JP6610847B1 - 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及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
このスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１方向に延在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に積層された第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、電気伝導特性が温度に対して金属的挙動を示す金属酸化物を含み、前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央を基準に、前記第１強磁性層側の酸素濃度と前記第１強磁性層と反対側の酸素濃度とが非対称である。
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及び磁気メモリに関する。本願は、２０１８年２月２８日に、日本に出願された特願２０１８−０３５２２０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）素子が磁気抵抗効果素子として知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高く、磁気抵抗（ＭＲ）比が大きい。そのため、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、ＴＭＲ素子に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、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。
そこで近年、ＳＴＴとは異なったメカニズムで磁化反転を行う、スピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（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純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。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向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。
しかしながら、ＳＯＴを利用して強磁性層の磁化を反転させるためのる反転電流密度は、ＳＴＴを利用して強磁性層の磁化を反転させるための反転電流密度と同程度であるといわれている。スピン流を生み出す電流の流れは、磁気抵抗効果素子にダメージを与えにくい。しかしながら、ＳＯＴを利用した素子は、駆動効率の観点から、反転電流密度の低減が求められている。ＳＯＴを利用した素子の反転電流密度の低減のために、スピン流をより効率的に発生させることができる素子構成が求められている。
特許文献１では、Ｃｕからなる常磁性層の一面にＣｕＯまたはＣｕ２Ｏの酸化膜を形成することで、スピン流の発生効率が高まることが記載されている。しかしながら、これらの酸化膜は絶縁性を有し、スピン流を生み出す電流はほとんど流れない。そのため、界面の効果によりスピン流の発生効率が向上しているだけであり、スピン流を十分効率的に発生できるとは言えなかった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スピン流を効率的に発生できる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の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１方向に延在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に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、電気伝導特性が温度に対して金属的な挙動を示す金属酸化物を含み、前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央を基準に、前記第１強磁性層側の酸素濃度と前記第１強磁性層と反対側の酸素濃度とが非対称である。
前記スピン軌道トルク配線は、電気伝導特性が温度に対して金属的な挙動を示す金属酸化物を含み、前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央を基準に、前記第１強磁性層側の酸素濃度と前記第１強磁性層と反対側の酸素濃度とが非対称である。
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スピン軌道トルク配線の厚み方向に、酸素濃度が単調増加または単調減少する部分を有してもよい。
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スピン軌道トルク配線は、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｒｕ、及びＳｎからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物を含んでもよい。
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スピン軌道トルク配線は、Ｉｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＲｅからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物を含んでもよい。
（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、前記スピン軌道トルク配線は、厚み方向のいずれかの位置に金属挿入層を有してもよい。
（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の厚み方向の中央よりも前記第１強磁性層から遠い位置に金属挿入層を有してもよい。
（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、前記金属挿入層を構成する金属元素は、前記スピン軌道トルク配線の金属酸化物を構成する金属元素と異なってもよい。
（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、前記金属挿入層の厚みは、前記金属挿入層を構成する金属原子のイオン半径の２倍未満であってもよい。
（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、前記厚み方向から見て、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層と重なる位置の第１点の酸素濃度は、前記第１強磁性層と重ならない位置の第２点の酸素濃度より低くてもよい。
（６）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強磁性層と対向する第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、を備える。
（７）第３の態様にかかる磁気メモリは、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を複数備える。
純スピン流を効率的に発生できる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、磁気メモリ及び高周波磁気素子を提供できる。
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。
「第１実施形態」
図１は、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化回転素子１０は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２とを有する。
以下、スピン軌道トルク配線２が延びる第１の方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２が存在する面内で第１の方向と直交する方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する方向をｚ方向と規定して説明する。図１においてｚ方向は、第１強磁性層１の積層方向及びスピン軌道トルク配線２の厚み方向と一致する。
図１は、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化回転素子１０は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２とを有する。
以下、スピン軌道トルク配線２が延びる第１の方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２が存在する面内で第１の方向と直交する方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する方向をｚ方向と規定して説明する。図１においてｚ方向は、第１強磁性層１の積層方向及びスピン軌道トルク配線２の厚み方向と一致する。
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１は磁化Ｍ１を有する。磁化Ｍ１の向きが変化すると、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０は、異方性磁気抵抗効果を示す。後述するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の場合は、磁化Ｍ１の向きが変化すると磁気抵抗効果を示す。図１では、第１強磁性層１を磁化Ｍ１がｚ方向に配向した垂直磁化膜としたが、磁化Ｍ１がｘｙ面内方向のいずれかの方向に配向した面内磁化膜としてもよい。また磁化Ｍ１は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のいずれかまたは全てに対して傾いていてもよい。
第１強磁性層１は磁化Ｍ１を有する。磁化Ｍ１の向きが変化すると、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０は、異方性磁気抵抗効果を示す。後述するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の場合は、磁化Ｍ１の向きが変化すると磁気抵抗効果を示す。図１では、第１強磁性層１を磁化Ｍ１がｚ方向に配向した垂直磁化膜としたが、磁化Ｍ１がｘｙ面内方向のいずれかの方向に配向した面内磁化膜としてもよい。また磁化Ｍ１は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のいずれかまたは全てに対して傾いていてもよい。
第１強磁性層１には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。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を例示できる。
また第１強磁性層１は、ホイスラー合金を用いることができる。ホイスラー合金はスピン分極率が高く、磁気抵抗変化幅が広くなる。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み、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。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流を生成する。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、電流の向きに直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２のｘ方向の両端に電位差を与えるとｘ方向に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、ｙ方向に配向した第１スピンＳ１と−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。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が、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Ｓ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。スピン軌道トルク配線２内におけるスピンの移動は、電荷の正味の流れとしてみると相殺され、発生する電流はゼロである。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。
ここで、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。図１においては、純スピン流としてＪＳが図中のｚ方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
図１において、スピン軌道トルク配線２の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性層１にスピンが注入される。
図１において、スピン軌道トルク配線２の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性層１にスピンが注入される。
スピン軌道トルク配線２は、電気伝導特性が温度に対して金属的挙動を示す金属酸化物を含む。ここで「電気伝導特性が温度に対して金属的挙動を示す」とは、温度が高くなるほど電気抵抗率が高くなる傾向を示すことを意味する。金属酸化物は、材料固有の比抵抗として室温で１０３Ω・ｍ以下の抵抗率を示す材料からなる。例えば、Ｉｒの酸化物（ＩｒＯ２）、Ｗの酸化物（ＷＯ３）、Ｐｄの酸化物（ＰｄＯ２）、Ｍｏの酸化物（Ｍｏ４Ｏ１１）、Ｎｂの酸化物（ＮｂＯ）、Ｒｅの酸化物（ＲｅＯ３）、Ｆｅの酸化物（ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４）、Ｃｒの酸化物（ＣｒＯ２）、Ｖの酸化物（ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３）、Ｔｉの酸化物（ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３）、Ｒｕの酸化物（ＲｕＯ２、ＲｕＯ３）、Ｓｎの酸化物（ＳｎＯ２）、Ｉｎの酸化物（Ｉｎ２Ｏ３）等があげられる。スピン軌道トルク配線２は導電性を有し、電流Ｉはスピン軌道トルク配線２内を流れる。
スピン軌道トルク配線２の厚み方向（ｚ方向）の中央に位置する基準線Ｃを基準に、第１強磁性層１側の第１領域２Ａの酸素濃度と第１強磁性層１と反対側の第２領域２Ｂの酸素濃度とは非対称である。すなわち、スピン軌道トルク配線２は、金属酸化物の化学量論組成比における酸素濃度を基準に、スピン軌道トルク配線２の厚み方向に酸素濃度の分布が存在する。第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂ内において酸素濃度は一定である必要はなく、これらの領域内でも酸素濃度が変動していてもよい。
スピン軌道トルク配線２の厚み方向で酸素濃度が基準線Ｃを基準に非対称であると、スピン軌道トルク配線２内に対称性の崩れが生み出される。この対称性の崩れは、スピン軌道トルク配線２内に内場を生み出す。この内場は、スピンホール効果による第１スピンＳ１と第２スピンＳ２の分離を促し、スピン流を高効率に生成する。
酸素濃度は、スピン軌道トルク配線２の厚み方向に、単調増加または単調減少する部分を有することが好ましい。酸素濃度の違いは、スピン軌道トルク配線２を構成する結晶の空間反転対称性の違いを生み出す。すなわち、酸素濃度の違いは、スピン軌道トルク配線２の結晶構造を変化させる。酸素濃度が単調減少または単調増加すると、スピン軌道トルク配線２の結晶構造が急激に変化することが避けられる。その結果、対称性の崩れにより生み出される内場が第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２に与える力のベクトルの向きを、各点でそろえることができる。
酸素濃度は、スピン軌道トルク配線２の第１強磁性層１側の第１面２ａ近傍から反対側の第２面２ｂ近傍に向かって単調増加または単調減少していることがより好ましい。ここで、第１面２ａ近傍及び第２面２ｂ近傍とは、他の層との界面では元素拡散等の影響を受け、局所的に酸素濃度が急激に変化する場合があり、この部分を除くことを意味する。具体的には、界面から０．３ｎｍの厚みを除くことを意味する。
スピン軌道トルク配線２を構成する金属酸化物は、Ｉｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｒｕ、及びＳｎからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物であってもよい。これらの元素は、酸素濃度によって異なる状態を共存して選択できる。そのため、厚み方向の結晶の空間反転対称性の崩れを生み出しやすく、スピン流を効率的に生成できる。
またスピン軌道トルク配線２は、Ｉｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＲｅからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物であってもよい。これらの材料は、原子番号の大きな重元素であり、スピン流を効率的に発生する。重元素による散乱の効果と、酸素濃度に変化をつけ結晶の空間反転対称性の崩れを生み出す効果とによってより高効率にスピン流を生成することができる。
またスピン軌道トルク配線２は、Ｗ、Ｆｅ及びＶからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物であってもよい。これらの材料は、金属絶縁体転移を示す。つまり、これらの材料は、低温において絶縁特性を有し、スピン流を生じにくい。そのため金属的な電気伝導特性を有する金属絶縁体転移温度以上の温度で使用することが好ましい。
スピン軌道トルク配線２における酸素の濃度分布は、スピン軌道トルク配線２に含まれる金属酸化物の酸素濃度分布を調べることにより、確認できる。濃度分布は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ法）を用いて調べることができる。ＥＤＸ法は、直径約１ｎｍのビーム径を有する電子線をサンプルに照射し、透過した電子の特性Ｘ線エネルギーを分光する。分光したエネルギースペクトルからサンプルの組成が得られる。
スピン軌道トルク配線２は、主構成として上記の金属酸化物を有していれば、他の材料を同時に含んでいてもよい。
例えばスピン軌道トルク配線２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。すなわち、スピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線２に流す電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
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作用が強くなる場合がある。そのため、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。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。
また例えばスピン軌道トルク配線２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２の主構成は、トポロジカル絶縁体でもよい。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という内部磁場のようなものがある。そこで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スピン流を高効率に生成できる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，Ｂｉ１−ｘＳｂｘ,（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３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。
図２は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の断面模式図である。図２に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１１のように、スピン軌道トルク配線２内に金属挿入層２Ｃが設けられていてもよい。金属酸化物は導電性を有しているとは言え、金属よりは導電性に劣る。金属挿入層２Ｃは、スピン軌道トルク配線２の抵抗値を調整し、スピン軌道トルク型磁化回転素子１１の消費電力の増加、ジュール熱の増加を抑制できる。
金属挿入層２Ｃは、スピン軌道トルク配線２の厚み方向のいずれの位置にあってもよい。図３は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の断面模式図である。図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１２は、金属挿入層２Ｃをスピン軌道トルク配線２の基準線Ｃよりも第１強磁性層１から遠い位置に有することが望ましい。金属挿入層２Ｃは、スピンのｚ方向への動きを阻害する散乱起因となる場合がある。金属挿入層２Ｃが第１強磁性層１から遠い位置にあることで、第１強磁性層１に近いで生じたスピンの動きをスムーズにし、第１強磁性層１へのスピンの注入効率を高めることができる。
金属挿入層２Ｃを構成する金属は、スピン軌道トルク配線２の金属酸化物を構成する金属元素と異なる元素を用いることが好ましい。異なる元素の金属を挿入することによって酸素の拡散係数の違いから、より濃度勾配をつけることが可能となり、高効率にスピン流を生じさせることができる。金属挿入層２Ｃを構成する金属は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａからなる群から選択される金属又はこれらの合金である。
金属挿入層２Ｃの厚みは、金属挿入層２を構成する金属原子のイオン半径の２倍未満であることが好ましい。金属挿入層２Ｃの厚みは、平均厚みである。金属原子のイオン半径の２倍とは原子一層分の厚さであり、均質な膜としては形成されにくい。例えば、金属挿入層２Ｃの場所によっては原子が２〜３層分積層されている部分や、原子が存在せず開口となっている部分がある場合がある。平均厚みは、例えば、以下のように求める。金属挿入層２Ｃの厚みを、スピン軌道トルク配線２のｘ方向の異なる位置で１０か所測定する。各箇所における測定画像は、例えば、２×１０６倍とする。１０か所で測定された金属挿入層２Ｃの厚みを平均化する。
金属挿入層２Ｃの抵抗値は、上述のようにスピン軌道トルク配線２の抵抗値より低い。金属挿入層２Ｃの厚みを薄くすることで、金属挿入層２Ｃに電流が集中することが避けることができる。
また図４は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面模式図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１３は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２とを有する。スピン軌道トルク配線２は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１と重なる第３領域Ｒ３と、第１強磁性層１と重ならない第４領域Ｒ４とを有する。第３領域Ｒ３内の第１点Ｐ１の酸素濃度は、第４領域Ｒ４内の第２点Ｐ２の酸素濃度より低い。第１点Ｐ１と第２点Ｐ２とは、ｚ方向に同じ高さ位置である。第１点Ｐ１は、例えば、第３領域Ｒ３のｘ方向及びｙ方向の中心、かつ、ｚ方向において第１面２ａから０．３ｎｍ以上深い位置である。第２点Ｐ２は、例えば、第３領域Ｒ３と第４領域の境界から第３領域から離れる方向に１０ｎｍ以上離れた位置、かつ、ｚ方向において第１面２ａから０．３ｎｍ以上深い位置である。
第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との酸素濃度が異なる場合、ｘｙ面内方向に酸素濃度の分布が存在する。ｘｙ面内方向で酸素濃度の分布があると、スピン軌道トルク配線２内に対称性の崩れが生み出される。対称性の崩れは、スピン軌道トルク配線２内に内場を生み出し、スピン流を高効率に生成する。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１０は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２以外の構成要素を有していてもよい。例えば、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。またスピン軌道トルク配線２に電流を流すための電極又はビア配線等を有してもよい。
上述のように、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０は、厚み方向の酸素濃度が基準線Ｃを基準に非対称であることで、スピン軌道トルク配線２内の対称性の崩れに伴う内場を生み出すことができる。この内場は、スピン分極を促し、第１強磁性層１に注入されるスピン量が増える。その結果、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させるために必要な反転電流密度を低減することができる。
＜製造方法＞
スピン軌道トルク型磁化回転素子１０の製造方法の一例について説明する。まず基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線の基となる層を積層する。この層の成膜過程において、チャンバー内の酸素濃度を変えることで、スピン軌道トルク配線２の厚み方向の酸素濃度の違いを生み出すことができる。積層方法は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の方法を用いることができる。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１０の製造方法の一例について説明する。まず基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線の基となる層を積層する。この層の成膜過程において、チャンバー内の酸素濃度を変えることで、スピン軌道トルク配線２の厚み方向の酸素濃度の違いを生み出すことができる。積層方法は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の方法を用いることができる。
次いで、スピン軌道トルク配線の基となる層を、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、スピン軌道トルク配線２に加工する。そして、スピン軌道トルク配線２の周囲を囲むように、絶縁層を被覆する。絶縁層には、酸化膜、窒化膜等を用いることができる。
次いで、絶縁層とスピン軌道トルク配線の表面を、ＣＭＰ研磨（chemical mechanicalpolishing）により平坦化する。そして、平坦化された表面に第１強磁性層の基となる層を積層する。最後に、フォトリソグラフィー等の技術を用い、第１強磁性層の基となる層を加工することで、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０が得られる。
「第２実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図５は、第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０と、非磁性層５と、第２強磁性層６とを備える。図３では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０を用いたが、他の変形例を用いてもよい。
第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１０と同等の構成については、説明を省く。
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図５は、第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０と、非磁性層５と、第２強磁性層６とを備える。図３では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０を用いたが、他の変形例を用いてもよい。
第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１０と同等の構成については、説明を省く。
第１強磁性層１と非磁性層５と第２強磁性層６とが積層された積層体（機能部）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部は、第２強磁性層６の磁化Ｍ６が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層６の保磁力を第１強磁性層１の保磁力よりも大きくする。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層６の磁化Ｍ６を反強磁性層との交換結合によって固定する。
また機能部において、非磁性層５が絶縁体からなる場合は、機能部はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、機能部が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
機能部の積層構成は、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６の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第２強磁性層６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。
第２強磁性層６の材料には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。これらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
また第２強磁性層６は、ホイスラー合金を用いることができる。ホイスラー合金はスピン分極率が高く、磁気抵抗変化幅が広くなる。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み、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族の遷移金属または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、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂである。
第２強磁性層６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６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６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５には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層５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等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等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。非磁性層５が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層５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などを用いることができる。
例えば、非磁性層５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等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等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。非磁性層５が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層５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などを用いることができる。
機能部は、その他の層を有していてもよい。例えば、第１強磁性層１の非磁性層５と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第２強磁性層６の非磁性層５と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。
スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。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２から伝播するスピンを第１強磁性層１に十分伝えることができる。
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２から伝播するスピンを第１強磁性層１に十分伝えることができる。
第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層６の磁化Ｍ６の相対角の違いにより生じる機能部の抵抗値変化を用いてデータの記録、読出しを行うことができる。第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０においても、スピン軌道トルク配線２において効率的にスピン流を生み出すことができるため、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させるために必要な反転電流密度を低減することができる。
「第３実施形態」
＜磁気メモリ＞
図６は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０（図５参照）を備える磁気メモリ３０の平面図である。図５は、図６におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０を切断した断面図に対応する。図６に示す磁気メモリ３０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０が３×３のマトリックス配置をしている。図６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２０の数及び配置は任意である。
＜磁気メモリ＞
図６は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０（図５参照）を備える磁気メモリ３０の平面図である。図５は、図６におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０を切断した断面図に対応する。図６に示す磁気メモリ３０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０が３×３のマトリックス配置をしている。図６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２０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２０には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１〜ＲＬ３が接続されている。
電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３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２０のスピン軌道トルク配線２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〜ＲＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３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２０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〜ＷＬ３、ビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１〜ＲＬ３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２０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。
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 スピン軌道トルク配線
２Ａ 第１領域
２Ｂ 第２領域
２Ｃ 第３領域
２Ｄ 第４領域
２ａ 第１面
２ｂ 第２面
５ 非磁性層
６ 第２強磁性層
１０、１１、１２、１３ スピン軌道トルク型磁化回転素子
２０ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３０ 磁気メモリ
Ｍ１、Ｍ６：磁化
Ｃ 基準線
２ スピン軌道トルク配線
２Ａ 第１領域
２Ｂ 第２領域
２Ｃ 第３領域
２Ｄ 第４領域
２ａ 第１面
２ｂ 第２面
５ 非磁性層
６ 第２強磁性層
１０、１１、１２、１３ スピン軌道トルク型磁化回転素子
２０ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３０ 磁気メモリ
Ｍ１、Ｍ６：磁化
Ｃ 基準線
Claims (13)
- 第１方向に延在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に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、電気伝導特性が温度に対して金属的挙動を示す金属酸化物を含み、
前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央を基準に、前記第１強磁性層側の酸素濃度と前記第１強磁性層と反対側の酸素濃度とが非対称であり、
前記スピン軌道トルク配線の厚み方向に、酸素濃度が単調増加または単調減少する部分を有する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。 - 第１方向に延在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に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、電気伝導特性が温度に対して金属的挙動を示す金属酸化物を含み、
前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央を基準に、前記第１強磁性層側の酸素濃度と前記第１強磁性層と反対側の酸素濃度とが非対称であり、
前記スピン軌道トルク配線は、前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央よりも前記第１強磁性層から遠い位置に金属挿入層を有する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。 - 第１方向に延在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に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、電気伝導特性が温度に対して金属的挙動を示す金属酸化物を含み、
前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央を基準に、前記第１強磁性層側の酸素濃度と前記第１強磁性層と反対側の酸素濃度とが非対称であり、
前記スピン軌道トルク配線は、厚み方向のいずれかの位置に金属挿入層を有し、
前記金属挿入層の厚みは、前記金属挿入層を構成する金属原子のイオン半径の２倍未満である、スピン軌道トルク型磁化回転素子。 - 前記スピン軌道トルク配線の厚み方向に、酸素濃度が単調増加または単調減少する部分を有する、請求項２又は３に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線は、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｒｕ、及びＳｎからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物を含む、請求項１〜４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。
- 前記スピン軌道トルク配線はＩｒ、Ｗ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＲｅからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物を含む、請求項５に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線は、厚み方向のいずれかの位置に金属挿入層を有する、請求項１、５又は６に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線は、前記スピン軌道トルク配線の厚み方向の中央よりも前記第１強磁性層から遠い位置に金属挿入層を有する、請求項１、４〜６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。
- 前記金属挿入層を構成する金属元素は、前記スピン軌道トルク配線の金属酸化物を構成する金属元素と異なる、請求項２、３、７、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。
- 前記金属挿入層の厚みは、前記金属挿入層を構成する金属原子のイオン半径の２倍未満である、請求項２、７〜９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。
- 前記厚み方向から見て、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層と重なる位置の第１点の酸素濃度は、前記第１強磁性層と重ならない位置の第２点の酸素濃度より低い、請求項１〜１０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。
- 請求項１〜１１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と、
前記第１強磁性層と対向する第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、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。 - 請求項１２に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
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