JP6972542B2 - 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
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Description
従って、SOTを利用する素子において、熱安定性が高い素子が求められている。
図1に示すスピン流磁化反転素子100は、第1強磁性金属層1と第2強磁性金属層2と第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2に挟持された第1非磁性層3とによって構成されるシンセティック構造を有する磁化自由層10と、シンセティック構造の積層方向である第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に接合する反強磁性スピン軌道トルク配線5と、を備え、前記反強磁性スピン軌道トルク配線5に通電することによって、磁化自由層10の磁化の向きを変化させる。
ここで、本発明における「シンセティック構造」とは、2層の強磁性金属層とそれに挟持される非磁性層(例えば、Ru層やIr層)からなり、2層の強磁性金属層が非磁性層を介して反強磁性結合(RKKY結合)によって結合され、2層の強磁性金属層の磁化の向きが互いに反平行となる構造をいう。
なお、図1においては、磁化自由層10の磁化の向きを変化させる際に反強磁性スピン軌道トルク配線5に通電するための電流源6も示している。
なお、磁化反転は反強磁性スピン軌道トルク配線からのSOTにより第1強磁性金属層1が反転すると反強磁性結合により第2強磁性金属層2も反転するため、第1強磁性金属層1のみの反転電流と変わらない。
反強磁性体は、ミクロには磁性を担うスピンが反平行に結合して物質全体でみると自発磁化はゼロで磁性を持たないが、強磁性体と接合させるとその接合界面で強い磁気結合(ピニング効果)を示すことが知られている。
すなわち、反強磁性の界面スピンと強磁性金属層の界面スピンが交換結合により結合することで、熱安定性は、強磁性金属層の有する磁気エネルギーに加え、反強磁性金属層の有する磁気エネルギー分、増加する。
従って、第1強磁性金属層1と接合する反強磁性スピン軌道トルク配線5は、磁化自由層10の磁化の向きの熱安定性を向上させることができる。その結果、磁化が外部磁界による擾乱に対して耐性を有することになる。
反強磁性スピン軌道トルク配線5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であって、かつ、反強磁性を示す材料からなる。かかる材料であれば、特に制限はないが、例えば、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、As、Rh、Pd、Ir、Pt及びAuからなる群から選択された金属を含む反強磁性体、又は、前記金属を含む合金からなる反強磁性体を用いることができる。具体例としては例えば、Cr、FeMn、NiMn、IrMn、PtMn、RhMn、PdPtMn、PtCrMn、CuMnAs、Mn2Auが挙げられる。
磁化自由層10は、第1強磁性金属層1と第2強磁性金属層2と第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2に挟持された第1非磁性層3とによって構成されるシンセティック構造を有する。磁化自由層10は、第1強磁性金属層1と第2強磁性金属層2と第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2に挟持された第1非磁性層3とによって構成され、第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2の磁化の向きが互いに反平行となるように可変とされている。
第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2の材料は同じであっても異なっていてもよい。
本実施形態のスピン流磁化反転素子においては、第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2の飽和磁化と体積の積が等しくなることで、RKKY結合が強くなる。強いRKKY結合により、読み出し時に反強磁性スピン軌道トルク配線に流れる電流が生み出す電流磁界に対して、 第1強磁性金属層1が揺らぎにくくなる。
図3に示すスピン流磁化反転素子200においては、磁化自由層20を構成する第1強磁性金属層11及び2強磁性金属層2のうち、第1強磁性金属層11の膜厚が第2強磁性金属層2の膜厚より厚い点が図1に示すスピン流磁化反転素子100と異なる。
本実施形態のスピン流磁化反転素子においては、第1強磁性金属層の膜厚を厚くすることによって、第2強磁性金属層への純スピンの拡散を低減することができる上、第1強磁性金属層のバルク散乱効果を用いることでMR比を向上することができる。
図4に示すスピン流磁化反転素子300においては、磁化自由層30を構成する第1強磁性金属層21及び2強磁性金属層2のうち、第1強磁性金属層21の膜厚が第2強磁性金属層2の膜厚より薄く、第1強磁性金属層21の面直方向から平面視したときの面積が、第2強磁性金属層2の面直方向から平面視したときの面積より大きい点が図1に示すスピン流磁化反転素子100と異なる。
本実施形態のスピン流磁化反転素子においては、第1強磁性金属層の膜厚を薄くすることで反転電流を小さくすることができる。膜厚を薄くすると熱安定性が低下するが、上述の通り、RKKY結合することで熱安定性を確保できる。
また、第1強磁性金属層21の膜厚が薄い分、面積を大きくすることで体積の低減を抑え、それによって、RKKY結合の大きさの低下を低減できる。
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、磁化の向きが固定された磁化固定層と、第2強磁性金属層と磁化固定層に挟持された第2非磁性層とを備えるものである。
図5に示す磁気抵抗効果素子1000は、本発明のスピン流磁化反転素子(磁化自由層101と反強磁性スピン軌道トルク配線120)と、磁化の向きが固定された磁化固定層103と、磁化自由層101及び磁化固定層103に挟持された第2非磁性層102とを有する。また、図3に示す磁気抵抗効果素子1000は、磁気抵抗効果素子部105と反強磁性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。
図5においては、磁気抵抗効果素子1000を作製する基板110と、キャップ層104及び配線130も図示した。
磁気抵抗効果素子部105は、磁化の向きが固定された磁化固定層103と、磁化の向きが可変な磁化自由層101と、磁化固定層103及び磁化自由層101に挟持された第2非磁性層102とを有する。
磁化固定層103の磁化が一方向に固定され、磁化自由層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の向きが固定される。
また、磁気抵抗効果素子部105は、第2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、第2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。
磁化固定層103は磁化固定層や参照層、磁化自由層101は磁化自由層や記憶層などと呼ばれる。
磁化固定層103もシンセティック構造であることによって、さらに熱安定性を確保することができる。
例えば、第2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、MgO、及び、MgAl2O4等を用いることができる。またこれらの他にも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、第2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。
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。
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。
配線130は、磁気抵抗効果素子部105の磁化固定層103に電気的に接続され、図5においては、配線130と反強磁性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105の積層方向に電流が流される。
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。
本発明のスピン流磁化反転素子は、スパッタリング法等の公知の成膜技術と、フォトリソグラフィー及びArイオンミリング等の公知の形状加工技術を用いて得ることができる。以下では、スピン流磁化反転素子を適用した磁気抵抗効果素子の製造方法について説明することでスピン流磁化反転素子の製造方法の説明も兼ねる。
2 第2強磁性金属層
3 第1非磁性層
5 反強磁性スピン軌道トルク配線
10 磁化自由層
100、200、300 スピン流磁化反転素子
101 磁化自由層
102第2非磁性層
103 磁化固定層
105 磁気抵抗効果素子部
1000 磁気抵抗効果素子
Claims (9)
- 第1強磁性金属層と第2強磁性金属層と前記第1強磁性金属層及び前記第2強磁性金属層に挟持された第1非磁性層とによって構成されたシンセティック構造を有する磁化自由層と、前記シンセティック構造の積層方向である第1方向に対して交差する第2方向に延在し、前記第1強磁性金属層に接合する反強磁性スピン軌道トルク配線と、を備え、
前記第1強磁性金属層の飽和磁化と体積の積が前記第2強磁性金属層の飽和磁化と体積の積以上の大きさとなるように構成されており、
前記反強磁性スピン軌道トルク配線に通電することによって、前記磁化自由層の磁化の向きを変化させるスピン流磁化反転素子。 - 第1強磁性金属層と第2強磁性金属層と前記第1強磁性金属層及び前記第2強磁性金属層に挟持された第1非磁性層とによって構成されたシンセティック構造を有する磁化自由層と、前記シンセティック構造の積層方向である第1方向に対して交差する第2方向に延在し、前記第1強磁性金属層に接合する反強磁性スピン軌道トルク配線と、を備え、
前記第1非磁性層に接する第1強磁性金属層の面積が前記第1非磁性層に接する第2強磁性金属層の面積と等しく、前記第1強磁性金属層の膜厚が前記第2強磁性金属層の膜厚より厚く、
前記反強磁性スピン軌道トルク配線に通電することによって、前記磁化自由層の磁化の向きを変化させるスピン流磁化反転素子。 - 第1強磁性金属層と第2強磁性金属層と前記第1強磁性金属層及び前記第2強磁性金属層に挟持された第1非磁性層とによって構成されたシンセティック構造を有する磁化自由層と、前記シンセティック構造の積層方向である第1方向に対して交差する第2方向に延在し、前記第1強磁性金属層に接合する反強磁性スピン軌道トルク配線と、を備え、
前記第1強磁性金属層の膜厚が前記第2強磁性金属層の膜厚より薄く、前記第1強磁性金属層の面直方向から平面視したときの面積が、前記第2強磁性金属層の面直方向から平面視したときの面積より大きく、
前記反強磁性スピン軌道トルク配線に通電することによって、前記磁化自由層の磁化の向きを変化させるスピン流磁化反転素子。 - 前記反強磁性スピン軌道トルク配線は、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、As、Rh、Pd、Ir、Pt及びAuからなる群から選択された金属を含む反強磁性体、又は、前記金属を含む合金からなる反強磁性体からなる請求項1〜3のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記第1非磁性層は、Cr、Cu、Mo、Ru、Rh、Re及びIrのからなる群から選択された非磁性金属からなる請求項1〜4のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記反強磁性スピン軌道トルク配線はIrMnからなり、前記第1強磁性金属層及び前記第2強磁性金属層の磁化は共に前記第1方向に面直成分を有し、かつ、それらの面直成分が互いに反平行である請求項1〜5のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 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と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
前記第2強磁性金属層と前記磁化固定層とに挟持された第2非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子。 - 前記磁化固定層がシンセティック構造を有する請求項7に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項7又は8のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
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