と交差する第３方向に、第３側面と第４側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第３側面は、前記第４面の少なくとも一部と連続し、
    前記スピン軌道トルク配線の第４側面は、前記第５面の少なくとも一部と連続する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  3. 第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、
    前記第１開口内に形成された第１導電部と、
    前記第２開口内に形成された第２導電部と、
    前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、
    前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面よりスピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、
    前記側面は、連続する主面と、前記スピン軌道トルク配線の前記第２方向の側面に接し前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、を有し、
    前記第１強磁性層及び前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、
    前記第１強磁性層の第１側面は、前記スピン軌道トルク配線の第１側面と連続し、
    前記第１強磁性層の第２側面は、前記スピン軌道トルク配線の第２側面と連続する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  4. 第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、
    前記第１開口内に形成された第１導電部と、
    前記第２開口内に形成された第２導電部と、
    前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、
    前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面よりスピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、
    前記側面は、連続する主面と、前記スピン軌道トルク配線の前記第２方向の側面に接し前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、前記主面及び前記第３面に対して傾斜又は湾曲し前記主面及び前記第３面に対して不連続な第４面及び第５面と、を有し、
    前記第１強磁性層及び前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向と交差する第３方向に、第３側面と第４側面とを有し、
    前記第１強磁性層の第３側面は、前記スピン軌道トルク配線の第３側面と連続し、
    前記第１強磁性層の第４側面は、前記スピン軌道トルク配線の第４側面と連続する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  5. 第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、
    前記第１開口内に形成された第１導電部と、
    前記第２開口内に形成された第２導電部と、
    前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、
    前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面よりスピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、
    前記側面は、連続する主面と、前記スピン軌道トルク配線の前記第２方向の側面に接し前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、を有し、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、前記第２方向と交差する第３方向に第３側面と第４側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第１側面の前記第１方向に対する傾斜角は、
    前記スピン軌道トルク配線の第３側面及び前記スピン軌道トルク配線の第４側面の前記第１方向に対する傾斜角より大きい、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  6. 第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、
    前記第１開口内に形成された第１導電部と、
    前記第２開口内に形成された第２導電部と、
    前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、
    前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面よりスピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、
    前記側面は、連続する主面と、前記スピン軌道トルク配線の前記第２方向の側面に接し前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、を有し、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第１側面の前記第２方向に対する傾斜角が４５°以上である、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  7. 前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第１側面は、前記第１導電部の前記第３面の少なくとも一部と連続する、請求項２〜６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  8. 前記第１導電部の前記側面は、前記主面及び前記第３面に対して傾斜又は湾曲し前記主面及び前記第３面に対して不連続な第４面及び第５面をさらに有し、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向と交差する第３方向に、第３側面と第４側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第３側面は、前記第４面の少なくとも一部と連続し、
    前記スピン軌道トルク配線の第４側面は、前記第５面の少なくとも一部と連続する、請求項１、３〜７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  9. 前記第１強磁性層及び前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、
    前記第１強磁性層の第１側面は、前記スピン軌道トルク配線の第１側面と連続し、
    前記第１強磁性層の第２側面は、前記スピン軌道トルク配線の第２側面と連続する、請求項１、２、４〜８のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  10. 前記第１強磁性層及び前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向と交差する第３方向に、第３側面と第４側面とを有し、
    前記第１強磁性層の第３側面は、前記スピン軌道トルク配線の第３側面と連続し、
    前記第１強磁性層の第４側面は、前記スピン軌道トルク配線の第４側面と連続する、請求項１、３、５〜９のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  11. 前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、前記第２方向と交差する第３方向に第３側面と第４側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第１側面の前記第１方向に対する傾斜角は、
    前記スピン軌道トルク配線の第３側面及び前記スピン軌道トルク配線の第４側面の前記第１方向に対する傾斜角より大きい、請求項１〜４、６〜１０のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  12. 前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向に、第１側面と第２側面とを有し、
    前記スピン軌道トルク配線の第１側面の前記第２方向に対する傾斜角が４５°以上である、請求項１〜５、７〜１１のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  13. 前記第３面は、前記第１方向に対して傾斜又は湾曲している、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  14. 前記第３面は、前記第１方向に対して傾斜又は湾曲する第１部分と、前記第１部分に対して傾斜又は湾曲する第２部分とを有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  15. 前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との間に下地層をさらに有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
    前記第１強磁性層の前記第１方向に位置する第２強磁性層と、
    前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を有する、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  17. 複数の請求項１６に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と、
    複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を繋ぐ配線と、を備える、磁気メモリ。
  18. 複数の請求項１〜１５のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
    前記複数のスピン軌道トルク型磁化回転素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える、リザボア素子。
  19. 第１開口と第２開口とを有する第１絶縁層と、
    前記第１開口内に形成された第１導電部と、
    前記第２開口内に形成された第２導電部と、
    前記第１絶縁層の第１方向に位置し、前記第１方向から見て、前記第１導電部と前記第２導電部とに亘って第２方向に延び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絶縁層と反対側に位置する第１強磁性層とを備え、
    前記第１導電部は、前記スピン軌道トルク配線に面する第１面と、前記第１面と対向し前記第１面よりスピン軌道トルク配線から遠い位置にある第２面と、前記第１面と前記第２面とを繋ぐ側面と、を有し、
    前記側面は、連続する主面と、前記スピン軌道トルク配線の前記第２方向の側面に接し前記主面に対して傾斜又は湾曲し前記主面に対して不連続な第３面と、を有する、スピン軌道トルク型磁化回転素子と、
    前記複数のスピン軌道トルク型磁化回転素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える、リザボア素子。
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