JP6733822B2 - スピン流磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

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Description

本発明は、スピン流磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
本願は、２０１７年８月７日に、日本に出願された特願２０１７−１５２４６８号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。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高いものの、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。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、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、反転電流を低減する手段として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、非特許文献１）。このメカニズムはまだ十分には明らかになっていないが、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が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、磁化反転が生じると考えられている。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
また特許文献１には、磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に接続されスピンホール効果を生じる配線と、平面視で磁気抵抗効果素子と異なる位置に配置されたトランジスタとを備える素子が記載されている。特許文献１には、書き込み時の電流を磁気抵抗効果素子の積層方向及び配線の延在方向に流すことで、ＳＴＴによる磁化反転がＳＯＴによりアシストされることが記載されている。
米国特許第８８８９４３３号明細書
I.M.Miron, K.Garello, G.Gaudin, P.-J.Zermatten, M.V.Costache, S.Auffret, S.Bandiera, B.Rodmacq ,A.Schuhl, and P.Gambardella, Nature, 476, 189(2011).
磁気抵抗効果素子を情報の記録部として用いるためには、データを適切に書き込むだけでなく、データを適切に読み出すことが求められる。しかしながら、データの書込み方法の検討は進められているが、データの読み出し時の制御についての検討は十分とは言えなかった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、読み出し時の誤書き込みを抑制したスピン流磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、読み出し電流の流れについて検討を行った。その結果、ＳＯＴを誘起するスピン軌道トルク配線を有するスピン流磁気抵抗効果素子において、読み出し電流の一部がスピン軌道トルク配線に沿って流れてしまうと言う問題を見出した。読み出し時におけるスピン軌道トルク配線に沿う電流の流れはＳＯＴを誘起し、誤書き込みの原因となりうる。
そして、本発明者らは鋭意検討の結果、読み出し時にスピン軌道トルク配線を流れる電流を制御することで、読み出し時の誤書き込みを抑制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流磁気抵抗効果素子は、第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層及び前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層の側に位置するスピン軌道トルク配線と、読み出し時に前記磁気抵抗効果素子及び前記スピン軌道トルク配線に流れる電流の向きを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記スピン軌道トルク配線において第１の方向に前記磁気抵抗効果素子を挟む位置にある第１点及び第２点と、前記磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性層側の第３点と、のうち少なくとも一つに接続され、前記制御部は、読み出し時に読み出し電流を、前記第３点から前記第１点及び前記第２点に向かって分流する、または、前記第１点及び前記第２点から前記第３点に向かって合流させる。
（２）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記制御部は、読み出し時に前記第１点及び前記第２点の電位を、前記第３点の電位より高く又は低くしてもよい。
（３）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子は、前記第１点に接続された第２トランジスタと、前記第２点に接続された第３トランジスタと、を備えてもよい。
（４）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子の前記スピン軌道トルク配線において、前記磁気抵抗効果素子と前記第１点との間の抵抗値が、前記磁気抵抗効果素子と前記第２点との間の抵抗値と等しくてもよい。
（５）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第１点と前記第２点とが、平面視で前記磁気抵抗効果素子に対して対称な位置にあってもよい。
（６）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線を前記第１の方向と直交する面で切断した断面の面積が、前記磁気抵抗効果素子を積層方向と直交する面で切断した断面の面積以下であってもよい。
（７）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線側の第１面の面積が、前記非磁性層側の第２面の面積より大きくてもよい。
（８）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性金属層と電気的に接続された整流器をさらに備えてもよい。
（９）第２の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子を複数備える。
上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子及び磁気メモリによれば、読み出し時の誤書き込みを抑制できる。
第１実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。 スピンホール効果について説明するための模式図である。 第１実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子が複数配列した磁気メモリの回路図である。 読出し電流がスピン軌道トルク配線で分流せず、一方の電極に向かって流れるスピン流磁気抵抗効果素子の断面図である。 制御部を有さないスピン流磁気抵抗効果素子が複数配列した磁気メモリの回路図である。 第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。
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。
（スピン流磁気抵抗効果素子）
図１は、第１実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。第１実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０と、制御部３０とを有する。また図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００は、電気的な接続を補助する電極４０と、素子に電流を流すか否かを決定する素子選択部５０とを備える。
以下、磁気抵抗効果素子１０の積層方向をｚ方向、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向のいずれにも直交する第２の方向をｙ方向とする。
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層２と、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２に挟持された非磁性層３とを有する。第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１は、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２に対して相対的に固定されている。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１と、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２と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、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性金属層１の保磁力を第２強磁性金属層２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、磁気抵抗効果素子１０における第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１を、反強磁性層との交換結合によって固定する。
磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層３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３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
磁気抵抗効果素子の積層構成は、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１強磁性金属層１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１強磁性金属層１は固定層や参照層、第２強磁性金属層２は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第１強磁性金属層１の材料には、公知のもの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。またこれらの金属と、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１強磁性金属層１の材料には、Ｃｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることもできる。ホイスラー合金はスピン分極率が高く、磁気抵抗効果素子１０のＭＲ比を大きくできる。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。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
また、第１強磁性金属層１の第２強磁性金属層２に対する保磁力をより大きくするために、第１強磁性金属層１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１強磁性金属層１の漏れ磁場を第２強磁性金属層２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。
さらに第１強磁性金属層１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第１強磁性金属層１は、非磁性層３側から順にＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（０．２ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６とすることができる。
第２強磁性金属層２の材料として、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が挙げられる。
第２強磁性金属層２の磁化の向きはｚ方向に（積層面に対して垂直に）配向している。第２強磁性金属層２の磁化の向きがｚ方向に配向することで、磁気抵抗効果素子１０の大きさを小さくできる。第２強磁性金属層２の磁化の向きは、第２強磁性金属層２を構成する結晶構造及び第２強磁性金属層２の厚みの影響を受ける。第２強磁性金属層２の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。垂直磁気異方性は第２強磁性金属層２の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第２強磁性金属層２の膜厚は薄い方が好ましい。
非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３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３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。
磁気抵抗効果素子１０は、その他の層を有していてもよい。例えば、第２強磁性金属層２の非磁性層３と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第１強磁性金属層１の非磁性層３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２０と磁気抵抗効果素子１０との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２０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２０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子１０に十分伝えることができる。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２のｚ方向の一面に位置する。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２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２０は、電流が流れるとスピンホール効果によって純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２０中に純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、スピン軌道トルク配線２０は単体の元素からなる材料に限られず、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純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等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料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純スピン流が誘起される現象である。
図２は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図２は、図１に示すスピン軌道トルク配線２０をｘ方向に沿って切断した断面図である。図２に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。
図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０の延在方向に電流Ｉを流すと、紙面奥側に配向した第１スピンＳ１と紙面手前側に配向した第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）では第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。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。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。
強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。従って、スピン軌道トルク配線２０の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
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２においては、純スピン流としてＪＳが図中の上方向に流れる。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２０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、磁気抵抗効果素子１０にスピンが注入される。
スピン軌道トルク配線２０は、非磁性の重金属を含んでもよい。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２０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。かかる非磁性金属は、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からである。スピン軌道トルク配線２０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。
金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、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いためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流Ｊｓが発生しやすい。
スピン軌道トルク配線２０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軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線２０に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線２０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材料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材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純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効率的に発生しにくくなる。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純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。
スピン軌道トルク配線２０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２０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。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，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（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。
スピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０とスピン軌道トルク配線２０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。
＜電極＞
電極４０は、磁気抵抗効果素子１０及びスピン軌道トルク配線２０に流れる電流との接続点に設けられている。図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性金属層１に接続された第１電極４１と、スピン軌道トルク配線２０の第１点２１に接続された第２電極４２と、スピン軌道トルク配線２０の第２点２２に接続された第３電極４３と、を備える。電極４０は、導電性に優れるものであれば特に問わない。
＜素子選択部＞
素子選択部５０は、第１トランジスタ５１と、第２トランジスタ５２と、第３トランジスタ５３とを備える。第１トランジスタ５１、第２トランジスタ５２、第３トランジスタ５３は、公知のものを用いることができる。
第１トランジスタ５１は、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性金属層１側の第３点１１と電気的に接続されている。図１では、第１トランジスタ５１は、第１強磁性金属層１のｚ方向に積層された第１電極４１を介して接続されている。第１トランジスタ５１は、素子外部に設けることもできる。
第２トランジスタ５２は、スピン軌道トルク配線２０の第１点２１と電気的に接続されている。図１では、第２トランジスタ５２は、スピン軌道トルク配線２０の第１点２１に接続された第２電極４２を介して接続されている。ここでスピン軌道トルク配線２０の第１点２１は、スピン軌道トルク配線２０のｚ方向から見て磁気抵抗効果素子１０と重ならない部分のいずれでもよい。
第３トランジスタ５３は、スピン軌道トルク配線２０の第２点２２と電気的に接続されている。図１では、第３トランジスタ５３は、スピン軌道トルク配線２０の第２点２２に接続された第３電極４３を介して接続されている。ここでスピン軌道トルク配線２０の第２点２２は、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向に、第１点２１と磁気抵抗効果素子１０を挟む位置にある。第１点２１と第２点２２とで、ｘ方向に磁気抵抗効果素子１０を挟んでいれば、第１点２１と第２点２２の位置はｙ方向にずれていてもよい。
＜制御部＞
制御部３０は、読み出し時に磁気抵抗効果素子１０及びスピン軌道トルク配線２０に流れる読み出し電流の向きを制御する。制御部３０は、スピン軌道トルク配線２０において第１の方向に磁気抵抗効果素子１０を挟む位置にある第１点２１及び第２点２２と、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１側の第３点１１とのうち少なくとも一つに接続されている。図１に示す制御部３０は、スピン軌道トルク配線２０の第１点２１と電気的に接続されたスイッチング素子である。図１に示す制御部３０は、第１点２１の電位を制御する。制御部３０は、スピン軌道トルク配線２０の第１点２１と第２点２２との間の電位を変えることができるものであれば、スイッチング素子に限られず、公知のものを用いることができる。また図１では制御部３０は、第１点２１と電気的に接続しているが、第２点２２と電気的に接続してもよい。
制御部３０は、スピン流磁気抵抗効果素子１００が複数存在する場合は共用することができる。制御部３０は、書き込み時の第２電極４２の電位を第３電極４３の電位を高くするためのものであり、読み込み時は基準電位に接続される。図１では、基準電位をグラウンドＧとしている。
（スピン流磁気抵抗効果素子の動作）
図３は、スピン流磁気抵抗効果素子１００が複数配列した磁気メモリの回路図である。図３に示す磁気メモリ２００は、複数のスピン流磁気抵抗効果素子１００を備える。磁気メモリ２００において、複数のスピン流磁気抵抗効果素子１００は制御部３０を共用している。図３では２つの素子毎に１つの制御部３０を設けたが、各素子に一つの制御部３０を設けてもよいし、全ての素子で１つの制御部３０を共用してもよい。また図３ではそれぞれの素子毎に、第１トランジスタ５１を設けたが、第１トランジスタ５１は、複数の素子で共用してもよい。図３では、スピン軌道トルク配線２０を抵抗２０Ａ，２０Ｂとして図示している。以下、図１及び図３を用いて、スピン流磁気抵抗効果素子１００への書込み動作及び読出し動作について説明する。
「書込み動作」
スピン流磁気抵抗効果素子１００へのデータ書き込みは、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２と、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１との相対角の制御により行う。これらの磁化Ｍ１，Ｍ２の相対角は、第２強磁性金属層の磁化Ｍ２の向きにより制御される。第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の向きは、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が誘起するスピン軌道トルク（ＳＯＴ）により反転する。
磁気メモリ２００の特定のスピン流磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込む際には、スイッチング素子（制御部３０）を切り替え、第２電極４２（図１参照）を電位Ｖ２と接続する。そしてデータを書き込むスピン流磁気抵抗効果素子１００を選択し、選択したスピン流磁気抵抗効果素子１００の第２トランジスタ５２と第３トランジスタ５３を開放する。
選択されたスピン流磁気抵抗効果素子１００における第２電極４２は、電位Ｖ２と等電位になるため、グラウンドＧに接続される第３電極４３の電位より高電位になる（図１参照）。その結果、スピン軌道トルク配線２０の第２電極４２から第３電極４３に向かう方向に書込み電流ＩＷが流れる。この電流は純スピン流を生み出す。そして、所定の方向に配向したスピンが、純スピン流によってスピン軌道トルク配線２０から第２強磁性金属層２に注入される。注入されたスピンは、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２にスピン軌道トルクを与え、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２が磁化反転し、データを書き込む。
「読出し動作」
スピン流磁気抵抗効果素子１００は、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２と、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１との相対角によって変化した磁気抵抗効果素子１０の抵抗値をデータとして読み出す。
スピン流磁気抵抗効果素子１００の読出し動作時には、スイッチング素子（制御部３０）を切り替え、第２電極４２をグラウンドＧと接続する。そして第１トランジスタ５１、第２トランジスタ５２及び第３トランジスタ５３を開放する。第２電極４２をグラウンドＧと接続すると、第２電極４２と第３電極４３が等電位になる。電位Ｖ１に接続された第１電極４１は、第２電極４２及び第３電極４３より高電位である。そのため、読出し電流ＩＲは、第１電極４１から磁気抵抗効果素子１０の積層方向に流れ、スピン軌道トルク配線２０で分流した後、第２電極４２及び第３電極４３に流れる。この読出し電流ＩＲを外部に出力することで、データが読み出される。スピン流磁気抵抗効果素子１００は、読出し電流ＩＲが途中で分流されることで、読出し時の誤書き込みを抑制できる。
図４は、読出し電流がスピン軌道トルク配線で分流せず、一方の電極に向かって流れるスピン流磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。図４に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０１は制御部３０を有さない点が、第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。
また図５は、制御部３０を有さないスピン流磁気抵抗効果素子１０１が複数配列した磁気メモリの回路図である。図３に示す磁気メモリ２００は、それぞれのスピン流磁気抵抗効果素子１００が３つのトランジスタ（第１トランジタ５１、第２トランジスタ５２及び第３トランジスタ５３）を有しているのに対し、図５に示す磁気メモリ２０１は各スピン流磁気抵抗効果素子１０１が２つのトランジスタ（第１トランジスタ５１、第２トランジスタ５２）を有し、複数のスピン流磁気抵抗効果素子１０１で一つのトランジスタ（第３トランジスタ５３）を共有している点で異なる。
図５に示す磁気メモリ２０１の特定のスピン流磁気抵抗効果素子１０１にデータを書き込む際は、第２トランジスタ５２と第３トランジスタ５３を開放する。二つのトランジスタを開放することで、第２電極４２から第３電極４３に向かって書き込み電流ＩＷが流れる。書き込み電流ＩＷによって第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の向きが制御され、データを書き込む。この書き込み電流ＩＷの流れは、図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００と同じである。
一方で、図５に示す磁気メモリ２０１の特定のスピン流磁気抵抗効果素子１０１からデータを読み出す際は、第１トランジスタ５１と第３トランジスタ５３を開放する。二つのトランジスタを開放することで、第１電極４１から第３電極４３に向かって読出し電流ＩＲ’が流れる。
図４に示すように、スピン軌道トルク配線２０のｚ方向から見て磁気抵抗効果素子１０と重なる重畳部２３において、読出し電流ＩＲ’はスピン軌道トルク配線２０内をｘ方向に流れる成分（以下、この電流をｘ成分ＩＲｘ’という。）を有する。
このｘ成分ＩＲｘ’は、書き込み電流ＩＷと同様に、純スピン流を生み出し、第２強磁性金属層２にスピンを注入する。注入されたスピンは、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２にＳＯＴを与える。ｘ成分ＩＲｘ’の電流密度は、書き込み電流ＩＷの電流密度と比較して充分小さい。そのため、ｘ成分ＩＲｘ’により誘起されたスピン軌道トルクによって第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２が反転することは、原則的には生じない。しかしながら、熱揺らぎ等の外的な要因が加わった場合に、このｘ成分ＩＲｘ’により誘起されたスピン軌道トルクは、誤書き込みの原因となる。
これに対し、第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００は、読出し電流ＩＲがスピン軌道トルク配線２０で分流する（図１参照）。そのため、重畳部２３において、読出し電流ＩＲは、スピン軌道トルク配線２０内をｘ方向に流れる成分（以下、この電流をｘ成分ＩＲｘという。）と、−ｘ方向に流れる成分（以下、この電流を−ｘ成分ＩＲ−ｘという。）とを有する。
スピン流磁気抵抗効果素子１００では読出し電流ＩＲが分流している。そのため、ｘ成分ＩＲｘ及び−ｘ成分ＩＲ−ｘの電流量は、図４に示すｘ成分ＩＲｘ’と比較して小さい。ｘ成分ＩＲｘ及び−ｘ成分ＩＲ−ｘが誘起できるＳＯＴは小さく、誤書き込みが抑制される。
またｘ成分ＩＲｘと−ｘ成分ＩＲ−ｘが流れる方向は逆向きである。そのため、ｘ成分ＩＲｘが第２強磁性金属層２に注入するスピンの向きと、−ｘ成分ＩＲ−ｘが第２強磁性金属層２に注入するスピンの向きとは、逆向きであり、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２に与えるスピン軌道トルクのベクトルも逆向きとなる。従って、ｘ成分ＩＲｘと−ｘ成分ＩＲ−ｘとが磁化Ｍ２に与える力は互いに相殺され、誤書き込みがより抑制される。
ｘ成分ＩＲｘと−ｘ成分ＩＲ−ｘとが磁化Ｍ２に与える力を完全に相殺するためには、磁気抵抗効果素子１０に対してスピン軌道トルク配線２０の第１点２１と第２点２２とは対称な位置に存在することが好ましい。またスピン軌道トルク配線２０を構成する材料、厚み、幅等がｘ方向の位置によって異なる場合は、磁気抵抗効果素子１０と第１点２１との間の抵抗値が、磁気抵抗効果素子１０と第２点２２との間の抵抗値と等しいことが好ましい。
上述のように、第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００によれば、読出し時の読み出し電流ＩＲによる誤書き込みを抑制することができる。またスピン軌道トルク配線２０でｘ方向と−ｘ方向に分流する読出し電流量を等しくすることで、さらに誤書き込みを抑制することができる。
また第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００の読み出し時の誤書き込みを抑制する効果は、以下の関係式（１）を満たす読出し電流ＩＲが読み出し時に印加されている場合に特に有用である。
Ｊｃ×ＳＳＯＴ＜ＩＲ＜Ｊｃ×ＳＭＴＪ ・・・（１）
上記の関係式（１）においてＪｃは、磁化反転に必要な閾値反転電流密度であり、ＳＳＯＴはスピン軌道トルク配線２０をｘ方向と直交するｙｚ面で切断した断面の面積であり、ＳＭＴＪは磁気抵抗効果素子１０をｚ方向と直交するｘｙ面で切断した断面の面積である。
磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２が磁化反転するか否かは、流れる電流の電流密度によって決まる。磁化Ｍ２を磁化反転させるために必要な電流密度を閾値反転電流密度という。ＳＯＴによる磁化反転に必要な閾値反転電流密度と、ＳＴＴによる磁化反転に必要な閾値反転電流密度は、ほぼ等しいと考えられている。
図４に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０１の場合、誤書き込みを防ぐためには、ｚ方向に流れる読出し電流ＩＲ’によるＳＴＴの効果と、読出し電流ＩＲ’のｘ成分ＩＲｘ’によるＳＯＴの効果とを考慮する必要がある。読み出し電流ＩＲ’を分流しない場合において、ｘ成分ＩＲｘ’の電流量は読み出し電流ＩＲ’の電流量と等しい。そのため、読出し電流ＩＲ’は、以下の関係式（２）を満たす必要がある。
ＩＲ’＜Ｊｃ×ＳＳＯＴ＜Ｊｃ×ＳＭＴＪ ・・・（２）
これに対し、図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００は、読出し電流ＩＲを途中で分流するため、ｘ成分ＩＲｘの電流量は読み出し電流ＩＲの電流量より小さい。そのため以下の関係式（３）を満たせば、読出し電流ＩＲのｘ成分ＩＲｘによるＳＯＴの効果による誤書き込みは抑制できる。
ＩＲｘ＜Ｊｃ×ＳＳＯＴ ・・・（３）
つまり第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００によれば、読出し電流ＩＲ自体をＪｃ×ＳＳＯＴより大きくすることができる。読出し電流ＩＲを大きくすると、出力される信号を大きくすることができる。すなわち、データがノイズに紛れ、誤読出しが生じることを避けることができる。一般式（１）の関係を満たすためには、スピン軌道トルク配線２０をｘ方向と直交するｙｚ面で切断した断面の面積ＳＳＯＴは、磁気抵抗効果素子１０をｚ方向と直交するｘｙ面で切断した断面の面積ＳＭＴＪ以下であることが好ましい。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施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。
例えば、図６に示すように、磁気抵抗効果素子１０の形状がｚ方向に一定で無くてもよい。図６は、第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。図６に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０２の磁気抵抗効果素子１０’は、第２強磁性金属層２’のスピン軌道トルク配線２０側の第１面の面積が、非磁性層３’側の第２面の面積より大きい。
図６に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０２は、磁気抵抗効果素子１０’の形状に沿って読出し電流ＩＲが流れる。そのため、読出し電流ＩＲが、スピン軌道トルクの発生原因となるスピン軌道トルク配線２０に沿った電流の流れを生み出すことを避けることができる。その結果、スピン流磁気抵抗効果素子１０２は、誤書き込みをより抑制することができる。
またスピン流磁気抵抗効果素子１００、１０１において、第１強磁性金属層１、１’と電気的に接続された整流器をさらに備えてもよい。整流器を設けることで、書込み電流ＩＷが磁気抵抗効果素子１０の積層方向に向かって流れることを避けることができる。
また図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００は、読み出し時に第２電極４２（第１点２１）と第３電極４３（第２点２２）とが等電位になるように、制御部３０で制御している。第２電極４２（第１点２１）と第３電極４３（第２点２２）とは、読み出し電流が分流して流れれば、必ずしも等電位である必要はない。第１電極４１（第３点１１）と第２電極４２（第１点２１）との電位差は、第１電極４１（第３点１１）と第３電極４３（第２点２２）との電位差の５０％以内であることが好ましい。
また図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０を基準に第１点２１と第２点２２とが対称な位置にある。第１点２１と第２点との位置関係は、磁気抵抗効果素子１０に対して非対称な位置でもよい。例えば、読み出し電流ＩＲが分流後に第１点２１側に多く流れる場合は、第１点２１と磁気抵抗効果素子１０との距離は、第２点２２と磁気抵抗効果素子１０との距離より短くすることが好ましい。読み出し電流ＩＲが多く流れる側において、読み出し電流ＩＲが流れる距離を短くすることで、スピン軌道トルク配線２０による寄生抵抗を低減できる。また磁気抵抗効果素子１０と第１点２１との間の抵抗値は、磁気抵抗効果素子１０と第２点２２との間の抵抗値の５０％以上１５０％以下であることが好ましく、磁気抵抗効果素子１０と第２点２２との間の抵抗値と等しいことがより好ましい。
また図７に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０３のように、第３点１１の電位Ｖ１をグラウンドＧより低くして、読み出し電流ＩＲの流れ方向を反対にしてもよい。図７に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０３における制御部３０は、読み出し時に第１点２１及び第２点２２の電位を、第３点１１の電位より高くする。
この場合、読み出し電流ＩＲは第１点２１及び第２点２２から第３点１１に向かって合流する。読み出し電流ＩＲが合流する場合も、ｘ成分ＩＲｘ及び−ｘ成分ＩＲ−ｘの電流量は、図４に示すｘ成分ＩＲｘ’と比較して小さい。ｘ成分ＩＲｘ及び−ｘ成分ＩＲ−ｘが誘起できるＳＯＴは小さく、誤書き込みが抑制される。
またｘ成分ＩＲｘと−ｘ成分ＩＲ−ｘが流れる方向は逆向きである。そのため、ｘ成分ＩＲｘが第２強磁性金属層２に注入するスピンの向きと、−ｘ成分ＩＲ−ｘが第２強磁性金属層２に注入するスピンの向きとは、逆向きであり、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２に与えるスピン軌道トルクのベクトルも逆向きとなる。従って、ｘ成分ＩＲｘと−ｘ成分ＩＲ−ｘとが磁化Ｍ２に与える力は互いに相殺され、誤書き込みがより抑制される。
１ 第１強磁性金属層
２ 第２強磁性金属層
３ 非磁性層
１０ 磁気抵抗効果素子
１１ 第３点
２０ スピン軌道トルク配線
２１ 第１点
２２ 第２点
２３ 重畳部
３０ 制御部
４０ 電極
４１ 第１電極
４２ 第２電極
４３ 第３電極
５０ 素子選択部
５１ 第１トランジスタ
５２ 第２トランジスタ
５３ 第３トランジスタ
Ｍ１，Ｍ２…磁化
ＩＷ 書き込み電流
ＩＲ 読出し電流

Claims (10)

  1. 第１強磁性金属層と、第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層及び前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層の側に位置するスピン軌道トルク配線と、
    読み出し時に前記磁気抵抗効果素子及び前記スピン軌道トルク配線に流れる電流の向きを制御する制御部と、を備え、
    前記第２強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線側の第１面の面積が、前記非磁性層側の第２面の面積より大きく、
    前記制御部は、前記スピン軌道トルク配線において前記第１の方向に前記磁気抵抗効果素子を挟む位置にある第１点及び第２点と、前記磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性層側の第３点と、のうち少なくとも一つに接続され、
    前記第１点と前記第２点との位置関係が前記磁気抵抗効果素子に対して非対称であり、
    前記制御部は、読み出し時に読み出し電流を、前記第３点から前記第１点及び前記第２点に向かって分流する、または、前記第１点及び前記第２点から前記第３点に向かって合流させる、スピン流磁気抵抗効果素子。
  2. 前記制御部は、読み出し時に前記第１点及び前記第２点の電位を、前記第３点の電位より高く又は低くする、請求項１に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
  3. 前記第１点と電気的に接続された第２トランジスタと、前記第２点と電気的に接続された第３トランジスタと、をさらに備える、請求項１又は２に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
  4. 前記スピン軌道トルク配線において、前記磁気抵抗効果素子と前記第１点との間の抵抗値が、前記磁気抵抗効果素子と前記第２点との間の抵抗値と等しい、請求項１から３のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
  5. 前記スピン軌道トルク配線を前記第１の方向と直交する面で切断した断面の面積が、前記磁気抵抗効果素子を前記積層方向と直交する面で切断した断面の面積より小さい、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
  6. 前記第１強磁性金属層と電気的に接続された整流器をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
  7. 前記磁気抵抗効果素子と前記第１点との電流経路の距離と、前記磁気抵抗効果素子と前記第２点との電流経路の距離と、は異なる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
  8. 前記磁気抵抗効果素子と前記第１点との間の抵抗値は、前記磁気抵抗効果素子と前記第２点との間の抵抗値の５０％以上１５０％以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
  9. 前記読み出し電流をＩＲとし、前記スピン軌道トルク配線のうち前記磁気抵抗効果素子と前記積層方向に重なる部分を重畳部とし、前記読み出し電流のうち前記重畳部を前記第１の方向に流れる電流をＩＲＸとし、磁化反転に必要な閾値反転電流密度をＪＣとし、前記スピン軌道トルク配線を前記第１の方向と直交する面で切断した断面の面積をＳＳＯＴとしたとき、下記の関係式（Ａ）を満たす、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子；
    ＩＲＸ＜ＪＣ×ＳＳＯＴ＜ＩＲ・・・（Ａ）。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。
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