JP6743986B2 - 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

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 Download PDF

Info

Publication number
JP6743986B2
JP6743986B2 JP2019564711A JP2019564711A JP6743986B2 JP 6743986 B2 JP6743986 B2 JP 6743986B2 JP 2019564711 A JP2019564711 A JP 2019564711A JP 2019564711 A JP2019564711 A JP 2019564711A JP 6743986 B2 JP6743986 B2 JP 6743986B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
orbit torque
metal layer
spin
layer
spin orbit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019564711A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2019139025A1 (ja
Inventor
英嗣 小村
英嗣 小村
智生 佐々木
智生 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Publication of JPWO2019139025A1 publication Critical patent/JPWO2019139025A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6743986B2 publication Critical patent/JP6743986B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/18—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/10—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration
    • H01L27/105—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration including field-effect components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods

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１月１０日に、日本に出願された特願２０１８−００２１８７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。これらは、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）用の素子として、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ＧＭＲ素子又は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を用いた磁気抵抗効果素子の磁化反転は、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、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（例えば、非特許文献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。ＳＯＴを利用した書込み方法は、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。
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).
重金属等を含む所定のスピン軌道トルク配線に電流を流すと、多くのスピンが強磁性体内に注入され、強磁性体内に大きなＳＯＴが誘起される。一方で、スピン軌道トルク配線は、一般に配線として用いられる銅配線、アルミニウム配線等と比較して熱伝導性に劣る。スピン軌道トルク配線に電流を印加すると、スピン軌道トルク配線に接続された強磁性体の温度が高くなり、強磁性体の磁化安定性が低下する。強磁性体の磁化安定性の低下は、磁気抵抗効果素子において書込みエラーの原因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、排熱性に優れたスピン軌道トルク型磁化回転素子を提供する。
本発明者らは、鋭意検討の結果、排熱性に優れる素子構成を見出した。
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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、前記第２方向からの平面視で、前記第１方向に前記第１強磁性層を挟む位置で前記スピン軌道トルク配線に接続された第１非磁性金属層及び第２非磁性金属層と、を備え、前記第１強磁性層の重心は、前記第１方向において、前記第１非磁性金属層と前記第２非磁性金属層との間の中心である基準点より前記第１非磁性金属層又は前記第２非磁性金属層のいずれか側に位置する。
（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、前記重心は、前記基準点より前記第２非磁性金属層の側に位置し、前記第２非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線に電流を印加した際の下流側に位置する構成でもよい。
（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１強磁性層の一部は、前記第２方向からの平面視で、前記基準点と重畳していてもよい。
（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、前記第１非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線に電流を印加した際に上流側に位置し、かつ、前記第１強磁性層側に第１端部を有し、前記第１端部と前記重心との前記第１方向の距離Ｄと、前記スピン軌道トルク配線の厚みＴ２とが、６≦Ｄ／Ｔ２≦５６の関係を満たしてもよい。
（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非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層の幅は、前記第１強磁性層の幅より広くてもよい。
（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、前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層の厚みは、前記スピン軌道トルク配線の厚みより厚く、前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層の幅は、前記スピン軌道トルク配線の幅より広くてもよい。
（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非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔａ、ＴｉＮ及びＴａＮからなる群のいずれかを含んでもよい。
（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非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層に面する第１面と反対側の第２面に接続されていてもよい。
（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、前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層に面する第１面に接続されていてもよい。
（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、前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層が、酸化物を介さずに前記スピン軌道トルク配線と接続されていてもよい。
（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、前記第１強磁性層の一部は、前記第２方向からの平面視で、前記第１非磁性金属層又は前記第２非磁性金属層と重畳していてもよい。
（１２）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２方向からの平面視で前記第１強磁性層の一部と重畳する前記第１非磁性金属層又は前記第２非磁性金属層と、前記第1強磁性層と、の間に、読み出し電流を流す制御部をさらに有してもよい。
（１３）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強磁性層において前記スピン軌道トルク配線と面する第３面と反対側の第４面に積層された非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える。
（１４）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。
排熱性に優れたスピン軌道トルク型磁化回転素子を提供できる。
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の断面模式図である。 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の平面模式図である。 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。 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。 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。 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の別の例の断面模式図である。 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の断面模式図である。 複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える第３実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。
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。
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１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１０の断面模式図であり、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１０の平面模式図である。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と第１非磁性金属層３と第２非磁性金属層４とを備える。図２は、ｚ方向からの平面図であり、各層の＋ｚ側の面を示す。
以下、スピン軌道トルク配線２が延在する第１方向をｘ方向、第１強磁性層１の積層方向（第２方向）をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向と規定して説明する。
＜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面２Ａと第２面２Ｂとを有する。第１面２Ａは、第１強磁性層１の第３面１Ａに面する。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。図１におけるスピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１のｚ方向の一面に直接接続されている。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Ｉが流れるとスピンホール効果によって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２中に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、単体の元素からなる材料に限らないし、スピン流を生成しやすい材料で構成される部分とスピン流を生成しにく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、配線に電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの向きと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。
スピン軌道トルク配線２の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、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とが、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対しｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して−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、スピンホール効果で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。スピンホール効果によって図中の＋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、図中のｚ方向に流れる。図１において、スピン軌道トルク配線２の上面には後述する第１強磁性層１が存在する。そのため、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２の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。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。これらの非磁性金属は、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。
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作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流ＪＳが発生しやすい。
また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。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２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。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２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により内部磁場が生じる。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できる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ １．３、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。
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２と交差する第２方向（ｚ方向）に積層されている。第１強磁性層１は、第３面１Ａと第４面１Ｂとを有する。第３面１Ａは、スピン軌道トルク配線２の第１面２Ａと面する。第４面１Ｂは、第１強磁性層１において第３面１Ａと反対側の面である。第１強磁性層１はその磁化の向きが変化することで機能する。第１強磁性層１は、ｘｙ面内に磁化容易方向を有する面内磁化膜でも、ｚ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。
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が面内磁化膜の場合は、例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）等を用いることが好ましい。
第１強磁性層１は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。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る。Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種である。Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１− ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等は、ホイスラー合金の一例である。
＜第１非磁性金属層と第２非磁性金属層＞
第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４は、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１を挟む位置に位置する。第１非磁性金属層３と第２非磁性金属層４との間に電位差を与えることで、スピン軌道トルク配線２内に電流Ｉが流れる。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４は、スピン軌道トルク配線２に電流Ｉを流すための電極として機能する。第１非磁性金属層３は、例えば、外部の電源と電気的に接続される。第２非磁性金属層４は、例えば、外部の基準電位と電気的に接続される。電流Ｉは、外部の電源と基準電位との電位差に基づいて流れる。第１非磁性金属層３は、例えば、スピン軌道トルク配線２に電流Ｉを印加した際に、電流Ｉの流れ方向の上流側（基準電位と反対側）となる位置にある。第２非磁性金属層４は、例えば、スピン軌道トルク配線２に電流Ｉを印加した際に、電流Ｉの流れ方向の下流側（基準電位側）となる位置にある。例えば、第２非磁性金属層４をグラウンドに接続すると、グラウンドが基準電位となる。
第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔａ、ＴｉＮ及びＴａＮからなる群のいずれかを含むことが好ましい。これらの材料は熱伝導性に優れ、スピン軌道トルク配線２に蓄積された熱を効率的に排熱できる。
第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４は、熱伝導の妨げとなる酸化物を介さずにスピン軌道トルク配線２と直接接続されていることが好ましい。
＜各構成の関係性＞
第１強磁性層１の重心Ｇは、ｘ方向において、第１非磁性金属層３と第２非磁性金属層４との間の中心である基準点Ｓより第１非磁性金属層３又は第２非磁性金属層４のいずれかに近い位置に位置する。基準点Ｓは、第１非磁性金属層３の重心と第２非磁性金属層４の重心とを結ぶ線分の中心である。第１強磁性層１、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４が、ｚ方向からの平面視で、ｘ方向に線対称又は点対称な形状の場合、中心位置と重心位置は一致する場合が多い。そのため、第１強磁性層１、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４のそれぞれのｘ方向の中心位置を、第１強磁性層１、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４のそれぞれのｘ方向の重心位置とみなせる。すなわち、第１強磁性層１の中心は、ｘ方向において、第１非磁性金属層３と第２非磁性金属層４との間の中心である基準点Ｓより第１非磁性金属層３又は第２非磁性金属層４のいずれかに近い位置に位置すると言い換えられる。
スピン軌道トルク配線２に蓄積された熱の多くは、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４から排熱される。そのため、スピン軌道トルク配線２の基準点Ｓは、スピン軌道トルク配線２内で最も温度が高く、基準点Ｓからｘ方向に離れるに従って温度が低くなる。第１強磁性層１の重心Ｇと基準点Ｓとのｘ方向の位置が重なる場合、第１強磁性層１の磁化は熱の影響をうけやすくなり、熱による意図しない磁化反転が生じやすくなる。
一方で、第１強磁性層１の重心Ｇと基準点Ｓとのｘ方向の位置をずらすと、第１強磁性層１の重心Ｇを最も温度が高い位置からずらすことができる。つまり、第１強磁性層１の磁化が熱により意図しない磁化反転をすることを抑制できる。
第１強磁性層１の重心Ｇは、第１非磁性金属層３と第２非磁性金属層４との間の距離の１５％以上基準点Ｓから離れていることが好ましく、２５％以上基準点Ｓから離れていることがより好ましい。第１非磁性金属層３と第２非磁性金属層４との間の距離は、第１非磁性金属層３の重心から第２非磁性金属層４の重心を通りｙ方向に延びる仮想線に下した垂線の長さである。第１強磁性層１の重心Ｇは、基準点Ｓから１５ｎｍ以上離れていることが好ましく、２５ｎｍ以上離れていることがより好ましい。
第１強磁性層１の重心Ｇは、基準点Ｓより第１非磁性金属層３側に位置しても、第２非磁性金属層４側に位置してもよいが、図１に示すように電流Ｉの流れ方向の下流側となる第２非磁性金属層４側に位置することが好ましい。
電流Ｉは、第１非磁性金属層３からスピン軌道トルク配線２に流れる。異なる物質の界面の近傍では接触抵抗等の影響を受けやすい。すなわち、第１非磁性金属層３とスピン軌道トルク配線２との界面の近傍は、電流Ｉの流れが不安定になりやすい。第１強磁性層１の重心Ｇが電流Ｉの流れ方向の下流に位置すると、スピン軌道トルク配線２内を流れる電流Ｉは第１強磁性層１に至った時点で安定化する。電流Ｉが安定化すると、スピンホール効果により第１強磁性層１に注入されるスピン量が安定化し、第１強磁性層１の磁化反転が安定化する。
また第１非磁性金属層３の第１強磁性層１側の第１端部３ａと重心Ｇとのｘ方向における距離Ｄと、スピン軌道トルク配線２の厚みＴ２とは、６≦Ｄ／Ｔ２≦５６の関係を満たすことが好ましく、１０≦Ｄ／Ｔ２≦３４の関係を満たすことがより好ましい。ここで第１端部３ａは、スピン軌道トルク配線２の幅方向（ｙ方向）の中央を通る断面において、スピン軌道トルク配線２と第１非磁性金属層３との接触面の第１強磁性層１側の端部である。スピン軌道トルク配線２の厚みＴ２は、スピン軌道トルク配線２の平均厚みである。
スピン軌道トルク配線２の厚みＴ２が異なると、電流Ｉの電流密度が変化する。電流Ｉの電流密度が異なると、電流Ｉが安定化するまでに必要な距離が変化する。上記関係式を満たすことで、スピンホール効果により第１強磁性層１に注入されるスピンの量を安定化することができる。
第１端部３ａと第１強磁性層１の第１非磁性金属層３側の端部１ａとのｘ方向における距離ｄと、スピン軌道トルク配線２の厚みＴ２とは、３≦ｄ／Ｔ２≦２３の関係を満たすことが好ましく、５≦ｄ／Ｔ２≦１５の関係を満たすことがより好ましい。端部１ａは、スピン軌道トルク配線２の幅方向（ｙ方向）の中央を通る断面において、第１強磁性層１のうち最も第１非磁性金属層３の近くに位置する端部である。第１端部３ａと端部１ａとが上記関係を満たすと、第１強磁性層１に至った時点で電流Ｉが安定化する。
スピン軌道トルク配線２の厚みＴ２は、例えば、１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましく、３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
第１端部３ａと重心Ｇとの距離Ｄは、例えば、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
第１端部３ａと端部１ａとの距離ｄは、例えば、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下であることがより好ましく、２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
図１及び図２に示すように、第１強磁性層１の一部は、ｚ方向からの平面視で基準点Ｓと重畳していることが好ましい。本明細書において、「ｚ方向からの平面視で」とは、ｚ方向から見た際に各層が占める最も広い領域を指す。第１強磁性層１の第３面１Ａの面積が、第１強磁性層１の第４面１Ｂの面積より大きい場合（例えば、第１強磁性層１の断面が＋ｚ方向に上底を有する台形の場合）は、第３面１Ａが基準点Ｓとの重畳の基準となる。第１強磁性層１の重心Ｇが基準点Ｓからずれた位置にある状態で、基準点Ｓと第１強磁性層１とがｚ方向から平面視で一部重畳すると、第１強磁性層１の体積が大きくなる。第１強磁性層１の体積が大きくなると、第１強磁性層１全体の磁気強度が高まり、磁化の安定性が強まる。またデータの書込み時には、スピン軌道トルク配線２で生じる熱を磁化反転に利用することができ、磁化反転を容易にできる。
ここで、スピン軌道トルク配線２で生じる熱の磁化反転への利用は、スピン軌道トルク配線２で生じる熱による誤書き込みに繋がるようにも思える。しかしながら、最も発熱する基準点Ｓと重心Ｇとの位置がずれ、かつ、第１強磁性層１全体の磁気強度が高いことで、熱が第１強磁性層１の磁化に与える影響は十分抑制されている。そのため、熱は、誤書き込みに至るほどのエネルギーを第１強磁性層１に与えることはできず、むしろ磁化反転をアシストする要因となる。
第１強磁性層１は、ｚ方向からの平面視において、スピン軌道トルク配線２の面積の７％以上を占めることが好ましく、１５％以上を占めることがより好ましく、３０％以上を占めることがさらに好ましく、５０％以上を占めることがさらに好ましい。上述のように、第１強磁性層１の体積が大きくなることで、第１強磁性層１全体の磁気強度が高まり、磁化の安定性が強まる。
図１に示すように、第１非磁性金属層３の厚みＴ３及び第２非磁性金属層４の厚みＴ４は、スピン軌道トルク配線２の厚みＴ２より厚いことが好ましく、スピン軌道トルク配線２の厚みＴ２より２倍以上厚いことが好ましい。また図２に示すように、第１非磁性金属層３の幅Ｗ３及び第２非磁性金属層４の幅Ｗ４は、スピン軌道トルク配線２の幅Ｗ２より広いことが好ましく、スピン軌道トルク配線２の幅Ｗ２より２倍以上広いことが好ましい。当該関係を満たすことで、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の熱容量が大きくなり、スピン軌道トルク配線２で発生した熱量を充分排熱できる。各層の厚みは、各層の平均厚みである。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の幅は、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４のスピン軌道トルク配線２側の第１面３Ａ、４Ａにおける第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４のｙ方向の幅の最大値である。スピン軌道トルク配線２の幅は、ｚ方向からの平面視で第１非磁性金属層３又は第２非磁性金属層４と重なる位置におけるスピン軌道トルク配線２の第２面２Ｂのｙ方向の幅の平均値である。
第１非磁性金属層３の厚みＴ３及び第２非磁性金属層４の厚みＴ４は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
また第１非磁性金属層３の幅Ｗ３及び第２非磁性金属層４の幅Ｗ４は、８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがより好ましく、１２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
またスピン軌道トルク配線２の幅Ｗ２は、４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることがより好ましく、６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
熱を運ぶ過程には、熱伝導、移流（対流）、熱放射がある。ここまで熱伝導について主として説明したが、熱放射による影響も考慮すると、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の幅Ｗ３、Ｗ４は、第１強磁性層の幅Ｗ１より広いことが好ましい。スピン軌道トルク配線２が発熱すると第１強磁性層１も発熱する。第１強磁性層１に蓄積された熱がすみやかに熱放射されれば、熱による意図しない第１強磁性層１の磁化の反転を防げる。
第１強磁性層１に蓄積された熱は、熱放射により第１強磁性層１を中心に等方的に拡散する。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の幅Ｗ３、Ｗ４が第１強磁性層１の幅Ｗ１より広いと、第１強磁性層１から広がる熱の多くを第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４が受け取ることができる。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４が受け取った熱は、熱伝導性に優れる第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４によって速やかに排熱される。その結果、第１強磁性層１からの熱放射がすみやかに進み、熱による意図しない第１強磁性層１の磁化の反転を防げる。第１強磁性層１の幅は、第１強磁性層１のｘ方向の中心における第３面１Ａのｙ方向の幅である。
第１強磁性層１の幅Ｗ１は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましく、２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
また第１強磁性層１の幅Ｗ１は、スピン軌道トルク配線２の幅Ｗ２より狭いことが好ましい。ＳＯＴを起こすスピンは、スピン軌道トルク配線２から供給される。当該関係を満たすことで、第１強磁性層１の面内の磁気的なバラツキを抑制できる。
図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０は、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４が、スピン軌道トルク配線２の第１強磁性層１に面する第１面２Ａと反対側の第２面２Ｂに接続されている。当該構成の場合、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４に接続される配線の引き回しが容易になり、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０を容易に製造できる。
一方で、図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１１のように、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４は、スピン軌道トルク配線２の第１強磁性層１に面する第１面に接続されていてもよい。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４と第１強磁性層１とが同一面に接続されると、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４と第１強磁性層１との距離が近づく。そのため、第１強磁性層１からの熱放射がすみやかに排熱され、熱による意図しない第１強磁性層１の磁化の反転を防げる。
この場合、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の厚みＴ３、Ｔ４は、第１強磁性層の厚みＴ１より厚いことが好ましい。第１強磁性層１の厚みＴ１は、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることが好ましく、０．７ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることがより好ましく、０．９ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
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、１１によれば、スピン軌道トルク配線２の発熱が第１強磁性層１に与える影響を小さくすることができる。つまり、第１強磁性層１の温度が高くなり、第１強磁性層の磁化安定性が低下することを抑制できる。スピン軌道トルク型磁化回転素子１０、１１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。
以上、第１実施形態の一例について詳述したが、第１実施形態はこの例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。
図４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の別の例の断面模式図である。図１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４に示す第１強磁性層１の一部は、ｚ方向からの平面視で、第２非磁性金属層４と重畳している。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４は熱伝導性に優れ、第１強磁性層１から熱を効率的に除去する。第１強磁性層１の一部と第２非磁性金属層４とが近接することで、第１強磁性層１の磁化の安定性が高まる。
また図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１２は、読み出し電流を流す制御部７を有する。制御部７は、例えば、第１トランジスタ７Ａと第２トランジスタ７Ｂとからなる。第１トランジスタ７Ａ及び第２トランジスタ７Ｂをオンにすると、第１強磁性層１、スピン軌道トルク配線２、第２非磁性金属層４の順で読み出し電流が流れる。
読み出される抵抗値は、第１強磁性層１と第２非磁性金属層４との間の抵抗値である。より具体的には、読み出される抵抗値は、第１強磁性層１、スピン軌道トルク配線２、第２非磁性金属層４のそれぞれにおいて読み出し電流が流れる部分が有する固有の抵抗値と、第１強磁性層１の異方性磁気抵抗効果と、を足したものとなる。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、各層の固有の抵抗値と、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層６の磁化との相対角の違いに伴う抵抗値と、を足したものが読み出される抵抗値となる。読み出し電流がスピン軌道トルク配線２に沿って流れる距離が長くなると、スピン軌道トルク配線２における読み出し電流が流れる部分が大きくなり、この部分の固有の抵抗値が大きくなる。読み出される抵抗値が大きくなると、抵抗値の変化量を読み出しにくくなる。これに対し、第１強磁性層１の一部と第２非磁性金属層４とが重畳し、かつ、読み出し電流の流れ方向を制御すると、抵抗値の変化を敏感に読み出すことができる。
図４では、第１強磁性層１と第２非磁性金属層４とが重畳する例を示したが、第１強磁性層１と第１非磁性金属層３とが重畳してもよい。
図５及び図６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の別の例の断面模式図である。図１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。また図５及び図６では、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４を囲む絶縁層３０、第１強磁性層１に接続された電極９を同時に図示する。絶縁層３０は、層間絶縁膜であり、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮである。電極９は、導電性に優れる材料からなり、例えばＣｕである。第１強磁性層１の重心Ｇと基準点Ｓとはｘ方向に異なる位置にある。
図５及び図６に示す第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の第１面３Ａ’、４Ａ’は、絶縁層３０の第１面３０Ａに対して凹んでいる。絶縁層３０と第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４とは、エッチングレートが異なるため、第１面３Ａ’、４Ａ’が湾曲する場合がある。
スピン軌道トルク配線２は、第１面３０Ａ、３Ａ’、４Ａ’上に積層される。スピン軌道トルク配線２は、第１面２Ａ’と第２面２Ｂ’と第１側面２Ｓａと第２側面２Ｓｂとを有する。第１側面２Ｓａ及び第２側面２Ｓｂは、例えば、ｚ方向に対して傾斜している。スピン軌道トルク配線２の第１面２Ａ’、第２面２Ｂ’は、第１面３０Ａ、３Ａ’、４Ａ’の形状を反映する。スピン軌道トルク配線２は、第１面３０Ａに沿ってｘｙ面と略平行に広がる部分と、第１面３Ａ’、４Ａ’に沿ってｘｙ面に対して湾曲する部分とを有する。
第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２の第１面２Ａ’に積層される。第１強磁性層１の第３面１Ａ’、第４面１Ｂ’は、スピン軌道トルク配線２の第１面２Ａ’の形状を反映する。
第１強磁性層１は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有する。第１領域Ｒ１は、ｘｙ面と略平行に広がる部分である。第２領域Ｒ２は、ｘｙ面に対して傾斜する部分である。第１強磁性層１は、第３面１Ａ’と第４面１Ｂ’と第１側面１Ｓａと第２側面１Ｓｂとを有する。第１側面１Ｓａ及び第２側面１Ｓｂは、例えば、ｚ方向に対して傾斜している。第１側面１Ｓａ及び第２側面１Ｓｂは、スピン軌道トルク配線２の第１側面２Ｓａと第２側面２Ｓｂとｘ方向に異なる位置にある。そのため第１側面１Ｓａと第１側面２Ｓａとは不連続であり、第２側面１Ｓｂと第２側面２Ｓｂとは不連続である。
第３面１Ａ’は、第１部分１Ａ’ａと第２部分１Ａ’ｂとを有する。第１部分１Ａ’ａは、第１領域Ｒ１における第３面１Ａ’である。第２部分１Ａ’ｂは、第２領域Ｒ２における第３面１Ａ’である。第４面１Ｂ’は、第１部分１Ｂ’ａと第２部分１Ｂ’ｂとを有する。第１部分１Ｂ’ａは、第１領域Ｒ１における第４面１Ｂ’である。第２部分１Ｂ’ｂは、第２領域Ｒ２における第４面１Ｂ’である。第１部分１Ａ’ａ、１Ｂ’ａは平坦であり、磁化は所定の方向に配向する。第２部分１Ａ’ｂ、１Ｂ’ｂは、第１部分１Ａ’ａ、１Ｂ’ａに対して傾斜し、磁化は所定の方向から傾く。第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１より磁化が回転しやすい。
図５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の重心Ｇのｘ方向の位置と第２非磁性金属層４のｘ方向の位置とが重なっておらず、第１領域Ｒ１は第２領域Ｒ２より広い。スピン軌道トルク型磁化回転素子１３は、第１領域Ｒ１が磁化の安定性を確保し、第２領域Ｒ２が磁化反転を容易にする。
図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１４は、第１強磁性層１の重心Ｇのｘ方向の位置と第２非磁性金属層４のｘ方向の位置とが重なっている点が、図５に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１３と異なる。図５と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。第１強磁性層１の第１側面１Ｓａとスピン軌道トルク型磁化回転素子２の第１側面２Ｓａとは連続する。連続するとは、傾斜面が不連続に変化する変曲点を有さないことを意味する。例えば、ＸＺ平面において、第１側面１Ｓａ、２Ｓａを、連続する直線又は曲線で漸近線を描ける場合は、連続的に変化しているとみなせる。第１領域Ｒ１は第２領域Ｒ２より狭い。スピン軌道トルク型磁化回転素子１４は、第１強磁性層１の磁化反転がより容易になる。
図７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の別の例の断面模式図である。図７に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１５は、スピン軌道トルク配線２の第１面２Ａ、第１強磁性層１の第３面１Ａ、第４面１Ｂが平坦である点が、図５に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１３と異なる。図５と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。また図７では、絶縁層３０及び電極９を同時に図示する。
図５に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１３の第１面２Ａ’を化学機械研磨（ＣＭＰ）等で研磨すると、図７に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１５となる。第１面２Ａが平坦化すると、第１強磁性層１の磁化の安定性が高まる。スピン軌道トルク配線２は、第１領域Ｒ１’と第２領域Ｒ２’とを有する。第１領域Ｒ１’は、ｚ方向からの平面視で、第１非磁性金属層３又は第２非磁性金属層４と重なる部分である。第２領域Ｒ２’は、その他の領域である。第１領域Ｒ１’は、第２領域Ｒ２’より薄い。第１領域Ｒ１’は、第１非磁性金属層３又は第２非磁性金属層４に熱を伝える部分である。第１領域Ｒ１’の厚みが厚いと、放熱性が向上する。第２領域Ｒ２’は、第１強磁性層１にスピンを供給する部分である。第２領域Ｒ２’の厚みが薄いと、第２領域Ｒ２’を流れる電流の電流密度を高め、磁化反転を効率的に行うことができる。
図５、図６及び図７では、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の第１面３Ａ’、４Ａ’が絶縁層３０の第１面３０Ａに対して凹む場合を例示したが、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の第１面３Ａ’、４Ａ’が絶縁層３０の第１面３０Ａに対して突出してもよい。
また図８及び図９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の別の例の断面模式図である。図１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。また図８及び図９では、絶縁層３０及び電極９を同時に図示する。
図８に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１６のスピン軌道トルク配線２は、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４よりｘ方向の外側に広がっている。スピン軌道トルク配線２は、層を積層後に、ライン状に加工される。スピン軌道トルク配線２をｘ方向に広げることで、加工マージンを確保できる。
図９に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１７のスピン軌道トルク配線２は、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４よりｘ方向の内側に位置する。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の一部は加工により切り欠かれている。第１非磁性金属層３の第１面３Ａは、第１部分３Ａ１と第２部分３Ａ２を有する。第１部分３Ａ１は、ｘｙ平面と略平行な部分である。第２部分３Ａ２は、第１部分３Ａ１に対して不連続に傾斜する部分である。第２非磁性金属層４の第１面４Ａは、第１部分４Ａ１と第２部分４Ａ２を有する。第１部分４Ａ１は、ｘｙ平面と略平行な部分である。第２部分４Ａ２は、第１部分４Ａ１に対して不連続に傾斜する部分である。スピン軌道トルク配線２の第１側面２Ｓａは、第２非磁性金属層４の第２部分４Ａ２と連続する。スピン軌道トルク配線２の第２側面２Ｓｂは、第１非磁性金属層３の第２部分３Ａ２と連続する。
スピン軌道トルク型磁化回転素子１７は、複数の素子が集積して用いられる場合が多い。例えば、第２非磁性金属層４の側方には、異なるスピン軌道トルク型磁化回転素子１７の第１非磁性金属層３又は第２非磁性金属層４が隣接する場合がある。第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の一部を切り欠くことで、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４の周囲に発生する電場の影響を低減できる。その結果、隣接するスピン軌道トルク型磁化回転素子１７間の距離を縮めることができ、スピン軌道トルク型磁化回転素子１７の集積度を上げることができる。
また図４〜図９に示すそれぞれの変形例は、互いに組み合わせることができる。例えば、図４〜図７に示す変形例において、スピン軌道トルク配線２の第１側面２Ｓａが第１非磁性金属層３より外側に位置してもよいし、内側に位置してもよい。第２側面２Ｓｂと第２非磁性金属層４についても同様である。
「第２実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図１０は、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の断面模式図である。図１０に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２と、第１非磁性金属層３と、第２非磁性金属層４と、非磁性層５と、第２強磁性層６とを備える。第１強磁性層１、スピン軌道トルク配線２、第１非磁性金属層３及び第２非磁性金属層４は、図１に示す第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に対応する。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８）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部８は、第２強磁性層６の磁化が一方向（ｚ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（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強磁性層の磁化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８は、非磁性層５が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
機能部８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、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。
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非磁性層５として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。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等を用いることができる。
機能部８は、その他の層を有していてもよい。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。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。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においても、第１強磁性層１の重心Ｇと基準点Ｓのｘ方向の位置はずれている。そのため、スピン軌道トルク配線２の発熱が第１強磁性層１に与える影響が小さくなり、第１強磁性層１の磁化安定性が高まる。つまり、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、書き込みエラーレートが少ない。
「第３実施形態」
（磁気メモリ）
図１１は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０（図１０参照）を備える磁気メモリ１００の模式図である。図１０は、図１１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１１に示す磁気メモリ１００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１１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ＷＬ１〜３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ＲＬ１〜３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２０の機能部８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
１ａ 端部
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ、１Ａ’、２Ａ’、３Ａ’、４Ａ’ 第３面
１Ｂ、２Ｂ、１Ｂ’、２Ｂ’ 第４面
２ スピン軌道トルク配線
３ 第１非磁性金属層
３ａ 第１端部
４ 第２非磁性金属層
５ 非磁性層
６ 第２強磁性層
８ 機能部
１０ 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
１００ 磁気メモリ
Ｇ 重心
Ｓ 基準点

Claims (14)

  1. 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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、
    前記第２方向からの平面視で、前記第１方向に前記第１強磁性層を挟む位置で前記スピン軌道トルク配線に接続された第１非磁性金属層及び第２非磁性金属層と、を備え、
    前記第１強磁性層の重心は、前記第１方向において、前記第１非磁性金属層と前記第２非磁性金属層との間の中心である基準点より前記第１非磁性金属層又は前記第２非磁性金属層のいずれか側に位置する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  2. 前記重心は、前記基準点より前記第２非磁性金属層の側に位置し、
    前記第２非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線に電流を印加した際の下流側に位置する、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  3. 前記第１強磁性層の一部は、前記第２方向からの平面視で、前記基準点と重畳している、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  4. 前記第１非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線に電流を印加した際に上流側に位置し、かつ、前記第１強磁性層側に第１端部を有し、
    前記第１端部と前記重心との前記第１方向の距離Ｄと、前記スピン軌道トルク配線の厚みＴ２とが、６≦Ｄ／Ｔ２≦５６の関係を満たす、請求項１〜３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。
  5. 前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層の幅は、前記第１強磁性層の幅より広い、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。
  6. 前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層の厚みは、前記スピン軌道トルク配線の厚みより厚く、
    前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層の幅は、前記スピン軌道トルク配線の幅より広い、請求項１〜５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。
  7. 前記第１非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔａ、ＴｉＮ及びＴａＮからなる群のいずれかを含む、請求項１〜６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非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層が、酸化物を介さずに前記スピン軌道トルク配線と接続されている、請求項１〜７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非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層に面する第１面と反対側の第２面に接続されている、請求項１〜８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非磁性金属層及び前記第２非磁性金属層は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層に面する第１面に接続されている、請求項１〜８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。
  11. 前記第１強磁性層の一部は、前記第２方向からの平面視で、前記第１非磁性金属層又は前記第２非磁性金属層と重畳している、請求項１〜９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。
  12. 前記第２方向からの平面視で前記第１強磁性層の一部と重畳する前記第１非磁性金属層又は前記第２非磁性金属層と、前記第１強磁性層と、の間に、読み出し電流を流す制御部をさらに有する、請求項１１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  13. 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と、
    前記第１強磁性層において前記スピン軌道トルク配線と面する第３面と反対側の第４面に面する非磁性層と、
    前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  14. 請求項１３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。
JP2019564711A 2018-01-10 2019-01-09 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 Active JP6743986B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018002187 2018-01-10
JP2018002187 2018-01-10
PCT/JP2019/000312 WO2019139025A1 (ja) 2018-01-10 2019-01-09 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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2019139025A1 JPWO2019139025A1 (ja) 2020-06-11
JP6743986B2 true JP6743986B2 (ja) 2020-08-19

Family

ID=67218643

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019564711A Active JP6743986B2 (ja) 2018-01-10 2019-01-09 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

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11195992B2 (ja)
JP (1) JP6743986B2 (ja)
CN (1) CN110914974B (ja)
WO (1) WO2019139025A1 (ja)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11925123B2 (en) * 2018-01-10 2024-03-05 Tdk Corporation Spin-orbit torque type magnetization rotational element, spin-orbit torque type magnetoresistance effect element, and magnetic memory
JP6610839B1 (ja) * 2019-01-31 2019-11-27 Tdk株式会社 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
WO2020161814A1 (ja) * 2019-02-06 2020-08-13 Tdk株式会社 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
CN112397638B (zh) * 2019-08-13 2023-04-07 中电海康集团有限公司 存储单元及其制备方法、存储器
JP6777271B1 (ja) * 2019-12-23 2020-10-28 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイ
US11545618B2 (en) * 2020-01-24 2023-01-03 Tdk Corporation Spin element and reservoir element including high resistance layer
JP7384068B2 (ja) 2020-02-20 2023-11-21 Tdk株式会社 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
CN113793896A (zh) * 2020-05-26 2021-12-14 Tdk株式会社 磁畴壁移动元件及磁存储阵列
US11823723B2 (en) 2021-11-22 2023-11-21 International Business Machines Corporation Memory device with spin-harvesting structure

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8686520B2 (en) * 2009-05-29 2014-04-01 International Business Machines Corporation Spin-torque magnetoresistive structures
FR2963153B1 (fr) 2010-07-26 2013-04-26 Centre Nat Rech Scient Element magnetique inscriptible
CN103890855B (zh) 2011-08-18 2016-09-21 康奈尔大学 自旋霍尔效应磁性设备、方法及应用
US9391262B1 (en) 2013-12-23 2016-07-12 Intel Corporation Nanomagnetic devices switched with a spin hall effect
JP6168578B2 (ja) 2014-08-08 2017-07-26 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリ装置
JP6778866B2 (ja) * 2015-03-31 2020-11-04 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置、製造方法、動作方法、及び集積回路
US9830966B2 (en) * 2015-10-29 2017-11-28 Western Digital Technologies, Inc. Three terminal SOT memory cell with anomalous Hall effect
US10510948B2 (en) * 2015-11-27 2019-12-17 Tdk Corporation Magnetoresistive effect element, magnetic memory, magnetization rotation method, and spin current magnetization rotational element
WO2017212895A1 (ja) * 2016-06-08 2017-12-14 国立大学法人東北大学 磁気トンネル接合素子および磁気メモリ
JP6926666B2 (ja) * 2017-05-18 2021-08-25 Tdk株式会社 スピン流磁化反転素子
US10229723B1 (en) * 2017-09-12 2019-03-12 Sandisk Technologies Llc Spin orbit torque magnetoresistive random access memory containing composite spin hall effect layer including beta phase tungsten

Also Published As

Publication number Publication date
CN110914974B (zh) 2023-07-18
US20210151665A1 (en) 2021-05-20
JPWO2019139025A1 (ja) 2020-06-11
WO2019139025A1 (ja) 2019-07-18
US11195992B2 (en) 2021-12-07
CN110914974A (zh) 2020-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6743986B2 (ja) 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
US10762941B2 (en) Spin-orbit torque magnetization rotating element, spin-orbit torque magnetoresistance effect element, and magnetic memory
US11624790B2 (en) Spin element and magnetic memory
JP6642773B2 (ja) スピン流磁化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、及びスピン流磁化反転素子の製造方法
US11391794B2 (en) Spin-orbit-torque magnetization rotational element, spin-orbit-torque type magnetoresistance effect element, and magnetic memory
JP7211252B2 (ja) 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
JP6686990B2 (ja) スピン軌道トルク型磁化反転素子及び磁気メモリ
JP6555404B1 (ja) 磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ
JP6462960B1 (ja) データの書き込み方法及び磁気メモリ
JP2019149403A (ja) 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、磁気メモリ及びスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法
JP2019161176A (ja) 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、磁気メモリ及び発振器
JP6690805B1 (ja) スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP6696635B2 (ja) スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP7095490B2 (ja) 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
WO2020230877A1 (ja) 磁壁移動素子、磁気記録アレイ及び半導体装置
JP6485588B1 (ja) データの書き込み方法
US11925123B2 (en) Spin-orbit torque type magnetization rotational element, spin-orbit torque type magnetoresistance effect element, and magnetic memory
JP2020053509A (ja) 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
JP7346967B2 (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200228

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20200228

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20200317

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200324

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200518

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200630

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200713

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6743986

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150