JP7124788B2 - Spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element and magnetic memory - Google Patents

Spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element and magnetic memory Download PDF

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Description

本発明は、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリに関するものである。 The present invention relates to a spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element and a magnetic memory.

二つの強磁性層の磁化の相対角の変化に基づく抵抗値変化(磁気抵抗変化)を利用した素子として、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)素子等が知られている。 A giant magnetoresistive (GMR) element consisting of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a non-magnetic layer as an element that utilizes a change in resistance value (magnetoresistive change) based on a change in the relative angle of magnetization of two ferromagnetic layers, and A tunnel magnetoresistive (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as a non-magnetic layer is known.

近年、磁気抵抗変化を利用したスピン素子(スピントロニクスを利用した素子)の中でも、スピン軌道トルク(SOT)を利用したスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子や、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子に注目が集まっている。 In recent years, among spin devices using magnetoresistance change (devices using spintronics), spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect devices using spin orbit torque (SOT) and domain wall displacement type magnetic devices using domain wall displacement have been developed. Attention is focused on recording elements.

例えば、非特許文献1にはスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子が記載されている。SOTは、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子内にSOTを誘起するための電流は、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流れる。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子は、積層方向に電流を流す必要がなく、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。 For example, Non-Patent Document 1 describes a spin current magnetization rotating magnetoresistive element. SOT is induced by a pure spin current caused by spin-orbit interaction or by the Rashba effect at the interface of dissimilar materials. A current for inducing SOT in the spin current rotation magnetization magnetoresistive element flows in a direction intersecting with the stacking direction of the spin current rotation magnetization magnetoresistive element. The spin current rotation magnetization magnetoresistive effect element does not require a current to flow in the lamination direction, and is expected to have a longer life.

米国特許第8963222号公報U.S. Pat. No. 8,963,222 特開2018-67701号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-67701

S.Fukami, T.Anekawa, C.Zhang and H.Ohno, Nature Nano Tec (2016). DOI:10.1038/NNANO.2016.29.S. Fukami, T.; Anekawa, C.; Zhang and H. Ohno, Nature NanoTec (2016). DOI: 10.1038/NNA NO. 2016.29. S.Takahashi and S.Maekawa,Phys. Rev. B67(5)、052409(2003).S. Takahashi and S.; Maekawa, Phys. Rev. B67(5), 052409 (2003).

SOTを用いたトンネル型磁気抵抗効果素子(SOT-MTJ)は、スピン軌道トルク配線層に電流を流し、電流と直交する向きのスピン流を生成することによって、スピン軌道トルク配線層に接する第1強磁性層の磁化を反転させる。非特許文献1では、スピン軌道トルク配線層が延び、電流が流れる方向をX方向とし、積層膜の面内においてX方向と直交する方向をY方向とし、積層膜面に垂直な方向をZ方向としている。スピン軌道トルク配線層のX方向に電流を流すと、スピン流が生成される。スピン流によってスピン軌道トルク配線層と第1強磁性層の界面に至るスピンは、Y方向に配向している。第1強磁性層の磁化の向きがY方向の場合は、第1強磁性層に注入されるスピンの向きがY方向であるため、第1強磁性層の磁化は無磁場環境下でも磁化反転する。第1強磁性層の磁化の向きがX方向あるいはZ方向の場合は、磁化の向きとスピン流を構成するスピンの向きとのそれぞれに直交する成分を持つ磁場を、第1強磁性層に印加することで、第1強磁性層の磁化は磁化反転する。第1強磁性層の磁化の向きがいずれの方向であっても、磁場は磁化反転に影響することが知られている。特に第1強磁性層の磁化の向きがX方向あるいはZ方向の場合は、わずかな磁場でも第1強磁性層の磁化反転がアシストされる。つまり。磁場は、第1強磁性層の磁化反転に影響を及ぼす。 A tunneling magnetoresistive element (SOT-MTJ) using SOT applies a current to the spin-orbit torque wiring layer to generate a spin current in a direction orthogonal to the current, thereby generating a first magnetic field in contact with the spin-orbit torque wiring layer. Invert the magnetization of the ferromagnetic layer. In Non-Patent Document 1, the direction in which the spin orbit torque wiring layer extends and the current flows is the X direction, the direction perpendicular to the X direction in the plane of the laminated film is the Y direction, and the direction perpendicular to the laminated film plane is the Z direction. and A spin current is generated when a current is passed in the X direction of the spin-orbit torque wiring layer. Spins reaching the interface between the spin-orbit torque wiring layer and the first ferromagnetic layer due to the spin current are oriented in the Y direction. When the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is in the Y direction, the direction of spins injected into the first ferromagnetic layer is in the Y direction. do. When the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is in the X direction or the Z direction, a magnetic field having components orthogonal to the magnetization direction and the direction of the spins constituting the spin current is applied to the first ferromagnetic layer. By doing so, the magnetization of the first ferromagnetic layer is reversed. It is known that a magnetic field affects magnetization reversal regardless of the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer. In particular, when the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is in the X direction or Z direction, even a slight magnetic field assists the magnetization reversal of the first ferromagnetic layer. in short. A magnetic field affects the magnetization reversal of the first ferromagnetic layer.

磁気メモリは、例えば、SOT-MTJを集積したものである。SOT-MTJのデータを担う磁化自由層は、データが書き換わる度に磁化方向が反転する。この時、磁化自由層から磁場が発生しており、発生した磁場は隣接する他のSOT-MTJに印加される。したがって、集積されたSOT-MTJの磁気メモリでは、隣接するSOT-MTJからの磁場を無視することが出来ず、磁化反転確率の変化やデータの書き換えなどを生じてしまうという課題があった。 A magnetic memory is, for example, an integrated SOT-MTJ. The magnetization direction of the magnetization free layer carrying data of the SOT-MTJ is reversed each time data is rewritten. At this time, a magnetic field is generated from the magnetization free layer, and the generated magnetic field is applied to another adjacent SOT-MTJ. Therefore, in the integrated SOT-MTJ magnetic memory, the magnetic field from the adjacent SOT-MTJ cannot be ignored, and there is a problem that the magnetization reversal probability changes and data is rewritten.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、他の素子への影響を及ぼす磁場の発生を抑制できるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a spin current rotating magnetization magnetoresistive element capable of suppressing the generation of a magnetic field that affects other elements.

上記の課題を解決するため、以下の手段を提供する。
第1の態様にかかるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線層と、第1強磁性層と、反強磁性結合層と、第2強磁性層と、非磁性層と、磁化参照層と、をこの順に有し、第1強磁性層の飽和磁化と第1強磁性層の膜厚の積の大きさは、第2強磁性層の飽和磁化と第2強磁性層の膜厚の積の大きさよりも大きい。
In order to solve the above problems, the following means are provided.
A spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element according to a first aspect includes a spin-orbit torque wiring layer, a first ferromagnetic layer, an antiferromagnetic coupling layer, a second ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a magnetization reference layer in this order, and the magnitude of the product of the saturation magnetization of the first ferromagnetic layer and the film thickness of the first ferromagnetic layer is larger than the product of film thicknesses.

第1の態様にかかるSOT-MTJ素子は、素子内において、第1強磁性層から生じる磁場により第2強磁性層から生じる磁場をキャンセルする。つまり、第1強磁性層から生じる磁場は、第2強磁性層から生じる磁場は、互いに弱めあう関係にある。その結果、SOT-MTJから放出される磁場を弱くし、隣接するSOT-MTJへの磁場印加の影響を抑制する。また、第1強磁性層の飽和磁化とその膜厚の積を、第2強磁性層の飽和磁化とその膜厚の積よりも大きくすることにより、磁化参照層への磁束の影響を抑制し、磁化参照層の磁化の揺らぎを低減することが可能となる。これにより、第2強磁性層の磁化の向きに関わらず、磁化参照層の磁化の向きが安定し、磁化を保持することが可能となる。 The SOT-MTJ element according to the first aspect cancels the magnetic field generated from the second ferromagnetic layer by the magnetic field generated from the first ferromagnetic layer in the element. That is, the magnetic field generated from the first ferromagnetic layer and the magnetic field generated from the second ferromagnetic layer are in a mutually weakening relationship. As a result, the magnetic field emitted from the SOT-MTJ is weakened, and the influence of magnetic field application on adjacent SOT-MTJs is suppressed. Further, by making the product of the saturation magnetization of the first ferromagnetic layer and its film thickness larger than the product of the saturation magnetization of the second ferromagnetic layer and its film thickness, the influence of the magnetic flux on the magnetization reference layer is suppressed. , it is possible to reduce fluctuations in the magnetization of the magnetization reference layer. Thereby, the magnetization direction of the magnetization reference layer is stabilized regardless of the magnetization direction of the second ferromagnetic layer, and the magnetization can be maintained.

第1強磁性層は第2強磁性層よりもスピン抵抗が低いとすることが好ましい。スピン流は、スピン抵抗が低い方に流れやすい。スピン流が第1強磁性層に集中することで、第1強磁性層の磁化反転が容易になる。 The first ferromagnetic layer preferably has a lower spin resistance than the second ferromagnetic layer. The spin current tends to flow in the direction where the spin resistance is low. The concentration of the spin current in the first ferromagnetic layer facilitates the magnetization reversal of the first ferromagnetic layer.

第1強磁性層のスピン軌道トルク配線層に位置する第1面は、第2強磁性層の非磁性層側に位置する第2面より面積が大きいことが好ましい。第1強磁性層の面積が大きくなることで、体積も大きくなり、データを保持する力が強くなる。 It is preferable that the first surface of the first ferromagnetic layer located on the spin orbit torque wiring layer has a larger area than the second surface of the second ferromagnetic layer located on the non-magnetic layer side. The larger the area of the first ferromagnetic layer, the larger the volume, and the stronger the ability to retain data.

第1強磁性層はCo,Fe,Niからなる群から選択される少なくとも一つの元素と、少なくとも一つの希土類元素と、を含む合金を含むことが好ましい。第1強磁性層のスピン拡散長が短くなり、スピン軌道トルク配線層から発生したスピン流が第1強磁性層で吸収され、第2強磁性層に到達しにくくなり、所望の磁化反転を生じしやすくなる。第2強磁性層までスピン流が到達すると、磁化の向きが第1強磁性層の磁化の向きと逆向きであるため、磁化反転を抑制する働きをしてしまう。 The first ferromagnetic layer preferably contains an alloy containing at least one element selected from the group consisting of Co, Fe and Ni and at least one rare earth element. The spin diffusion length of the first ferromagnetic layer is shortened, the spin current generated from the spin-orbit torque wiring layer is absorbed by the first ferromagnetic layer, it becomes difficult to reach the second ferromagnetic layer, and the desired magnetization reversal occurs. easier to do. When the spin current reaches the second ferromagnetic layer, the direction of magnetization is opposite to the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer, so it works to suppress magnetization reversal.

第1強磁性層はCoPt合金、FePt合金、CoPd合金、FePd合金、CoCrPt合金、HoFe合金、又は、SmFe合金を含むことが好ましい。これらの材料は、結晶磁気異方性が強いため、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、データを安定的に保持できる。 The first ferromagnetic layer preferably contains CoPt alloy, FePt alloy, CoPd alloy, FePd alloy, CoCrPt alloy, HoFe alloy, or SmFe alloy. Since these materials have strong magnetocrystalline anisotropy, data can be stably retained even if the size of the spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element is reduced.

第1強磁性層の厚さは第2強磁性層の厚さよりも薄いことが好ましい。第2強磁性層の厚さを厚くすることで、SOT-MTJの磁気抵抗比が大きくなる。また第2強磁性層の厚さを厚くすることで、磁化参照層が、第1強磁性層の磁化の影響を受けにくくなる。 The thickness of the first ferromagnetic layer is preferably thinner than the thickness of the second ferromagnetic layer. Increasing the thickness of the second ferromagnetic layer increases the magnetoresistance ratio of the SOT-MTJ. Also, by increasing the thickness of the second ferromagnetic layer, the magnetization reference layer is less susceptible to the magnetization of the first ferromagnetic layer.

非磁性層はスピネル構造の結晶構造を有する材料であることが好ましい。スピン軌道トルク配線層に書き込み電流を印加した時のSOT-MTJの耐久性が高まる。長期間、あるいは強い負荷が印加されてもSOT-MTJが故障しにくくなる。 The non-magnetic layer is preferably made of a material having a spinel crystal structure. The durability of the SOT-MTJ is increased when a write current is applied to the spin-orbit torque wiring layer. Even if the SOT-MTJ is applied for a long period of time or a strong load is applied, the SOT-MTJ is less likely to fail.

第2の態様に係る磁気メモリは、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数有する。この磁気メモリは高速での書き込みが可能であり、SRAMを不揮発の高速メモリに置き換えることが可能である。データが不揮発化することにより、待機電力をゼロにすることができ、磁気メモリ(集積素子)の省電力化が可能となる。 A magnetic memory according to a second aspect has a plurality of spin current rotation magnetization magnetoresistive elements. This magnetic memory can be written at high speed, and can replace the SRAM with a nonvolatile high speed memory. By making the data nonvolatile, the standby power can be reduced to zero, and the power consumption of the magnetic memory (integrated device) can be reduced.

上記態様に係る磁気メモリは、第1のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を構成する第1強磁性層及び第2強磁性層の磁化容易軸方向が第1方向であり、前記第1のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子と最近接する第2のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子とを結ぶ方向が、前記第1方向と異なってもよい。最近接の素子からの影響が受けにくくなり、磁化の反転確率の変化やデータ保持力の変化を抑制することができる。 In the magnetic memory according to the above aspect, the easy axis directions of magnetization of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer constituting the first spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element are the first direction, and the first A direction connecting the spin current rotation magnetization type magnetoresistive element and the closest second spin current rotation magnetization type magnetoresistive element may be different from the first direction. It is less likely to be affected by the closest element, and changes in magnetization reversal probability and data retention can be suppressed.

本発明によれば、他の素子への影響を及ぼす磁場の発生を抑制できるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a spin current rotation magnetization magnetoresistive element capable of suppressing the generation of a magnetic field that affects other elements.

第1実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の積層構造を表した模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the laminated structure of the spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 100 according to the first embodiment. 第2実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子200の積層構造を表した模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a laminated structure of a spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 200 according to a second embodiment. 第3実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子300の積層構造を表した模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing a laminated structure of a spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 300 according to a third embodiment. 第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aが第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aよりも大きい場合の磁気記録層11の積層構造を表した模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the laminated structure of the magnetic recording layer 11 when the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer 2 is larger than the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3; 第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aが第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aよりも大きい場合の磁気記録層11の積層構造を表した模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the lamination structure of the magnetic recording layer 11 when the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3 is larger than the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer 2; 第4実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子400の積層構造を表した模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing a laminated structure of a spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 400 according to a fourth embodiment. 配置例1に係る磁気メモリの配置図を示す。FIG. 11 is a layout diagram of a magnetic memory according to layout example 1. FIG. スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の周辺構造(書き込みトランジスタ及び選択トランジスタを含む)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a peripheral structure (including a write transistor and a select transistor) of a spin current rotation magnetization type magnetoresistive effect element; Type-Xにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100のパッチワーク配置をした場合を示している。It shows a patchwork arrangement of the spin current rotation magnetization magnetoresistive effect element 100 in Type-X. Type-Yにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100のパッチワーク配置をした場合を示している。A patchwork arrangement of the spin current rotation magnetization magnetoresistive effect element 100 in Type-Y is shown.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。上下左右は、図示上の位置関係を指すものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. Up, down, left, and right refer to the positional relationship in the drawing.

(第1実施形態)
以下、第1実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100として、磁化参照層6が最も単純な一層で構成されている形態を示す。なお、磁化参照層6からの磁束は十分小さいものとし、磁気記録層11から発生する磁束のみを影響を考慮すればよいとして説明する。磁化参照層6の磁化は、所定の外力が印加された際に磁気記録層11の磁化よりも配向方向が変化しにくい。磁気記録層11は、磁化自由層とも言われる。
(First embodiment)
Hereinafter, as the spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 100 according to the first embodiment, a form in which the magnetization reference layer 6 is composed of the simplest single layer will be described. It is assumed that the magnetic flux from the magnetization reference layer 6 is sufficiently small, and that only the magnetic flux generated from the magnetic recording layer 11 should be considered. The orientation direction of the magnetization of the magnetization reference layer 6 is less likely to change than the magnetization of the magnetic recording layer 11 when a predetermined external force is applied. The magnetic recording layer 11 is also called a magnetization free layer.

(基本構造)
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100は、スピン軌道トルク配線層1、第1強磁性層2、反強磁性結合層4、第2強磁性層3、非磁性層5、磁化参照層6がZ方向に順に積層された構造である。スピン軌道トルク配線層1はXY平面内に広がっている。スピン軌道トルク配線層1は、例えばX方向に延びる。第1強磁性層2より上の層は、スピン軌道トルク配線層1から離れるに従い、狭窄した構造となっている。すなわち、第1強磁性層2、反強磁性結合層4、第2強磁性層3、非磁性層5及び磁化参照層6は、スピン軌道トルク配線層1から離れるに従い、外周長又は外径が小さくなっている。
<磁気記録層(磁化自由層)>
磁気記録層11は、第1強磁性層2と第2強磁性層3と反強磁性結合層4とを有する。第1強磁性層2と第2強磁性層3とは、反強磁性結合層4によって反強磁性的に結合している。第1強磁性層2と第2強磁性層3のそれぞれの層から発生する磁束は、第1強磁性層2と第2強磁性層3とを繋ぐループを作る。磁気記録層11全体の磁化ベクトル11Aは、第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aと第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aの差分となる(図4A,図4B参照)。第1強磁性層2と第2強磁性層3のそれぞれの膜厚と材料を調節すると、実質上ひとつの磁気記録層11から外部に向って発生する磁束をゼロに近づけることができる。
(Basic structure)
The spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 100 includes a spin-orbit torque wiring layer 1, a first ferromagnetic layer 2, an antiferromagnetic coupling layer 4, a second ferromagnetic layer 3, a nonmagnetic layer 5, and a magnetization reference layer 6. It is a structure in which they are stacked in order in the Z direction. The spin-orbit torque wiring layer 1 extends within the XY plane. The spin-orbit torque wiring layer 1 extends, for example, in the X direction. The layers above the first ferromagnetic layer 2 have a constricted structure with distance from the spin-orbit torque interconnection layer 1 . That is, the first ferromagnetic layer 2, the antiferromagnetic coupling layer 4, the second ferromagnetic layer 3, the nonmagnetic layer 5, and the magnetization reference layer 6 have an outer peripheral length or an outer diameter of It's getting smaller.
<Magnetic recording layer (magnetization free layer)>
The magnetic recording layer 11 has a first ferromagnetic layer 2 , a second ferromagnetic layer 3 and an antiferromagnetic coupling layer 4 . The first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 are antiferromagnetically coupled by the antiferromagnetic coupling layer 4 . The magnetic flux generated from each of the first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 forms a loop connecting the first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 . The magnetization vector 11A of the entire magnetic recording layer 11 is the difference between the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer 2 and the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3 (see FIGS. 4A and 4B). By adjusting the film thickness and material of each of the first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3, the magnetic flux generated from substantially one magnetic recording layer 11 toward the outside can be brought close to zero.

第1強磁性層2からの磁場と第2強磁性層3の磁場とが弱めあう関係にあると、1つのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100から放出される磁場が弱くなる。すなわち、1つのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100が生じる磁場が、隣接する他のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子へ与える影響を抑制できる。また、第1強磁性層2の飽和磁化とその膜厚の積の大きさを、第2強磁性層3の飽和磁化とその膜厚の積の大きさよりも大きくすると、磁化参照層6への磁束の影響を抑制できる。磁化参照層6への磁束の影響が小さくなると、磁化参照層6の磁化の揺らぎを低減することが可能となる。これにより、第2強磁性層3の磁化の向きに関わらず、磁化参照層6の磁化の向きが安定し、データを安定して保持できる。 If the magnetic field from the first ferromagnetic layer 2 and the magnetic field from the second ferromagnetic layer 3 are in a relationship of weakening each other, the magnetic field emitted from one spin current rotating magnetization magnetoresistive element 100 is weakened. That is, it is possible to suppress the influence of the magnetic field generated by one spin current rotation magnetization magnetoresistive element 100 on other adjacent spin current rotation magnetization magnetoresistive elements. If the product of the saturation magnetization of the first ferromagnetic layer 2 and its film thickness is made larger than the product of the saturation magnetization of the second ferromagnetic layer 3 and its film thickness, the magnetization reference layer 6 will The influence of magnetic flux can be suppressed. When the influence of the magnetic flux on the magnetization reference layer 6 becomes smaller, it becomes possible to reduce the magnetization fluctuation of the magnetization reference layer 6 . As a result, regardless of the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 3, the magnetization direction of the magnetization reference layer 6 is stabilized, and data can be held stably.

第1強磁性層2と第2強磁性層3には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を、第1強磁性層2及び第2強磁性層3に用いることができる。第1強磁性層2及び第2強磁性層3は、Co,Fe,Niから選択される少なくとも一つの元素と、少なくとも一つの希土類元素と、を含む合金を含むことが好ましい。第1強磁性層2及び第2強磁性層3は、例えば、CoPt合金、FePt合金、CoPd合金、FePd合金、CoCrPt合金、HoFe合金、又はSmFe合金を含む。第1強磁性層2及び第2強磁性層3は、例えば、Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Co-Pt、Fe-Pt、Co-Pt、Fe-Pt、Co-Cr-Pt、Sm-Fe、Ho-Feである。 A ferromagnetic material, especially a soft magnetic material, can be applied to the first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 . For example, metals selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, alloys containing one or more of these metals, and these metals and at least one or more elements of B, C, and N can be used for the first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3. The first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 preferably contain an alloy containing at least one element selected from Co, Fe and Ni and at least one rare earth element. The first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 contain, for example, CoPt alloy, FePt alloy, CoPd alloy, FePd alloy, CoCrPt alloy, HoFe alloy, or SmFe alloy. The first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 are, for example, Co--Fe, Co--Fe--B, Ni--Fe, Co--Pt, Fe--Pt, Co--Pt, Fe--Pt, Co--Cr -Pt, Sm-Fe, Ho-Fe.

また第1強磁性層2は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有し、より大きな出力が得られる。ホイスラー合金は、XYZまたはXYZの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属又はXの元素種であり、Zは、III族からV族の典型元素である。ホイスラー合金は、例えば、CoFeSi、CoFeGe、CoFeGa、CoMnSi、CoMn1-aFeAlSi1-b、CoFeGe1-cGaである。 Also, the first ferromagnetic layer 2 may be a Heusler alloy. Heusler alloys have high spin polarizability, resulting in higher power output. Heusler alloys include intermetallic compounds with chemical compositions of XYZ or X2YZ . X is a Co, Fe, Ni, or Cu group transition metal element or noble metal element on the periodic table, Y is a Mn, V, Cr, or Ti group transition metal or an element type X, and Z is , are typical elements of the III to V groups. Heusler alloys are, for example, Co2FeSi , Co2FeGe , Co2FeGa , Co2MnSi , Co2Mn1 - aFeaAlbSi1 - b , Co2FeGe1 - cGac .

<スピン軌道トルク配線層>
スピン軌道トルク配線層1は、XY面内に延在する。スピン軌道トルク配線層1は、例えば、第1強磁性層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層1は、第1強磁性層2に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。
<Spin-orbit torque wiring layer>
The spin-orbit torque wiring layer 1 extends in the XY plane. The spin-orbit torque wiring layer 1 is connected to one surface of the first ferromagnetic layer 2 in the Z direction, for example. The spin-orbit torque wiring layer 1 may be directly connected to the first ferromagnetic layer 2, or may be connected via another layer.

スピン軌道トルク配線層1は、例えば、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層1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、純スピン流を生成しやすい材料で構成される部分と純スピン流を生成しにくい材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。 The spin-orbit torque wiring layer 1 is made of, for example, a material that generates a pure spin current by the spin Hall effect when current flows. As such a material, it is sufficient if it has a structure in which a pure spin current is generated in the spin orbit torque wiring layer 1 . Therefore, the material is not limited to a material composed of a single element, and may be composed of a portion composed of a material that easily generates a pure spin current and a portion composed of a material that hardly generates a pure spin current.

スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。 The spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of current based on spin-orbit interaction when a current is passed. The mechanism by which a spin current is generated by the spin Hall effect will be explained.

例えば、スピン軌道トルク配線層1のX方向の両端に電位差を与えるとX方向に沿って電流が流れる。電流が流れると、Y方向に配向した第1スピンS1と-Y方向に配向した第2スピンS2はそれぞれ電流と直交する方向(Z方向)に曲げられる。例えば、第1スピンS1は、+Z方向に進行方向が曲げられ、第2スピンS2は、-Z方向に進行方向が曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動(移動)する電荷(電子)が運動(移動)方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。 For example, when a potential difference is applied to both ends of the spin-orbit torque wiring layer 1 in the X direction, current flows along the X direction. When a current flows, the first spins S1 oriented in the Y direction and the second spins S2 oriented in the −Y direction are bent in a direction (Z direction) perpendicular to the current. For example, the traveling direction of the first spin S1 is bent in the +Z direction, and the traveling direction of the second spin S2 is bent in the -Z direction. The common Hall effect and the spin Hall effect are common in that the moving (moving) charges (electrons) can bend the moving (moving) direction. On the other hand, in the normal Hall effect, charged particles moving in a magnetic field are subjected to the Lorentz force and the direction of motion is bent. only flows), the difference is that the direction of spin movement is bent.

非磁性体(強磁性体ではない材料)は、第1スピンS1の電子数と第2スピンS2の電子数とが等しい。すなわち、上方向(+Z方向)に向かう第1スピンS1の電子数と下方向(-Z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。 A non-magnetic material (a material that is not a ferromagnetic material) has the same number of electrons of the first spin S1 and the number of electrons of the second spin S2. That is, the number of electrons of the first spin S1 directed upward (+Z direction) is equal to the number of electrons of the second spin S2 directed downward (−Z direction). So the current as a net flow of charge is zero. A spin current without this 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層1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。 It is the same in that the first spin S1 and the second spin S2 are bent in opposite directions when a current is passed through the ferromagnetic material. On the other hand, in a ferromagnetic material, either the first spin S1 or the second spin S2 is in a large state, and as a result, a net flow of charges occurs (a voltage is generated). Therefore, the material of the spin-orbit torque wiring layer 1 does not include a material consisting only of a ferromagnetic material.

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。純スピン流Jは、図中のZ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。図1において、スピン軌道トルク配線層1の上面に第1強磁性層2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強磁性層2にスピンが注入される。 Here, if the electron flow of the first spin S1 is J , the electron flow of the second spin S2 is J , and the spin current is J S , then J S =J −J . The pure spin current J S flows in the Z direction in the figure. where J S is the electron flow with 100% polarizability. In FIG. 1, when the first ferromagnetic layer 2 is brought into contact with the upper surface of the spin-orbit torque wiring layer 1, the pure spin current diffuses and flows into the ferromagnetic material. That is, spins are injected into the first ferromagnetic layer 2 .

スピン軌道トルク配線層1は、電流が流れる際のスピンホール効果によって純スピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。 The spin-orbit torque wiring layer 1 is made of any of metals, alloys, intermetallic compounds, metal borides, metal carbides, metal silicides, and metal phosphides that have the function of generating a pure spin current by the spin Hall effect when current flows. or

スピン軌道トルク配線層1の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。スピン軌道トルク配線層1は、例えば、Hf、Ta、Wである。これらの非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。 A main component of the spin-orbit torque wiring layer 1 is preferably a non-magnetic heavy metal. Here, heavy metal means a metal having a specific gravity higher than that of yttrium. The non-magnetic heavy metal is preferably a non-magnetic metal having an atomic number of 39 or higher and having d-electrons or f-electrons in the outermost shell. The spin-orbit torque wiring layer 1 is Hf, Ta, W, for example. These non-magnetic metals have a large spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect.

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、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く作用し、電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存する。その結果、これらの非磁性金属は、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, regardless of their spin orientation. In contrast, non-magnetic metals with a large atomic number and d or f electrons in the outermost shell have a strong spin-orbit interaction, a strong spin-Hall effect, and the direction of electron movement depends on the electron spin direction. do. As a result, these non-magnetic metals tend to generate a pure spin current Js .

またスピン軌道トルク配線層1は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線層1の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。 The spin-orbit torque wiring layer 1 may also contain a magnetic metal. A magnetic metal refers to a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. If a trace amount of magnetic metal is contained in non-magnetic metal, it becomes a spin scattering factor. Scattering of spins enhances the spin-orbit interaction, increasing the efficiency of spin current generation with respect to electric current. The main component of the spin-orbit torque wiring layer 1 may consist only of an antiferromagnetic metal.

一方で、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、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線層を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。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。 On the other hand, if the amount of the magnetic metal added is too large, the generated pure spin current may be scattered by the added magnetic metal, and as a result the effect of reducing the spin current may become stronger. Therefore, the molar ratio of the added magnetic metal is preferably sufficiently smaller than the total molar ratio of the elements forming the spin-orbit torque interconnection layer. As a guideline, the molar ratio of the magnetic metal to be added is preferably 3% or less.

また、スピン軌道トルク配線層1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層1の主構成は、トポロジカル絶縁体でもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。 Also, the spin-orbit torque wiring layer 1 may include a topological insulator. A main component of the spin-orbit torque wiring layer 1 may be a topological insulator. A topological insulator is a material whose interior is an insulator or a high resistance material, but whose surface has a spin-polarized metallic state. A topological insulator generates an internal magnetic field due to spin-orbit interaction. In topological insulators, a new topological phase emerges due to the effect of spin-orbit interaction even in the absence of an external magnetic field. Topological insulators can generate pure spin currents with high efficiency due to strong spin-orbit interaction and inversion symmetry breaking at edges.

トポロジカル絶縁体は、例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe,BiTe,Bi1-xSb,(Bi1-xSbTeなどである。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。 Topological insulators are, 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 , (Bi 1-x Sb x ) 2 such as Te3 . These topological insulators can generate spin currents with high efficiency.

(反強磁性結合層)
反強磁性結合層4は、例えば、RuやIrである。反強磁性結合層4の膜厚を設定すると、反強磁性結合層に接する強磁性層(第1強磁性層2と第2強磁性層3)間に反強磁性的な結合が付与され、互いの磁化ベクトル2A、3Aの向きが逆向きになる。
(antiferromagnetic coupling layer)
The antiferromagnetic coupling layer 4 is Ru or Ir, for example. When the thickness of the antiferromagnetic coupling layer 4 is set, antiferromagnetic coupling is imparted between the ferromagnetic layers (the first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3) in contact with the antiferromagnetic coupling layer, The directions of the magnetization vectors 2A and 3A are opposite to each other.

図4Aと図4Bに磁気記録層11における反強磁性的な結合を示す。磁気記録層11において、第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aと第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aとは、反強磁性的な結合をしているため、反対方向を向いている。図4Aでは第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aよりも第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aが大きく、結果として、磁気記録層11の磁化ベクトル11Aは第1強磁性層の磁化ベクトル2Aと同じ向きである。一方、図4Bでは、第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aよりも第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aが大きく、磁気記録層11の磁化ベクトル11Aは第2強磁性層の磁化ベクトル3Aと同じ向きである。 4A and 4B show antiferromagnetic coupling in the magnetic recording layer 11. FIG. In the magnetic recording layer 11, the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer 2 and the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3 are antiferromagnetically coupled, and are directed in opposite directions. In FIG. 4A, the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer 2 is larger than the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3, and as a result, the magnetization vector 11A of the magnetic recording layer 11 is the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer. in the same direction. On the other hand, in FIG. 4B, the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3 is larger than the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer 2, and the magnetization vector 11A of the magnetic recording layer 11 is the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer. in the same direction.

(非磁性層)
非磁性層5には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層5が絶縁体からなる場合(つまり、トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al、SiO、Mg、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を非磁性層5に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。さらに、スピネル構造の結晶構造を有するMgAlはトンネルバリア層に電流を印加した場合の耐久性がMgOより優れており、製品を長期間保証することができる。また、非磁性層5が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
(non-magnetic layer)
A known material can be used for the non-magnetic layer 5 . For example, when the nonmagnetic layer 5 is made of an insulator (that is, when it is a tunnel barrier layer), Al 2 O 3 , SiO 2 , Mg, MgAl 2 O 4 or the like can be used as the material. . In addition to these materials, the non-magnetic layer 5 can be made of a material in which a portion of Al, Si, or Mg is replaced with Zn, Be, or the like. Among these materials, MgO and MgAl 2 O 4 are materials capable of realizing coherent tunneling, and thus spins can be efficiently injected. Furthermore, MgAl 2 O 4 having a spinel crystal structure is superior to MgO in durability when a current is applied to the tunnel barrier layer, and the product can be guaranteed for a long period of time. When the nonmagnetic layer 5 is made of metal, Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material.

(キャップ層)
キャップ層9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9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、面心立方(fcc)構造、六方最密充填(hcp)構造又は体心立方(bcc)構造から適宜設定することが好ましい。
(cap layer)
It is preferable to use a highly conductive material for the cap layer 9 . For example, Ru, Ta, Cu, Ag, Au, etc. can be used. The crystal structure of the cap layer 9 is appropriately selected from a face-centered cubic (fcc) structure, a hexagonal close-packed (hcp) structure, or a body-centered cubic (bcc) structure in accordance with the crystal structure of the adjacent ferromagnetic metal layer. is preferred.

(素子形状)
図1に示した様にスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100は、第1強磁性層2のスピン軌道トルク配線層1に接する第1面2aが、第2強磁性層3の非磁性層5に接する第2面2bの面積より大きいことが好ましい。第1強磁性層2の面積が大きくなることで、磁気記録層11の体積も大きくすることができるため、データ保持する力を強くすることができる。
(Element shape)
As shown in FIG. 1, in the spin current magnetization rotation type magnetoresistance effect element 100, the first surface 2a of the first ferromagnetic layer 2 in contact with the spin orbit torque wiring layer 1 is the nonmagnetic layer of the second ferromagnetic layer 3. It is preferably larger than the area of the second surface 2b in contact with 5. Since the volume of the magnetic recording layer 11 can also be increased by increasing the area of the first ferromagnetic layer 2, the data retention force can be increased.

(第1強磁性層と第2強磁性層)
第1強磁性層2は希土類を含む強磁性材料であることが好ましく、第2強磁性層3はFeを含む強磁性材料であることが好ましい。希土類を含む強磁性材料は、結晶磁気異方性が強く、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100のサイズが小さくなってもデータを安定的に保持できる。また、第1強磁性層2が希土類元素を含むと、第1強磁性層2におけるスピン軌道相互作用が大きくなり、第1強磁性層2のスピン拡散長が短くなる。第2強磁性層3はFeを含む強磁性材料であることで、非磁性層5がMgOやMgAlの場合に、コヒーレントトンネルが実現できる。その結果、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の磁気抵抗比が大きくなる。
(First ferromagnetic layer and second ferromagnetic layer)
The first ferromagnetic layer 2 is preferably a ferromagnetic material containing rare earth elements, and the second ferromagnetic layer 3 is preferably a ferromagnetic material containing Fe. A ferromagnetic material containing a rare earth element has strong crystal magnetic anisotropy and can stably retain data even if the size of the spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 100 is reduced. Also, when the first ferromagnetic layer 2 contains a rare earth element, the spin-orbit interaction in the first ferromagnetic layer 2 increases, and the spin diffusion length of the first ferromagnetic layer 2 decreases. Since the second ferromagnetic layer 3 is made of a ferromagnetic material containing Fe, coherent tunneling can be realized when the nonmagnetic layer 5 is MgO or MgAl 2 O 4 . As a result, the magnetoresistance ratio of the spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 100 is increased.

(スピン抵抗、スピン抵抗率)
スピン抵抗は、スピン流の流れやすさ(スピン緩和のし難さ)を定量的に示す量である。非特許文献2には、スピン抵抗の理論的な取り扱いが開示されている。スピン抵抗が異なる物質の界面では、スピン流の反射(戻り)が生じる。すなわちスピン抵抗の小さい材料からスピン抵抗の大きい材料へはスピン流の一部しか注入されない。
(spin resistance, spin resistivity)
The spin resistance is a quantity that quantitatively indicates how easy it is for a spin current to flow (difficulty in spin relaxation). Non-Patent Document 2 discloses a theoretical treatment of spin resistance. Reflection (return) of the spin current occurs at the interface of substances with different spin resistances. That is, only part of the spin current is injected from the material with low spin resistance to the material with high spin resistance.

スピン抵抗Rsは次の式で定義される(非特許文献2参照)。

Figure 0007124788000001
ここで、λは材料のスピン拡散長、ρは材料の電気抵抗率、Aは材料の断面積である。
非磁性体では、断面積Aが等しい場合、式(1)のうち、スピン抵抗率であるρλの値によってスピン抵抗の大きさが決まる。 The spin resistance Rs is defined by the following formula (see Non-Patent Document 2).
Figure 0007124788000001
where λ is the spin diffusion length of the material, ρ is the electrical resistivity of the material, and A is the cross-sectional area of the material.
In a non-magnetic material, if the cross-sectional areas A are the same, the magnitude of the spin resistance is determined by the value of ρλ, which is the spin resistivity, in Equation (1).

第1実施形態において、第1強磁性層2が希土類を含む強磁性材料であり、第2強磁性層3がFeを含む強磁性材料である場合、第1強磁性層2はスピン軌道トルク配線層1から発生したスピン流を吸収する。第1強磁性層2においてスピン流を吸収し、スピン流によるスピン軌道トルクを第1強磁性層2の磁化反転に十分作用させないと、スピン流の一部が第2強磁性層3に到達する。スピン流が第2強磁性層3に到達すると、スピン流は、第1強磁性層2の磁化を配向させようとする方向と、同じ方向に第2強磁性層3の磁化を配向させようとする。この時、第1強磁性層2と第2強磁性層3の磁化の向きが逆であるため、第2強磁性層3の磁化反転は、第1強磁性層2の磁化反転を阻害する。したがって、第1強磁性層2はスピン抵抗が低く、スピン軌道トルク配線層1で発生したスピン流を吸収し易いことが好ましい。また、第2強磁性層3は非磁性層5と接し、コヒーレントトンネルを実現することによって高い磁気抵抗比を得ることができる。コヒーレントトンネルを引き起こすためにはFe系の強磁性材料が好ましく、第2強磁性層3はFeを含む強磁性材料である場合に、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100は高い磁気抵抗比を示す。 In the first embodiment, when the first ferromagnetic layer 2 is a ferromagnetic material containing rare earth elements and the second ferromagnetic layer 3 is a ferromagnetic material containing Fe, the first ferromagnetic layer 2 is a spin-orbit torque wiring. It absorbs the spin current generated from layer 1. Part of the spin current reaches the second ferromagnetic layer 3 unless the first ferromagnetic layer 2 absorbs the spin current and causes the spin-orbit torque due to the spin current to sufficiently act on the magnetization reversal of the first ferromagnetic layer 2 . . When the spin current reaches the second ferromagnetic layer 3, the spin current tries to orient the magnetization of the second ferromagnetic layer 3 in the same direction as the direction to orient the magnetization of the first ferromagnetic layer 2. do. At this time, since the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 2 and the second ferromagnetic layer 3 are opposite to each other, the magnetization reversal of the second ferromagnetic layer 3 inhibits the magnetization reversal of the first ferromagnetic layer 2 . Therefore, it is preferable that the first ferromagnetic layer 2 has a low spin resistance and can easily absorb the spin current generated in the spin-orbit torque interconnection layer 1 . Also, the second ferromagnetic layer 3 is in contact with the non-magnetic layer 5 and realizes coherent tunneling, whereby a high magnetoresistance ratio can be obtained. An Fe-based ferromagnetic material is preferable for causing coherent tunneling, and when the second ferromagnetic layer 3 is a ferromagnetic material containing Fe, the spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 100 exhibits a high magnetoresistance ratio. show.

第1強磁性層2はCoFe合金、FePt合金、CoPd合金、FePd合金、CoCrPt合金、HoFe合金、又はSmFe合金を含むことが好ましい。特に、SmFe12とHoFeが好ましい。これらの材料はc軸を長軸とする正方晶であり、c軸方向への結晶磁気異方性が強い材料である。結晶磁気異方性が強いことにより、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の大きさが小さい場合でも、データを安定的に保持できる。 The first ferromagnetic layer 2 preferably contains CoFe alloy, FePt alloy, CoPd alloy, FePd alloy, CoCrPt alloy, HoFe alloy, or SmFe alloy. In particular, SmFe 12 and HoFe 2 are preferred. These materials are tetragonal crystals with the c-axis as the major axis, and have strong magnetocrystalline anisotropy in the c-axis direction. Due to the strong magnetocrystalline anisotropy, data can be stably retained even when the size of the spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 100 is small.

第1強磁性層2の厚さは第2強磁性層3の厚さよりも薄いことが好ましい。第1強磁性層2が希土類を含む場合、第1強磁性層2の飽和磁化は大きくなる。第2強磁性層3が希土類を含まない場合、第1強磁性層2は、第2強磁性層3よりも薄い膜厚で、第2強磁性層3と同等の磁場を生み出すことができる。すなわち、第1強磁性層2の厚さが第2強磁性層3の厚さよりも薄い場合でも、第1強磁性層2が生み出す磁場と第2強磁性層3が生み出す磁場を互いにキャンセルすることが可能である。また、第2強磁性層3を厚くすると、読み込み時にスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の磁気抵抗比を大きくできる。第2強磁性層3を厚くすることで、磁化参照層6からのスピン偏極電流を第2強磁性層3で十分に緩和させ、磁気散乱として抵抗増大に寄与させることが出来るからである。 The thickness of the first ferromagnetic layer 2 is preferably thinner than the thickness of the second ferromagnetic layer 3 . When the first ferromagnetic layer 2 contains rare earth elements, the saturation magnetization of the first ferromagnetic layer 2 increases. When the second ferromagnetic layer 3 does not contain a rare earth element, the first ferromagnetic layer 2 is thinner than the second ferromagnetic layer 3 and can generate a magnetic field equivalent to that of the second ferromagnetic layer 3 . That is, even when the thickness of the first ferromagnetic layer 2 is thinner than the thickness of the second ferromagnetic layer 3, the magnetic field generated by the first ferromagnetic layer 2 and the magnetic field generated by the second ferromagnetic layer 3 can be canceled with each other. is possible. Further, when the second ferromagnetic layer 3 is thickened, the magnetoresistive ratio of the spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 100 can be increased at the time of reading. This is because, by thickening the second ferromagnetic layer 3, the spin-polarized current from the magnetization reference layer 6 can be sufficiently relaxed in the second ferromagnetic layer 3, and can contribute to an increase in resistance as magnetic scattering.

(評価方法)
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100は、第2強磁性層3と磁化参照層6の磁化ベクトル3A、6Aの相対角の違いを抵抗値として評価する。例えば、電流源をスピン軌道トルク配線層1のXY平面の両端に接続し、通電する。電流源の電流値が十分な場合、スピン軌道トルク配線層1に発生するスピン流によって第1強磁性層2の磁化が反転する。第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aは第1強磁性層2と反強磁性結合層4によって磁気結合しているため、第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aと逆の向きに反転する。電流源と電圧計をスピン軌道トルク配線層1と磁化参照層6の両端に設置し、一定の電流、あるいは、一定の電圧をスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100に印加し、抵抗を評価すると、第2強磁性層3と磁化参照層6の磁化ベクトル3A、6Aの相対角を評価できる。また、外部から磁場を掃引しながら測定することによって、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の抵抗変化を観測できる。抵抗値の最大値と最小値から第2強磁性層3と磁化参照層6の磁化の相対角を評価できる。
(Evaluation method)
The spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element 100 evaluates the difference in relative angle between the magnetization vectors 3A and 6A of the second ferromagnetic layer 3 and the magnetization reference layer 6 as a resistance value. For example, a current source is connected to both ends of the XY plane of the spin-orbit torque wiring layer 1 and energized. When the current value of the current source is sufficient, the magnetization of the first ferromagnetic layer 2 is reversed by the spin current generated in the spin-orbit torque interconnection layer 1 . Since the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3 is magnetically coupled to the first ferromagnetic layer 2 and the antiferromagnetic coupling layer 4, the magnetization vector 3A of the first ferromagnetic layer 2 is reversed in the opposite direction. A current source and a voltmeter are installed at both ends of the spin-orbit torque wiring layer 1 and the magnetization reference layer 6, and a constant current or constant voltage is applied to the spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 100 to evaluate the resistance. Then, the relative angle between the magnetization vectors 3A and 6A of the second ferromagnetic layer 3 and the magnetization reference layer 6 can be evaluated. Moreover, by measuring while sweeping the magnetic field from the outside, the resistance change of the spin current rotating magnetization magnetoresistive effect element 100 can be observed. The relative angle of magnetization between the second ferromagnetic layer 3 and the magnetization reference layer 6 can be evaluated from the maximum and minimum resistance values.

MR比は一般的に以下の式で表される。
MR比(%)=(RAP-R)/R×100
は第2強磁性層3と磁化参照層6の磁化の向きが平行の場合の抵抗であり、RAPは第2強磁性層3と磁化参照層6の磁化の向きが反平行の場合の抵抗である。
The MR ratio is generally represented by the following formula.
MR ratio (%) = (R AP −R P )/R P ×100
RP is the resistance when the magnetization directions of the second ferromagnetic layer 3 and the magnetization reference layer 6 are parallel, and RAP is the resistance when the magnetization directions of the second ferromagnetic layer 3 and the magnetization reference layer 6 are antiparallel. resistance.

(第2実施形態)
第2実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子200は、第1実施形態と類似している。第1実施形態と共通の構成については、同じ符号を用い、説明を省略する。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子200は、磁化参照層12の構成が、第1実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100と異なる。磁化参照層12は、第1磁化参照層16と、第2反強磁性結合層17と、第2磁化参照層18をスピン軌道トルク配線層1から順に有する。第1磁化参照層16と第2磁化参照層18とは、第2反強磁性結合層17によって反強磁性的に結合されている。図2のように、第1磁化参照層16と第2磁化参照層18のそれぞれの磁化16A、18Aの向きは逆向きとなっている。この構造にすることによって、磁気記録層11のように、磁化参照層12全体の正味の磁化をゼロに近づけることができ、磁化参照層12から生じる磁束が他のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子へ与える影響を軽減できる。またキャップ層9は第2磁化参照層18の結晶方位の調整、及び第2磁化参照層18との電子軌道の混成による界面磁気異方性の誘起などの効果を示す。
(Second embodiment)
A spin current rotating magnetization magnetoresistive element 200 according to the second embodiment is similar to that of the first embodiment. Configurations common to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted. The spin current rotation magnetization magnetoresistive element 200 differs from the spin current rotation magnetization magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in the configuration of the magnetization reference layer 12 . The magnetization reference layer 12 has a first magnetization reference layer 16 , a second antiferromagnetic coupling layer 17 , and a second magnetization reference layer 18 in order from the spin-orbit torque wiring layer 1 . The first magnetization reference layer 16 and the second magnetization reference layer 18 are antiferromagnetically coupled by the second antiferromagnetic coupling layer 17 . As shown in FIG. 2, the directions of the magnetizations 16A and 18A of the first magnetization reference layer 16 and the second magnetization reference layer 18 are opposite to each other. With this structure, like the magnetic recording layer 11, the net magnetization of the entire magnetization reference layer 12 can be brought close to zero, and the magnetic flux generated from the magnetization reference layer 12 can be converted into another spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect. The influence on the device can be reduced. Also, the cap layer 9 exhibits effects such as adjustment of the crystal orientation of the second magnetization reference layer 18 and induction of interfacial magnetic anisotropy by mixing electron orbits with the second magnetization reference layer 18 .

(第3実施形態)
図3は第3実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子300を示した図である。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子300は、磁化参照層12を第2反強磁性結合層17でシンセティック構造にしている。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子300において、スピン軌道トルク配線層1と第1強磁性層2はXY平面内に広がる。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 300 according to the third embodiment. The spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element 300 has a magnetization reference layer 12 with a synthetic structure with a second antiferromagnetic coupling layer 17 . In the spin current rotation magnetization magnetoresistive effect element 300, the spin-orbit torque wiring layer 1 and the first ferromagnetic layer 2 extend in the XY plane.

スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子300を形成する場合には、スピン軌道トルク配線層1から順にキャップ層9までを真空中で連続成膜することが好ましい。各層の界面状態が活性であり、各層の結合が強くなるためである。連続成膜することにより界面による磁気散乱が抑制され、隣接する層間の磁気結合が高まり、隣接する層間のスピンの伝導が効率的になる。 When forming the spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element 300, it is preferable to continuously form films from the spin orbit torque wiring layer 1 to the cap layer 9 in order in a vacuum. This is because the interfacial state of each layer is active and the bonding of each layer is strong. Continuous film formation suppresses magnetic scattering at the interface, enhances magnetic coupling between adjacent layers, and makes efficient spin conduction between adjacent layers.

スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子300は、多層膜を所定の素子形状に加工する。加工は、例えばミリングによって、多層膜を削って行う。例えば、反応性イオンエッチング(RIE)などの方法は、半導体プロセスで頻繁に用いられるが、多層膜への磁気的なダメージを考慮するとイオンビームエッチング(IBE)が好ましい。IBEでは加速したイオンを多層膜に衝突させて多層膜を除去するため、RIEのように、層を構成する元素による選択性が少ない。したがって、IBEで削る場合には、IBEビームの強度、時間、多層膜の削った時に生じる二次イオン質量分析法(SIMS)の信号を読み取ることによって、多層膜のミリングの位置を推測できる。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子300のスピン軌道トルク配線層1は十分薄く3~5nm程度である。これはスピン軌道トルク配線層1のスピン拡散長が数nm程度であり、これ以上の膜厚を設定しても磁化反転に寄与しないからである。また、膜厚を増やすとスピン軌道トルク配線層1の断面積が大きくなる。第1強磁性層2の磁化は、スピン軌道トルク配線層1を流れる電流の電流密度が所定値(反転電流密度)を超えると反転する。スピン軌道トルク配線層1の断面積が大きくなると、スピン軌道トルク配線層1に、より多くの電流が必要になり、消費電力が大きくなる。以上の理由によりIBEによって多層膜を加工し、スピン軌道トルク配線層1の任意の高さ位置で加工を止める必要がある。この時に反強磁性結合層4を削った際に生じるSIMSの信号を、IBEによる加工を止める信号の基準にすることが好ましい。反強磁性結合層4はRuやIrが用いられ、これらは重金属であり、大きなSIMSの信号を得ることが可能である。この信号を基準とすることで、素子の加工が安定し、信頼性が向上する。また、第1強磁性層2がXY平面に広がることによって第1強磁性層2の体積を大きくすることが可能であり、データ保持力を強くすることが出来る。 A spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element 300 is formed by processing a multilayer film into a predetermined element shape. The processing is performed by scraping the multilayer film, for example, by milling. For example, methods such as reactive ion etching (RIE) are frequently used in semiconductor processes, but ion beam etching (IBE) is preferable in consideration of magnetic damage to multilayer films. Since the multilayer film is removed by bombarding the multilayer film with accelerated ions in the IBE, the selectivity of the elements constituting the layers is low unlike the RIE. Therefore, when milling by IBE, the milling position of the multilayer film can be estimated by reading the intensity and time of the IBE beam and the secondary ion mass spectrometry (SIMS) signal generated when the multilayer film is milled. The spin-orbit torque wiring layer 1 of the spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element 300 is sufficiently thin and has a thickness of about 3 to 5 nm. This is because the spin diffusion length of the spin-orbit torque wiring layer 1 is about several nanometers, and setting a film thickness greater than this does not contribute to magnetization reversal. Also, increasing the film thickness increases the cross-sectional area of the spin-orbit torque wiring layer 1 . The magnetization of the first ferromagnetic layer 2 is reversed when the current density of the current flowing through the spin-orbit torque interconnection layer 1 exceeds a predetermined value (reversal current density). As the cross-sectional area of the spin-orbit torque wiring layer 1 increases, the spin-orbit torque wiring layer 1 requires more current, resulting in increased power consumption. For the above reasons, it is necessary to process the multilayer film by IBE and stop the process at an arbitrary height position of the spin-orbit torque wiring layer 1 . At this time, it is preferable to use the SIMS signal generated when the antiferromagnetic coupling layer 4 is shaved as a reference for the signal for stopping the processing by IBE. Ru and Ir are used for the antiferromagnetic coupling layer 4, which are heavy metals and can obtain a large SIMS signal. By using this signal as a reference, the processing of the element is stabilized and the reliability is improved. In addition, the expansion of the first ferromagnetic layer 2 in the XY plane makes it possible to increase the volume of the first ferromagnetic layer 2, thereby increasing the data holding power.

(第4実施形態)
図6は第4実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子400を示した図である。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子400は、スピン軌道トルク配線層1が磁気記録層11、非磁性層5、磁化参照層6及びキャップ層9より+z方向に位置する点が第1実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100と異なる。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing a spin current rotating magnetization magnetoresistance effect element 400 according to the fourth embodiment. The spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 400 differs from the first embodiment in that the spin orbit torque wiring layer 1 is located in the +z direction from the magnetic recording layer 11, the nonmagnetic layer 5, the magnetization reference layer 6, and the cap layer 9. This is different from the spin current rotation magnetization type magnetoresistance effect element 100 . The same components as those of the spin current rotation magnetization magnetoresistive effect element 100 are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.

スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子400は、スピン軌道トルク配線層1が磁気記録層11、非磁性層5、磁化参照層6及びキャップ層9より+z方向に位置する。すなわち、スピン軌道トルク配線層1は、磁気記録層11、非磁性層5、磁化参照層6及びキャップ層9より後述する基板Subから離れた位置にある。磁化参照層6は、磁気記録層11より後述する基板Subに近い位置にある。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子400は、ボトムピン構造である。 In the spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 400 , the spin orbit torque wiring layer 1 is positioned in the +z direction from the magnetic recording layer 11 , nonmagnetic layer 5 , magnetization reference layer 6 and cap layer 9 . That is, the spin-orbit torque wiring layer 1 is located farther from the magnetic recording layer 11 , the non-magnetic layer 5 , the magnetization reference layer 6 and the cap layer 9 from the substrate Sub, which will be described later. The magnetization reference layer 6 is positioned closer to the substrate Sub described later than the magnetic recording layer 11 . The spin current magnetization rotation type magnetoresistance effect element 400 has a bottom pin structure.

スピン軌道トルク配線層1は、第1強磁性層2及び絶縁層90の+z方向の位置に積層されている。絶縁層90は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層90、91は、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC)、窒化クロム、炭窒化シリコン(SiCN)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)等である。 The spin-orbit torque wiring layer 1 is stacked on the first ferromagnetic layer 2 and the insulating layer 90 in the +z direction. The insulating layer 90 is an insulating layer that insulates between wirings of multilayer wiring and between elements. The insulating layers 90 and 91 are made of, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbonitride (SiCN), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO x ), and the like.

スピン軌道トルク配線層1の第1面1a及び第2面1bは、場所によってz方向の高さ位置が異なる。第1面1aは、スピン軌道トルク配線層1の第1強磁性層2に近い側の面であり、第2面1bは第1面1aと反対側の面である。以下、第1面1aのうち、z方向において第1強磁性層2と重なる部分を第1面1aAと称し、重ならない部分を第1面1aBと称する。以下、第2面1bのうち、z方向において第1強磁性層2と重なる部分を第2面1bAと称し、重ならない部分を第2面1bBと称する。第1面1aBは、第1面1aAより+z方向に位置する。第1面1aを例えば化学機械研磨(CMP)する際の研磨スピードの違いにより、第1面1aAは第1面1aBに対して-z方向に凹む。第2面1bBは、第2面1bAより+z方向に位置する。第2面1bは、第1面1aの形状を反映する。 The first surface 1a and the second surface 1b of the spin-orbit torque wiring layer 1 have different height positions in the z-direction depending on the location. The first surface 1a is the surface of the spin-orbit torque interconnection layer 1 closer to the first ferromagnetic layer 2, and the second surface 1b is the surface opposite to the first surface 1a. Hereinafter, the portion of the first surface 1a that overlaps the first ferromagnetic layer 2 in the z-direction is referred to as the first surface 1aA, and the portion that does not overlap is referred to as the first surface 1aB. Hereinafter, the portion of the second surface 1b that overlaps the first ferromagnetic layer 2 in the z-direction is referred to as a second surface 1bA, and the portion that does not overlap is referred to as a second surface 1bB. The first surface 1aB is positioned in the +z direction from the first surface 1aA. The first surface 1aA is recessed in the -z direction with respect to the first surface 1aB due to a difference in polishing speed when the first surface 1a is subjected to chemical mechanical polishing (CMP), for example. The second surface 1bB is located in the +z direction from the second surface 1bA. The second surface 1b reflects the shape of the first surface 1a.

以上のような構成とされたスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子400は、ボトムピン構造であっても、第1実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100と同様の効果が得られる。 The spin current rotation magnetization magnetoresistive element 400 configured as described above can obtain the same effect as the spin current rotation magnetization magnetoresistive element 100 according to the first embodiment even if it has a bottom-pin structure. .

(第5実施形態)
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100を複数並べて、動作させることによって磁気メモリ1000を形成することができる。
(Fifth embodiment)
A magnetic memory 1000 can be formed by arranging and operating a plurality of spin current rotation magnetization magnetoresistance effect elements 100 .

(配置例1)
磁気メモリ1000において、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900は正方格子状に配置することが一般的である。図6にスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900を正方格子状に配置した構造を示す。図6におけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900は、第1実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100と同様である。また図6に示す磁化ベクトル11Aは、磁気記録層11全体の磁化ベクトルであり、第1強磁性層2の磁化ベクトル2Aと第2強磁性層3の磁化ベクトル3Aの差分である(図4A、図4B参照)。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900において書き込みトランジスタと選択トランジスタがそれぞれ必要である。
(Arrangement example 1)
In the magnetic memory 1000, the spin current rotating magnetization magnetoresistance effect elements 900 are generally arranged in a square lattice. FIG. 6 shows a structure in which spin current rotation magnetization type magnetoresistive effect elements 900 are arranged in a square lattice. A spin current rotation magnetization type magnetoresistance effect element 900 in FIG. 6 is the same as the spin current rotation magnetization type magnetoresistance effect element 100 according to the first embodiment. A magnetization vector 11A shown in FIG. 6 is the magnetization vector of the entire magnetic recording layer 11, and is the difference between the magnetization vector 2A of the first ferromagnetic layer 2 and the magnetization vector 3A of the second ferromagnetic layer 3 (FIGS. 4A, See Figure 4B). A write transistor and a select transistor are required in the spin current rotation magnetization type magnetoresistance effect element 900 .

図7は、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900の周辺構造(書き込みトランジスタ及び選択トランジスタを含む)を示す図である。トランジスタTr(書き込みトランジスタ及び選択トランジスタ)は、ゲート電極Gと、ゲート絶縁膜GIと、基板Subに形成されたソース領域S及びドレイン領域Dと、を有する。基板Subは、例えば、半導体基板である。 FIG. 7 is a diagram showing a peripheral structure (including a write transistor and a select transistor) of a spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element 900. As shown in FIG. The transistor Tr (write transistor and select transistor) has a gate electrode G, a gate insulating film GI, and a source region S and a drain region D formed in the substrate Sub. The substrate Sub is, for example, a semiconductor substrate.

トランジスタTrのそれぞれとスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900、ワードラインWL及びビットラインBLとは、導電部Cwを介して、電気的に接続されている。導電部Cwは、例えば、接続配線、ビア配線と言われることがある。導電部Cwは、導電性を有する材料を含む。導電部Cwは、z方向に延びる。 Each of the transistors Tr, the spin current rotating magnetization magnetoresistive element 900, the word line WL, and the bit line BL are electrically connected via the conductive portion Cw. The conductive part Cw may be called, for example, a connection wiring or a via wiring. The conductive portion Cw includes a material having conductivity. The conductive portion Cw extends in the z direction.

またスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900には電極80が形成されている。電極80は、導電性を有する材料を含む。電極80は、リードラインに接続される。リードラインRLと電極80との間に、スイッチング素子(例えば、トランジスタ)を有してもよい。リードラインRLと電極80との間のスイッチング素子は、図7における紙面奥行き方向(-y方向)に例えば位置する。 An electrode 80 is formed in the spin current rotation magnetization type magnetoresistive element 900 . Electrode 80 includes a material having electrical conductivity. The electrodes 80 are connected to lead lines. A switching element (for example, a transistor) may be provided between the lead line RL and the electrode 80 . A switching element between the lead line RL and the electrode 80 is positioned, for example, in the depth direction (-y direction) of the paper surface of FIG.

スピン軌道トルク配線層1のXY平面上に電流を流す必要があるため、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900はXY平面で1軸を長軸とする構造になる。図6に示す磁気メモリ1000は、複数の素子が配列する方向と、それぞれの磁気記録層11の磁化ベクトル11Aが配向する方向とが同じである。この場合、磁束は同じ列に所属するそれぞれのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900の内部を貫き、同じ列に所属する両端のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900を結ぶように回り込む。この配置の場合、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子900から生じる磁束が互いのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子に影響する。磁気記録層11からの磁束の発生を抑制すると、磁束の発生を抑制でき、それぞれの素子間における磁束の影響を抑制できる。 Since it is necessary to pass a current on the XY plane of the spin-orbit torque wiring layer 1, the spin-current rotating magnetization magnetoresistive element 900 has a structure in which one axis is the major axis on the XY plane. In the magnetic memory 1000 shown in FIG. 6, the direction in which the plurality of elements are arranged is the same as the direction in which the magnetization vectors 11A of the respective magnetic recording layers 11 are oriented. In this case, the magnetic flux penetrates through the inside of each of the spin current rotating magnetization magnetoresistive elements 900 belonging to the same column, and wraps around so as to connect the spin current rotating magnetoresistive magnetoresistive elements 900 belonging to the same column at both ends. In this arrangement, the magnetic flux generated from the spin current rotation magnetization type magnetoresistive element 900 affects each other's spin current rotation magnetization type magnetoresistive elements. By suppressing the generation of the magnetic flux from the magnetic recording layer 11, the generation of the magnetic flux can be suppressed, and the influence of the magnetic flux between the respective elements can be suppressed.

(配置例2)
配置例1の配置の課題を抑制する方法として、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の配置の仕方を工夫した磁気メモリ2000を図8に示す。図8ではスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100をパッチワーク状に配置している。すなわち、x方向に並ぶ第1列に所属するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100と、隣接する第2列に所属するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100と、のx方向の位置がそれぞれずれている。配置例2は、最近接のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の間の距離が配置例1より広い。この配置によりスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の磁束の影響を抑制することが可能である。図8はType-Xにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100のパッチワーク配置をした場合を示している。Type-Xとは、磁気記録層11全体の磁化ベクトル11AがX方向に配向し、スピン軌道トルク配線層1がX方向に延びる構成である。それぞれのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の磁気記録層11の磁化容易軸方向はX方向である。最近接するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100を結ぶ方向は、X方向から45°だけY方向に向かって傾いた方向である。
(Arrangement example 2)
FIG. 8 shows a magnetic memory 2000 in which the method of arranging the spin current rotating magnetization magnetoresistive effect elements 100 is devised as a method of suppressing the arrangement problem of the arrangement example 1. FIG. In FIG. 8, the spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect elements 100 are arranged in a patchwork pattern. That is, the positions in the x direction of the spin current rotation magnetization magnetoresistive effect element 100 belonging to the first row aligned in the x direction and the spin current magnetization rotation magnetoresistive effect element 100 belonging to the adjacent second row are are deviated from each other. In Arrangement Example 2, the distance between the closest spin current rotating magnetization magnetoresistive elements 100 is wider than in Arrangement Example 1. FIG. With this arrangement, it is possible to suppress the influence of the magnetic flux on the spin current rotation magnetization type magnetoresistance effect element 100 . FIG. 8 shows a patchwork arrangement of spin current rotating magnetization magnetoresistive elements 100 in Type-X. Type-X is a configuration in which the magnetization vector 11A of the entire magnetic recording layer 11 is oriented in the X direction and the spin orbit torque wiring layer 1 extends in the X direction. The easy axis direction of magnetization of the magnetic recording layer 11 of each spin current rotation magnetization type magnetoresistive element is the X direction. The direction connecting the closest spin current rotation magnetization magnetoresistive elements 100 is a direction that is tilted from the X direction by 45° toward the Y direction.

(配置例3)
図9はType-Yにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100のパッチワーク配置をした場合を示している。この配置によりスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100の磁束の影響を抑制することが可能である。Type-Yとは、磁気記録層11全体の磁化ベクトル11AがY方向に配向し、スピン軌道トルク配線層1がX方向に延びる構成である。それぞれのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の磁気記録層11の磁化容易軸方向はY方向である。最近接するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子100を結ぶ方向は、X方向から45°だけY方向に向かって傾いた方向である。
(Arrangement example 3)
FIG. 9 shows a patchwork arrangement of spin current magnetization rotating magnetoresistance effect elements 100 in Type-Y. With this arrangement, it is possible to suppress the influence of the magnetic flux on the spin current rotation magnetization type magnetoresistance effect element 100 . Type-Y is a configuration in which the magnetization vector 11A of the entire magnetic recording layer 11 is oriented in the Y direction, and the spin orbit torque wiring layer 1 extends in the X direction. The easy axis direction of magnetization of the magnetic recording layer 11 of each spin current magnetization rotation type magnetoresistive element is the Y direction. The direction connecting the closest spin current rotation magnetization magnetoresistance effect elements 100 is a direction inclined from the X direction to the Y direction by 45°.

100,200,300,900…スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子、1…スピン
軌道トルク配線層、2…第1強磁性層、2A…第1強磁性層の磁化ベクトル、3…第2強磁性層、3A…第2強磁性層の磁化ベクトル、4…反強磁性結合層、5…非磁性層、6…磁化参照層、16…第1磁化参照層、17…第2反強磁性結合層、18…第2磁化参照層、9…キャップ層、11…磁気記録層、11A…磁気記録層の磁化ベクトル、12…磁化参照層、13…磁気記録層の磁束
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 200, 300, 900... Spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element 1... Spin orbit torque wiring layer 2... First ferromagnetic layer 2A... Magnetization vector of first ferromagnetic layer 3... Second strong Magnetic layer 3A... Magnetization vector of second ferromagnetic layer 4... Antiferromagnetic coupling layer 5... Nonmagnetic layer 6... Magnetization reference layer 16... First magnetization reference layer 17... Second antiferromagnetic coupling Layer 18 Second magnetization reference layer 9 Cap layer 11 Magnetic recording layer 11A Magnetization vector of magnetic recording layer 12 Magnetization reference layer 13 Magnetic flux of magnetic recording layer

Claims (8)

スピン軌道トルク配線層と、
第1強磁性層と、
反強磁性結合層と、
第2強磁性層と、
非磁性層と、
磁化参照層と、をこの順に有し、
前記第1強磁性層の飽和磁化と前記第1強磁性層の膜厚の積の大きさは、前記第2強磁性層の飽和磁化と前記第2強磁性層の膜厚の積の大きさよりも大きく、
前記第1強磁性層は、前記第2強磁性層よりもスピン抵抗が低い、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
a spin-orbit torque wiring layer;
a first ferromagnetic layer;
an antiferromagnetic coupling layer;
a second ferromagnetic layer;
a non-magnetic layer;
and a magnetization reference layer in this order,
The product of the saturation magnetization of the first ferromagnetic layer and the thickness of the first ferromagnetic layer is larger than the product of the saturation magnetization of the second ferromagnetic layer and the thickness of the second ferromagnetic layer. is also large,
The first ferromagnetic layer is a spin current rotating magnetization magnetoresistive element having a spin resistance lower than that of the second ferromagnetic layer .
前記第1強磁性層の前記スピン軌道トルク配線層側に位置する第1面は、前記第2強磁性層の前記非磁性層側に位置する第2面より面積が大きい、請求項1に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。 2. The method according to claim 1 , wherein a first surface of said first ferromagnetic layer located on the spin orbit torque wiring layer side has a larger area than a second surface of said second ferromagnetic layer located on the nonmagnetic layer side. spin current magnetization rotation type magnetoresistive effect element. 前記第1強磁性層は、Co,Fe,Niから選択される少なくとも一つの元素と、少なくとも一つの希土類元素と、を含む合金を含む、請求項1又は2に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。 3. The spin current magnetization rotating magnet according to claim 1, wherein said first ferromagnetic layer contains an alloy containing at least one element selected from Co, Fe and Ni and at least one rare earth element. resistance effect element. 前記第1強磁性層は、CoPt合金、FePt合金、CoPd合金、FePd合金、CoCrPt合金、HoFe合金、又はSmFe合金を含む、請求項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。 4. The spin current magnetization rotation magnetoresistive element according to claim 3 , wherein said first ferromagnetic layer contains CoPt alloy, FePt alloy, CoPd alloy, FePd alloy, CoCrPt alloy, HoFe alloy, or SmFe alloy. 前記第1強磁性層の厚さは、前記第2強磁性層の厚さよりも薄い、請求項1からのいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。 5. The spin current rotation magnetization magnetoresistive element according to claim 1 , wherein the thickness of said first ferromagnetic layer is thinner than the thickness of said second ferromagnetic layer. 前記非磁性層は、スピネル構造の結晶構造を有する、請求項1からのいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。 6. The spin current rotation magnetization magnetoresistive element according to claim 1 , wherein said non-magnetic layer has a spinel crystal structure. 請求項1からのいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数有する、磁気メモリ。 A magnetic memory comprising a plurality of spin current rotation magnetization magnetoresistive elements according to any one of claims 1 to 6 . 請求項1からのいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数有し、
第1のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を構成する第1強磁性層及び第2強磁性層の磁化容易軸方向が第1方向であり、
前記第1のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子と最近接する第2のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子とを結ぶ方向が、前記第1方向と異なる、磁気メモリ。
Having a plurality of spin current rotation magnetization magnetoresistive elements according to any one of claims 1 to 6 ,
the easy axis directions of magnetization of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer constituting the first spin current rotation magnetization magnetoresistance effect element are the first direction;
A magnetic memory, wherein a direction connecting the first spin current rotation magnetization magnetoresistive element and the nearest second spin current rotation magnetization magnetoresistive element is different from the first direction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021132110A (en) * 2020-02-19 2021-09-09 Tdk株式会社 Domain wall displacement element and magnetic recording array
CN113614920A (en) * 2020-03-05 2021-11-05 Tdk株式会社 Magnetic recording array

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006295159A (en) 2005-04-07 2006-10-26 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv Method and apparatus for setting sensor afm provided with superconducting magnet
JP2007027415A (en) 2005-07-15 2007-02-01 Toshiba Corp Magnetic storage device
WO2008099626A1 (en) 2007-02-13 2008-08-21 Nec Corporation Magnetoresistance effect element and magnetic random access memory
JP2013021328A (en) 2011-07-07 2013-01-31 Samsung Electronics Co Ltd Method and system for providing magnetic junction using half metallic ferromagnets
JP2018022806A (en) 2016-08-04 2018-02-08 株式会社東芝 Magnetic storage device and manufacturing method for the same
JP6290487B1 (en) 2017-03-17 2018-03-07 株式会社東芝 Magnetic memory

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006290487A (en) * 2005-04-06 2006-10-26 Furukawa Co Ltd Radio control device of work machine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006295159A (en) 2005-04-07 2006-10-26 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv Method and apparatus for setting sensor afm provided with superconducting magnet
JP2007027415A (en) 2005-07-15 2007-02-01 Toshiba Corp Magnetic storage device
WO2008099626A1 (en) 2007-02-13 2008-08-21 Nec Corporation Magnetoresistance effect element and magnetic random access memory
JP2013021328A (en) 2011-07-07 2013-01-31 Samsung Electronics Co Ltd Method and system for providing magnetic junction using half metallic ferromagnets
JP2018022806A (en) 2016-08-04 2018-02-08 株式会社東芝 Magnetic storage device and manufacturing method for the same
JP6290487B1 (en) 2017-03-17 2018-03-07 株式会社東芝 Magnetic memory

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