JP6777094B2 - スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子および磁気メモリ Download PDF

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Description

本発明は、スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。
本願は、２０１５年１１月２７日に、日本に出願された特願２０１５−２３２３３４号、２０１６年３月１６日に、日本に出願された特願２０１６−５３０７２号、２０１６年３月１８日に、日本に出願された特願２０１６−５６０５８号、２０１６年１０月２７日に、日本に出願された特願２０１６−２１０５３１号、２０１６年１０月２７日に、日本に出願された特願２０１６−２１０５３３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）素子及び非磁性層として絶縁層（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。
磁場を利用する方式では、素子サイズが小さくなると、細い配線に流すことができる電流では書き込みができなくなるという問題がある。
これに対して、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式では、一方の強磁性層（固定層、参照層）が電流をスピン分極させ、その電流のスピンがもう一方の強磁性層（自由層、記録層）の磁化に移行され、その際に生じるトルク（ＳＴＴ）によって書き込み（磁化反転）が行われるが、素子サイズが小さくなるほど書き込みに必要な電流が小さくて済むという利点がある。
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）．
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（耐久性の向上）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。
また、ＴＭＲ素子への情報の書き込み時に磁化反転を起こすためには読み込み時よりも十分大きな電流を通電する必要がある。ＴＭＲ素子の耐久性という観点からはＴＭＲ素子への情報の書き込み時にＴＭＲ素子へ印加する電流は小さい方が望ましい。
従って、ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子のいずれの磁気抵抗効果素子においても、この磁気抵抗効果素子に流れる電流密度を低減することが望まれる。
近年、スピン軌道相互作用して生成された純スピン流を利用した磁化反転も応用上可能であると提唱されている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴの大きさにより磁化反転を起こすことができる。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ため純スピン流が流れる方向の電流としてはゼロである。この純スピン流だけで磁化反転させることができれば、磁気抵抗効果素子を流れる電流はゼロなので磁気抵抗効果素子の長寿命化を図ることができる。あるいは、磁化反転にＳＴＴも利用し、かつ、純スピン流によるＳＯＴを利用することができれば、純スピン流によるＳＯＴを利用する分、ＳＴＴに使う電流を低減することができ、磁気抵抗効果素子の長寿命化を図ることができると考えられる。ＳＴＴ及びＳＯＴを両方利用する場合も、ＳＯＴを利用する割合が高いほど、磁気抵抗効果素子の長寿命化を図ることができると考えられる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、純スピン流による磁化反転を利用するスピン流磁化反転素子、スピン流磁化反転素子を用いた磁気抵抗効果素子およ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）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、磁化方向が可変な第１強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２方向に延在し、前記第１強磁性金属層の第１面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性金属層の第１面に接合する純スピン流発生部と、前記第２方向における該純スピン流発生部の両端に接続され、該純スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなる低抵抗部とからなり、前記純スピン流発生部は、前記第１方向に直交する断面の面積が前記第１方向において前記第１強磁性金属層に接合する接合面から遠ざかるにつれて、連続的に及び／又は段階的に大きくなるように形成されてなる。

（２）上記（１）に記載のスピン流磁化反転素子において、前記純スピン流発生部の一端に接続された前記低抵抗部と、前記純スピン流発生部の他端に接続された前記低抵抗部とが、分離されていてもよい。

（３）上記（１）又は（２）のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子において、前記純スピン流発生部の前記接合面が、前記第１強磁性金属層の第１面と重なる領域に含まれていてもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記純スピン流発生部と前記低抵抗部との境界の少なくとも一部は、前記第１強磁性金属層の前記第１面に接していてもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記低抵抗部は、前記純スピン流発生部を挟んで離間する第１低抵抗部と第２低抵抗部からなってもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性金属層に接合する面の反対側の面に接合する絶縁層をさらに備えてもよい。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線の幅と前記第１強磁性金属層の幅とが同じであってもよい。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記純スピン流発生部は、ｄ電子またはｆ電子を有する原子番号３９番以上の非磁性金属を含み、前記純スピン流発生部の電気抵抗率が前記低抵抗部の電気抵抗率の２倍以上大きくてもよい。
（９）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える。
（１０）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（９）に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える。
本発明のスピン流磁化反転素子によれば、純スピン流による磁化反転を利用するスピン流磁化反転素子を提供することができる。
本発明のスピン流磁化反転素子の一実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 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。 本発明の原理を説明するための概念図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図であり、（ｃ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明のスピン流磁化反転素子の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
以下、本発明について、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、本発明の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。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。
（スピン流磁化反転素子）
本発明のスピン流磁化反転素子は、磁化方向が変化する（可変な）第１強磁性金属層と、第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２方向に延在し、第１強磁性金属層の第１面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、スピン軌道トルク配線は、第１強磁性金属層に接合する純スピン流発生部と、純スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなる低抵抗部とからなり、純スピン流発生部は、第１方向に直交する断面の面積が第１方向において第１強磁性金属層に接合する接合面から遠ざかるにつれて、連続的に及び／又は段階的に大きくなるように形成されてなる。
ここで、「連続的に及び／又は段階的に大きくなる」とは、「連続的に大きくなる」場合と、「段階的に大きくなる」場合と、「連続的に大きくなる部分と段階的に大きくなる部分とを有する」場合とを含む。「連続的に大きくなる」場合とは、徐々に大きくなる場合であり、大きくなる程度は特に限定はない（図１、図４〜図８、図１２、図１３参照）。「段階的に大きくなる」場合とは、所定の大きさが複数段階で大きくなる場合である（図１０参照）。「連続的に大きくなる部分と段階的に大きくなる部分とを有する」場合とは、連続的に大きくなる部分と段階的に大きくなる部分の配置順は特に限定はなく、また各部分の数にも限定はないが、第１強磁性金属層に接合する接合面から遠く離れる方向では、遠い側の当該断面積は近い側の当該断面積と同じか、あるいは、大きいかのいずれかである場合である（図９、図１１参照）。「連続的に大きくなる部分と段階的に大きくなる部分とを有する」場合の例としては、接合面から遠ざかるについてまず断面積が一定の大きさの部分があり、その後に連続的に大きくなる部分が続く構成である（図９参照）。
スピン軌道トルク配線層と第１強磁性金属層との接合は、「直接」接合してもよいし、後述するようにキャップ層のような「他の層を介して」接合してもよく、スピン軌道トルク配線で発生した純スピン流が第１強磁性金属層に流れ込む構成であれば、スピン軌道トルク配線と第１強磁性金属層との接合（接続あるいは結合）の仕方は限定されない。
図１に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。
図１に示すスピン流磁化反転素子１０は、第１面１ａと該第１面１ａの反対側の第２面１ｂとを有し、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１と、第１強磁性金属層１の面直方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、第１強磁性金属層１の第１面１ａに接合するスピン軌道トルク配線２と、を備え、スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１に接合する純スピン流発生部２Ａと、純スピン流発生部２Ａよりも電気抵抗率が小さい材料からなる低抵抗部２Ｂとからなり、純スピン流発生部２Ａは、第１方向に直交する断面の面積が第１方向において第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａから遠ざかるにつれて、連続的に大きくなるように形成されてなる。すなわち、純スピン流発生部２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交するいずれの断面の面積（例えば、ＣＳ１、ＣＳ２）も第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０より小さくなるように形成されてなる。言い換えると、純スピン流発生部２Ａが、第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０が第１方向に直交する断面の面積中で最も小さくなるように形成されてなる。
なお、図１（ｂ）において、符号ＣＳ０、ＣＳ１、ＣＳ２で示した点線矢印の長さは断面積の大きさを模式的に示すものである。第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａの接合面積ＣＳ０は離れた位置に示したが、単に図示上の都合による。
図１（ａ）から図１（ｂ）に延びる４本の点線は、内側の２本の点線は純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層１との接合面２Ａａのｘ方向の長さを示すものであり、外側の２本の点線は純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層１との接合面２Ａａの反対側の面２Ａｂのｘ方向の長さを示すものである。
以下、第１強磁性金属層１の面直方向もしくは第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２とが積層する方向（第１方向）をｚ方向、ｚ方向と垂直でスピン軌道トルク配線２と平行な方向（第２方向）をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向と直交する方向（第３方向）をｙ方向とする。
図１を含めて以下では、スピン軌道トルク配線が第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、第１方向に対して直交する方向に延在する構成の場合について説明する。
本発明のスピン流磁化反転素子すなわち、純スピン流によるＳＯＴ効果で強磁性金属層の磁化反転を行う素子は、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において強磁性金属層の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできるし、純スピン流によるＳＯＴのみで強磁性金属層の磁化反転を行う新規の磁気抵抗効果素子において用いることもできる。
＜スピン軌道トルク配線＞
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純スピン流が生成される材料からなる。本発明のスピン軌道トルク配線２は、第１強磁性金属層１に接合する純スピン流発生部２Ａと、第２方向における純スピン流発生部２Ａの両端に接続され、純スピン流発生部２Ａよりも電気抵抗の小さい材料からなる低抵抗部２Ｂとからなる。
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２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２の延在方向に電流Ｉを流すと、−ｙ方向（紙面手前側）に配向した第１スピンＳ１と＋ｙ方向（紙面奥側）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２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強磁性金属層１にスピンが注入される。
本発明のスピン流磁化反転素子では、このようにスピン軌道トルク配線に電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流がスピン軌道トルク配線に接する第１強磁性金属層に拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果によって第１強磁性金属層の磁化反転を起こすものである。
本発明のスピン流磁化反転素子の磁化反転のために流す電流として、ＳＯＴ効果を利用するためにスピン軌道トルク配線に流す電流（以下、「ＳＯＴ反転電流」ということがある。）がある。この電流自体は電荷の流れを伴う通常の電流であるため、電流を流すとジュール熱が発生する。
ここで、純スピン流を生成しやすい材料である重金属は、通常の配線として用いられる金属に比べて電気抵抗率が高い。
そのため、ＳＯＴ反転電流によるジュール熱を低減する観点では、スピン軌道トルク配線はすべてが純スピン流を生成しうる材料だけからなるよりも、電気抵抗率が小さい部分を有することが好ましい。この観点で、本発明のスピン流磁化反転素子が備えるスピン軌道トルク配線は、純スピン流を発生する材料からなる部分（純スピン流発生部）と、この純スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなる部分（低抵抗部）とからなる。
純スピン流発生部２Ａは、純スピン流を生成しえる材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
純スピン流発生部２Ａは、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及び、それらの金属を少なくとも１つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなるものとすることができる。また、タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合に、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、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くなり、効率的にスピン流を発生させることができる。
低抵抗部２Ｂは、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。低抵抗部２Ｂは、純スピン流発生部２Ａよりも電気抵抗率が低い材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
なお、低抵抗部において純スピン流が生成されても構わない。この場合、純スピン流発生部と低抵抗部との区別は、本明細書中に純スピン流発生部及び低抵抗部の材料として記載したものからなる部分は純スピン流発生部または低抵抗部であるとして区別できる。また、純スピン流を発生する主要部以外の部分であって、その主要部より電気抵抗率が低い部分は低抵抗部として、純スピン流発生部と区別できる。
純スピン流発生部２Ａは、その電気抵抗率が低抵抗部２Ｂの電気抵抗率より少なくとも２倍以上大きい材料からなるものとすることができる。このように電気抵抗率の差が大きいと、純スピン流発生部２Ａと低抵抗部２Ｂの界面に電流が集中し、界面における電流密度が高くなる。
純スピン流発生部２Ａ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。
この場合、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。純スピン流発生部２Ａ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。
通常、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、純スピン流が発生しやすい。
仮に、低抵抗部がＣｕ（1.7μΩｃｍ）からなるものとすると、原子番号３９以上でかつＣｕよりも電気抵抗率が２倍以上大きい材料としては、Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｃｄ，Ｌａ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｈｇ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ， Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕが挙げられる。
純スピン流発生部２Ａが非磁性の重金属を含む場合、純スピン流を生成しうる重金属を所定の割合で含んでいればよい。さらにこの場合、純スピン流発生部は、純スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度領域であるか、または、純スピン流を生成しうる重金属が例えば主成分の９０％以上の濃度領域であることが好ましい。この場合の重金属は、純スピン流を生成しうる重金属が最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属１００％であることが好ましい。
ここで、純スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度領域とは、例えば、銅を主成分とする純スピン流発生部において、モル比で重金属の濃度が１０％以下を指す。スピン流発生部を構成する主成分が上述の重金属以外からなる場合、純スピン流発生部に含まれる重金属の濃度はモル比で５０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。これらの濃度領域は、電子のスピン散乱の効果が有効に得られる領域である。重金属の濃度が低い場合、重金属よりも原子番号が小さい軽金属が主成分となる。なお、この場合、重金属は軽金属との合金を形成しているのではなく、軽金属中に重金属の原子が無秩序に分散していることを想定している。軽金属中ではスピン軌道相互作用が弱いため、スピンホール効果によって純スピン流は生成しにくい。しかしながら、電子が軽金属中の重金属を通過する際に、軽金属と重金属の界面でもスピンが散乱される効果があるため重金属の濃度が低い領域でも純スピン流が効率よく発生させることが可能である。重金属の濃度が５０％を超えると、重金属中のスピンホール効果の割合（発生率）は大きくなるが、軽金属と重金属の界面の効果が低下するため総合的な効果が減少する。したがって、十分な界面の効果が期待できる程度の重金属の濃度が好ましい。
また、純スピン流発生部２Ａ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、純スピン流発生部２Ａ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。純スピン流発生部２Ａは、反強磁性金属だけからなってもよい。反強磁性金属は重金属が最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属１００％の場合と同等の効果を得ることができる。反強磁性金属は、例えば、ＩｒＭｎやＰｔＭｎが好ましく、熱に対して安定なＩｒＭｎがより好ましい。
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減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比は純スピン流発生部２Ａ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。
また、純スピン流発生部２Ａは、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。純スピン流発生部２Ａ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で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、高効率でスピン流を生成することが可能である。
図１に示すスピン流磁化反転素子１０は、スピン軌道トルク配線２が低抵抗部２Ｂを備えた構成とすることで回路全体の抵抗を下げることができ、かつ、スピン軌道トルク配線２を構成する純スピン流発生部２Ａにおいて、第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａの接合面積ＣＳ０を最も小さくする構成とすることによって、純スピン流発生部２Ａにおいて接合面２Ａａでの電流密度を最も高くし、それによって、第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度を高くして、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を向上させるものである。
図１に示すスピン流磁化反転素子１０では、純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層１の第１面１ａに接合する面２Ａａの反対側の面２Ａｂは低抵抗部に覆われていない。
より詳細には、純スピン流発生部２Ａの一端に接続された低抵抗部２Ｂと、純スピン流発生部２Ａの他端に接続された低抵抗部２Ｂとが、分離されている。
つまり、一端に接続された低抵抗部２Ｂと他端に接続された低抵抗部２Ｂとが、純スピン流発生部２Ａ以外の低抵抗部材料ではつながっていない。
この場合、スピン軌道トルク配線を流れる電流が純スピン流発生部２Ａの下方から抜けていくことがない。
また、純スピン流発生部２Ａの接合面２Ａａは、第１強磁性金属層１の第１面１ａと重なる領域に含まれている。
以下、本発明のスピン軌道トルク配線が備える純スピン流発生部の形状とその効果について詳述する。
図３を用いてまず、本発明の原理について説明する。図３は、図１（ｂ）に示したスピン流磁化反転素子の断面図と同じ断面図である。
点線矢印Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２はそれぞれ、接合面積ＣＳ０の位置（すなわち、接合面２Ａａ）、断面積ＣＳ１の位置、断面積ＣＳ２の位置での電流密度を模式的に示すものである。その点線矢印の太さは電流密度の大きさの違いを模式的に示すものであり、太いほど電流密度が高い。
スピン軌道トルク配線２において、低抵抗部２Ｂは１種類の材料からなり、その断面形状が一様であるため、その電流密度は一様である。一方、純スピン流発生部２Ａでは材料は同じであるが、その断面積は第１強磁性金属層１の第１面１ａから離れるほど大きくなっている。純スピン流発生部２Ａは低抵抗部２Ｂよりも電気抵抗率が高い材料からなる。従って、純スピン流発生部の断面積がより小さい面に電流がより集中することになる。
図１に示すスピン軌道トルク配線２は、その純スピン流発生部２Ａを、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積が第１方向において第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａから遠ざかるにつれて、連続的に大きくなるように形成されてなる構成（より具体的には、第１強磁性金属層１との接合面２Ａａでの接合面積（「接合面における断面積」に相当）が第１強磁性金属層１との接合面から離れたどの断面の面積よりも小さくなるように形成してなる構成とすること）で、純スピン流発生部２Ａのうち第１強磁性金属層１との接合面２Ａａで電流を集中させるものである。その結果として、接合面２Ａａに接合する第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度が高くなり、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を向上させることができる。
純スピン流発生部の形状としては、ｚ方向から平面視したときに第１強磁性金属層との接合面がその接合面から離れた断面の領域内に含まれる（接合面と当該断面が完全に重畳する場合も含む）形状であることが好ましい。
図１に示す実施形態は、純スピン流発生部２Ａが錐台形状を有するものである。すなわち、錐体から、頂点を共有し相似に縮小した錐体を取り除いた立体図形である。 ここで、 円錐からできる錐台を円錐台、楕円錐からできる錐台を楕円錐台、角錐からできる錐台を角錐台、ｎ角錐からできる錐台をｎ角錐台と呼ぶとすると、図１に示す例は、断面形状が長方形の四角錐台に相当するが、他の錐台形状であってもよい。
図１に示す実施形態では、純スピン流発生部２Ａは、ｘｚ面に平行な断面において、低抵抗部２Ｂとの界面が直線状となるように形成されているが、曲線状となるように形成されていてもよい。曲線状とは低抵抗部側に凸になるような曲線状、純スピン流発生部側に凸になるような曲線状を含み、製造プロセスに応じた曲線状とすることができる。
また、図１に示す実施形態では、純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａは、第１強磁性金属層１の純スピン流発生部２Ａに接合する接合面（第１面）１ａとは一致する。言い換えると、ｚ方向から平面視して接合面２Ａａと接合面１ａとは完全に重なる。この場合、純スピン流発生部２Ａで発生した純スピン流を効果的に第１強磁性金属層１に拡散させることができる。
また、図１に示す実施形態では、低抵抗部２Ｂは、純スピン流発生部２Ａを挟んで離間する第１低抵抗部２Ｂ１と第２低抵抗部２Ｂ２からなる構成である。このため、スピン軌道トルク配線２に流れる電流は必ず、純スピン流発生部２Ａを通過するため、スピン軌道トルク配線２に流す電流（ＳＯＴ反転電流）を全て純スピン流の発生のために使うことができる。
以下に示す他の実施形態においても特に断らない限りは、低抵抗部は、純スピン流発生部を挟んで離間する第１低抵抗部と第２低抵抗部からなる構成であるとする。
また、図１に示す実施形態では、スピン軌道トルク配線２の長手方向に直交する方向（ｙ方向）の幅Ｗ１と、第１強磁性金属層１の同じ方向の幅Ｗ２が同じである。この場合、第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２とのｙ方向における両端の加工を同時に行うことができる。
図１に示す実施形態では、第１強磁性金属層１はｚ方向から平面視して矩形（より正確には、長方形）であったが、図４に示すように、楕円状であってもよいし、さらに他の形状であってもよい。この点は、以下に示す他の実施形態においても同様である。
但し、図４に示すスピン流磁化反転素子２０においては、純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａは、第１強磁性金属層１１の純スピン流発生部２Ａに接合する接合面１１ａとは一致しておらず、ｚ方向から平面して接合面２Ａａは接合面１１ａよりも大きい。この場合、図１に示すスピン流磁化反転素子１０に比べると、純スピン流発生部２Ａで発生した純スピン流を十分には第１強磁性金属層１１に拡散させることができない。
また、第１強磁性金属層の形状に合わせて、純スピン流発生部の形状もその接合面が第１強磁性金属層の第１面と一致するような形状であってもよい。すなわち、例えば、図４（ａ）において、純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層１に接合する接合面２Ａａが第１強磁性金属層１１の純スピン流発生部２Ａに接合する接合面１１ａと一致して、ｚ方向から平面視して接合面２Ａａが接合面１１ａに重なる構成であってもよい。
図５に、本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のスピン軌道トルク配線１２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図５に示すスピン流磁化反転素子３０も、スピン軌道トルク配線１２の純スピン流発生部１２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面１２Ａａから遠ざかるにつれて、連続的に大きくなるように形成されてなる。すなわち、純スピン流発生部１２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交するいずれの断面の面積（例えば、ＣＳ１、ＣＳ２）も第１強磁性金属層１に接合する接合面１２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０より小さくなるように形成されてなる場合である。言い換えると、純スピン流発生部１２Ａが、第１強磁性金属層１に接合する接合面１２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０が第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積中で最も小さくなるように形成されてなる。従って、純スピン流発生部１２Ａのうち第１強磁性金属層１との接合面１２Ａａでの電流密度を最も高くするものである。その結果として、その第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度を高くし、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を高くすることができる。
また、図５に示すスピン流磁化反転素子３０においては、純スピン流発生部１２Ａと低抵抗部１２Ｂとの境界の少なくとも一部は、第１強磁性金属層１の第１面１ａに接している。
純スピン流発生部１２Ａのうち、低抵抗部１２Ｂとの境界部分で、かつ接合面１２Ａａ近傍に電流が最も集中するため、純スピン流が発生しやすい。従って、第１強磁性金属層１に効率的に純スピン流を流し込むことができる。純スピン流は拡散し、減衰するため第１強磁性金属層１の近傍で発生した純スピン流が最も第１強磁性金属層１の磁化反転に寄与する。第１強磁性金属層１近傍の純スピン流発生部１２Ａに電流が集中するため、第１強磁性金属層１に効率的に純スピン流を流し込むことができる。
また、純スピン流発生部１２Ａで生成した純スピン流はｘ方向やｙ方向にも拡散するが、図５に示すスピン流磁化反転素子３０においては、純スピン流発生部１２Ａはその第１強磁性金属層１との接合面１２Ａａは第１強磁性金属層１の第１面１ａよりも狭く形成されているため、例えば、第１強磁性金属層１との接合面１２Ａａ近傍において低抵抗部１２Ｂ寄りに発生した純スピン流がまず、ｘ方向に多少拡散してもその後、第１強磁性金属層１へ拡散するような純スピン流を磁化反転に使うことが可能となる。
また、図５に示すスピン流磁化反転素子３０においては、純スピン流発生部１２Ａは、その第１強磁性金属層１との接合面１２Ａａが第１方向（ｚ方向）から平面視して、第１強磁性金属層１の第１面１ａの範囲内に含まれおり、かつ、純スピン流発生部１２Ａの第１強磁性金属層１との接合面１２Ａａの反対側の第２面１２Ａｂの面積も図１に示すスピン流磁化反転素子１０と比べて小さい。このため、図５に示すスピン流磁化反転素子３０は、図１に示すスピン流磁化反転素子１０と比べて、低抵抗部が増大するため、素子全体の抵抗が下がるという効果を奏する。
図６に、本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のスピン軌道トルク配線２２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図６に示すスピン流磁化反転素子４０も、純スピン流発生部２２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の断面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面２２Ａａから遠ざかるにつれて、連続的に大きくなるように形成されてなる場合である。すなわち、純スピン流発生部２２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交するいずれの断面の断面積（例えば、ＣＳ１、ＣＳ２）も第１強磁性金属層１に接合する接合面２２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０より小さくなるように形成されてなる場合である。言い換えると、純スピン流発生部２２Ａが、第１強磁性金属層１に接合する接合面２２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０が第１方向（ｚ方向）に直交する断面の断面積中で最も小さくなるように形成されてなる。従って、純スピン流発生部２２Ａのうち第１強磁性金属層１との接合面２２Ａａでの電流密度を最も高くするものである。その結果として、その第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度を高くし、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を高くすることができる。
また、図６に示すスピン流磁化反転素子４０においては、スピン軌道トルク配線２２の純スピン流発生部２２Ａは、その第１強磁性金属層１との接合面２２Ａａが第１方向（ｚ方向）から平面視して、第１強磁性金属層１の第１面１ａの面積よりも大きいため、図１にスピン流磁化反転素子１０や図５に示すスピン流磁化反転素子３０に比べて、純スピン流発生部２２Ａで発生した純スピン流のうち、第１強磁性金属層１に拡散させることができない割合が高い。
また、図６に示すスピン流磁化反転素子４０は、純スピン流発生部２２Ａの第１強磁性金属層１との接合面２２Ａａの反対側の第２面２２Ａｂの面積も図１に示すスピン流磁化反転素子１０や図５に示すスピン流磁化反転素子３０に比べて大きい。このため、図６に示すスピン流磁化反転素子４０は、図１に示すスピン流磁化反転素子１０や図５に示すスピン流磁化反転素子３０に比べて、純スピン流発生部が増大するため、素子全体の抵抗が上がってしまう。
図７に、本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のスピン軌道トルク配線３２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図７に示すスピン流磁化反転素子５０も、スピン軌道トルク配線３２の純スピン流発生部３２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面３２Ａａから遠ざかるにつれて、連続的に大きくなるように形成されてなる場合である。すなわち、純スピン流発生部３２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交するいずれの断面の面積（例えば、ＣＳ１、ＣＳ２）も、低抵抗部３２Ｂの第１強磁性金属層１側の面３２Ｂａで切った断面３２Ａａａの断面積（接合面積）ＣＳ０より小さくなるように形成されてなる場合である。この場合、純スピン流発生部３２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面３２Ａａから遠ざかるにつれて、連続的に大きくなるように形成されてなる場合ではあるが、純スピン流発生部３２ＡにおいてＳＯＴ反転電流が流れる部分における最も断面積が小さい断面は、第１強磁性金属層１に接合する接合面３２Ａａではなく、低抵抗部３２Ｂの第１強磁性金属層１側の面３２Ｂａで切った断面３２Ａａａである点に留意する。従って、純スピン流発生部３２Ａのうち、ＳＯＴ反転電流が流れる部分であってかつ第１強磁性金属層１に接合する接合面３２Ａａに最も近いは低抵抗部３２Ｂの第１強磁性金属層１側の面３２Ｂａで切った断面３２Ａａａであって、この断面３２Ａａａの電流密度を最も高くするものである。その結果として、その第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度を高くし、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を高くすることができる。
また、図７に示すスピン流磁化反転素子５０においては、純スピン流発生部３２Ａで発生した純スピン流が第１強磁性金属層１に拡散していくためには、低抵抗部３２Ｂの第１強磁性金属層１側の面３２Ｂａで切った断面３２Ａａａと第１強磁性金属層１に接合する接合面３２Ａａとの距離がスピン拡散長より小さいことが好ましい。
また、図７に示すスピン流磁化反転素子５０においては、純スピン流発生部３２Ａのうち、ＳＯＴ反転電流が流れる部分の体積が大きいため、図１に示すスピン流磁化反転素子１０や図５に示すスピン流磁化反転素子３０に比べて、純スピン流発生部が増大するため、素子全体の抵抗が上がってしまう。
図８に、本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のスピン軌道トルク配線４２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図８に示すスピン流磁化反転素子６０も、スピン軌道トルク配線４２の純スピン流発生部４２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面４２Ａａから遠ざかるにつれて、連続的に大きくなるように形成されてなる場合である。すなわち、純スピン流発生部４２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交するいずれの断面の面積（例えば、ＣＳ１、ＣＳ２）も第１強磁性金属層１に接合する接合面４２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０より大きくなるように形成されてなる場合である。言い換えると、純スピン流発生部４２Ａが、第１強磁性金属層１に接合する接合面４２Ａａの断面積（接合面積）ＣＳ０が第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積中で最も小さくなるように形成されてなる。従って、純スピン流発生部４２Ａのうち第１強磁性金属層１との接合面４２Ａａでの電流密度を最も高くするものである。その結果として、その第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度を高くし、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を高くすることができる。
また、図８に示すスピン流磁化反転素子６０も、純スピン流発生部４２Ａの第１強磁性金属層１との接合面４２Ａａの反対側の第２面４２Ａｂが低抵抗部４２Ｂの第１強磁性金属層１側の面４２Ｂａで切った断面より第１強磁性金属層１から遠ざかる方に突出している。
図８に示すスピン流磁化反転素子６０は図７に示すスピン流磁化反転素子５０と同様に、純スピン流発生部を構成する材料のうち、ＳＯＴ反転電流が流れない部分を有する点が共通であるが、純スピン流発生部４２Ａが第１強磁性金属層１に接合する接合面４２ＡａにＳＯＴ反転電流が流れるため、純スピン流発生部４２Ａで発生した純スピン流が直接第１強磁性金属層１に拡散していく点では有利である。
図９に、本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のスピン軌道トルク配線５２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図９に示すスピン流磁化反転素子７０は、スピン軌道トルク配線５２の純スピン流発生部５２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面５２Ａａから遠ざかるにつれて、「連続的に大きくなる部分と段階的に大きくなる部分とを有する」場合特に、「連続的に大きくなる部分と一定の大きさの部分とを有する」場合である。純スピン流発生部５２Ａは、その断面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面５２Ａａから遠ざかるにつれて順に、断面積が一定の大きさの部分５２Ａ１と、連続的に大きくなる部分５２Ａ２と有する。すなわち、純スピン流発生部５２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交するいずれの断面の面積（例えば、ＣＳ１、ＣＳ２）も、低抵抗部５２Ｂの第１強磁性金属層１側の面５２Ｂａで切った断面５２Ａａａの断面積（接合面積）ＣＳ０より大きくなるように形成されてなる場合である。この場合、純スピン流発生部５２ＡにおいてＳＯＴ反転電流が流れる部分における最も断面積が小さい断面である断面５２Ａａａの断面積は、第１強磁性金属層１に接合する接合面５２Ａａの断面積（接合面積）と等しい点に留意する。純スピン流発生部５２Ａのうち、断面５２Ａａａの電流密度が最も高いものである。その結果として、その第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度を高くし、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を高くすることができる。
但し、図９に示すスピン流磁化反転素子７０においても、図７に示すスピン流磁化反転素子５０と同様に、純スピン流発生部５２Ａ２で発生した純スピン流が第１強磁性金属層１に拡散していくためには、断面積が一定の大きさの部分５２Ａ１のｚ方向の厚さがスピン拡散長より小さいことが好ましい。
図１０に、本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図１０（ａ）は平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のスピン軌道トルク配線６２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図１０に示すスピン流磁化反転素子８０は、スピン軌道トルク配線６２の純スピン流発生部６２Ａが、第１方向（ｚ方向）に直交する断面の面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面６２Ａａから遠ざかるにつれて、段階的に大きくなる場合である。純スピン流発生部６２Ａは、その断面積が第１方向（ｚ方向）において第１強磁性金属層１に接合する接合面６２Ａａから遠ざかるにつれて順に、断面積ＣＳ３を有する部分６２Ａ１と、ＣＳ３よりも大きな断面積ＣＳ４を有する部分に大きくなる部分６２Ａ２と有する。この場合、純スピン流発生部６２Ａにおいて、断面積が小さい部分６２Ａ１を流れる電流密度は断面積が大きい部分６２Ａ２を流れる電流密度よりも大きく、その結果として、その第１強磁性金属層１へ拡散していく純スピン流の密度を高くし、第１強磁性金属層１へのスピン注入の効率を高くすることができる。
図１１に、図１に示したスピン流磁化反転素子の変形例の模式図を示す。図１１（ａ）は平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のスピン軌道トルク配線７２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図１１に示すスピン軌道トルク配線７２は、純スピン流発生部７２Ａが、第１強磁性金属層１の第１面１ａに接合された、四角錐台状の第１純スピン流発生部７２Ａ１と、スピン軌道トルク配線７２の第１強磁性金属層１が形成された側と反対側の面側の一面全体に形成された第２純スピン流発生部７２Ａ２とからなる構成である点が、図１に示したスピン流磁化反転素子１０のスピン軌道トルク配線２との大きな違いである。
スピン軌道トルク配線７２は、ｘ方向に沿って、低抵抗部７２Ｂと第２純スピン流発生部７２Ａ２とが積層された部分と、低抵抗部７２Ｂと第１純スピン流発生部７２Ａ１の傾斜７２Ａ１ａを含む部分と第２純スピン流発生部７２Ａ２とが積層された部分と、第１純スピン流発生部７２Ａ１と第２純スピン流発生部７２Ａ２が積層された部分と、低抵抗部７２Ｂと第１純スピン流発生部７２Ａ１の傾斜７２Ａ１ｂを含む部分と第２純スピン流発生部７２Ａ２とが積層された部分と、低抵抗部７２Ｂと第２純スピン流発生部７２Ａ２とが積層された部分と、からなる。
スピン軌道トルク配線７２においては、第２純スピン流発生部７２Ａ２と低抵抗部７２Ｂとが接する面積が広いため、純スピン流発生部７２Ａと低抵抗部７２Ｂの密着性が高い。
さらに、図１１に示すスピン軌道トルク配線７２の変形例として、図１１（ｃ）に示すように、第２純スピン流発生部７２Ａ２がスピン軌道トルク配線７２の第１強磁性金属層１が形成された側と反対側の面側の一面全体ではなく、その一部に形成された構成としてもよい。この変形例では、純スピン流発生部の材料を減らすことができる。
図１１に示した図１のスピン流磁化反転素子１０の変形例と同様の変形は図４〜図１０に示したスピン流磁化反転素子にも適用できる。
図１２に、図１に示したスピン流磁化反転素子の変形例の模式図を示す。図１２（ａ）は平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のスピン軌道トルク配線８２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図１２に示すスピン軌道トルク配線８２においては、純スピン流発生部８２Ａはｚ方向の厚みが低抵抗部８２Ｂより薄く、そのため、純スピン流発生部８２Ａの第１強磁性金属層１との接合面８２Ａａの反対側の面８２Ａｂ側には凹部８２ｃを有する。また、スピン軌道トルク配線８２は、純スピン流発生部８２Ａと、純スピン流発生部８２Ａを挟んで離間する第１低抵抗部８２Ｂ１と第２低抵抗部８２Ｂ２からなる低抵抗部８２Ｂとからなる点は図１と同様である。
スピン軌道トルク配線８２においても、純スピン流発生部８２Ａにおいて第１強磁性金属層１との接合面８２Ａａで電流密度が最も高いことは図１に示した実施形態と同様である。
図１２に示した図１のスピン流磁化反転素子１０の変形例と同様の変形は図４〜図１０に示したスピン流磁化反転素子にも適用できる。
図１３に、図１に示したスピン流磁化反転素子の変形例の模式図を示す。図１３（ａ）は平面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図１３に示すスピン流磁化反転素子では、純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層２１に接合する接合面２Ａａは、第１強磁性金属層２１の純スピン流発生部２Ａに接合する接合面（第１面）２１ａとは一致する点は図１に示したスピン流磁化反転素子と同様であるが、ｚ方向から平面視して第１強磁性金属層２１がスピン軌道トルク配線２より幅狭である点で異なる。
図１３に示すスピン流磁化反転素子においても、スピン軌道トルク配線２は図１に示したスピン軌道トルク配線２と同じ構成であるから、純スピン流発生部２Ａのうち第１強磁性金属層３１との接合面２Ａａで電流を集中させるものである点で図１に示したスピン流磁化反転素子と同様である。その結果として、接合面２Ａａに接合する第１強磁性金属層３１へ拡散していく純スピン流の密度が高くなり、第１強磁性金属層３１へのスピン注入の効率を向上させることができる。
図１３に示した図１のスピン流磁化反転素子１０の変形例と同様の変形は図４〜図１２に示したスピン流磁化反転素子にも適用できる。
図１４に、図１に示したスピン流磁化反転素子の変形例の模式図を示す。図１４（ａ）は平面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図１４に示すスピン流磁化反転素子では、純スピン流発生部２Ａの第１強磁性金属層３１に接合する接合面２Ａａは、第１強磁性金属層３１の純スピン流発生部２Ａに接合する接合面（第１面）３１ａとは一致する点は図１に示したスピン流磁化反転素子と同様であるが、ｚ方向から平面視して第１強磁性金属層３１がスピン軌道トルク配線２より幅広である点で異なる。
図１４に示すスピン流磁化反転素子においても、スピン軌道トルク配線２は図１に示したスピン軌道トルク配線２と同じ構成であるから、純スピン流発生部２Ａのうち第１強磁性金属層４１との接合面２Ａａで電流を集中させるものである点で図１に示したスピン流磁化反転素子と同様である。その結果として、接合面２Ａａに接合する第１強磁性金属層４１へ拡散していく純スピン流の密度が高くなり、第１強磁性金属層３１へのスピン注入の効率を向上させることができる。
図１４に示した図１のスピン流磁化反転素子１０の変形例と同様の変形は図４〜図１２に示したスピン流磁化反転素子にも適用できる。
図１５に、図１に示したスピン流磁化反転素子の変形例の模式図を示す。図１５（ａ）は平面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のスピン軌道トルク配線９２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。図１と同様な構成について、同じ符号を用いて説明を省略する。
図１５に示すスピン軌道トルク配線９２においては、純スピン流発生部９２Ａは、第１強磁性金属層１に接合する接合面９２Ａａが楕円状（楕円状の長軸は第１強磁性金属層１のｘ方向の長さより長い）となるような形状である点で図１に示したスピン軌道トルク配線２と異なる。そのため、純スピン流発生部９２Ａと低抵抗部９２Ｂとの境界のうち、符号９２ＡＢ１、９２ＡＢ２で示した部分は強磁性金属層１の接合面（第１面）１ａに接していない。言い換えると、純スピン流発生部９２Ａと低抵抗部９２Ｂとの境界の少なくとも一部（図１５（ａ）中の境界９２ＡＢ１、９２ＡＢ２以外の境界）だけが第１強磁性金属層１の接合面（第１面）１ａに接している。
純スピン流発生部９２Ａのうち、低抵抗部９２Ｂとの境界部分でかつ接合面９２Ａａ近傍に電流が最も集中するため、純スピン流が発生しやすい。従って、第１強磁性金属層１に効率的に純スピン流を流し込むことができる。純スピン流は拡散し、減衰するため第１強磁性金属層１の近傍で発生した純スピン流が最も第１強磁性金属層１の磁化反転に寄与する。第１強磁性金属層１近傍の純スピン流発生部９２Ａに電流が集中するため、第１強磁性金属層１に効率的に純スピン流を流し込むことができる。
また、スピン軌道トルク配線９２は、純スピン流発生部９２Ａと、純スピン流発生部９２Ａを挟んで離間する第１低抵抗部９２Ｂ１と第２低抵抗部９２Ｂ２からなる低抵抗部９２Ｂとからなる点は図１と同様である。
図１５に示した図１のスピン流磁化反転素子１０の変形例と同様の変形は図４〜図１２に示したスピン流磁化反転素子にも適用でき、純スピン流発生部と低抵抗部との境界の形状は様々な形態をとることができる。
スピン軌道トルク配線の第１強磁性金属層に接合する面の反対側の面に接合する絶縁層をさらに備えることができる。
この構成では、磁気抵抗効果素子やその他の用途に適用する場合に、スピン軌道トルク配線に流す電流が第１強磁性金属層に接合する面の反対側の面から漏れることが防止され、より電流集中効果を高めることができる。
上述した実施形態ではスピン軌道トルク配線は、第１強磁性金属層に直接接続された場合のみを説明してきたが、後述するキャップ層のような他の層を介して接続されてもよい。
第１強磁性金属層については後述する。
本発明のスピン流磁化反転素子は公知の方法を用いて製造することができる。
以下、図１に図示したスピン流磁化反転素子１０の製造方法について説明する。
まず、スピン流発生部２Ａと第１強磁性金属層１は例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて、所定の基板（基材）に成膜することができる。成膜後、スピン流磁化反転素子を作成したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。その際に、イオンミリングまたはＲＩＥのイオン照射方向とスピン流磁化反転素子１０の相対角度（ｚ軸からの角度θ）が変えられる機構を有する装置を利用する。スピン流磁化反転素子１０に対するイオン照射の相対角度を変化させることで、角形比のよい素子や錐台形状の素子に形成することができることは公知である。
レジストまたは保護膜を設置されたスピン流磁化反転積層膜は、相対角度０度から３０度で第１強磁性金属層１をミリングする。これにより角形比のよい第１強磁性金属層１が形成される。その後、相対角度を３０度から８０度の間で固定し、スピン生成部をミリングすることで傾斜が直線状のスピン生成部を形成することができる。また、相対角度を変化させながらミリングすることで曲線状の傾斜を有するスピン生成部を形成することができる。
その後、低抵抗部を成膜し、レジストまたは保護膜を設置し、ミリングすることでスピン軌道トルク配線形状に形成することができる。
また、第１強磁性金属層を後から成膜、形成することもできる。スピン生成部を上述の方法で錐台形状に形成した後に低抵抗部を成膜、及びスピン軌道トルク配線形状に形成した後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を施すことにより平坦な面を設け第１強磁性金属層を積層することもできる。
スピン流発生部２Ａ、第１強磁性金属層１の成膜に用いた基板は、通常であれば成膜後に除去するが、必要に応じて残しておいてもよい。
本発明のスピン流磁化反転素子は後述するように磁気抵抗効果素子に適用することができる。用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、上記のスピン流磁化反転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができるし、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印加する磁場をＳＯＴに置き換えてもよい。
（磁気抵抗効果素子）
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、本発明のスピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備えるものである。
図１６は、本発明のスピン流磁化反転素子の応用例であり、また、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子でもある磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。なお、図１６においては、本発明のスピン流磁化反転素子の特徴部分は図示を省略している。
図１６に示す磁気抵抗効果素子１００は、本発明のスピン流磁化反転素子（第１強磁性金属層１０１と、スピン軌道トルク配線１２０）と、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、第１強磁性金属層１０１及び第２強磁性金属層１０３に挟持された非磁性層１０２とを有する。また、図１５に示す磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部１０５とスピン軌道トルク配線１２０とを有するということもできる。
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線１２０を備えることで、純スピン流によるＳＯＴのみで磁気抵抗効果素子の磁化反転を行う構成（以下、「ＳＯＴのみ」構成ということがある）とすることもできるし、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において純スピン流によるＳＯＴを併用する構成（以下、「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成ということがある）とすることもできる。
図１６を含めて以下では、スピン軌道トルク配線が磁気抵抗効果素子部の積層方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、直交する方向に延在する構成の場合について説明する。
図１６においては、磁気抵抗効果素子１００の積層方向に電流を流すための配線１３０と、その配線１３０を形成する基板１１０も示している。また、第１強磁性金属層１０１とスピン軌道トルク配線１２０との間にキャップ層１０４を備える。
＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部１０５は、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１０１と、第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１に挟持された非磁性層１０２とを有する。
第２強磁性金属層１０３の磁化が一方向に固定され、第１強磁性金属層１０１の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部１０５として機能する。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強磁性金属層の保持力は第１強磁性金属層の保磁力よりも大きいものであり、また、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強磁性金属層では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。
また、磁気抵抗効果素子部１０５は、非磁性層１０２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１０２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
本発明が備える磁気抵抗効果素子部としては、公知の磁気抵抗効果素子部の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性金属層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強磁性金属層１０３は固定層や参照層、第１強磁性金属層１０１は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。
第２強磁性金属層１０３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、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、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族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、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２強磁性金属層１０３の第１強磁性金属層１０１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性金属層１０３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強磁性金属層１０３の漏れ磁場を第１強磁性金属層１０１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２強磁性金属層１０３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２強磁性金属層１０３は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。
第１強磁性金属層１０１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１強磁性金属層１０１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第１強磁性金属層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第１強磁性金属層１０１と非磁性層１０２の界面で、第１強磁性金属層１０１に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第１強磁性金属層１０１の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層１０１の膜厚は薄い方が好ましい。
非磁性層１０２には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層１０２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、Ｍｇ、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。
また、非磁性層１０２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。
また、第１強磁性金属層１０１の非磁性層１０２と反対側の面には、図１５に示すようにキャップ層１０４が形成されていることが好ましい。キャップ層１０４は、第１強磁性金属層１０１からの元素の拡散を抑制することができる。またキャップ層１０４は、磁気抵抗効果素子部１０５の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層１０４を設けることで、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１の磁性を安定化し、磁気抵抗効果素子部１０５を低抵抗化することができる。
キャップ層１０４には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。キャップ層１０４の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて、ｆｃｃ構造、ｈｃｐ構造またはｂｃｃ構造から適宜設定することが好ましい。
また、キャップ層１０４には、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウムからなる群から選択されるいずれかを用いることが好ましい。詳細は後述するが、キャップ層１０４を介してスピン軌道トルク配線１２０と磁気抵抗効果素子部１０５が接続される場合、キャップ層１０４はスピン軌道トルク配線１２０から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。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。
キャップ層１０４の厚みは、キャップ層１０４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。キャップ層１０４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１２０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子部１０５に十分伝えることができる。
＜基板＞
基板１１０は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
基板１１０の磁気抵抗効果素子部１０５側の面には、下地層（図示略）が形成されていてもよい。下地層を設けると、基板１１０上に積層される第２強磁性金属層１０３を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。
下地層は、絶縁性を有していることが好ましい。配線１３０等に流れる電流が散逸しないようにするためである。下地層には、種々のものを用いることができる。
例えば１つの例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。
他の例として、下地層にはＸＹＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＸはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＹはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。
他の例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。
他の例として、下地層には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。
また、下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子部２０の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。
＜配線＞
配線１３０は、磁気抵抗効果素子部２０の第２強磁性金属層２１に電気的に接続され、図５においては、配線１３０とスピン軌道トルク配線１２０と電源（図示略）とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部２０の積層方向に電流が流される。
配線１３０は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
上述した本実施形態では、磁気抵抗効果素子１００において、積層が後になり基板１１０から遠い側に配置する第１強磁性金属層１０１が磁化自由層とされ、積層が先であり基板１１０に近い側に配置する第２強磁性金属層１０３が磁化固定層（ピン層）とされている、いわゆるボトムピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子１００の構造は特に限定されるものではなく、いわゆるトップピン構造であってもよい。
本発明の磁気抵抗効果素子は公知の方法を用いて製造することができる。
磁気抵抗効果素子部は例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成することができる。磁気抵抗効果素子部がＴＭＲ素子の場合、例えば、トンネルバリア層は第２強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のアルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の薄膜作成法を用いることができる。
磁気抵抗効果素子部の成膜及び形状の形成を行った後、純スピン流発生部を最初に形成することが好ましい。これは純スピン流発生部から磁気抵抗効果素子部に純スピン流の散乱をできるだけ抑制できる構造にすることが高効率化に繋がるからである。
磁気抵抗効果素子部の成膜及び形状の形成を行った後、加工後の磁気抵抗効果素子部の周囲をレジスト等で埋めて、磁気抵抗効果素子部の上面を含む面を形成する。この際、磁気抵抗効果素子部の上面を平坦化することが好ましい。平坦化することで、純スピン流発生部と磁気抵抗効果素子部の界面におけるスピン散乱を抑制することができる。
次に、平坦化した磁気抵抗効果素子部の上面に純スピン流発生部の材料を成膜する。成膜はスパッタ等を用いることができる。
次に、純スピン流発生部を作製したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部を除去する。
次に、低抵抗部を構成する材料をスパッタ等で成膜し、レジスト等を剥離することで、スピン軌道トルク配線を作製する。純スピン流発生部の形状が複雑な場合は、レジストまたは保護膜の形成と、純スピン流発生部の成膜を複数回に分けて形成してもよい。
図１７は、図１６に示した磁気抵抗効果素子１００において、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流を流す第１電源１４０と、スピン軌道トルク配線１２０に電流を流す第２電源１５０とを示したものである。
第１電源１４０は、配線１３０とスピン軌道トルク配線１２０とに接続される。第１電源１４０は磁気抵抗効果素子１００の積層方向に流れる電流を制御することができる。
第２電源１５０は、スピン軌道トルク配線１２０の両端に接続されている。第２電源１５０は、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に対して直交する方向に流れる電流である、スピン軌道トルク配線１２０に流れる電流を制御することができる。
上述のように、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に流れる電流はＳＴＴを誘起する。これに対して、スピン軌道トルク配線１２０に流れる電流はＳＯＴを誘起する。ＳＴＴ及びＳＯＴはいずれも第１強磁性金属層１０１の磁化反転に寄与する。
このように、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向と、この積層方向に直行する方向に流れる電流量を２つの電源によって制御することで、ＳＯＴとＳＴＴが磁化反転に対して寄与する寄与率を自由に制御することができる。
例えば、デバイスに大電流を流すことができない場合は磁化反転に対するエネルギー効率の高いＳＴＴが主となるように制御することができる。すなわち、第１電源１４０から流れる電流量を増やし、第２電源１５０から流れる電流量を少なくすることができる。
また、例えば薄いデバイスを作製する必要があり、非磁性層１０２の厚みを薄くせざる得ない場合は、非磁性層１０２に流れる電流を少なくことが求められる。この場合は、第１電源１４０から流れる電流量を少なくし、第２電源１５０から流れる電流量を多くし、ＳＯＴの寄与率を高めることができる。
第１電源１４０及び第２電源１５０は公知のものを用いることができる。
上述のように、本発明の「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成の場合の磁気抵抗効果素子によれば、ＳＴＴ及びＳＯＴの寄与率を、第１電源及び第２電源から供給される電流量により自由に制御することができる。そのため、デバイスに要求される性能に応じて、ＳＴＴとＳＯＴの寄与率を自由に制御することができ、より汎用性の高い磁気抵抗効果素子として機能することができる。
（磁気メモリ）
本発明の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本発明の磁気抵抗効果素子を複数備える。
（磁化反転方法）
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線に流れる電流密度が１×１０７Ａ／ｃｍ２未満とすることができる。
スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線に流れる電流によって熱が生じる。熱が第２強磁性金属層に加わると、第２強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成の場合、スピン軌道トルク配線の電源に電流を印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加してもよい。
ＳＯＴ磁化反転工程とＳＴＴ磁化反転工程は、同時に行ってもよいし、ＳＯＴ磁化反転工程を事前に行った後にＳＴＴ磁化反転工程を加えて行ってもよい。第１電源１４０と第２電源１５０から電流を同時に供給してもよいし、第２電源１５０から電流を供給後に、加えて第１電源１４０から電流を供給してもよいが、ＳＯＴを利用した磁化反転のアシスト効果をより確実に得るためには、スピン軌道トルク配線の電源に電流が印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加することが好ましい。すなわち、第２電源１５０から電流を供給後に、加えて第１電源１４０から電流を供給することが好ましい。
１、１１ 第１強磁性金属層
２、１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２ スピン軌道トルク配線
２Ａ、１２Ａ、２２Ａ、３２Ａ、４２Ａ、５２Ａ、６２Ａ、７２Ａ、８２Ａ、９２Ａ 純スピン流発生部
２Ｂ、１２Ｂ、２２Ｂ、３２Ｂ、４２Ｂ、５２Ｂ、６２Ｂ、７２Ｂ、８２Ｂ、９２Ｂ 低抵抗部
１００ 磁気抵抗効果素子
１０１ 第１強磁性金属層
１０２ 非磁性層
１０３ 第２強磁性金属層

Claims (9)

  1. 磁化方向が可変な第１強磁性金属層と、
    前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２方向に延在し、前記第１強磁性金属層の第１面に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性金属層の第１面に接合する純スピン流発生部と、前記第２方向における該純スピン流発生部の両端に接続され、該純スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなる低抵抗部とからなり、
    前記純スピン流発生部は、前記第１方向に直交する断面の面積が前記第１方向において前記第１強磁性金属層に接合する接合面から遠ざかるにつれて、連続的に及び／又は段階的に大きくなるように形成されてなり、
    前記純スピン流発生部と前記低抵抗部との境界の少なくとも一部は、前記第１強磁性金属層の前記第１面に接しているスピン流磁化反転素子。
  2. 前記純スピン流発生部の一端に接続された前記低抵抗部と、前記純スピン流発生部の他端に接続された前記低抵抗部とが、分離されている請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
  3. 前記純スピン流発生部の前記接合面が、前記第１強磁性金属層の第１面と重なる領域に含まれている請求項１又は２のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子。
  4. 前記低抵抗部は、前記純スピン流発生部を挟んで離間する第１低抵抗部と第２低抵抗部からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
  5. 前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性金属層に接合する面の反対側の面に接合する絶縁層をさらに備える請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
  6. 前記スピン軌道トルク配線の幅と前記第１強磁性金属層の幅とが同じである請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
  7. 前記純スピン流発生部は、ｄ電子またはｆ電子を有する原子番号３９番以上の非磁性金属を含み、前記純スピン流発生部の電気抵抗率が前記低抵抗部の電気抵抗率の２倍以上大きい請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子。
  9. 請求項８に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える磁気メモリ。
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