JP6750769B1 - スピン素子及びリザボア素子 - Google Patents

Abstract

本実施形態にかかるスピン素子は、配線（20）と、前記配線に積層された第１強磁性層（1）を含む積層体（10）と、積層方向（z）からの平面視で、前記第１強磁性層を挟む第１導電部（30）と第２導電部（40）と、前記第１導電部と前記配線との間で、前記配線に接する中間層（50）と、を備え、前記配線を構成する第１元素に対する前記中間層を構成する第２元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第１導電部を構成する第３元素の拡散係数より小さい、又は、前記配線を構成する第２元素に対する前記第１導電部を構成する第３元素の拡散係数は、前記中間層を構成する第１元素に対する前記第３元素の拡散係数より小さい。

Description

本発明は、スピン素子及びリザボア素子に関する。

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子を用いたメモリ素子である。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、二つの磁性膜の磁化の向きの相対角の違いによって変化する。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の抵抗値をデータとして記録する。

磁気抵抗変化を利用したスピン素子の中でも、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子（例えば、特許文献１）や、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子（例えば、特許文献２）に注目が集まっている。これらのスピン素子は、トランジスタ等の半導体素子と配線で接続されて制御される。例えば、特許文献３には半導体装置における配線にバリアメタル膜を形成することで、配線のエレクトロマイグレーション耐性を高めることが記載されている。

特開２０１７−２１６２８６号公報 特許第５４４１００５号公報 特開２０１６−２１５３０号公報

スピン素子に用いられる配線は、材料が制限される場合がある。例えば、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の場合は、強磁性層に多くのスピンを注入するために、配線に重金属を用いる場合が多い。また例えば、磁壁移動型磁気記録素子の場合は、配線が磁性膜である必要がある。そのため、スピン素子を構成する配線の材料と素子間を繋ぐ配線の材料とが異なり、これらの接続部分に電位が集中する。電位の局所的な集中は、配線の劣化の原因となる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、異種材料間の元素拡散を抑制し、配線の劣化が抑制されたスピン素子及びリザボア素子を提供することを目的とする。

(１)第１の態様にかかるスピン素子は、配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体と、積層方向からの平面視で、前記第１強磁性層を挟む第１導電部と第２導電部と、前記第１導電部と前記配線との間で、前記配線に接する第１中間層と、を備え、前記配線を構成する第１元素に対する前記第１中間層を構成する第２元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第１導電部を構成する第３元素の拡散係数より小さい、又は、前記第１元素に対する前記第２元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第３元素の拡散係数より小さい。

(２)上記態様にかかるスピン素子において、前記第１元素、前記第２元素及び前記第３元素はそれぞれ異なる元素であり、前記第１元素は、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つであり、前記第２元素は、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つであり、前記第３元素は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｕからなる群から選択されるいずれか一つであってもよい。

(３)第２の態様にかかるスピン素子は、配線と、前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体と、積層方向からの平面視で、前記第１強磁性層を挟む第１導電部と第２導電部と、前記第１導電部と前記配線との間で、前記配線に接する第１中間層と、を備え、前記配線は、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つを第１元素として含み、前記第１中間層は第２元素を含み、前記第１導電部は第３元素を含み、前記第１元素、前記第２元素、前記第３元素が所定の元素である。

(４)上記態様にかかるスピン素子において、前記第１中間層の周囲長は、前記第１導電部の周囲長より小さく、前記積層方向からの平面視で、前記第１中間層は、前記第１導電部に内包されてもよい。

(５)上記態様にかかるスピン素子において、前記第１中間層の周囲長は、前記第１導電部の周囲長より小さく、前記積層方向からの平面視で、前記第１中間層の幾何中心は、前記第１導電部の幾何中心より前記第１強磁性層の近くにあってもよい。

(６)上記態様にかかるスピン素子において、前記第１中間層の側面と前記第１導電部の側面とが連続してもよい。

(７)上記態様にかかるスピン素子において、前記配線は、前記第１強磁性層側の第１面から前記第１面と反対の第２面に向うに従い、周囲長が長くなってもよい。

(８)上記態様にかかるスピン素子の前記配線が延びる第１方向及び前記積層方向と直交する第２方向において、前記配線の幅は、前記第１中間層の前記第２方向における幅より狭くてもよい。

(９)上記態様にかかるスピン素子において、前記第２導電部と前記配線との間で、前記配線に接する第２中間層と、を備え、前記第１元素に対する前記第２中間層を構成する第５元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第２導電部を構成する第４元素の拡散係数より小さい、又は、前記第５元素に対する前記第４元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第４元素の拡散係数より小さくてもよい。

(１０)上記態様にかかるスピン素子において、前記積層体は、前記第１強磁性層からなり、前記配線は、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であってもよい。

(１１)上気態様にかかるスピン素子において、前記積層体は、前記配線に近い側から前記第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを含み、前記配線は、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であってもよい。

(１２)上記態様にかかるスピン素子において、前記第１中間層と前記第１強磁性層との最短距離が、前記第１元素のスピン拡散長の５倍以下であってもよい。

(１３)上記態様にかかるスピン素子において、前記第１元素と前記第２元素のスピンホール角の符号が同一であってもよい。

(１４)上記態様にかかるスピン素子において、前記積層体は、前記配線に近い側から非磁性層と前記第１強磁性層とを含み、前記配線は、内部に磁壁を有することができる強磁性層であってもよい。

(１５)第３の態様に係るリザボア素子は、複数の上記態様に係るスピン素子と、複数の前記スピン素子の前記第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素子及びリザボア素子は、配線が劣化しにくい。

第１実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部の断面図である。 第１実施形態にかかるスピン素子の断面図である。 第１実施形態にかかるスピン素子の平面図である。 第１変形例にかかるスピン素子の断面図である。 第１変形例にかかるスピン素子の平面図である。 第２変形例にかかるスピン素子の断面図である。 第２変形例にかかるスピン素子の平面図である。 第３変形例にかかるスピン素子の断面図である。 第２実施形態にかかるスピン素子の断面図である。 第３実施形態にかかるスピン素子の断面図である。 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。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、後述する配線２０が延びる方向であり、配線２０の長さ方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は、第２方向の一例である。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、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、−ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。

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」
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０と、を備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。磁気抵抗効果素子１００は、スピン素子の一例である。

書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の磁気抵抗効果素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘って設けられてもよい。読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００に接続される。

図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に接続されている。第１スイッチング素子１１０は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁気抵抗効果素子１００のと共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁気抵抗効果素子１００と読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に接続されている。

第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。

図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の要部の断面図である。図２は、磁気抵抗効果素子１００を後述する配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。

図２に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子１３０は、導電層Ｅと電気的に接続され、例えば、図２のｙ方向に位置する。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩと基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤとを有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、第１導電部３０及び第１中間層５０又は第２導電部４０及び第２中間層６０を介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐ又は共通配線Ｃｍとは、導電部Ｃｗで接続されている。第１導電部３０、第２導電部４０及び導電部Ｃｗは、例えば、接続配線、ビア配線と言われることがある。第１導電部３０、第２導電部４０及び導電部Ｃｗは、例えば、ｚ方向に延びる。

磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層９０で覆われている。絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

図３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の平面図である。図３は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。

磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０と配線２０と第１導電部３０と第２導電部４０と第１中間層５０と第２中間層６０とを備える。絶縁層９１と絶縁層９２は、絶縁層９０の一部である。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、配線２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。また配線２０は、スピン軌道トルク配線と言われる場合がある。

積層体１０は、配線２０上に積層されている。積層体１０と配線２０との間には、他の層を有してもよい。積層体１０は、ｚ方向に、配線２０と導電層Ｅとに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。

積層体１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、例えば、配線２０と接し、配線２０上に積層されている。第１強磁性層１には配線２０からスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受け、配向方向が変化する。第２強磁性層２は、第１強磁性層１のｚ方向にある。第１強磁性層１と第２強磁性層２は、ｚ方向に非磁性層３を挟む。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。第２強磁性層２の磁化は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。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１及び第２強磁性層２は、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Ｘ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。

積層体１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。

積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、配線２０と積層体１０との間に下地層を有してもよい。下地層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。

配線２０は、例えば、積層体１０の一面に接する。配線２０は、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。配線２０は、ｘ方向に延びる。配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。配線２０の基板Ｓｕｂから遠い第１面２０ａの面積は、例えば、第１面２０ａと反対の第２面２０ｂの面積より小さい。配線２０は、例えば、第１面２０ａから第２面２０ｂに向かうに従い、周囲長が長くなる。

配線２０は、電流Ｉ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、第１強磁性層１にスピンを注入する。配線２０は、例えば、第１強磁性層１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１の磁化に与える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向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、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、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。

例えば、配線２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、−ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが−ｚ方向に曲げられる。

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スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。すなわち、＋ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と−ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。第１スピンと第２スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピン及び第２スピンのｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、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スピンの電子の流れをＪ_↑、第２スピンの電子の流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、ｚ方向に生じる。第１スピンは、配線２０から第１強磁性層１に注入される。

配線２０は、電流Ｉ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を含む。

配線２０は、例えば、主元素として非磁性の重金属を含む。主元素とは、配線２０を構成する元素のうち最も割合の高い元素である。配線２０を構成する主元素は、第１元素である。

第１元素は、例えば、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する重金属である。非磁性の重金属は、例えば、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く、スピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、配線２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすくなる。第１元素は、例えば、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つである。

配線２０は、第１元素の他に、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。微量とは、例えば、配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により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。

配線２０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、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_{１． ３}、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ、（Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３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。

第１導電部３０及び第２導電部４０は、ｚ方向からの平面視で、積層体１０をｘ方向に挟む。第１導電部３０及び第２導電部４０は、磁気抵抗効果素子１００とトランジスタＴｒとを繋ぐ配線である。

第１導電部３０及び第２導電部４０は、導電性の優れる材料からなる。第１導電部３０を構成する主元素は、第３元素である。第２導電部４０を構成する主元素は、第４元素である。第３元素及び第４元素は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｕからなる群から選択されるいずれか一つである。第３元素と第４元素とは同じでも異なってもよい。

第１中間層５０は、配線２０と第１導電部３０との間にある。第２中間層６０は、配線２０と第２導電部４０との間にある。図３に示す第１中間層５０の側面は第１導電部３０の側面と連続し、第２中間層６０の側面は第２導電部４０の側面と連続する。例えば、絶縁層９１に開けた一つの開口内に、第１導電部３０及び第１中間層５０が形成される場合は、これらの側面は連続する。

第１中間層５０は、第１導電部３０から配線２０への第３元素の拡散を防ぎ、第２中間層６０は、第２導電部４０から配線２０への第４元素の拡散を防ぐ。第１中間層５０及び第２中間層６０は、それぞれ元素の拡散を防ぐ拡散防止層である。第１中間層５０を構成する主元素は、第２元素である。第２中間層６０を構成する主元素は、第５元素である。第２元素及び第５元素は、例えば、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つである。第２元素と第５元素とは同じでも異なってもよい。

第２元素は、第３元素の配線２０への拡散を防ぐために、第１元素及び第３元素に対して第１の関係又は第２の関係を満たす。第２元素は、第１の関係と第２の関係を両方満たしてもよい。

第１の関係は、第１元素に対する第２元素の拡散係数を、第１元素に対する第３元素の拡散係数より小さくする。ここで「第１元素に対する第２元素の拡散係数」とは、第１元素からなる材料中における第２元素の拡散係数を意味する。他の元素に関しても同様とする。磁気抵抗効果素子が第１中間層５０を有さない場合、第１導電部３０と配線２０とが接する。この場合、第３元素が配線２０に拡散する。これに対し、第１中間層５０を有する磁気抵抗効果素子１００は、第１中間層５０と配線２０とが接する。第２元素は第３元素より配線２０へ拡散しにくい。したがって、第１中間層５０を第１導電部３０と配線２０との間に設けることで、配線２０への元素拡散を低減できる。また第１中間層５０と配線２０との接続部は角Ｅｄを有し、角Ｅｄに電流が集中しやすい。拡散しにくい第２元素を含む第１中間層５０に角Ｅｄが形成されることで、配線２０への元素拡散がより低減される。

第１の関係を満たす第１元素と第２元素と第３元素の組み合わせは、例えば、以下の組み合わせがある。第１元素がＡｕかつ第３元素がＣｕの場合、第２元素をＡｇ、Ｃｏ、Ｈｆからなる群から選択されるいずれか一つとする。第１元素がＡｕかつ第３元素がＡｇの場合、第２元素をＣｏ又はＨｆとする。第１元素がＡｕかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＨｆとする。第１元素がＨｆかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＡｌとする。第１元素がＭｏかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＷとする。第１元素がＰｔかつ第３元素がＡｌの場合、第２元素をＡｕ、Ａｇ、Ｃｏからなる群から選択されるいずれか一つとする。第１元素がＰｔかつ第３元素がＡｕの場合、第２元素をＡｇ又はＣｏとする。第１元素がＰｔかつ第３元素がＡｇの場合、第２元素をＣｏとする。第１元素がＴａかつ第３元素がＡｌの場合、第２元素をＨｆとする。第１元素がＷかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＨｆ、Ｍｏからなる群から選択されるいずれか一つとする。

第１元素と第２元素と第３元素の組み合わせは、上記の中でも特に以下の組み合わせでもよい。
第１元素がＰｔ、第２元素がＡｕ、第３元素がＡｌである。
第１元素がＰｔ、第２元素がＡｇ、第３元素がＡｌである。
第１元素がＰｔ、第２元素がＣｏ、第３元素がＡｌである。
第１元素がＷ、第２元素がＭｏ、第３元素がＣｏである。

第２の関係は、第２元素に対する第３元素の拡散係数を、第１元素に対する第３元素の拡散係数より小さくする。すなわち、第１導電部３０と第１中間層５０とが接する場合に第３元素が第１中間層５０に拡散する量は、第１導電部３０と配線２０とが接する場合に第３元素が配線２０に拡散する量より少ない。したがって、第１中間層５０を第１導電部３０と配線２０との間に設けることで、第３元素の拡散量を少なくできる。

第２の関係を満たす第１元素と第２元素と第３元素の組み合わせは、例えば、以下の組み合わせがある。第１元素がＡｕかつ第３元素がＡｇの場合、第２元素をＰｔとする。第１元素がＡｕかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＰｔ、Ｍｏ、Ｗからなる群から選択されるいずれか一つとする。第１元素がＨｆかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＡｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗからなる群から選択されるいずれか一つとする。第１元素がＭｏかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＷとする。第１元素がＰｔかつ第３元素がＡｌの場合、第２元素をＴａ又はＨｆとする。第１元素がＰｔかつ第３元素がＣｏの場合、第２元素をＭｏ又はＷとする。第１元素がＴａかつ第３元素がＡｌの場合、第２元素をＨｆとする。

第１元素と第２元素と第３元素の組み合わせは、上記の中でも特に以下の組み合わせでもよい。
第１元素がＰｔ、第２元素がＴａ、第３元素がＡｌである。
第１元素がＰｔ、第２元素がＨｆ、第３元素がＡｌである。
第１元素がＰｔ、第２元素がＭｏ、第３元素がＣｏである。
第１元素がＰｔ、第２元素がＷ、第３元素がＣｏである。

同様に、第５元素は、第４元素の配線２０への拡散を防ぐために、第１元素及び第４元素に対して第３の関係又は第４の関係を満たす。第５元素は、第３の関係と第４の関係を両方満たしてもよい。

第３の関係は、第１元素に対する第５元素の拡散係数を、第１元素に対する第４元素の拡散係数より小さくする。第４の関係は、第５元素に対する第４元素の拡散係数を、第１元素に対する第４元素の拡散係数より小さくする。

第１中間層５０のｙ方向の幅ｗ５０及び第２中間層６０のｙ方向の幅ｗ６０は、例えば、配線２０のｙ方向の幅より広い。配線２０と第１中間層５０又は第２中間層６０との接触面積が増えると、第１導電部３０と第１中間層５０との界面及び第２導電部４０と第２中間層６０との界面に、熱が溜まることを抑制できる。熱は元素拡散を促進する。界面の熱を効率的に排熱することで、第１導電部３０及び第２導電部４０のエレクトロマイグレーションを抑制できる。

第１中間層５０と第１強磁性層１との最短距離Ｌ１は、例えば、配線２０を構成する第１元素のスピン拡散長の５倍以下とする。第２中間層６０と第１強磁性層１との最短距離Ｌ２も、例えば、同様の関係を満たす。最短距離Ｌ１，Ｌ２が上記の関係を満たすと、第１中間層５０又は第２中間層６０で生じたスピンの一部が第１強磁性層１に至り、第１強磁性層１の磁化反転をアシストする。第１強磁性層１に同一方向のスピンを注入するために、例えば、配線２０を構成する第１元素と第１中間層５０を構成する第２元素のスピンホール角の符号を同一とする。配線２０を構成する第１元素と第２中間層６０を構成する第５元素のスピンホール角の符号も、同様の理由で同一としてもよい。

次いで、磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。

まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。

次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層９１を形成する。また絶縁層９１に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで第１導電部３０、第２導電部４０、第１中間層５０、第２中間層６０及び導電部Ｃｗが形成される。書き込み配線Ｗｐ、共通配線Ｃｍは、絶縁層９１を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９１に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。

次いで、絶縁層９１、第１中間層５０及び第２中間層６０の表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）で平坦化し、配線層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層する。次いで、配線層を所定の形状に加工する。配線層は所定の形状に加工されることで、配線２０となる。次いで、配線層上に形成された積層体を所定の形状に加工し、積層体１０を形成することで、磁気抵抗効果素子１００を作製できる。

次いで、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の動作について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、データの書き込み動作とデータの読み出し動作がある。

まずデータを磁気抵抗効果素子１００に記録する動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにする。第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、配線２０に書き込み電流が流れる。配線２０に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第１強磁性層１に注入される。第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を加え、第１強磁性層１の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。

積層体１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが平行の場合に小さく、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体１０の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子１００にデータが記録される。

次いで、データを磁気抵抗効果素子１００から読み出す動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０又は第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０をＯＮにする。各スイッチング素子をこのように設定すると、積層体１０の積層方向に読み出し電流が流れる。オームの法則により積層体１０の積層方向の抵抗値が異なると、出力される電圧が異なる。そのため、例えば積層体１０の積層方向の電圧を読み出すことで、磁気抵抗効果素子１００に記録されたデータを読み出すことができる。

上述のように、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００は、各部分を構成する第１元素、第２元素及び第３元素が所定の関係（第１の関係又は第２の関係）を満たすことで、異なる層への元素拡散を低減できる。他の層に拡散した元素は、電流を印加時に電子と衝突し、エレクトロマイグレーションの原因となる。元素拡散を低減することで、第１導電部３０及び第２導電部４０の劣化が抑制される。

ここまで第１実施形態の一例を例示したが、本発明はこの例に限定されるものではない。

図５は、第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。図６は、第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０１の平面図である。図５は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面である。

第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、第１中間層５１の側面と第１導電部３０の側面とが不連続であり、第２中間層６１の側面と第２導電部４０の側面とが不連続である点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。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。

第１中間層５１の周囲長は、第１導電部３０より小さく、第２中間層６１の周囲長は、第２導電部４０より小さい。ｚ方向からの平面視で、第１中間層５１は第１導電部３０に内包され、第２中間層６１は第２導電部４０に内包される。第１導電部３０及び第２導電部４０は、トランジスタＴｒに接続されるため、サイズがミクロンからミリオーダーである。これに対し、積層体１０はサイズがナノからミクロンサイズである。第１中間層５１及び第２中間層６１が第１導電部３０及び第２導電部４０に対して小さいことで、これらのサイズの違いを調整しやすくなる。また電流が集中しやすい角Ｅｄが複数あることで、１か所に電流が局所的に集中することを抑制できる。

図７は、第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図８は、第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０２の平面図である。図７は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０２を切断した断面である。

第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０２は、第１導電部３０の中心Ｃ１と第１中間層５２の中心Ｃ２とがずれ、第２導電部４０の中心Ｃ３と第２中間層６２の中心Ｃ４とがずれている点が、第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０１と異なる。磁気抵抗効果素子１０１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。なお、ここでは積層体１０、第１導電部３０、第１中間層５２、第２導電部４０、第２中間層６２の平面視形状が円形の例を示しているが、円形でない場合は「中心」を「幾何中心」と読み替える。

第１中間層５２の周囲長は、第１導電部３０より小さく、第２中間層６２の周囲長は、第２導電部４０より小さい。ｚ方向から見て、第１中間層５２の中心Ｃ２は、第１導電部３０の中心Ｃ１より積層体１０の近くにあり、第２中間層６２の中心Ｃ４は、第２導電部４０の中心Ｃ３より積層体１０の近くにある。第１中間層５２の中心Ｃ２と積層体の中心との距離は、第１導電部３０の中心Ｃ１と積層体１０の中心との距離より短く、第２中間層６２の中心Ｃ４と積層体の中心との距離は、第２導電部４０の中心Ｃ３と積層体１０の中心との距離より短い。

第１導電部３０及び第２導電部４０はトランジスタＴｒに接続されるため、第１導電部３０と第２導電部４０との距離は自由に変更できない。例えば、トランジスタＴｒは最小加工寸法（feature size）が規定されており、第１導電部３０と第２導電部４０との距離を最小加工寸法以下に近づけることは難しい。第１中間層５２及び第２中間層６２は、トランジスタＴｒと異なるレイヤにあり、位置関係を自由に変更できる。第１中間層５１及び第２中間層６２を積層体１０に近づけると、配線２０の長さが短くなる。配線２０は、重金属を含み、発熱しやすい。発熱源を小さくすることで、他の層への元素拡散をより抑制できる。

図９は、第３変形例に係る磁気抵抗効果素子１０３の断面図である。図９は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０３を切断した断面である。

第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０３は、第２導電部４０と配線２０との間に第２中間層６０がないことが、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。第１中間層５０は、配線２０と第１導電部３０の間の元素拡散を防ぐ。

「第２実施形態」
図１０は、第２実施形態に係る磁化回転素子１０４の断面図である。図１０は、配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。第２実施形態に係る磁化回転素子１０４は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様であり、説明を省く。

磁化回転素子１０４は、スピン素子の一例である。磁化回転素子１０４は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１０４は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。

この他、磁化回転素子１０４は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。

第２実施形態にかかる磁化回転素子１０４は、非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。また第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の変形例を選択しうる。

「第３実施形態」
図１１は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５の断面図である。図１１は、配線２１のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０５を切断した断面である。磁気抵抗効果素子１０５は、積層体１１が配線２１に近い側から非磁性層５及び第１強磁性層４からなる点が、磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１００と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省く。

磁気抵抗効果素子１０５は、積層体１１と配線２１と第１導電部３０と第２導電部４０と第１中間層５０と第２中間層６０とを備える。積層体１１は、配線２１に近い側から非磁性層５及び第１強磁性層４からなる。磁気抵抗効果素子１０５は、磁壁ＤＷの移動により抵抗値が変化する素子であり、磁壁移動素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。

配線２１は、磁性層である。配線２１は、強磁性体を含む。配線２１を構成する主元素は第１元素である。配線２１を構成する磁性体は、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。例えば配線２１がＣｏ_{０． ５}Ｆｅ_０．５と表記され、ＣｏとＦｅの比率が等量の場合は、いずれかの元素を第１元素とする。

配線２１は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。配線２１は、内部に第１磁区２１Ａと第２磁区２１Ｂとを有する。第１磁区２１Ａの磁化と第２磁区２１Ｂの磁化とは、例えば、反対方向に配向する。第１磁区２１Ａと第２磁区２１Ｂとの境界が磁壁ＤＷである。配線２１は、磁壁ＤＷを内部に有することができる。

磁気抵抗効果素子１０５は、配線２１の磁壁ＤＷの位置によって、データを多値又は連続的に記録できる。配線２１に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁気抵抗効果素子１０５の抵抗値変化として読み出される。

磁壁ＤＷは、配線２１のｘ方向に書き込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、配線２１の＋ｘ方向に書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の−ｘ方向に流れるため、磁壁ＤＷは−ｘ方向に移動する。第１磁区２１Ａから第２磁区２１Ｂに向って電流が流れる場合、第２磁区２１Ｂでスピン偏極した電子は、第１磁区２１Ａの磁化を磁化反転させる。第１磁区２１Ａの磁化が磁化反転することで、磁壁ＤＷが−ｘ方向に移動する。

第１強磁性層４と非磁性層５のそれぞれは、第１実施形態にかかる第１強磁性層１と非磁性層３と同様である。

第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０５も、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。また第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の変形例を選択しうる。

「第４実施形態」
図１２は、第４実施形態にかかるリザボア素子１０６の斜視図である。リザボア素子１０６は、複数の磁化回転素子１０４と、複数の磁化回転素子１０４の第１強磁性層１の間を繋ぐスピン伝導層７０と、を備える。スピン伝導層７０は、例えば、非磁性の導電体からなる。スピン伝導層７０は、第１強磁性層１から染みだしたスピン流を伝播する。

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。ニューロモルフィック素子は、例えば、認識機として用いられる。認識機は、例えば、入力された画像を認識（画像認識）して分類する。

リザボア素子１０６は、入力された入力信号を別の信号に変換する。リザボア素子１０６内では、信号は相互作用するだけであり、学習しない。入力信号が互いに相互作用すると、入力信号が非線形に変化する。すなわち、入力信号は、元の情報を保有しつつ別の信号に置き換わる。入力信号は、リザボア素子１０６内で互いに相互作用することで、時間の経過とともに変化する。リザボア素子１０６は、複数のニューロンに対応する第１強磁性層１が互いに相互に接続されている。そのため例えば、ある時刻ｔにあるニューロンから出力された信号は、ある時刻ｔ＋１において元のニューロンに戻る場合がある。ニューロンでは、時刻ｔ及び時刻ｔ＋１の信号を踏まえた処理ができ、情報を再帰的に処理できる。

スピン伝導層７０は、例えば、金属又は半導体である。スピン伝導層７０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７０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。

配線２０に電流Ｉが流れると、第１強磁性層１にスピンが注入され、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルクが加わる。配線２０に高周波電流を印加すると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが変化し、第１強磁性層１の磁化は振動する。

スピン流は、第１強磁性層１からスピン伝導層７０に至る。第１強磁性層１の磁化は振動しているため、スピン伝導層７０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１とスピン伝導層７０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７０内を伝播する。

二つの第１強磁性層１の磁化がそれぞれ生み出すスピン流は、スピン伝導層７０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１の磁化の振動に影響を及ぼし、二つの第１強磁性層１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。

配線２０への電流Ｉの印加が止まると、第１強磁性層１の磁化の振動は止まる。共振後の第１強磁性層１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１の磁化が平行な場合は、リザボア素子１０６の抵抗値は反平行な場合より小さくなる。リザボア素子１０６は、例えば、リザボア素子１０６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。

配線２０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１０６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１０６は、複数の第１強磁性層１の磁化の振動をスピン流に変換して、スピン伝導層７０内で干渉することで、情報を変換する。

第４実施形態にかかるリザボア素子１０６も、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。また第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の変形例を選択しうる。

ここまで、第１実施形態から第４実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。

１，４ 第１強磁性層
２ 第２強磁性層
３，５ 非磁性層
１０，１１ 積層体
２０，２１ 配線
２０ａ 第１面
２０ｂ 第２面
２１Ａ 第１磁区
２１Ｂ 第２磁区
３０ 第１導電部
４０ 第２導電部
５０，５１，５２ 第１中間層
６０，６１，６２ 第２中間層
７０ スピン伝導層
９０，９１，９２ 絶縁層
１００，１０１，１０２，１０３，１０５ 磁気抵抗効果素子
１０４ 磁化回転素子
１０６ リザボア素子
１１０ 第１スイッチング素子
１２０ 第２スイッチング素子
１３０ 第３スイッチング素子
２００ 磁気記録アレイ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 中心
Ｃｍ１〜Ｃｍｎ 共通配線
Ｃｗ 導電部
Ｄ ドレイン
Ｅ 導電層
Ｇ ゲート電極
ＧＩ ゲート絶縁膜
Ｒｐ１〜Ｒｐｎ 読み出し配線
Ｓ ソース
Ｓｕｂ 基板
Ｔｒ トランジスタ
Ｗｐ１〜Ｗｐｎ 書き込み配線

Claims (15)

1. 配線と、
   前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体と、
   積層方向からの平面視で、前記第１強磁性層を挟む第１導電部と第２導電部と、
   前記第１導電部と前記配線との間で、前記配線に接する第１中間層と、を備え、
   前記配線を構成する第１元素に対する前記第１中間層を構成する第２元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第１導電部を構成する第３元素の拡散係数より小さい、
   又は、
   前記第２元素に対する前記第３元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第３元素の拡散係数より小さい、
   スピン素子。
2. 前記第１元素、前記第２元素及び前記第３元素はそれぞれ異なる元素であり、
   前記第１元素は、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つであり、
   前記第２元素は、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つであり、
   前記第３元素は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｕからなる群から選択されるいずれか一つである、請求項１に記載のスピン素子。
3. 配線と、
   前記配線に積層された第１強磁性層を含む積層体と、
   積層方向からの平面視で、前記第１強磁性層を挟む第１導電部と第２導電部と、
   前記第１導電部と前記配線との間で、前記配線に接する第１中間層と、を備え、
   前記配線は、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれか一つを第１元素として含み、
   前記第１中間層は第２元素を含み、
   前記第１導電部は第３元素を含み、
   前記第１元素がＡｕかつ前記第３元素がＣｕの場合、前記第２元素はＡｇ、Ｃｏ、Ｈｆからなる群から選択されるいずれか一つであり、
   前記第１元素がＡｕかつ前記第３元素がＡｇの場合、前記第２元素はＣｏ又はＨｆであり、
   前記第１元素がＡｕかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＨｆであり、
   前記第１元素がＨｆかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＡｌであり、
   前記第１元素がＭｏかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＷであり、
   前記第１元素がＰｔかつ前記第３元素がＡｌの場合、前記第２元素はＡｕ、Ａｇ、Ｃｏからなる群から選択されるいずれか一つであり、
   前記第１元素がＰｔかつ前記第３元素がＡｕの場合、前記第２元素はＡｇ又はＣｏであり、
   前記第１元素がＰｔかつ前記第３元素がＡｇの場合、前記第２元素はＣｏであり、
   前記第１元素がＴａかつ前記第３元素がＡｌの場合、前記第２元素はＨｆであり、
   前記第１元素がＷかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＨｆ、Ｍｏからなる群から選択されるいずれか一つであり、
   前記第１元素がＡｕかつ前記第３元素がＡｇの場合、前記第２元素はＰｔであり、
   前記第１元素がＡｕかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＰｔ、Ｍｏ、Ｗからなる群から選択されるいずれか一つであり、
   前記第１元素がＨｆかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＡｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗからなる群から選択されるいずれか一つであり、
   前記第１元素がＭｏかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＷであり、
   前記第１元素がＰｔかつ前記第３元素がＡｌの場合、前記第２元素はＴａ又はＨｆであり、
   前記第１元素がＰｔかつ前記第３元素がＣｏの場合、前記第２元素はＭｏ又はＷであり、
   前記第１元素がＴａかつ前記第３元素がＡｌの場合、前記第２元素はＨｆである、スピン素子。
4. 前記第１中間層の周囲長は、前記第１導電部の周囲長より小さく、
   前記積層方向からの平面視で、前記第１中間層は、前記第１導電部に内包される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン素子。
5. 前記第１中間層の周囲長は、前記第１導電部の周囲長より小さく、
   前記積層方向からの平面視で、前記第１中間層の幾何中心と前記第１強磁性層の幾何中心との距離は、前記第１導電部の幾何中心と前記第１強磁性層の幾何中心との距離よりも短い、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン素子。
6. 前記第１中間層の側面と前記第１導電部の側面とが連続する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン素子。
7. 前記配線は、前記第１強磁性層側の第１面から前記第１面と反対の第２面に向うに従い、周囲長が長くなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン素子。
8. 前記配線が延びる第１方向及び前記積層方向と直交する第２方向において、前記配線の幅は、前記第１中間層の前記第２方向における幅より狭い、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン素子。
9. 前記第２導電部と前記配線との間で、前記配線に接する第２中間層と、を備え、
   前記第１元素に対する前記第２中間層を構成する第５元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第２導電部を構成する第４元素の拡散係数より小さい、
   又は、
   前記第５元素に対する前記第４元素の拡散係数は、前記第１元素に対する前記第４元素の拡散係数より小さい、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン素子。
10. 前記積層体は、前記第１強磁性層からなり、
    前記配線は、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である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン素子。
11. 前記積層体は、前記配線に近い側から前記第１強磁性層と非磁性層と第２強磁性層とを含み、
    前記配線は、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である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン素子。
12. 前記第１中間層と前記第１強磁性層との最短距離が、前記第１元素のスピン拡散長の５倍以下である、請求項１０又は１１に記載のスピン素子。
13. 前記第１元素と前記第２元素のスピンホール角の符号が同一である、請求項１０又は１１に記載のスピン素子。
14. 前記積層体は、前記配線に近い側から非磁性層と前記第１強磁性層とを含み、
    前記配線は、内部に磁壁を有することができる強磁性層である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン素子。
15. 複数の請求項１０に記載のスピン素子と、
    複数の前記スピン素子の前記第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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