JP7168123B2 - 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ、高周波デバイスおよび磁化回転素子の製造方法 - Google Patents

磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ、高周波デバイスおよび磁化回転素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ、高周波デバイスおよび磁化回転素子の製造方法に関する。
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（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）素子は、磁気抵抗効果素子として知られている。磁気抵抗効果素子は、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）への応用が可能である。
ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子が集積された記憶素子である。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子における非磁性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、磁気抵抗効果素子の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。強磁性層の磁化の向きは、例えば、電流が生み出す磁場を利用して制御する。また例えば、強磁性層の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して制御する。
ＳＴＴを利用して強磁性層の磁化の向きを書き換える場合、磁気抵抗効果素子の積層方向に書き込み電流が流れる。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性劣化の原因となる。
近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（例えば、特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた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。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流れる。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
国際公開第２０１７／０９０７３９号
大きなＳＯＴを得るためには、大きなスピン軌道相互作用を示す材料を配線に用いる必要がある。例えば、ＴａやＷのような重金属は、スピンホール角が大きく、大きなスピン軌道相互作用を示す材料と言われている。しかしながら、これらの重金属は電気抵抗が大きく、発熱源となる。配線で生じた熱は、データを書き込み時に磁化回転をアシストするという効果を有する一方で、配線を劣化させ、場合によっては配線を切断する場合もある。
例えば、特許文献１に記載の素子は、スピン軌道トルク配線が低抵抗部を有する。しかしながら、特許文献１に記載の素子は、スピン軌道トルク配線の長さ方向の多くの部分が低抵抗部のみからなり、発生した熱が配線の長さ方向に移動する。スピン軌道トルク配線のスピン流発生部で生じた熱が低抵抗部を介して配線の長さ方向に逃げると、データの書き込み時に磁化回転をアシストするという効果が得られず、また細い配線に熱が溜まることで配線が劣化する場合がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みを容易にすることができる磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ及び高周波デバイスを提供することを目的とする。またその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に積層された第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第１強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、第１領域と第２領域と第３領域とを有し、前記第１領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層と重なり、前記第２領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第１領域と前記第３領域との間にあり、前記第３領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄い。
（２）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記低抵抗層の前記第１強磁性層側の第１端の膜厚は、前記低抵抗層の前記第１強磁性層から遠い位置にある第２端の膜厚より薄くてもよい。
（３）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記第１強磁性層の側面及び前記スピン軌道トルク配線の前記第２領域に接する酸化物層をさらに備えてもよい。
（４）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記酸化物層は、前記低抵抗層を構成する材料の酸化物であってもよい。
（５）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記低抵抗層は、主成分としてＢｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｉｒ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。
（６）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記低抵抗層は、副成分としてイットリウムより原子番号が大きい元素をさらに含んでもよい。
（７）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線の長さ方向及び前記積層方向に沿った断面において、前記低抵抗層は不連続でもよい。
（８）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記積層方向から見て前記第２領域と前記第３領域との境界から離れた位置で、前記低抵抗層から突出し、導電性を有する凸部をさらに備えてもよい。
（９）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記凸部の頂点は、前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面より低い位置にあってもよい。
（１０）上記態様にかかる磁化回転素子の前記スピン軌道トルク配線の長さ方向と直交する断面において、前記凸部と前記低抵抗層とを合わせた面積は、前記スピン軌道トルク配線の面積より大きくてもよい。
（１１）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記低抵抗層を構成する元素を含んでもよい。
（１２）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線における前記低抵抗層を構成する元素の濃度は、前記第３領域、前記第２領域、前記第１領域の順で薄くてもよい。
（１３）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記低抵抗層を覆う第２酸化物層をさらに備えてもよい。
（１４）第２の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる磁化回転素子と、前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に順に積層された非磁性層と第２強磁性層とをさらに備える。
（１５）第３の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を複数有する。
（１６）第４の態様にかかる高周波デバイスは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を有する。
（１７）第５の態様にかかる磁化回転素子の製造方法は、配線層と磁性層とを順に積層する工程と、前記磁性層を所望の形状に加工し、第１強磁性層を形成する工程と、前記配線層上に、前記配線層より電気抵抗が低い導電層を積層する工程と、前記配線層、前記第１強磁性層、前記導電層を覆う層間絶縁層を積層する工程と、前記層間絶縁層を介して、前記配線層及び前記導電層を所望の形状に加工し、スピン軌道トルク配線及び低抵抗層を形成する工程と、を有する。
（１８）上記態様にかかる磁化回転素子の製造方法は、前記導電層を積層した後に、前記第１強磁性層の側壁に付着した導電材料をエッチングする工程をさらに備えてもよい。
（１９）上記態様にかかる磁化回転素子の製造方法は、前記導電層を積層した後に、前記第１強磁性層の側壁に付着した導電材料を酸化する工程をさらに備えてもよい。
本実施形態にかかる磁化回転素子、磁気抵抗効果素子、磁気記録アレイ及び高周波デバイスは、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みを容易にすることができる。
第１実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。 第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第６実施形態にかかる磁化回転素子の断面図である。 高周波デバイスの一例の模式図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、後述するスピン軌道トルク配線２０が延びる方向であり、スピン軌道トルク配線２０の長さ方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。また本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また２つの部材が電気的に接続されている場合も「接続」に含まれる。
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。
書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、複数の磁気抵抗効果素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘って設けられてもよい。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００に接続される。
図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に接続されている。第１スイッチング素子１１０は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁気抵抗効果素子１００と共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁気抵抗効果素子１００と読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に接続されている。
第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。
図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の特徴部の断面図である。図２は、磁気抵抗効果素子１００を後述するスピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
図２に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子１３０は、電極Ｅと電気的に接続され、例えば、図２のｙ方向に位置する。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩと基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤとを有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。
トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、導電部４１、４２と接続配線Ｃｗとを介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐ又は共通配線Ｃｍとは、接続配線Ｃｗで接続されている。接続配線Ｃｗは、例えば、ビア配線と言われることがある。接続配線Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。接続配線Ｃｗは、例えば、ｚ方向に延びる。
磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層Ｉｎで覆われている。絶縁層Ｉｎは、多層配線の配線間や素子間を絶縁する層間絶縁層である。絶縁層Ｉｎは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、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（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。
図３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の平面図である。図３は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。図４は、磁気抵抗効果素子１００のｚ方向からの平面図である。
磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０と低抵抗層３０と導電部４１、導電部４２と電極Ｅとを備える。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した磁性素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。
積層体１０は、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。積層体１０とスピン軌道トルク配線２０との間には、他の層を有してもよい。積層体１０は、ｚ方向に、スピン軌道トルク配線２０と電極Ｅとに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。
積層体１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と接し、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。第１強磁性層１にはスピン軌道トルク配線２０からスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受け、配向方向が変化する。第２強磁性層２は、第１強磁性層１のｚ方向にある。第１強磁性層１と第２強磁性層２は、ｚ方向に非磁性層３を挟む。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。第２強磁性層２の磁化は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。強磁性体は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ合金、Ｓｍ－Ｆｅ合金、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺ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、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
積層体１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。
積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、スピン軌道トルク配線２０と積層体１０との間に下地層を有してもよい。下地層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。
スピン軌道トルク配線２０は、例えば、積層体１０の一面に接する。スピン軌道トルク配線２０は配線の一例であり、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向より長く、ｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。
スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、第１強磁性層１にスピンを注入する。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化に与える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる。
例えば、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、－ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが－ｚ方向に曲げられる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。すなわち、＋ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。第１スピンと第２スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピン及び第２スピンのｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
第１スピンの電子の流れをＪ↑、第２スピンの電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑－Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。第１スピンは、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に注入される。
スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。
スピン軌道トルク配線２０は、例えば、主成分として非磁性の重金属を含む。重金属は、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、例えば、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属である。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗからなる。非磁性の重金属は、その他の金属よりスピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、スピン軌道トルク配線２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。
スピン軌道トルク配線２０は、この他に、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、スピン軌道トルク配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
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。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１． ３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１－ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
スピン軌道トルク配線２０は、後述する低抵抗層３０を構成する元素を含んでもよい。スピン軌道トルク配線２０が低抵抗層３０を構成する元素を含むと、スピン軌道トルク配線２０の抵抗値が下がり、スピン軌道トルク配線２０の発熱が抑制される。スピン軌道トルク配線２０が低抵抗層３０を構成する元素を含む場合、その濃度は、例えば後述する第３領域２３、第２領域２２、第１領域２１の順に濃い。第１強磁性層１に注入するスピンを生み出す第１領域２１における低抵抗層３０を構成する元素の濃度は、他の領域より相対的に薄いことが好ましい。
スピン軌道トルク配線２０は、第１領域２１と第２領域２２と第３領域２３とに区分される。第１領域２１は、ｚ方向から見て、第１強磁性層１と重なる領域である。第２領域２２は、ｚ方向から見て、第１強磁性層１とも低抵抗層３０とも重ならない領域である。第３領域２３は、ｚ方向から見て、低抵抗層３０と重なる領域である。例えば、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３の順に、第１強磁性層１の近くにある。第２領域２２は、例えば、第１領域２１と第３領域２３との間にある。
スピン軌道トルク配線２０の厚みは、例えば、第１強磁性層１から離れるに従い、所定値に向かって漸近的に薄くなる。第１領域２１の厚さは、第２領域２２の厚さより厚く、第２領域２２の厚さは、第３領域２３の厚さより厚い。
低抵抗層３０は、スピン軌道トルク配線２０上に広がる。低抵抗層３０は、ｚ方向から見て積層体１０と重ならない領域にある。
低抵抗層３０は、スピン軌道トルク配線２０より抵抗率が低い。低抵抗層３０は、例えば、主成分としてＢｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｉｒ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかを含む。主成分とは、低抵抗層３０を構成する材料のうちの５０％以上を占めることを意味する。低抵抗層３０は、例えば、Ｂｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｉｒ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかの単体金属又は合金である。
低抵抗層３０は、副成分としてイットリウム（Ｙ）以上の比重を有する元素をさらに含んでもよい。副成分とは、主成分より存在比が少なく、例えば、低抵抗層３０を構成する材料のうちの２０％以下の割合を占める。低抵抗層３０が重金属を含むと、低抵抗層３０のマイグレーションを抑制できる。またスピンホール効果により低抵抗層３０で生じるスピン量を増やすことができる。
低抵抗層３０は、スピン軌道トルク配線２０より厚みが薄い。低抵抗層３０の第１端３０ａの膜厚は、第２端３０ｂの膜厚より薄い。低抵抗層３０の第１端３０ａは、低抵抗層３０の第１強磁性層１側の端部である。第２端３０ｂは、低抵抗層３０の第１端３０ａと反対側の端部であり、低抵抗層３０の第１強磁性層１から遠い位置にある端部である。低抵抗層３０の膜厚は、第１端３０ａから離れるに従い、一定値に向かって徐々に厚くなる。
低抵抗層３０の厚みは、例えば、低抵抗層３０を構成する元素の結合半径の５倍以下である。結合半径は、低抵抗層３０を構成する元素の結晶の再隣接原子間距離の半分の値である。結合半径は、国立研究開発法人物質材料研究機構（ＮＩＭＳ）のデータベース(https://crystdb.nims.go.jp/)に記載の結晶格子の大きさから算出できる。低抵抗層３０が結晶化していなくても、結合半径は結晶格子の大きさから算出する。低抵抗層３０の厚さは、具体的には例えば、１０Å以下である。
導電部４１と導電部４２とは、ｚ方向からの平面視で、積層体１０をｘ方向に挟む。導電部４１、４２は、例えば、接続配線Ｃｗに接続されている。導電部４１、４２は、導電性の優れる材料からなる。導電部４１、４２は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｕからなる群から選択されるいずれか一つを含む。
電極Ｅは、積層体１０のスピン軌道トルク配線２０と反対側にある。電極Ｅは、例えば、積層体１０の第２強磁性層２に接する。電極Ｅは、導電性を有する材料からなる。電極Ｅは、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ、窒化物（例えばＴｉＮ、ＴａＮ、ＳｉＮ）からなる群から選択される何れかを含む。電極Ｅは、例えば、ＮｉＣｒとＴａとの積層体である。電極Ｅは、積層体１０のキャップ層として機能してもよい。また電極Ｅは、磁気抵抗効果素子１００の製造過程に用いられるハードマスクとして機能してもよい。
電極Ｅは、例えば、透明電極材料からなってもよい。電極Ｅは、例えば、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等でもよい。電極Ｅが透明であると、第１強磁性層１又は第２強磁性層２の磁化の配向方向を外部から読み取りやすくなる。
次いで、磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１００の製造方法は、例えば、第１積層工程と、第１加工工程と、第２積層工程と、第１絶縁工程と、第２加工工程と、を有する。
まず第１積層工程の前に、積層膜を積層するベースを準備する。まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。
次いで、トランジスタＴｒを覆うように一定の厚みの絶縁層を形成する。また絶縁層に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで接続配線Ｃｗが形成される。書き込み配線Ｗｐ、共通配線Ｃｍは、絶縁層を所定の厚みまで積層した後、絶縁層に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。
次いで、これらを覆う一定の厚みの絶縁層をさらに積層する。そして接続配線Ｃｗと重なる位置に開口を形成し、導電体を充填することで、導電部４１、４２が得られる。導電部４１、４２は、例えば、接続配線Ｃｗより硬い材料を用いる。絶縁層と導電部４１、４２との表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）する。導電部４１、４２に硬い材料を用いることで、表面の平坦性が高まる。
次いで、第１積層工程を行う。第１積層工程では、表面に絶縁層Ｉｎ、導電部４１，４２が露出したベース上に、配線層、磁性層、非磁性層、磁性層を順に積層する。各層は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法で積層される。
次いで、第１加工工程を行う。第１加工工程では、磁性層、非磁性層、磁性層からなる積層膜を所望の形状に加工し、積層体１０を形成する。磁性層は第１強磁性層１又は第２強磁性層２となり、非磁性層は非磁性層３となる。加工は、例えば、フォトリソグラフィー等の公知の方法で行う。積層膜の一部は除去され、配線層が露出する。積層体１０と重ならない位置にある配線層の表面の一部は、積層膜を加工する際に、エッチングされる。
次いで、第２積層工程を行う。第２積層工程では、配線層上に、配線層より電気抵抗が低い導電層を積層する。導電層は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法で積層される。導電層は、例えば、積層体１０のシャドー効果によって積層体１０から一定距離離れた配線層上に積層される。
第２積層工程の後に、積層体１０の側壁に付着した導電材をエッチングしてもよい。エッチングは、例えば、ｚ方向に対して傾斜した斜め方向から行う。エッチングにより積層体１０の側壁に付着した導電材が除去される。導電材が除去されることで、第１強磁性層１と第２強磁性層２との短絡が防止される。また第１強磁性層１の側壁に付着した導電材を除去することで、導電材及び低抵抗層３０を介したｘ方向への熱の流れを抑制できる。
また第２積層工程の後に、積層体１０の側壁に付着した導電材を酸化してもよい。酸化により積層体１０の側壁に付着した導電材の導電性が低下する。導電性が低下することで、第１強磁性層１と第２強磁性層２との短絡が防止される。また第１強磁性層１の側壁に付着した導電材の導電性を低くすることで、導電材及び低抵抗層３０を介したｘ方向への熱の流れを抑制できる。導電材のエッチング処理と酸化処理とを、併用してもよい。
次いで、第１絶縁工程を行う。第１絶縁工程では、配線層、積層体１０及び導電層を覆う層間絶縁層を積層する。層間絶縁層は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法で積層される。
次いで、第２加工工程を行う。第２加工工程では、層間絶縁層を介して、面内方向に広がる配線層及び導電層を所定の形状に加工し、面内方向の繋がりを切断する。加工は、例えば、フォトリソグラフィー等の公知の方法で行う。配線層は、加工によりスピン軌道トルク配線２０となり、導電層は、加工により低抵抗層３０となる。
次いで、第２絶縁工程を行う。第２絶縁工程では、第２加工工程で配線層及び導電層を切断するために形成した開口を絶縁体で充填する。このような手順で、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００が得られる。
次いで、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の動作について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、データの書き込み動作とデータの読み出し動作がある。
まずデータを磁気抵抗効果素子１００に記録する動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにする。第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れる。スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第１強磁性層１に注入される。第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を加え、第１強磁性層１の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。
積層体１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが平行の場合に小さく、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体１０の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子１００にデータが記録される。
次いで、データを磁気抵抗効果素子１００から読み出す動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０又は第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０をＯＮにする。各スイッチング素子をこのように設定すると、積層体１０の積層方向に読み出し電流が流れる。オームの法則により積層体１０の積層方向の抵抗値が異なると、出力される電圧が異なる。そのため、例えば積層体１０の積層方向の電圧を読み出すことで、磁気抵抗効果素子１００に記録されたデータを読み出すことができる。
第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みを容易にすることができる。以下、この理由について具体的に説明する。
スピン軌道トルク配線２０は、重金属を含む場合が多い。重金属は、電気抵抗が大きく、発熱源となる。スピン軌道トルク配線２０で生じた熱は、スピン軌道トルク配線２０の劣化の原因となる。一方で、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱は、書き込み時における第１強磁性層１の磁化の安定性を低下させ、データを書き込みやすくする。
ｚ方向から見てスピン軌道トルク配線２０の第１強磁性層１と導電部４１，４２とのｘ方向の中点にあたる位置は、特に熱が溜まりやすい。中点は、排熱経路である電極Ｅ及び導電部４１，４２から遠いためである。
低抵抗層３０は、熱が溜まりやすい第３領域２３で生じた熱を導電部４１、４２へ伝える。すなわち、第３領域２３上に低抵抗層３０があると、第３領域２３の発熱が抑制され、スピン軌道トルク配線２０の劣化が抑制される。
これに対し、第１領域２１及び第２領域２２上には、低抵抗層３０がない。そのため、第１領域２１及び第２領域２２で生じた熱は、電極Ｅを介して、ｚ方向に伝わる。第１領域２１及び第２領域２２で生じた熱がｘ方向に流れにくくなることで、第１強磁性層１の磁化の安定性が低下し、データの書き込みが容易になる。
また低抵抗層３０の厚みが、スピン軌道トルク配線２０の厚みより薄いことで、第１領域２１及び第２領域２２で生じた熱が、過剰にｘ方向に流れることを抑制できる。
また低抵抗層３０の厚みが、第１強磁性層１から離れるに従い厚くなることで、スピン軌道トルク配線２０の排熱方向をより制御できる。
「第２実施形態」
図５は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。図５は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面である。
第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、酸化物層５０を備える点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１０１において磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
酸化物層５０は、積層体１０の側面及びスピン軌道トルク配線２０の第２領域２２に接する。酸化物層５０は、少なくとも第１強磁性層１の側面と第２領域２２の上面と接する。酸化物層５０は、例えば、低抵抗層３０を構成する材料の酸化物である。酸化物層５０は、上述のように、例えば、第２積層工程の後に導電材を酸化することで形成できる。
第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また酸化物層５０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との短絡を防ぐ。また低抵抗層３０を構成する材料の酸化物と導体との界面には、ラシュバ効果が生じ、第１強磁性層１に注入されるスピン量が増える。
「第３実施形態」
図６は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図６は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面である。図７は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の平面図である。
第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０２は、低抵抗層３１の形状が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１０１において磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
低抵抗層３１は、ｘｚ平面に沿って切断した切断面において、不連続である。低抵抗層３１は、例えば、ｘｙ面内に島状に点在している。低抵抗層３１を成膜する際の設計厚みが十分薄いと、低抵抗層３１を構成する原子は島状に粒成長し、低抵抗層３１となる。
第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また低抵抗層３１がｘ方向に不連続であることで、熱がｘ方向に伝わることを抑制できる。そのため、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みをより容易にすることができる。
また図８は、第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０３の平面図である。図９は、第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０４の平面図である。磁気抵抗効果素子１０３，１０４は、第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０２の変形例である。
図８に示す低抵抗層３２及び図９に示す低抵抗層３３は、いずれもｘｚ平面に沿って切断した切断面において、不連続である。低抵抗層３２は、複数の開口を有する連続膜である。低抵抗層３３は、帯状に形成された複数の膜からなる。いずれの場合でも、熱がｘ方向に伝わることを抑制でき、第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０２と同様の効果が得られる。
「第４実施形態」
図１０は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５の断面図である。図１０は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０５を切断した断面である。
第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０５は、凸部６０を備える点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１０５において磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
凸部６０は、ｚ方向から見て、第２領域２２と第３領域２３との境界から離れた位置で、低抵抗層３０からｚ方向に突出する。凸部６０は、導電性を有する。
凸部６０は、導電性を有する材料を含み、例えば低抵抗層３０と同じ材料からなる。低抵抗層３０と凸部６０とが同じ材料からなる場合は、以下の手順で凸部６０を定義する。スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面において、低抵抗層３０の第１端３０ａから順に、低抵抗層３０の上面の接線の傾きを求める。接線の傾きの絶対値が減少または一定である場合は、接点より第１強磁性層１側の領域は低抵抗層３０である。一方で、接線の傾きの絶対値が増加し始めた場合は、その接点より第１強磁性層１から遠い側の領域は低抵抗層３０と凸部６０からなる。低抵抗層３０と凸部６０との境界線は、接線の傾きの絶対値が増加し始める直前の接点と第２端３０ｂの上端とを繋ぐ直線である。
凸部６０の頂点は、例えば、第１強磁性層１のスピン軌道トルク配線２０と接する面と反対側の面より低い位置にある。
また図１１は、第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０５の別の断面図である。図１１は、図１０におけるＡ－Ａ線に沿ったｙｚ切断面である。図１１に示すように、凸部６０と低抵抗層３０とを合わせた面積は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の面積より大きい。また凸部６０のｙ方向の幅は低抵抗層３０のｙ方向の幅より狭く、低抵抗層３０のｙ方向の幅はスピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅より狭い。
第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０５は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また熱が溜まりやすい第３領域２３と重なる位置に凸部６０があることで、第３領域２３で生じた熱の排熱性を高めることができる。また凸部６０の高さが一定値以下であることで、輻射により第１強磁性層１から凸部６０に至る熱を低減し、熱がｘ方向に伝わることを抑制できる。そのため、配線での発熱を抑制しつつ、データの書き込みをより容易にすることができる。
「第５実施形態」
図１２は、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０６の断面図である。図１２は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０６を切断した断面である。
第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０６は、第２酸化物層７０を備える点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１０６において磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
第２酸化物層７０は、低抵抗層３０を覆う。第２酸化物層７０は、低抵抗層３０上に積層されている。第２酸化物層７０は、例えば、低抵抗層３０を構成する材料の酸化物である。第２酸化物層７０は、上述のように、例えば、第２積層工程の後に導電材を酸化することで形成できる。
第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０６は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また低抵抗層３０を構成する材料の酸化物と導体との界面には、ラシュバ効果が生じ、第１強磁性層１に注入されるスピン量が増える。
「第６実施形態」
図１３は、第６実施形態に係る磁化回転素子１０７の断面図である。図１３は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁化回転素子１０７を切断した断面である。
第６実施形態にかかる磁化回転素子１０７は、非磁性層３と第２強磁性層２とを有さない点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁化回転素子１０７において磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
磁化回転素子１０７は、スピン素子の一例である。磁化回転素子１０７は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１０７は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。
この他、磁化回転素子１０７は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。
第６実施形態にかかる磁化回転素子１０７は、非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。
ここまで、第１実施形態から第６実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。また磁気抵抗効果素子を磁気メモリとして用いる例を説明したが、磁気抵抗効果素子高周波デバイスに適用してもよい。
図１４は、高周波デバイス２０１の一例である。高周波デバイス２０１は、磁気抵抗効果素子１００と入力ポート９０と線路９１、９２と直流電源９３とインダクタ９４とコンデンサ９５と出力ポート９６とを有する。
線路９１は、磁気抵抗効果素子１００と出力ポート９６とを繋ぐ。線路９２は、線路９１から分岐し、インダクタ９４及び直流電源９３を介し、グラウンドＧｄへ至る。直流電源９３、インダクタ９４、コンデンサ９５は、公知のものを用いることができる。インダクタ９４は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。コンデンサ９５は、電流の高周波成分を通し、電流の不変成分をカットする。インダクタ９４は高周波電流の流れを抑制したい部分に配設し、コンデンサ９５は直流電流の流れを抑制したい部分に配設する。
入力ポート９０からスピン軌道トルク配線２０に交流電流または交流磁場を印加すると、第１強磁性層１の磁化は歳差運動する。第１強磁性層１の磁化は、第１強磁性層１に印加される高周波電流又は高周波磁場の周波数が、第１強磁性層１の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に強く振動し、第１強磁性層１の強磁性共鳴周波数から離れた周波数ではあまり振動しない。この現象を強磁性共鳴現象という。
積層体１０の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化の振動により変化する。直流電源９３は、積層体１０に直流電流を印加する。直流電流は、積層体１０の積層方向に流れる。直流電流は、線路９１，９２、磁気抵抗効果素子１００を通りグラウンドＧｄへ流れる。積層体１０の電位は、オームの法則に従い変化する。積層体１０の電位の変化（抵抗値の変化）に応じて高周波信号が出力ポート９６から出力される。
１ 第１強磁性層
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
２０ スピン軌道トルク配線
２１ 第１領域
２２ 第２領域
２３ 第３領域
３０、３１、３２、３３ 低抵抗層
３０ａ 第１端
３０ｂ 第２端
５０ 酸化物層
６０ 凸部
７０ 第２酸化物層
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 磁気抵抗効果素子
１０７ 磁化回転素子
２００ 磁気記録アレイ
２０１ 高周波デバイス

Claims (17)

  1. スピン軌道トルク配線と、
    前記スピン軌道トルク配線に積層された第１強磁性層と、
    前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第１強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、第１領域と第２領域と第３領域とを有し、
    前記第１領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層と重なり、
    前記第２領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第１領域と前記第３領域との間にあり、
    前記第３領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、
    前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、
    前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄く、
    前記低抵抗層の前記第１強磁性層側の第１端の膜厚は、前記低抵抗層の前記第１強磁性層から遠い位置にある第２端の膜厚より薄い、磁化回転素子。
  2. スピン軌道トルク配線と、
    前記スピン軌道トルク配線に積層された第１強磁性層と、
    前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第１強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、第１領域と第２領域と第３領域とを有し、
    前記第１領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層と重なり、
    前記第２領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第１領域と前記第３領域との間にあり、
    前記第３領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、
    前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、
    前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄く、
    前記第１強磁性層の側面及び前記スピン軌道トルク配線の前記第２領域に接する酸化物層をさらに備え、
    前記酸化物層は、前記低抵抗層を構成する材料の酸化物である、磁化回転素子。
  3. 前記低抵抗層は、主成分としてＢｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｉｒ、Ａｕからなる群から選択されるいずれかを含む、請求項１又は２に記載の磁化回転素子。
  4. 前記低抵抗層は、副成分としてイットリウム以上の比重を有する元素をさらに含む、請求項３に記載の磁化回転素子。
  5. スピン軌道トルク配線と、
    前記スピン軌道トルク配線に積層された第１強磁性層と、
    前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第１強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、第１領域と第２領域と第３領域とを有し、
    前記第１領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層と重なり、
    前記第２領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第１領域と前記第３領域との間にあり、
    前記第３領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、
    前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、
    前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄く、
    前記スピン軌道トルク配線の長さ方向及び前記積層方向に沿った断面において、前記低抵抗層は不連続である、磁化回転素子。
  6. スピン軌道トルク配線と、
    前記スピン軌道トルク配線に積層された第１強磁性層と、
    前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第１強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、第１領域と第２領域と第３領域とを有し、
    前記第１領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層と重なり、
    前記第２領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第１領域と前記第３領域との間にあり、
    前記第３領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、
    前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、
    前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄く、
    前記積層方向から見て前記第２領域と前記第３領域との境界から離れた位置で、前記低抵抗層から突出し、導電性を有する凸部をさらに備える、磁化回転素子。
  7. 前記凸部の頂点は、前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面より低い位置にある、請求項６に記載の磁化回転素子。
  8. 前記スピン軌道トルク配線の長さ方向と直交する断面において、前記凸部と前記低抵抗層とを合わせた面積は、前記スピン軌道トルク配線の面積より大きい、請求項６又は７に記載の磁化回転素子。
  9. 前記スピン軌道トルク配線は、前記低抵抗層を構成する元素を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  10. スピン軌道トルク配線と、
    前記スピン軌道トルク配線に積層された第１強磁性層と、
    前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第１強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、第１領域と第２領域と第３領域とを有し、
    前記第１領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層と重なり、
    前記第２領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第１領域と前記第３領域との間にあり、
    前記第３領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、
    前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、
    前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄く、
    前記スピン軌道トルク配線は、前記低抵抗層を構成する元素を含み、
    前記スピン軌道トルク配線における前記低抵抗層を構成する元素の濃度は、前記第３領域、前記第２領域、前記第１領域の順で薄くなる、磁化回転素子。
  11. スピン軌道トルク配線と、
    前記スピン軌道トルク配線に積層された第１強磁性層と、
    前記スピン軌道トルク配線の積層方向から見て第１強磁性層と重ならない領域に積層された低抵抗層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線は、第１領域と第２領域と第３領域とを有し、
    前記第１領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層と重なり、
    前記第２領域は、前記積層方向から見て、前記第１強磁性層及び前記低抵抗層と重ならず、前記第１領域と前記第３領域との間にあり、
    前記第３領域は、前記積層方向から見て、前記低抵抗層と重なり、
    前記低抵抗層は、抵抗率が前記スピン軌道トルク配線より低く、
    前記低抵抗層は、前記スピン軌道トルク配線より厚みが薄く、
    前記低抵抗層を覆う第２酸化物層をさらに備える、磁化回転素子。
  12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載の磁化回転素子と、
    前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に順に積層された非磁性層と第２強磁性層とをさらに備える、磁気抵抗効果素子。
  13. 請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気記録アレイ。
  14. 請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子を有する、高周波デバイス。
  15. 配線層と磁性層とを順に積層する工程と、
    前記磁性層を所望の形状に加工し、第１強磁性層を形成する工程と、
    前記配線層上に、前記配線層より電気抵抗が低い導電層を積層する工程と、
    前記配線層、前記第１強磁性層、前記導電層を覆う層間絶縁層を積層する工程と、
    前記層間絶縁層を介して、前記配線層及び前記導電層を所望の形状に加工し、スピン軌道トルク配線及び低抵抗層を形成する工程と、を有する、磁化回転素子の製造方法。
  16. 前記導電層を積層した後に、前記第１強磁性層の側壁に付着した導電材料をエッチングする工程をさらに備える、請求項１５に記載の磁化回転素子の製造方法。
  17. 前記導電層を積層した後に、前記第１強磁性層の側壁に付着した導電材料を酸化する工程をさらに備える、請求項１５又は１６に記載の磁化回転素子の製造方法。
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