JP7095434B2 - Spin current magnetoresistive element and magnetic memory - Google Patents

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本発明は、スピン流磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。 The present invention relates to a spin current magnetoresistive element and a magnetic memory.

強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子、及び、非磁性層に絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子が知られている。一般に、TMR素子は、GMR素子と比較して素子抵抗が高く、磁気抵抗(MR)比が大きい。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。 Giant magnetoresistive (GMR) elements consisting of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a non-magnetic layer, and tunnel magnetoresistive (TMR) elements using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the non-magnetic layer are known. There is. In general, a TMR element has a higher element resistance and a larger magnetoresistive (MR) ratio than a GMR element. Therefore, the TMR element is attracting attention as an element for a magnetic sensor, a high frequency component, a magnetic head, and a non-volatile random access memory (MRAM).

MRAMは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとTMR素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。MRAMの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み(磁化反転)を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク(STT)を利用して書き込み(磁化反転)を行う方式が知られている。 The MRAM reads and writes data by utilizing the characteristic that the element resistance of the TMR element changes when the direction of mutual magnetization of the two ferromagnetic layers sandwiching the insulating layer changes. As a writing method of MRAM, a method of writing (magnetization inversion) using a magnetic field created by a current or a method of writing (magnetization) using a spin transfer torque (STT) generated by passing a current in the stacking direction of a magnetoresistive element. A method of performing inversion) is known.

STTを用いたTMR素子の磁化反転はエネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるための反転電流密度が高い。 TMR素子の長寿命の観点から、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。 The magnetization reversal of the TMR element using STT is efficient from the viewpoint of energy efficiency, but the reversal current density for causing the magnetization reversal is high. From the viewpoint of long life of the TMR element, it is desirable that this inverting current density is low. This point is the same for the GMR element.

そこで近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている(例えば、非特許文献1)。このメカニズムはまだ十分には明らかになっていないが、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果が、スピン軌道トルク(SOT)を誘起し、磁化反転が生じると考えられている。純スピン流は上向きスピンの電子と、下向きスピン電子と、が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。 Therefore, in recent years, attention has been focused on magnetization reversal using a pure spin current generated by spin-orbit interaction as a means for reducing the reversal current (for example, Non-Patent Document 1). Although this mechanism has not been fully clarified yet, it is considered that the Rashba effect at the interface of pure spin current or dissimilar materials caused by spin-orbit interaction induces spin-orbit torque (SOT) and magnetization reversal occurs. Has been done. The pure spin current is created by the same number of upward spin electrons and downward spin electrons flowing in opposite directions, and the charge flow is offset. Therefore, the current flowing through the magnetoresistive element is zero, and it is expected that the life of the magnetoresistive element will be extended.

一方で、SOTを用いた磁化反転には、外部磁場を印加して磁化反転する磁化の対称性を乱す必要があると言われている。外部磁場を印加するためには磁場の発生源が必要である。磁場の発生源を別途設けることは、スピン流磁化反転素子を含む集積回路の集積度の低下につながる。そのため、外部磁場を印加せずにSOTを用いて磁化反転できる手法が求められている。例えば、特許文献1には、記録層の磁化容易軸が記録層内で不均一であり、記録層内に磁化容易軸の異なる複数の領域を備えた素子が記載されている。 On the other hand, it is said that in order to reverse the magnetization using SOT, it is necessary to apply an external magnetic field to disturb the symmetry of the magnetization that reverses the magnetization. A source of magnetic field is required to apply an external magnetic field. Providing a separate source for the magnetic field leads to a decrease in the degree of integration of the integrated circuit including the spin current magnetization reversing element. Therefore, there is a demand for a method that can reverse the magnetization by using SOT without applying an external magnetic field. For example, Patent Document 1 describes an element in which the easy-to-magnetize axis of the recording layer is non-uniform in the recording layer and the recording layer has a plurality of regions having different easy-to-magnetize axes.

国際公開第2016/021468号International Publication No. 2016/021468

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).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).

しかしながら、特許文献1に記載の磁気抵抗効果素子は、磁化固定層の磁化の影響が強く、記録層の磁化容易軸の方向を記録層内で充分不均一にすることができなかった。そのため、スピン軌道トルク(SOT)効果を用いた磁化反転による書込み効率を十分高めることができなかった。 However, the magnetoresistive element described in Patent Document 1 is strongly affected by the magnetization of the magnetization fixed layer, and the direction of the easy axis of magnetization of the recording layer cannot be sufficiently made non-uniform in the recording layer. Therefore, the writing efficiency by magnetization reversal using the spin-orbit torque (SOT) effect could not be sufficiently improved.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルク(SOT)効果を用いた磁化反転による書込み効率に優れたスピン流磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a spin current magnetoresistive element having excellent write efficiency by magnetization reversal using a spin-orbit torque (SOT) effect.

本発明者らは、磁気抵抗効果素子の各層の端部位置を規定し、第2強磁性金属層内の磁化容易軸の方向をより不均一にした。そして、データの書込み時の電流の一部を第2強磁性金属層内に分流し、第2強磁性金属層の磁化にスピントランスファートルクを与える、又は、磁壁の移動を利用することで、第2強磁性金属層の磁化を容易に反転できることを見出した。また、磁化容易軸が異なる領域(磁化の不均一を緩和する磁化緩和領域も含む)を、第1強磁性金属と重畳しないMR比への影響が少ない部分に設けることで、磁気抵抗効果素子のMR比の低下を抑制できることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The present inventors defined the position of the end of each layer of the magnetoresistive element, and made the direction of the easy axis of magnetization in the second ferromagnetic metal layer more non-uniform. Then, a part of the current at the time of writing the data is shunted into the second ferromagnetic metal layer to give a spin transfer torque to the magnetization of the second ferromagnetic metal layer, or by utilizing the movement of the magnetic domain wall. 2 We have found that the magnetization of the ferromagnetic metal layer can be easily reversed. In addition, by providing a region with a different easy axis of magnetization (including a magnetization relaxation region that alleviates the non-uniformity of magnetization) in a portion that does not overlap with the first ferromagnetic metal and has little effect on the MR ratio, the magnetoresistive element It was found that the decrease in MR ratio can be suppressed.
That is, the present invention provides the following means for solving the above problems.

(1)第1の態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子は、第1強磁性金属層と、磁化方向を変化できる第2強磁性金属層と、前記第1強磁性金属層及び前記第2強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第1の方向に延在し、前記第2強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記積層方向から見て、前記磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において、前記第1強磁性金属層の第1端部と前記第2強磁性金属層の第2端部との間に、前記非磁性層の第3端部が位置する。 (1) The spin current magnetic resistance effect element according to the first aspect includes a first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer capable of changing the magnetization direction, the first ferromagnetic metal layer, and the second strength. The magnetic resistance effect element having the non-magnetic layer sandwiched between the magnetic metal layers extends in the first direction intersecting the stacking direction of the magnetic resistance effect element, and extends to the second ferromagnetic metal layer. A spin orbit torque wiring to be joined is provided, and the first end portion of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer are provided on any side surface of the magnetic resistance effect element when viewed from the stacking direction. The third end portion of the non-magnetic layer is located between the second end portion and the second end portion of the non-magnetic layer.

(2)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記第1端部と前記第3端部との距離より長くてもよい。 (2) In the spin current magnetoresistive element according to the above aspect, the distance between the second end portion and the third end portion may be longer than the distance between the first end portion and the third end portion. ..

(3)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第1端部、前記第2端部及び前記第3端部が存在する側面が、前記磁気抵抗効果素子の前記第1の方向に位置してもよい。 (3) In the spin current magnetoresistive element according to the above aspect, the side surface where the first end portion, the second end portion, and the third end portion are present is in the first direction of the magnetic resistance effect element. It may be located.

(4)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより長くてもよい。 (4) In the spin-orbit magnetoresistive element according to the above aspect, the distance between the second end portion and the third end portion may be longer than the thickness of the spin-orbit torque wiring.

(5)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第1端部と前記第3端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより短くてもよい。 (5) In the spin-orbit magnetoresistive element according to the above aspect, the distance between the first end portion and the third end portion may be shorter than the thickness of the spin-orbit torque wiring.

(6)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より短くてもよい。 (6) In the spin current magnetic resistance effect element according to the above embodiment, the second ferromagnetism in a direction in which the distance between the second end portion and the third end portion is orthogonal to the first direction and the stacking direction. It may be shorter than the width of the metal layer.

(7)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第1端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より短くてもよい。 (7) In the spin current magnetic resistance effect element according to the above embodiment, the second ferromagnetism in a direction in which the distance between the first end portion and the third end portion is orthogonal to the first direction and the stacking direction. It may be shorter than the width of the metal layer.

(8)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より長くてもよい。 (8) In the spin current magnetic resistance effect element according to the above embodiment, the second ferromagnetism in a direction in which the distance between the second end portion and the third end portion is orthogonal to the first direction and the stacking direction. It may be longer than the width of the metal layer.

(9)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第1端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より長くてもよい。 (9) In the spin current magnetic resistance effect element according to the above embodiment, the second ferromagnetism in a direction in which the distance between the first end portion and the third end portion is orthogonal to the first direction and the stacking direction. It may be longer than the width of the metal layer.

(10)上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記磁気抵抗化素子の前記側面が、前記第1強磁性金属層から前記第2強磁性金属層に向かって前記積層方向に広がる傾斜面であってもよい。 (10) In the spin current magnetoresistive effect element according to the above aspect, the side surface of the magnetoresistive element is an inclined surface extending in the stacking direction from the first ferromagnetic metal layer toward the second ferromagnetic metal layer. It may be.

(11)第2の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子を複数備える。 (11) The magnetic memory according to the second aspect includes a plurality of spin current magnetoresistive elements according to the above aspect.

上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子及び磁気メモリによれば、スピン軌道トルク(SOT)効果を用いた磁化反転による書込み効率に優れたスピン流磁気抵抗効果素子が得られる。 According to the spin-orbit magnetoresistive element and the magnetic memory according to the above aspect, it is possible to obtain a spin-orbit magnetic resistance effect element having excellent write efficiency by magnetization reversal using the spin-orbit torque (SOT) effect.

本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the spin current magnetoresistive element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子をz方向から平面視した図である。It is a figure which looked at the plane view from the z direction of the spin current magnetoresistive element which concerns on this embodiment. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the spin Hall effect. z方向から見て磁気抵抗効果素子の各層の端部が同一位置に存在するスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。It is sectional drawing of the spin flow magnetoresistive element which the end part of each layer of the magnetoresistive effect exists at the same position when viewed from the z direction. 特許文献1に図示されたスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。It is sectional drawing of the spin current magnetoresistive element illustrated in Patent Document 1. 本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子をz方向から平面視した図である。It is a figure which looked at the plane view from the z direction of the spin current magnetoresistive element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の別の例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically another example of the spin current magnetoresistive element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の別の例をz方向から平面視した図である。It is a figure which looked at the plane view from the z direction another example of the spin current magnetoresistive element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の別の例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically another example of the spin current magnetoresistive element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る磁気メモリの一例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of the magnetic memory which concerns on this embodiment.

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。 Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following description, the featured portion may be enlarged for convenience in order to make the feature easy to understand, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited.

(スピン流磁気抵抗効果素子)
図1は、第1実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。第1実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子100は、磁気抵抗効果素子10と、スピン軌道トルク配線20とを有する。
(Spin magnetoresistive element)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a spin current magnetoresistive element according to the first embodiment. The spin-flow magnetoresistive element 100 according to the first embodiment has a magnetoresistive effect element 10 and a spin-orbit torque wiring 20.

以下、磁気抵抗効果素子10の積層方向をz方向とし、スピン軌道トルク配線20が延在する第1の方向をx方向とする。また、z方向及びx方向のいずれにも直交する第2の方向をy方向とする。 Hereinafter, the laminating direction of the magnetoresistive element 10 is defined as the z direction, and the first direction in which the spin-orbit torque wiring 20 extends is defined as the x direction. Further, the second direction orthogonal to both the z direction and the x direction is defined as the y direction.

<磁気抵抗効果素子>
磁気抵抗効果素子10は、第1強磁性金属層1と、磁化方向が変化する第2強磁性金属層2と、第1強磁性金属層1及び第2強磁性金属層2に挟持された非磁性層3とを有する。第1強磁性金属層1の磁化M1は、第2強磁性金属層2の磁化M2に対して相対的に固定されている。
<Magnetic resistance effect element>
The magnetic resistance effect element 10 is a non-ferromagnetic metal layer 1 sandwiched between a first ferromagnetic metal layer 1, a second ferromagnetic metal layer 2 whose magnetization direction changes, a first ferromagnetic metal layer 1 and a second ferromagnetic metal layer 2. It has a magnetic layer 3. The magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1 is fixed relative to the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2.

磁気抵抗効果素子10は、第1強磁性金属層1の磁化M1と、第2強磁性金属層2の磁化M2との向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型(擬似スピンバルブ型;Pseudo spin valve 型)のMRAMに適用する場合には、磁気抵抗効果素子10の第1強磁性金属層1の保磁力を第2強磁性金属層2の保磁力よりも大きくする。交換バイアス型(スピンバルブ;spin valve型)のMRAMを磁気抵抗効果素子10に適用する場合には、磁気抵抗効果素子10における第1強磁性金属層1の磁化M1を、反強磁性層との交換結合によって固定する。 The magnetoresistive effect element 10 functions by relatively changing the orientation of the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1 and the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2. When applied to a coercive force difference type (pseudo spin valve type) MRAM, the coercive force of the first ferromagnetic metal layer 1 of the magnetic resistance effect element 10 is retained by the second ferromagnetic metal layer 2. Make it larger than the magnetic force. When an exchange bias type (spin valve type) MRAM is applied to the magnetic resistance effect element 10, the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1 in the magnetic resistance effect element 10 is referred to as an antiferromagnetic layer. Fixed by exchange coupling.

磁気抵抗効果素子10は、非磁性層3が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子であり、非磁性層3が金属からなる場合は巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子である。 The magnetic resistance effect element 10 is a tunneling magnetoresistance (TMR) element when the non-magnetic layer 3 is made of an insulator, and a giant magnetoresistance (GMR) when the non-magnetic layer 3 is made of metal. ) It is an element.

磁気抵抗効果素子10の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第1強磁性金属層1の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第1強磁性金属層1は固定層や参照層、第2強磁性金属層2は自由層や記憶層などと呼ばれる。 As the laminated structure of the magnetoresistive element 10, a known laminated structure of the magnetoresistive element can be adopted. For example, each layer may be composed of a plurality of layers, or may be provided with another layer such as an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the first ferromagnetic metal layer 1. The first ferromagnetic metal layer 1 is called a fixed layer or a reference layer, and the second ferromagnetic metal layer 2 is called a free layer or a storage layer.

図1に示す磁気抵抗効果素子10は、第1強磁性金属層1のxの方向における第1端部e1と、第2強磁性金属層2のx方向における第2端部e2との間に、非磁性層3のx方向における第3端部e3が位置する。 The magnetoresistive sensor 10 shown in FIG. 1 is located between the first end portion e1 of the first ferromagnetic metal layer 1 in the x direction and the second end portion e2 of the second ferromagnetic metal layer 2 in the x direction. , The third end e3 of the non-magnetic layer 3 in the x direction is located.

図1では、磁気抵抗効果素子10のx方向の両側面において、第1端部e1、第2端部e2及び第3端部e3が当該関係を満たしている。これらの関係は、磁気抵抗効果素子10のx方向の一側面において当該関係を満たしていればよいが、書き込み電流の流れ方向前方の側面において当該関係を満たすことが特に好ましい。図2は、第1実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子をz方向から見た図である。図2(a)は、図1のスピン流磁気抵抗効果素子100をz方向から見た図である。図2(b)及び(c)は別の例にかかるスピン流磁気抵抗効果素子をz方向から見た図である。 In FIG. 1, the first end portion e1, the second end portion e2, and the third end portion e3 satisfy the relationship on both side surfaces of the magnetoresistive effect element 10 in the x direction. These relationships may be satisfied on one side surface of the magnetoresistive element 10 in the x direction, but it is particularly preferable that the relationship is satisfied on the side surface in front of the flow direction of the write current. FIG. 2 is a view of the spin current magnetoresistive element according to the first embodiment as viewed from the z direction. FIG. 2A is a view of the spin current magnetoresistive element 100 of FIG. 1 as viewed from the z direction. 2 (b) and 2 (c) are views of the spin current magnetoresistive element according to another example as viewed from the z direction.

磁気抵抗効果素子10を構成する各層(第1強磁性金属層1、第2強磁性金属層2、非磁性層3)の端部(第1端部e1、第2端部e2、第3端部e3)が当該関係を満たすと、第2強磁性金属層2に磁気異方性の異なる3つの領域が形成される。 The ends (first end e1, second end e2, third end) of each layer (first ferromagnetic metal layer 1, second ferromagnetic metal layer 2, non-magnetic layer 3) constituting the magnetoresistive effect element 10. When the part e3) satisfies the relationship, three regions having different magnetic anisotropies are formed in the second ferromagnetic metal layer 2.

第2強磁性金属層2の第1領域A1は、第1強磁性金属層1と対向する領域である。第1領域A1の磁化M21は、第1強磁性金属層1の磁化M1の影響を受けてz方向に強い磁気異方性を有する。 The first region A1 of the second ferromagnetic metal layer 2 is a region facing the first ferromagnetic metal layer 1. The magnetization M21 of the first region A1 has a strong magnetic anisotropy in the z direction under the influence of the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1.

第2強磁性金属層2の第2領域A2は、非磁性層3とスピン軌道トルク配線20とに挟まれ、z方向から見て第1強磁性金属層1と重ならない領域である。第2領域A2の磁化M22は、非磁性層3とスピン軌道トルク配線20とに挟まれることで、これらとの界面の影響を受けてz方向に磁気異方性を持つ。ただし、第2領域A2の磁気異方性の強さは、第1強磁性金属層1の磁化M1が対向して存在していない分、第1領域A1より弱い。 The second region A2 of the second ferromagnetic metal layer 2 is a region sandwiched between the non-magnetic layer 3 and the spin-orbit torque wiring 20 and does not overlap with the first ferromagnetic metal layer 1 when viewed from the z direction. The magnetization M22 in the second region A2 is sandwiched between the non-magnetic layer 3 and the spin-orbit torque wiring 20, and is affected by the interface between them and has magnetic anisotropy in the z direction. However, the strength of the magnetic anisotropy of the second region A2 is weaker than that of the first region A1 because the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1 does not exist opposite to each other.

第2強磁性金属層2の第3領域A3は、z方向から見て第1強磁性金属層1及び非磁性層3と重ならない領域である。第2強磁性金属層2の第1領域A1及び第2領域A2の磁化M21,M22は、スピン流磁気抵抗効果素子100をアニールし、非磁性層3の結晶構造の影響を第2強磁性金属層2に与えることで、z方向に配向する。これに対し、第3領域A3の磁化M23は、z方向に積層される層がない。その結果、第3領域A3には垂直磁気異方性が付与されない。つまり、磁化M23はz方向に配向せず、極端にはxy方向に面内配向する。 The third region A3 of the second ferromagnetic metal layer 2 is a region that does not overlap with the first ferromagnetic metal layer 1 and the non-magnetic layer 3 when viewed from the z direction. The magnetizations M21 and M22 of the first region A1 and the second region A2 of the second ferromagnetic metal layer 2 annealed the spin current magnetoresistive element 100, and the influence of the crystal structure of the non-magnetic layer 3 was influenced by the second ferromagnetic metal. By giving to layer 2, it is oriented in the z direction. On the other hand, the magnetization M23 in the third region A3 does not have a layer laminated in the z direction. As a result, vertical magnetic anisotropy is not imparted to the third region A3. That is, the magnetization M23 is not oriented in the z direction, but is extremely in-plane oriented in the xy direction.

このように第2強磁性金属層2は、磁化容易軸の異なる3つの領域をもつ。3つの領域の垂直磁気異方性は、第1領域A1、第2領域A2、第3領域A3の順で強い。また、3つの領域の面内磁気異方性は、第3領域A3、第2領域A2、第1領域A1の順で面内磁気異方性が強い。第2強磁性金属層2内に磁気異方性の異なる領域が存在すると、第2強磁性金属層2の磁化M2の磁化反転が容易になる。この理由については、後述する。 As described above, the second ferromagnetic metal layer 2 has three regions having different axes of easy magnetization. The vertical magnetic anisotropy of the three regions is stronger in the order of the first region A1, the second region A2, and the third region A3. As for the in-plane magnetic anisotropy of the three regions, the in-plane magnetic anisotropy is stronger in the order of the third region A3, the second region A2, and the first region A1. When regions having different magnetic anisotropies exist in the second ferromagnetic metal layer 2, the magnetization reversal of the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 becomes easy. The reason for this will be described later.

第1強磁性金属層1の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Co-FeやCo-Fe-Bなどが挙げられる。 As the material of the first ferromagnetic metal layer 1, known materials can be used. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni and an alloy containing one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. Also, alloys containing these metals and at least one or more elements of B, C, and N can be used. Specific examples thereof include Co-Fe and Co-Fe-B.

また、より高い出力を得るためにはCoFeSi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、XYZの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属又はXの元素種であり、Zは、III族からV族の典型元素である。例えば、CoFeSi、CoMnSiやCoMn1-aFeAlSi1-bなどが挙げられる。 Further, in order to obtain a higher output, it is preferable to use a Whistler alloy such as Co 2 FeSi. The Whisler alloy contains an intermetallic compound with a chemical composition of X 2 YZ, where X is a Co, Fe, Ni or Cu group transition metal element or noble metal element on the periodic table, where Y is Mn, V. , Cr or a transition metal of Group Ti or an elemental species of X, and Z is a typical element of Group III to Group V. For example, Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b and the like can be mentioned.

また、第1強磁性金属層1の第2強磁性金属層2に対する保磁力をより大きくするために、第1強磁性金属層1の第2強磁性金属層2と反対側の面にIrMn,PtMnなどの反強磁性材料を積層してもよい。第1強磁性金属層1の漏れ磁場を第2強磁性金属層2に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。 Further, in order to increase the coercive force of the first ferromagnetic metal layer 1 with respect to the second ferromagnetic metal layer 2, IrMn, the surface of the first ferromagnetic metal layer 1 opposite to the second ferromagnetic metal layer 2 is formed. Antiferromagnetic materials such as PtMn may be laminated. In order to prevent the leakage magnetic field of the first ferromagnetic metal layer 1 from affecting the second ferromagnetic metal layer 2, the structure may be a synthetic ferromagnetic coupling.

さらに第1強磁性金属層1の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、CoとPtの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第1強磁性金属層1は、非磁性層3側から順にFeB(1.0nm)/Ta(0.2nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]とすることができる。 Further, when the direction of magnetization of the first ferromagnetic metal layer 1 is perpendicular to the laminated surface, it is preferable to use a laminated film of Co and Pt. Specifically, the first ferromagnetic metal layer 1 has FeB (1.0 nm) / Ta (0.2 nm) / [Pt (0.16 nm) / Co (0.16 nm)] in order from the non-magnetic layer 3 side. It can be 4 / Ru (0.9 nm) / [Co (0.24 nm) / Pt (0.16 nm)] 6 .

第2強磁性金属層2の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Feが挙げられる。例えばCoFeBは、単体では面内磁気異方性を示し、非磁性層3とスピン軌道トルク配線20との間に挟まれると垂直磁気異方性を示す。 As the material of the second ferromagnetic metal layer 2, a ferromagnetic material, particularly a soft magnetic material can be applied. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, these metals and at least one or more elements of B, C and N are contained. It is possible to use an alloy or the like. Specific examples thereof include Co—Fe, Co—Fe—B, and Ni—Fe. For example, CoFeB shows in-plane magnetic anisotropy by itself, and shows vertical magnetic anisotropy when sandwiched between the non-magnetic layer 3 and the spin-orbit torque wiring 20.

非磁性層3には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層3が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al、SiO、MgO、及び、MgAl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MgAlはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
非磁性層3が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
A known material can be used for the non-magnetic layer 3.
For example, when the non-magnetic layer 3 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , and the like can be used as the material. In addition to these, a material in which a part of Al, Si, and Mg is replaced with Zn, Be, or the like can also be used. Among these, MgO and MgAl2O4 are materials that can realize a coherent tunnel, so that spin can be efficiently injected.
When the non-magnetic layer 3 is made of metal, Cu, Au, Ag or the like can be used as the material.

磁気抵抗効果素子10は、その他の層を有していてもよい。例えば、第2強磁性金属層2の非磁性層3と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第1強磁性金属層1の非磁性層3と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。 The magnetoresistive sensor 10 may have another layer. For example, the base layer may be provided on the surface of the second ferromagnetic metal layer 2 opposite to the non-magnetic layer 3, or the surface of the first ferromagnetic metal layer 1 opposite to the non-magnetic layer 3 may be capped. It may have a layer.

スピン軌道トルク配線20と磁気抵抗効果素子10との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線20から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が100nm以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。 It is preferable that the layer disposed between the spin-orbit torque wiring 20 and the magnetoresistive effect element 10 does not dissipate the spin propagating from the spin-orbit torque wiring 20. For example, it is known that silver, copper, magnesium, aluminum and the like have a long spin diffusion length of 100 nm or more, and spin is difficult to dissipate.

この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線20から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子10に十分伝えることができる。 The thickness of this layer is preferably equal to or less than the spin diffusion length of the substance constituting the layer. When the thickness of the layer is equal to or less than the spin diffusion length, the spin propagating from the spin-orbit torque wiring 20 can be sufficiently transmitted to the magnetoresistive element 10.

<スピン軌道トルク配線>
スピン軌道トルク配線20は、x方向に延在する。スピン軌道トルク配線20は、第2強磁性金属層2のz方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線20は、第2強磁性金属層2に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
<Spin-orbit torque wiring>
The spin-orbit torque wiring 20 extends in the x direction. The spin-orbit torque wiring 20 is connected to one surface of the second ferromagnetic metal layer 2 in the z direction. The spin-orbit torque wiring 20 may be directly connected to the second ferromagnetic metal layer 2 or may be connected via another layer.

スピン軌道トルク配線20は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線20中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
The spin-orbit torque wiring 20 is made of a material in which a pure spin current is generated by the spin Hall effect when a current flows. As such a material, a material having a configuration in which a pure spin current is generated in the spin-orbit torque wiring 20 is sufficient. Therefore, the material is not limited to a single element, and may be a portion composed of a material in which a pure spin current is generated and a portion composed of a material in which a pure spin current is not generated.
The spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is passed through the material.

図3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3は、図1に示すスピン軌道トルク配線20をx方向に沿って切断した断面図である。図3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。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect. FIG. 3 is a cross-sectional view of the spin-orbit torque wiring 20 shown in FIG. 1 cut along the x direction. The mechanism by which a pure spin current is generated by the spin Hall effect will be described with reference to FIG.

図3に示すように、スピン軌道トルク配線20の延在方向に電流Iを流すと、紙面奥側に配向した第1スピンS1と紙面手前側に配向した第2スピンS2はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動(移動)する電荷(電子)が運動(移動)方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。 As shown in FIG. 3, when a current I is passed in the extending direction of the spin-orbit torque wiring 20, the first spin S1 oriented toward the back side of the paper surface and the second spin S2 oriented toward the front side of the paper surface are orthogonal to the current, respectively. Can be bent in the direction. The normal Hall effect and the spin Hall effect are common in that the moving (moving) charge (electron) can bend the moving (moving) direction, but in the normal Hall effect, the charged particles moving in a magnetic field exert Lorentz force. In contrast to the spinhole effect, which receives and bends the direction of motion, the spinhole effect is significantly different in that the direction of movement is bent only by the movement of electrons (only the flow of electric current) even though there is no magnetic field.

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。 In a non-magnetic material (material that is not a ferromagnetic material), the number of electrons in the first spin S1 and the number of electrons in the second spin S2 are equal, so the number of electrons in the first spin S1 going up and the number of electrons in the second spin S2 in the figure are downward. The number of electrons in the second spin S2 heading is equal. Therefore, the current as a net flow of charge is zero. This spin current without an electric current is particularly called a pure spin current.

強磁性体中に電流を流した場合は、第1スピンS1と第2スピンS2が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第1スピンS1と第2スピンS2のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう(電圧が発生してしまう)点が異なる。従って、スピン軌道トルク配線20の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。 When a current is passed through the ferromagnet, the first spin S1 and the second spin S2 are bent in opposite directions at the same point. On the other hand, in the ferromagnet, either the first spin S1 or the second spin S2 is in a large state, and as a result, a net flow of electric charge is generated (voltage is generated). Therefore, the material of the spin-orbit torque wiring 20 does not include a material made of only a ferromagnet.

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Jと表すと、J=J-Jで定義される。図3においては、純スピン流としてJが図中の上方向に流れる。ここで、Jは分極率が100%の電子の流れである。 Here, if the electron flow of the first spin S1 is expressed as J , the electron flow of the second spin S2 is expressed as J , and the spin flow is expressed as J S , it is defined as J S = J −J . In FIG. 3, JS flows upward in the figure as a pure spin current. Here, JS is a flow of electrons having a polarizability of 100%.

図1において、スピン軌道トルク配線20の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。すなわち、磁気抵抗効果素子10にスピンが注入される。 In FIG. 1, when a ferromagnet is brought into contact with the upper surface of the spin-orbit torque wiring 20, the pure spin current diffuses into the ferromagnet and flows into the ferromagnet. That is, spin is injected into the magnetoresistive element 10.

スピン軌道トルク配線20は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線20は、非磁性の重金属だけからなってもよい。 The spin-orbit torque wiring 20 may contain non-magnetic heavy metals. Here, the heavy metal is used to mean a metal having a specific density equal to or higher than that of yttrium. The spin-orbit torque wiring 20 may be made of only a non-magnetic heavy metal.

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。スピン軌道トルク配線20は、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。 In this case, the non-magnetic heavy metal is preferably a non-magnetic metal having a d-electron or an f-electron in the outermost shell and having an atomic number of 39 or more and a large atomic number. This is because such a non-magnetic metal has a large spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect. The spin-orbit torque wiring 20 may be made of only a non-magnetic metal having an atomic number 39 or higher and having a d-electron or an f-electron in the outermost shell and having a large atomic number.

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。これに対して、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、純スピン流Jが発生しやすい。 Normally, when a current is passed through a metal, all electrons move in the opposite direction of the current, regardless of the direction of their spin. On the other hand, in a non-magnetic metal having a d-electron or an f-electron in the outermost shell and having a large atomic number, the direction of electron movement depends on the direction of electron spin due to the spin Hall effect. A non-magnetic metal having a large atomic number has a large spin-orbit interaction, and a pure spin current J s is likely to occur.

また、スピン軌道トルク配線20は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線20に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線20は、反強磁性金属だけからなってもよい。 Further, the spin-orbit torque wiring 20 may contain magnetic metal. The magnetic metal refers to a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. This is because when the non-magnetic metal contains a small amount of magnetic metal, the spin-orbit interaction is enhanced, and the spin-orbit generation efficiency with respect to the current flowing through the spin-orbit torque wiring 20 can be increased. The spin-orbit torque wiring 20 may be made of only antiferromagnetic metal.

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。そのため、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スピン軌道トルク配線における純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は3%以下であることが好ましい。 The spin-orbit interaction is caused by the inherent internal field of the material of the spin-orbit torque wiring material. Therefore, a pure spin current is generated even in a non-magnetic material. When a small amount of magnetic metal is added to the spin-orbit torque wiring material, the spin current generation efficiency is improved because the electron spins flowing by the magnetic metal itself are scattered. However, if the amount of the magnetic metal added is too large, the generated pure spin current is scattered by the added magnetic metal, and as a result, the effect of reducing the spin current becomes stronger. Therefore, it is preferable that the molar ratio of the added magnetic metal is sufficiently smaller than the molar ratio of the main component of the pure spin generator in the spin-orbit torque wiring. As a guide, the molar ratio of the added magnetic metal is preferably 3% or less.

また、スピン軌道トルク配線20は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線20は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成することができる。 Further, the spin-orbit torque wiring 20 may include a topological insulator. The spin-orbit torque wiring 20 may consist of only a topological insulator. The topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistance substance, but a metal state in which spin polarization occurs on the surface thereof. Matter has something like an internal magnetic field called spin-orbit interaction. Therefore, a new topological phase appears due to the effect of spin-orbit interaction even in the absence of an external magnetic field. This is a topological insulator, and a pure spin current can be generated with high efficiency due to strong spin-orbit interaction and breaking of inversion symmetry at the edge.

トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe,BiTe,(Bi1-xSbTe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。 As the topological insulator, for example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , (Bi 1-x Sb x ) 2 Te 3 and the like are preferable. These topological insulators can generate spin currents with high efficiency.

スピン流磁気抵抗効果素子100は、磁気抵抗効果素子10とスピン軌道トルク配線20以外の構成要素を有していてもよい。例えば、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Si、AlTiC等を用いることができる。 The spin-orbit magnetoresistive element 100 may have components other than the magnetoresistive effect element 10 and the spin-orbit torque wiring 20. For example, it may have a substrate or the like as a support. The substrate is preferably excellent in flatness, and for example, Si, AlTiC or the like can be used as the material.

(スピン流磁気抵抗効果素子の動作)
図1を基に、スピン流磁気抵抗効果素子100の書込み動作について説明する。スピン流磁気抵抗効果素子100にデータを書き込む際には、スピン軌道トルク配線20に電流Iを流す。z方向から見て磁気抵抗効果素子10と重なる部分において、スピン軌道トルク配線20を流れる電流Iは、第1電流I20と第2電流Iに分流する。
(Operation of spin current magnetoresistive element)
The writing operation of the spin current magnetoresistive element 100 will be described with reference to FIG. When writing data to the spin-orbit magnetoresistive element 100, a current I is passed through the spin-orbit torque wiring 20. The current I flowing through the spin-orbit torque wiring 20 is shunted into the first current I 20 and the second current I 2 at the portion overlapping the magnetoresistive effect element 10 when viewed from the z direction.

第1電流I20は、スピン軌道トルク配線20内を流れる。第1電流I20は、上述のように純スピン流を生み出し、一方向に配向したスピンを第2強磁性金属層2に注入する。注入されたスピンは、第1領域A1の磁化M21にスピン軌道トルク(SOT)を与える。 The first current I 20 flows in the spin-orbit torque wiring 20. The first current I 20 produces a pure spin current as described above and injects unidirectionally oriented spins into the second ferromagnetic metal layer 2. The injected spin imparts spin-orbit torque (SOT) to the magnetization M21 in the first region A1.

一方で、第2電流Iは、第2強磁性金属層2内を流れる。第2電流Iは、磁化容易軸の異なる第3領域A3、第2領域A2、第1領域A1の順に、磁化方向が異なる領域を貫通する方向に流れる。すなわち、STT型の磁気抵抗効果素子の書込み電流と同じ電流の流れが形成される。つまり、第2電流Iは、第3領域A3を通過する際にスピン偏極される。このスピン偏極された第2電流Iは、第2領域A2の磁化M22及び第1領域A1の磁化M21にスピントランスファートルク(STT)を与える。 On the other hand, the second current I 2 flows in the second ferromagnetic metal layer 2. The second current I 2 flows in the order of passing through the regions having different magnetization directions in the order of the third region A3, the second region A2, and the first region A1 having different magnetization easy axes. That is, the same current flow as the write current of the STT type magnetoresistive element is formed. That is, the second current I 2 is spin-polarized as it passes through the third region A3. The spin-polarized second current I 2 applies spin transfer torque (STT) to the magnetization M22 in the second region A2 and the magnetization M21 in the first region A1.

ここで、第2領域A2の磁化M22の垂直磁気異方性は、第1領域A1の磁化M21の垂直磁気異方性より弱い。換言すると、第2領域A2の磁化M22は、第1領域A1の磁化M21より磁化反転しやすい。そのため、まず第2領域A2の磁化M22をSTT及びSOTにより反転させ、その影響を第1領域A1の磁化M21に伝搬させることで、より容易に第1領域A1の磁化M21を磁化反転させることができる。第2強磁性金属層2のx方向の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、この現象は磁壁移動として確認できる。第2強磁性金属層2のx方向の大きさが磁壁を形成できる大きさよりも小さい場合でも、ミクロには同様の現象が生じており、同様の効果が得られる。 Here, the vertical magnetic anisotropy of the magnetization M22 in the second region A2 is weaker than the vertical magnetic anisotropy of the magnetization M21 in the first region A1. In other words, the magnetization M22 in the second region A2 is more likely to reverse the magnetization than the magnetization M21 in the first region A1. Therefore, it is possible to more easily reverse the magnetization M21 of the first region A1 by first inverting the magnetization M22 of the second region A2 by STT and SOT and propagating the influence to the magnetization M21 of the first region A1. can. When the size of the second ferromagnetic metal layer 2 in the x direction is large enough to form a domain wall, this phenomenon can be confirmed as the domain wall movement. Even when the size of the second ferromagnetic metal layer 2 in the x direction is smaller than the size that can form the domain wall, the same phenomenon occurs microscopically, and the same effect can be obtained.

図4は、z方向から見て磁気抵抗効果素子の各層の端部が同一位置に存在するスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図4に示すスピン流磁気抵抗効果素子101は、磁気抵抗効果素子10Aと、スピン軌道トルク配線20とを備える。磁気抵抗効果素子10Aは、第1強磁性金属層11の第1端部e11、第2強磁性金属層12の第2端部e12及び非磁性層13の第3端部e13のx方向の位置が一致している。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a spin current magnetoresistive element in which the ends of each layer of the magnetoresistive element are present at the same position when viewed from the z direction. The spin-flow magnetoresistive element 101 shown in FIG. 4 includes a magnetoresistive effect element 10A and a spin-orbit torque wiring 20. The magnetoresistive sensor 10A is located at the x-direction of the first end portion e11 of the first ferromagnetic metal layer 11, the second end portion e12 of the second ferromagnetic metal layer 12, and the third end portion e13 of the non-magnetic layer 13. Are in agreement.

図4に示すスピン流磁気抵抗効果素子101の第2強磁性金属層12の磁化容易軸は、面内で均一である。そのため第2強磁性金属層12内を第2電流Iが流れても、STTを第2強磁性金属層12の磁化M2に与えることができない。 The easy axis of magnetization of the second ferromagnetic metal layer 12 of the spin current magnetoresistive element 101 shown in FIG. 4 is uniform in the plane. Therefore, even if the second current I 2 flows in the second ferromagnetic metal layer 12, STT cannot be given to the magnetization M 2 of the second ferromagnetic metal layer 12.

また図5は、特許文献1に図示されたスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図5に示すスピン流磁気抵抗効果素子102は、磁気抵抗効果素子10Bと、スピン軌道トルク配線20と、を備える。磁気抵抗効果素子10Bは、非磁性層23の第3端部e23と、第1強磁性金属層21の第1端部e21とが一致し、第2強磁性金属層22の第2端部e22がx方向に突出している。 Further, FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the spin current magnetoresistive element shown in Patent Document 1. The spin-flow magnetoresistive element 102 shown in FIG. 5 includes a magnetoresistive effect element 10B and a spin-orbit torque wiring 20. In the magnetoresistive effect element 10B, the third end portion e23 of the non-magnetic layer 23 and the first end portion e21 of the first ferromagnetic metal layer 21 coincide with each other, and the second end portion e22 of the second ferromagnetic metal layer 22 Protrudes in the x direction.

図5に示す磁気抵抗効果素子10Bの第2強磁性金属層22には、2つの領域が形成される。第1領域A11は、第1強磁性金属層1と対向する領域である。第1領域A11は、図1における第1領域A1と対応する。第2領域A12は、z方向から見て第1強磁性金属層21及び非磁性層23と重ならない領域である。第2領域A12は、図1における第3領域A3と対応する。 Two regions are formed in the second ferromagnetic metal layer 22 of the magnetoresistive element 10B shown in FIG. The first region A11 is a region facing the first ferromagnetic metal layer 1. The first region A11 corresponds to the first region A1 in FIG. The second region A12 is a region that does not overlap with the first ferromagnetic metal layer 21 and the non-magnetic layer 23 when viewed from the z direction. The second region A12 corresponds to the third region A3 in FIG.

図5に示すスピン流磁気抵抗効果素子102も、図1に示すスピン流磁気抵抗効果素子100と同様に、第2強磁性金属層2の磁化M21にSTTとSOTを与えることができる。しかしながら、スピン流磁気抵抗効果素子102は、図1における第2領域A2に対応する領域を有さない。そのため第2領域A2の磁化M22影響を伝播させることができず、図1に示すスピン流磁気抵抗効果素子100ほどの書込み効率を実現することができない。 The spin current magnetoresistive sensor 102 shown in FIG. 5 can also impart STT and SOT to the magnetization M21 of the second ferromagnetic metal layer 2 in the same manner as the spin current magnetic resistance effect element 100 shown in FIG. However, the spin current magnetoresistive element 102 does not have a region corresponding to the second region A2 in FIG. Therefore, the influence of the magnetization M22 in the second region A2 cannot be propagated, and the writing efficiency of the spin current magnetoresistive element 100 shown in FIG. 1 cannot be realized.

このように本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子100によれば、第2強磁性金属層2の磁化M2をSOT及びSTTを利用して磁化反転できる。また第2強磁性金属層2内に磁化容易軸の異なる3つの領域を形成することで、磁化反転しやすい部分から順に磁化反転を行うことができる。すなわち、本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子100によれば、第2強磁性金属層2の磁化M2をより容易に磁化反転させることができ、データの書込み効率を高めることができる。 As described above, according to the spin magnetoresistive element 100 according to the present embodiment, the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 can be magnetized and inverted by using SOT and STT. Further, by forming three regions having different magnetization easy axes in the second ferromagnetic metal layer 2, the magnetization reversal can be performed in order from the portion where the magnetization reversal is likely to occur. That is, according to the spin current magnetoresistive element 100 according to the present embodiment, the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 can be more easily reversed, and the data writing efficiency can be improved.

このように本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子100によれば、無磁場磁化反転を行うことができる。第2強磁性金属層2内に磁化容易軸の異なる3つの領域を形成することで、それぞれの磁化反転に優位な特性を利用することができる。例えば、注入されるスピンの向きと、磁化容易軸の向きのなす角が平行の場合、無磁場磁化反転を可能とする。一方で、注入されるスピンの向きと、磁化容易軸の向きのなす角が直角の場合、アンチダンピング効果により高速磁化反転を可能とする。すなわち、第2強磁性金属層2内に磁化容易軸の異なる3つの領域を形成することで、無磁場で高速の磁化反転を行うことができる。 As described above, according to the spin current magnetoresistive element 100 according to the present embodiment, the magnetic field non-magnetic field magnetization reversal can be performed. By forming three regions having different easy-to-magnetize axes in the second ferromagnetic metal layer 2, it is possible to utilize the characteristics superior to the respective magnetization reversals. For example, when the direction of the injected spin and the angle formed by the direction of the easy axis of magnetization are parallel, non-magnetic field magnetization reversal is possible. On the other hand, when the angle between the direction of the injected spin and the direction of the easy axis of magnetization is right angle, high-speed magnetization reversal is possible by the anti-dumping effect. That is, by forming three regions having different easy-to-magnetize axes in the second ferromagnetic metal layer 2, high-speed magnetization reversal can be performed without a magnetic field.

また第2強磁性金属層2の第1領域A1の磁化M2をより容易に磁化反転させるためには、スピン流磁気抵抗効果素子100の各構成は以下の関係を有することが好ましい。 Further, in order to more easily reverse the magnetization M2 of the first region A1 of the second ferromagnetic metal layer 2, it is preferable that each configuration of the spin current magnetoresistive element 100 has the following relationship.

非磁性層3の第3端部e3と第2強磁性金属層2の第2端部e2との距離D1(第3領域A3のx方向の幅)は、第1強磁性金属層1の第1端部e1と第3端部e3との距離D2(第2領域A2のx方向の幅)より長いことが好ましい。また距離D1はスピン軌道トルク配線の厚さTより長いことが好ましく、距離D2はスピン軌道トルク配線の厚さTより短いことが好ましい。 The distance D1 (width in the x direction of the third region A3) between the third end portion e3 of the non-magnetic layer 3 and the second end portion e2 of the second ferromagnetic metal layer 2 is the first of the first ferromagnetic metal layer 1. It is preferably longer than the distance D2 (width in the x direction of the second region A2) between the first end portion e1 and the third end portion e3. Further, the distance D1 is preferably longer than the thickness T of the spin-orbit torque wiring, and the distance D2 is preferably shorter than the thickness T of the spin-orbit torque wiring.

第2領域A2の磁化M22が磁化反転すると、その影響は第1領域A1の磁化M21へと伝搬する。第2領域A2の磁化M22の総量に限らず、この影響の伝搬は生じる。そのため、第2領域A2のx方向の幅は、短いことが好ましい。これに対し、第3領域A3は、第2電流Iを充分スピン偏極させる必要がある。そのため、第3領域A3は、ある程度の長さが必要である。距離D1と距離D2が上記関係を満たすと、充分スピン偏極した第2電流Iを第1領域A1に流すことができ、かつ、第2領域A2の磁化M22の影響を第1領域A1の磁化M21に伝えることができる。 When the magnetization M22 in the second region A2 is magnetized and inverted, the effect propagates to the magnetization M21 in the first region A1. Propagation of this effect occurs regardless of the total amount of magnetization M22 in the second region A2. Therefore, the width of the second region A2 in the x direction is preferably short. On the other hand, in the third region A3, it is necessary to sufficiently spin-polarize the second current I 2 . Therefore, the third region A3 needs to have a certain length. When the distance D1 and the distance D2 satisfy the above relationship, a sufficiently spin-polarized second current I 2 can be passed through the first region A1, and the influence of the magnetization M22 of the second region A2 is exerted on the first region A1. It can be transmitted to the magnetization M21.

また第2領域A2は、第1領域A1の磁化M21と第3領域A3の磁化M23の磁気異方性の違いを緩和する領域である。すなわち、第2領域A2は磁壁として存在するとみなすこともできる。磁壁の幅は、一般に20nm程度と言われている。これに対し、第2領域A2の幅(第1端部e1と第3端部e3との距離D2)は、20nm以下でも磁気異方性の違いを緩和できる。第1領域A1、第2領域A2、第3領域A3の磁気異方性は、z方向に積層される各層の影響を強く受けて配向しているためである。 The second region A2 is a region that alleviates the difference in magnetic anisotropy between the magnetization M21 of the first region A1 and the magnetization M23 of the third region A3. That is, the second region A2 can also be regarded as existing as a domain wall. The width of the domain wall is generally said to be about 20 nm. On the other hand, the width of the second region A2 (distance D2 between the first end portion e1 and the third end portion e3) can alleviate the difference in magnetic anisotropy even if it is 20 nm or less. This is because the magnetic anisotropy of the first region A1, the second region A2, and the third region A3 is strongly influenced by the layers laminated in the z direction and oriented.

つまり本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子100は、磁壁の幅(第2領域A2の幅、第1端部e1と第3端部e3との距離D2)の短い素子とも言える。磁壁の存在は、磁化反転には有利に働くが、MR比には悪影響を及ぼす。磁壁の幅を短くすることで、磁化反転しやすく、MR比に優れるスピン流磁気抵抗効果素子100を実現できる。 That is, it can be said that the spin current magnetoresistive element 100 according to the present embodiment is an element having a short domain wall width (width of the second region A2, distance D2 between the first end portion e1 and the third end portion e3). The presence of the domain wall favors magnetization reversal, but adversely affects the MR ratio. By shortening the width of the domain wall, it is possible to realize the spin current magnetoresistive element 100 which is easy to reverse the magnetization and has an excellent MR ratio.

また図6は、本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子100をz方向から平面視した図である。図6(a)は、第2端部e2と第3端部e3との距離D1が、第2強磁性金属層2の幅Wより短い場合である。図6(b)は、第2端部e2と第3端部e3との距離D1が、第2強磁性金属層2の幅Wより長い場合である。 Further, FIG. 6 is a plan view of the spin current magnetoresistive element 100 according to the present embodiment from the z direction. FIG. 6A shows a case where the distance D1 between the second end portion e2 and the third end portion e3 is shorter than the width W of the second ferromagnetic metal layer 2. FIG. 6B shows a case where the distance D1 between the second end portion e2 and the third end portion e3 is longer than the width W of the second ferromagnetic metal layer 2.

図6(a)に示すように、距離D1が幅Wより短い場合、第2強磁性金属層2の第3領域A3における磁化M23はy方向に配向する。第2領域A2の磁化M22は、z方向に配向した第1領域A1の磁化M21と第3領域A3における磁化M23との中間状態をとる。すなわち、第2領域A2の磁化M22は、y方向に傾いた状態でz方向に配向している。 As shown in FIG. 6A, when the distance D1 is shorter than the width W, the magnetization M23 in the third region A3 of the second ferromagnetic metal layer 2 is oriented in the y direction. The magnetization M22 in the second region A2 takes an intermediate state between the magnetization M21 in the first region A1 oriented in the z direction and the magnetization M23 in the third region A3. That is, the magnetization M22 of the second region A2 is oriented in the z direction while being inclined in the y direction.

図2に示すように、スピン軌道トルク配線20から注入されるスピンの向きはy方向に配向している。y方向の成分をもつ第2領域A2の磁化M22は、このスピンの影響をうけやすく、SOTの作用を強く受ける。磁化M22がSOTの作用を強く受けて磁化反転すると、第1領域A1の磁化M21も磁化反転しやすくなる。 As shown in FIG. 2, the direction of the spin injected from the spin-orbit torque wiring 20 is oriented in the y direction. The magnetization M22 in the second region A2 having a component in the y direction is easily affected by this spin and is strongly affected by SOT. When the magnetization M22 is strongly affected by the action of SOT and the magnetization is reversed, the magnetization M21 in the first region A1 is also likely to be magnetized inversion.

また距離D1が幅Wより短い場合、第1端部e1と第3端部e3との距離D2も幅Wより短いことが好ましい。距離D2が幅Wより短ければ、第2領域A2の磁化M22もy方向に配向しやすくなる。第3領域A3の磁化M23と第2領域A2の磁化M22の配向方向が揃うことで、第1領域A1への磁化の伝搬がスムーズになる。 When the distance D1 is shorter than the width W, it is preferable that the distance D2 between the first end portion e1 and the third end portion e3 is also shorter than the width W. If the distance D2 is shorter than the width W, the magnetization M22 in the second region A2 also tends to be oriented in the y direction. By aligning the orientation directions of the magnetization M23 of the third region A3 and the magnetization M22 of the second region A2, the propagation of the magnetization to the first region A1 becomes smooth.

一方で、図6(b)に示すように、距離D1が幅Wより長い場合、第2強磁性金属層2の第3領域A3における磁化M23はx方向に配向する。第2領域A2の磁化M22は、z方向に配向した第1領域A1の磁化M21と第3領域A3における磁化M23との中間状態をとる。すなわち、第2領域A2の磁化M22は、x方向に傾いた状態でz方向に配向している。 On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the distance D1 is longer than the width W, the magnetization M23 in the third region A3 of the second ferromagnetic metal layer 2 is oriented in the x direction. The magnetization M22 in the second region A2 takes an intermediate state between the magnetization M21 in the first region A1 oriented in the z direction and the magnetization M23 in the third region A3. That is, the magnetization M22 of the second region A2 is oriented in the z direction while being inclined in the x direction.

x方向に配向した磁化M23は、y方向の成分を持つスピン軌道トルク配線20から注入されるスピンの影響を殆ど受けない。そのため第3領域A3の磁化M23は、SOTの影響をほとんど受けない。つまり、第3領域A3内を流れる第2電流Iをx方向に強くスピン偏極させることができる。その結果、第1領域A1の磁化M21と第2領域A2の磁化M22にSTTの作用を強く与えることができる。 The magnetization M23 oriented in the x direction is hardly affected by the spin injected from the spin orbit torque wiring 20 having a component in the y direction. Therefore, the magnetization M23 in the third region A3 is hardly affected by SOT. That is, the second current I 2 flowing in the third region A3 can be strongly spin-polarized in the x direction. As a result, the action of STT can be strongly given to the magnetization M21 in the first region A1 and the magnetization M22 in the second region A2.

また距離D1が幅Wより長い場合、第1端部e1と第3端部e3との距離D2も幅Wより長いことが好ましい。距離D2が幅Wより長ければ、第2領域A2の磁化M22もx方向に配向しやすくなる。第3領域A3の磁化M23と第2領域A2の磁化M22の配向方向が揃うことで、第1領域A1への磁化の伝搬がスムーズになる。 When the distance D1 is longer than the width W, it is preferable that the distance D2 between the first end portion e1 and the third end portion e3 is also longer than the width W. If the distance D2 is longer than the width W, the magnetization M22 in the second region A2 also tends to be oriented in the x direction. By aligning the orientation directions of the magnetization M23 of the third region A3 and the magnetization M22 of the second region A2, the propagation of the magnetization to the first region A1 becomes smooth.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various aspects are described within the scope of the claims of the present invention. It can be transformed and changed.

図1及び図2に示すスピン流磁気抵抗効果素子100は、磁気抵抗効果素子10のx方向の側面において、第1端部e1、第2端部e2、第3端部e3が所定の関係を満たしている。これらの端部の関係は、x方向の側面に限られず、磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において満たしていればよい。 In the spin current magnetoresistive element 100 shown in FIGS. 1 and 2, the first end portion e1, the second end portion e2, and the third end portion e3 have a predetermined relationship on the side surface of the magnetoresistive element 10 in the x direction. Meet. The relationship between these ends is not limited to the side surface in the x direction, and may be satisfied on any side surface of the magnetoresistive effect element.

例えば、図7に示すスピン流磁気抵抗効果素子103は、第1強磁性金属層31の第1端部e31と、第2強磁性金属層32の第2端部e32と、非磁性層33の第3端部e33と、がy方向において所定の関係を満たす。図7(a)は、スピン流磁気抵抗効果素子103をyz平面で切断した断面図であり、図7(b)は、スピン流磁気抵抗効果素子103をz方向から平面視した平面図である。 For example, the spin current magnetoresistive element 103 shown in FIG. 7 has a first end portion e31 of the first ferromagnetic metal layer 31, a second end portion e32 of the second ferromagnetic metal layer 32, and a non-magnetic layer 33. The third end portion e33 and the third end portion e33 satisfy a predetermined relationship in the y direction. FIG. 7A is a cross-sectional view of the spin current magnetoresistive effect element 103 cut in the yz plane, and FIG. 7B is a plan view of the spin current magnetic resistance effect element 103 in a plan view from the z direction. ..

図7に示すスピン流磁気抵抗効果素子103は、書き込み時にx方向に電流Iを流す。この電流Iは、図1に示すスピン流磁気抵抗効果素子100と同様に、第1電流I20と第2電流Iとに分流する。図7に示すスピン流磁気抵抗効果素子103の場合、第3領域A3から第1領域A1に向かう電流成分は少ないため、第1領域A1の磁化M21にSTTを大きく作用させることはできない。しかしながら、y方向に流れる電流成分はゼロではないため、第1領域A1の磁化M21にSTTは作用する。 The spin current magnetoresistive element 103 shown in FIG. 7 causes a current I to flow in the x direction at the time of writing. This current I is shunted into the first current I 20 and the second current I 2 in the same manner as the spin current magnetoresistive element 100 shown in FIG. In the case of the spin current magnetoresistive element 103 shown in FIG. 7, since the current component from the third region A3 to the first region A1 is small, the STT cannot be greatly applied to the magnetization M21 in the first region A1. However, since the current component flowing in the y direction is not zero, STT acts on the magnetization M21 in the first region A1.

また図7に示すスピン流磁気抵抗効果素子103において、第2強磁性金属層32の第2領域A2の磁化M22はy方向に傾く。スピン軌道トルク配線20から注入されるスピンの向きはy方向に配向している。y方向の成分をもつ第2領域A2の磁化M22は、このスピンの影響をうけやすく、SOTの作用を強く受ける。従って、図7に示すスピン流磁気抵抗効果素子103においても、STTとSOTを同時に作用することができ、第2強磁性金属層2の磁化M2を容易に磁化反転させることができる。 Further, in the spin current magnetoresistive element 103 shown in FIG. 7, the magnetization M22 of the second region A2 of the second ferromagnetic metal layer 32 is tilted in the y direction. The direction of the spin injected from the spin-orbit torque wiring 20 is oriented in the y direction. The magnetization M22 in the second region A2 having a component in the y direction is easily affected by this spin and is strongly affected by SOT. Therefore, even in the spin current magnetoresistive element 103 shown in FIG. 7, STT and SOT can act at the same time, and the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 can be easily reversed.

また図1及び図2に示すスピン流磁気抵抗効果素子100は、磁気抵抗効果素子10をz方向から見た平面形状が矩形であるが、磁気抵抗効果素子10の平面形状は特に問わない。例えば、図8に示す磁気抵抗効果素子10Dのように楕円形でもよいし、円形でもよい。磁気抵抗効果素子10Dの平面形状が楕円や円形の場合、「磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において」とは「磁気抵抗効果素子の側面のいずれかの方向において」と言い換えられる。 Further, the spin current magnetoresistive element 100 shown in FIGS. 1 and 2 has a rectangular planar shape when the magnetic resistance effect element 10 is viewed from the z direction, but the planar shape of the magnetic resistance effect element 10 is not particularly limited. For example, it may be elliptical or circular as in the magnetoresistive sensor 10D shown in FIG. When the planar shape of the magnetoresistive effect element 10D is elliptical or circular, "on any side surface of the magnetoresistive effect element" is paraphrased as "in any direction of the side surface of the magnetoresistive effect element".

また図9に示すスピン流磁気抵抗効果素子104のように、磁気抵抗効果素子10Eの側面が、第1強磁性金属層41から第2強磁性金属層42に向かってz方向に広がる傾斜面10Eaを形成していてもよい。図9に示すように、側面が傾斜面10Eaであると、第2電流Iを傾斜面10Eaに沿って流すことができる。第2電流Iの流れを制御することで、第2強磁性金属層42の磁化にSTTを効率的に作用させることができる。 Further, as in the spin current magnetoresistive element 104 shown in FIG. 9, the side surface of the magnetoresistive element 10E is an inclined surface 10Ea extending in the z direction from the first ferromagnetic metal layer 41 toward the second ferromagnetic metal layer 42. May be formed. As shown in FIG. 9, when the side surface is the inclined surface 10Ea, the second current I 2 can flow along the inclined surface 10Ea. By controlling the flow of the second current I 2 , the STT can be efficiently acted on the magnetization of the second ferromagnetic metal layer 42.

また上述のようなスピン流磁気抵抗効果素子を複数配列し、磁気メモリを形成してもよい(図10)。図10に示す磁気メモリは、複数のスピン流磁気抵抗効果素子100がソースラインSLとワードラインWLによって接続されている。磁気メモリを構成する各スピン流磁気抵抗効果素子は、データを記憶する。それぞれのスピン流磁気抵抗効果素子の書込み効率が高められているため、磁気メモリも書込み効率に優れる。 Further, a plurality of spin current magnetoresistive elements as described above may be arranged to form a magnetic memory (FIG. 10). In the magnetic memory shown in FIG. 10, a plurality of spin current magnetoresistive elements 100 are connected by a source line SL and a word line WL. Each spin magnetoresistive sensor constituting the magnetic memory stores data. Since the writing efficiency of each spin current magnetoresistive element is increased, the magnetic memory is also excellent in writing efficiency.

1,11,21,31,41…第1強磁性金属層
2,12,22,32,42…第2強磁性金属層
3,13,23,33,43…非磁性層
10,10A,10B,10C,10D,10E…磁気抵抗効果素子
20…スピン軌道トルク配線
e1…第1端部
e2…第2端部
e3…第3端部
A1…第1領域
A2…第2領域
A3…第3領域
100,101,102,103,104…スピン流磁気抵抗効果素子

1,11,21,31,41 ... 1st ferromagnetic metal layer 2,12,22,32,42 ... 2nd ferromagnetic metal layer 3,13,23,33,43 ... Non-magnetic layers 10,10A, 10B , 10C, 10D, 10E ... Magnetic resistance effect element 20 ... Spin trajectory torque wiring e1 ... First end e2 ... Second end e3 ... Third end A1 ... First region A2 ... Second region A3 ... Third region 100, 101, 102, 103, 104 ... Spin current magnetoresistive effect element

Claims (11)

第1強磁性金属層と、磁化方向を変化できる第2強磁性金属層と、前記第1強磁性金属層及び前記第2強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第1の方向に延在し、前記第2強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記積層方向から見て、前記磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において、前記第1強磁性金属層の第1端部と前記第2強磁性金属層の第2端部との間に、前記非磁性層の第3端部が位置し、
前記第1端部を含む第1側面と、前記第2端部を含む第2側面と、前記第3端部を含む第3側面と、は、前記第2強磁性金属層の延在する方向において離間しており、連続していない、スピン流磁気抵抗効果素子。
Magnetic resistance effect having a first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer capable of changing the magnetization direction, and a non-magnetic layer sandwiched between the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer. With the element
A spin-orbit torque wiring extending in a first direction intersecting the laminating direction of the magnetoresistive effect element and joining to the second ferromagnetic metal layer is provided.
When viewed from the stacking direction, on any side surface of the magnetoresistive element, between the first end portion of the first ferromagnetic metal layer and the second end portion of the second ferromagnetic metal layer, the said. The third end of the non-magnetic layer is located
The first side surface including the first end portion, the second side surface including the second end portion, and the third side surface including the third end portion are in the extending direction of the second ferromagnetic metal layer. Spin current magnetoresistive effect elements that are separated and discontinuous in .
前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記第1端部と前記第3端部との距離より長い、請求項1に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 The spin current magnetoresistive element according to claim 1, wherein the distance between the second end portion and the third end portion is longer than the distance between the first end portion and the third end portion. 前記第1端部、前記第2端部及び前記第3端部が存在する側面が、前記磁気抵抗効果素子の前記第1の方向に位置する、請求項1又は2に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 The spin current magnetic resistance according to claim 1 or 2, wherein the side surface where the first end portion, the second end portion, and the third end portion are present is located in the first direction of the magnetoresistive element. Effect element. 前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより長い、請求項1~3のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 The spin-orbit magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 3, wherein the distance between the second end and the third end is longer than the thickness of the spin-orbit torque wiring. 前記第1端部と前記第3端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより短い、請求項1~4のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 The spin-orbit magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 4, wherein the distance between the first end portion and the third end portion is shorter than the thickness of the spin-orbit torque wiring. 前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より短い、請求項1~5のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 Any of claims 1 to 5, wherein the distance between the second end and the third end is shorter than the width of the second ferromagnetic metal layer in the first direction and the direction orthogonal to the stacking direction. The spin current magnetoresistive effect element according to item 1. 前記第1端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より短い、請求項6に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 The spin current according to claim 6, wherein the distance between the first end portion and the third end portion is shorter than the width of the second ferromagnetic metal layer in the direction orthogonal to the first direction and the stacking direction. Magnetic resistance effect element. 前記第2端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より長い、請求項1~5のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 Any of claims 1 to 5, wherein the distance between the second end and the third end is longer than the width of the second ferromagnetic metal layer in the first direction and the direction orthogonal to the stacking direction. The spin current magnetoresistive effect element according to item 1. 前記第1端部と前記第3端部との距離が、前記第1の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第2強磁性金属層の幅より長い、請求項8に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 The spin current according to claim 8, wherein the distance between the first end portion and the third end portion is longer than the width of the second ferromagnetic metal layer in the direction orthogonal to the first direction and the stacking direction. Magnetic resistance effect element. 前記磁気抵抗効果素子の前記側面が、前記第1強磁性金属層から前記第2強磁性金属層に向かって前記積層方向に広がる傾斜面である、請求項1~9のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。 The aspect according to any one of claims 1 to 9, wherein the side surface of the magnetoresistive sensor is an inclined surface extending in the stacking direction from the first ferromagnetic metal layer toward the second ferromagnetic metal layer. Spin current magnetoresistive effect element. 請求項1~10のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。 A magnetic memory including a plurality of spin current magnetoresistive elements according to any one of claims 1 to 10.
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