JP7187928B2 - スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。

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、磁気抵抗効果素子の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電流を流す。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。

特開２０１７－２１６２８６号公報

強磁性層の熱磁化安定性は、強磁性層の体積が小さくなると低下する。強磁性層の磁化は、熱磁化安定性が低下すると一状態を安定的に維持できなくなる。強磁性層の磁化の不安定化は、データの信頼性の低下の原因となる。

一方で、強磁性層の熱磁化安定性が高いと、データの書き換えが困難になる。磁気抵抗効果素子は、低消費電力化が求められている。強磁性層の磁化を少ない電力で安定的に制御できる磁気抵抗効果素子が求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱磁化安定性に優れ、少ない電力で動作するスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に対して前記第１方向と異なる第２方向に位置する第１強磁性層と、を備え、前記第２方向からの平面視で、前記第１強磁性層の前記第１方向と直交する第３方向の幅は、前記スピン軌道トルク配線の前記第３方向の幅より広く、前記第１強磁性層において、前記第２方向からの平面視で前記スピン軌道トルク配線と重畳する第１領域の面積は、重畳しない第２領域の面積より大きい。

（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記第２方向からの平面視で、前記第２領域が前記スピン軌道トルク配線から前記第３方向へ突出する突出幅が２０ｎｍ以下であってもよい。

（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記第１強磁性層の前記第３方向の幅が６０ｎｍ以下であってもよい。

（４）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記スピン軌道トルク配線から離れる方向に、前記第１強磁性層から順に積層された非磁性層と第２強磁性層とを備える。

（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、基板をさらに有し、前記基板に近い側から、前記第２強磁性層、前記非磁性層、前記第１強磁性層、前記スピン軌道トルク配線の順に積層されていてもよい。

（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、基板をさらに有し、前記基板に近い側から、前記スピン軌道トルク配線、第１強磁性層、前記非磁性層、前記第２強磁性層の順に積層され、前記第１強磁性層の前記基板側の第１面は、前記第１領域と前記第２領域との間に段差を有してもよい。

（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、前記スピン軌道トルク配線に接続された制御部をさらに有し、前記制御部は、前記スピン軌道トルク配線に沿って書き込み電流を流す第１動作と、前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記第２強磁性層を含む積層体の積層方向に読み出し電流を流す第２動作と、前記第１動作により書き込みが適切に行われたかを前記第２動作の結果により判断する第３動作と、前記第１動作による書き込みが適切に行われていない場合に、前記スピン軌道トルク配線に沿って書き込み電流を再度流す第４動作と、を行ってもよい。

（８）第３の態様に磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。

本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリは、熱磁化安定性に優れ、少ない電力で動作する。

第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の斜視図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の平面図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する断面図である。 第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の別の例の断面図である。 第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気メモリの回路図である。

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。

「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の斜視図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０とを備える。

図１のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、基板Ｓｂに形成された配線３０に形成されている。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込む際はスピン軌道トルク配線２０に沿って書き込み電流を流し、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００からデータを読み出すはスピン軌道トルク配線２０と配線３０との間に読み出し電流を流す。読み出し電流は、書き込み電流と比較して小さい。

以下、スピン軌道トルク配線２０が延びる方向（第１方向）をｘ方向とする。スピン軌道トルク配線２０が存在する面内で、第１方向と直交する方向（第３方向）をｙ方向とする。ｘ方向及びｙ方向と交差（例えば、略直交）する方向（第２方向）をｚ方向とする。

＜積層体＞
積層体１０は、一般の磁気抵抗効果素子と同様の構成である。積層体１０は、非磁性層３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。第２強磁性層２は固定層や参照層、第１強磁性層１は自由層や記憶層などと呼ばれる。

積層体１０は、第２強磁性層２の磁化が一方向に固定され、第１強磁性層１の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。積層体１０が保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）の場合は、第２強磁性層２の保磁力を第１強磁性層１の保磁力よりも大きくする。積層体１０が交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）の場合は、第２強磁性層２の一面に反強磁性層を設け、第２強磁性層２と反強磁性層との交換結合によって第２強磁性層２の磁化を固定する。

積層体１０は、基板Ｓｂに近い側から第２強磁性層２、非磁性層３、第１強磁性層１の順に積層されている。本明細書において「順に積層される」とは、この順で並べばよく、それぞれの層の間に異なる層を有してもよい。積層体１０は、固定層（第２強磁性層２）が基板Ｓｂ側に位置するボトムピン構造である。積層体１０は、基板Ｓｂに近い側から作製される。第２強磁性層２と基板Ｓｂとの間に層が少ないほど、第２強磁性層２の膜質が向上し、第２強磁性層２の磁化が安定する。

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。積層体１０は、例えば、第２強磁性層２の磁化を固定するための反強磁性層、積層体１０の結晶性を高める下地層、キャップ層等を有してもよい。下地層は、配線３０と積層体１０との間に形成される。キャップ層は、スピン軌道トルク配線２０と積層体１０との間に形成される。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体、特に軟磁性体を含む。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（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ－Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）である。第１強磁性層１又は第２強磁性層２がＣｏ－Ｈｏ合金又はＳｍ－Ｆｅ合金を含むと、第１強磁性層１又は第２強磁性層２は面内磁化膜となりやすい。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ等の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Ｘ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有し、積層体１０のＭＲ比が高まる。

非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。
非磁性層３が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０は、積層体１０のｚ方向に位置する。図１に示すスピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１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。

スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流を生み出す。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。

スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流Ｉが流れる。一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対し－ｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して＋ｚ方向に曲げられる。

通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。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。

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Ｓ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しい。図１において、－ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と＋ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数とは等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、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_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑－Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、ｚ方向に生じる。図１において、スピン軌道トルク配線２０は第１強磁性層１と隣り合う。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によって構成される。

スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、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。非磁性の重金属は、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。

電子は、一般に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生じる。ｚ方向のスピンの流れは、ｚ方向のスピンの偏在の程度に依存する。スピンホール効果が強く生じるとスピンが偏在しやすく、スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすくなる。

スピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、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。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２０の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。

一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した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場合がある。添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線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。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。

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、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ、（Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３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。

＜積層体とスピン軌道トルク配線との関係＞
図２は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の平面図である。図３は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図３は、積層体１０及びスピン軌道トルク配線２０を覆う絶縁膜５１、５２、５３が図示されている。

第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２０とは、ｚ方向からの平面視で一部重畳する。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０と重畳する第１領域１Ａと、重畳しない第２領域１Ｂとを有する。

第１強磁性層１のｙ方向の幅ｗ１は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅ｗ２より広い。第１強磁性層１の幅ｗ１は、第１強磁性層１の＋ｙ方向の端部から－ｙ方向の端部を通りｘ方向に延びる線に下した垂線の長さである。スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２は、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１と重畳する位置におけるｙ方向の幅である。

第１領域１Ａの面積は、第２領域１Ｂの面積より大きい。第２領域１Ｂの面積は、第２領域１Ｂが複数存在する場合は、それらの総面積である。

第１領域１Ａは、スピン軌道トルク配線２０と隣り合う。第１領域１Ａは、スピン軌道トルク配線２０からスピンが直接注入される。第１領域１Ａの磁化は、スピン軌道トルク配線２０から注入されたスピンにより磁化反転する。これに対し、第２領域１Ｂは、スピン軌道トルク配線２０からスピンが直接注入されない。第２領域１Ｂの磁化は、第１領域１Ａの磁化状態の変化が伝播することで磁化反転する。

スピン軌道トルク配線２０で発生したスピンは、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを流し続ける限り、第１領域１Ａに注入される。第１領域１Ａは、所定の方向に配向したスピンが供給され続ける。第１領域１Ａの磁化は、安定して磁化反転する。これに対し、第２領域１Ｂは、第１領域１Ａの磁化状態の変化に伴い副次的に磁化反転する。第２領域１Ｂの磁化反転は、第１領域１Ａの磁化反転よりは安定しない。安定した磁化反転が生じる第１領域１Ａの面積が第２領域１Ｂの面積より大きいと、第１強磁性層１全体としての磁化反転は安定化する。

第２領域１Ｂは、第１強磁性層の磁化反転の安定化のみを考慮すると、設けない方がよい。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子が第２領域１Ｂを有さない場合、スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２は、第１強磁性層１の幅ｗ１より広くなる。スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２が広いと、スピン軌道トルク配線２０の体積は大きくなり、スピン軌道トルク配線２０の電流密度は低下する。第１強磁性層１の磁化反転は、スピン軌道トルク配線２０の電流密度に依存する。スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２が第１強磁性層１の幅ｗ１より広い関係を満たしたまま、スピン軌道トルク配線２０の電流密度を高めるためには、第１強磁性層１の幅ｗ１が小さくなる。第１強磁性層１の熱磁化安定性は、第１強磁性層１の体積が小さくなると低下する。

これに対し、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、第２領域１Ｂを有する。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２によらず、第１強磁性層１の大きさを設計できる。体積の大きい第１強磁性層１は、熱磁化安定性が高い。

またスピン軌道トルク配線２０の電流密度を一定とすると、スピン軌道トルク配線の幅ｗ２が狭いほど、スピン軌道トルク配線２０を流れる電流量は少なくなる。スピン軌道トルク配線２０で発生する熱量は、流れる電流量が少ない方が、小さくなる。スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２が第１強磁性層１のｙ方向の幅ｗ１より狭いことで、スピン軌道トルク配線２０で生じる熱による熱擾乱により第１強磁性層１の磁化の安定性が低下することも抑制できる。

第２領域１Ｂのｙ方向への突出幅ｄ１は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。第２領域１Ｂの突出幅ｄ１は、第１領域１Ａと第２領域１Ｂとの境界に、第２領域１Ｂのｙ方向に最も突出した端部から下した垂線の長さである。

上述のように、第２領域１Ｂの磁化は、第１領域１Ａの磁気状態の変化が伝播して反転する。第２領域１Ｂの突出幅ｄ１が大きいと、第１領域１Ａと異なる別の磁区が第２領域１Ｂ内に形成され、第１領域１Ａの磁気状態の変化が伝播しにくくなる。異なる磁区の界面には磁壁が存在する。磁壁の幅は、一般に２０ｎｍ程度と言われている。突出幅ｄ１が２０ｎｍ以下であれば、第２領域１Ｂ内に別の磁区が形成されることが避けられる。

また第１強磁性層１の幅ｗ１は、６０ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１の幅ｗ１が６０ｎｍ以下であれば、第１強磁性層１が単磁区化しやすくなる。またスピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２は、第１強磁性層１の幅ｗ１より狭い。スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２の幅ｗ２が６０ｎｍ以下であれば、スピン軌道トルク配線２０の電流密度が十分高くなる。

＜その他の構成＞
基板Ｓｂは、例えば半導体基板である。基板Ｓｂは、例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣが好ましい。Ｓｉ、ＡｌＴｉＣは、平坦性に優れた表面を得やすい。
配線３０は、データを読み出すための読み出し配線である。配線３０は、導電性に優れた材料により構成される。配線３０は、例えば、アルミニウム、金、銀、銅等である。
絶縁膜５１、５２、５３は、層間絶縁膜である。絶縁膜５１、５２、５３は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｈｆからなる群から選択される１種以上の元素の酸化物または窒化物である。

またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、制御部（図示略）を有してもよい。制御部は、スピン軌道トルク配線２０及び配線３０と電気的に接続される。制御部は、ベリファイ機能を有する。ベリファイ機能は、書き込んだデータが正しく書き込まれているかを確認する機能である。

制御部は、具体的には以下の第１動作から第４動作を行う。第１動作は、スピン軌道トルク配線２０に沿って書き込み電流を流す動作である。第２動作は、積層体１０の積層方向に読み出し電流を流す動作である。第３動作は、第１動作により書き込みが適切に行われたかを第２動作の結果により判断する動作である。第４動作は、第１動作による書き込みが適切に行われていない場合に、スピン軌道トルク配線２０に沿って書き込み電流を再度流す動作である。制御部は、第３動作により第１動作で正しい書き込みが行われたことが確認された場合は第４動作を行わない。制御部は、第３動作により第１動作で正しい書き込みが行われなかったことが確認された場合は第４動作を行う。

第２領域１Ｂは、第１領域１Ａの磁気状態の変化に伴い、副次的に磁化反転する。第２領域１Ｂは、書き込みエラーが生じる可能性がある。書き込みエラーは、第１動作から第４動作を行うことで抑制される。

＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法＞
第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造法の一例を、図４を基に説明する。

基板Ｓｂの一面に配線３０を形成する。配線３０は、例えば、フォトリソグラフィー等で作製する。配線３０の周囲は、絶縁膜５１で覆う。配線３０及び絶縁膜５１の基板Ｓｂと反対側の面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）で研磨する。

配線３０及び絶縁膜５１上に、強磁性層４２、非磁性層４３、強磁性層４１、ストッパ層４４を順に積層する（図４（ａ））。これらの層は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等で積層される。ストッパ層４４は、例えば、Ｒｕ、Ｔｉである。

強磁性層４２、非磁性層４３、強磁性層４１、ストッパ層４４をエッチングにより加工する（図４（ｂ））。例えば、ストッパ層４４の所定の位置にハードマスクを形成し、ハードマスクで被覆されていない部分を除去する。除去された部分は絶縁膜５２で覆う。強磁性層４２は第２強磁性層２、非磁性層４３は非磁性層３、強磁性層４１は第１強磁性層１、ストッパ層４４はストッパ層４となる。ハードマスクは、ストッパ層４に至るまでＣＭＰで研磨し除去する。

ストッパ層４をイオンミリング等で除去する（図４（ｃ））。ストッパ層４が除去され、第１強磁性層１が露出する。

最後に、第１強磁性層１上にスピン軌道トルク配線２０を積層する。スピン軌道トルク配線２０は、エッチング等により所定の形状に加工される（図４（ｄ））。スピン軌道トルク配線２０の周囲を絶縁膜５３で覆う。

上述のように、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク配線２０の幅ｗ２によらず、第１強磁性層１を大きく設計でき、第１強磁性層１の熱磁化安定性が保たれる。またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、第１領域１Ａの面積が第２領域１Ｂの面積より大きいため、第１強磁性層１全体としての安定した磁化反転を行うことができる。したがって、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００によれば、熱磁化安定性を保ちつつ、低消費電力化を実現できる。

「第２実施形態」
図５は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面模式図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、積層体１１がトップピン構造である点が、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と異なる。その他の構成は、同一であり、同一の構成には同一の符号を付す。また同一の構成については説明を省く。

積層体１１は、トップピン構造である。トップピン構造は、固定層（第２強磁性層２）が自由層（第１強磁性層１）より基板Ｓｂから離れた位置にある構成である。積層体１１は、基板Ｓｂに近い側から第１強磁性層１、非磁性層３、第２強磁性層２の順に積層されている。

第１強磁性層１の基板Ｓｂ側の第１面１ａは、第１領域１Ａと第２領域１Ｂとの間に段差Ｓを有する。段差Ｓは、製造過程で形成される。第１強磁性層１を積層する際に、スピン軌道トルク配線２０及びその周囲の絶縁膜５１の表面は、ＣＭＰで研磨される。スピン軌道トルク配線２０と絶縁膜５１とは構成する材料が異なるため、数Å～数十Å程度の段差Ｓが形成される。

図５に示すスピン軌道トルク配線２０は、絶縁膜５１に対して突出している。第１強磁性層１は、突出するスピン軌道トルク配線２０を覆っている。スピン軌道トルク配線２０が絶縁膜５１に対して突出する場合、段差Ｓ分だけスピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１との接触面が増える。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と第１強磁性層１との接触面が増えると、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量が増える。

また第１強磁性層１の磁化は、積層体１１の積層面の影響を受ける。第１面１ａは、第１領域１Ａ及び第２領域１Ｂにおいてｙ方向に延びる。例えば、第１強磁性層１が垂直磁化膜の場合、第１領域１Ａ及び第２領域１Ｂの磁化は、第１面１ａに対して垂直なｚ方向に配向する。これに対し、第１面１ａは、段差Ｓの近傍において、ｙ方向以外の成分を有する。段差Ｓの近傍の磁化は、ｚ方向から傾く。第２領域１Ｂの磁化は、第１領域１Ａの磁気状態の変化が伝播して反転する。第１領域１Ａと第２領域１Ｂとの境界に傾いた磁化が存在することで、第１領域１Ａの磁化の変化を第２領域１Ｂへ伝搬しやすくなる。

図６は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の別の例の断面図である。図６に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２は、積層体１２の構造がスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１と異なる。積層体１２は、積層体１１と同様にトップピン構造である。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２は、スピン軌道トルク配線２０が絶縁膜５１に対して凹んでいる。スピン軌道トルク配線２０が絶縁膜５１に対して突出するか凹むかは、ＣＭＰの条件で調整できる。

図６の構成でも、段差Ｓの近傍の磁化は、ｚ方向から傾く。第１領域１Ａと第２領域１Ｂとの境界に傾いた磁化が存在することで、第１領域１Ａの磁気状態の変化を第２領域１Ｂへ伝搬しやすくなる。

第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１、１０２は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。したがって、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１、１０２によれば、熱磁化安定性を保ちつつ、低消費電力化を実現できる。

「第３実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図７は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。図７に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点のみが、図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１と異なる。

スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、上述のように磁気抵抗効果素子として用いることができる。またスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、単独でも異方性磁気センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として利用できる。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。

スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０の第１強磁性層１及びスピン軌道トルク配線２０には、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００における第１強磁性層１と同様の構成、材料が用いられる。

図７に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１から非磁性層３及び第２強磁性層２を除いたものである。スピン軌道トルク型磁化回転素子は、図３に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００又は図６に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２から非磁性層３及び第２強磁性層２を除いたものでもよい。

スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００、１０１、１０２から非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、上述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００、１０１、１０２と同様に、熱磁化安定性を保ちつつ、低消費電力化を実現できる。

「第４実施形態」
（磁気メモリ）
図８は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（図１参照）を備える磁気メモリ２００の模式図である。図８に示す磁気メモリ２００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図８は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の構成、数及び配置は任意である。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００には、それぞれ、１本のワードラインＷＬ１～ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１～ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１～ＲＬ３が接続されている。

電流を印加するワードラインＷＬ１～ＷＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線２０に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１～ＲＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の積層体１０の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１～ＷＬ３、ビットラインＢＬ１～ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１～ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 第１強磁性層
１Ａ 第１領域
１Ｂ 第２領域
１ａ 第１面
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
４ ストッパ層
１０、１１、１２ 積層体
２０ スピン軌道トルク配線
３０ 配線
４１、４２ 強磁性層
４３ 非磁性層
４４ ストッパ層
５１、５２、５３ 絶縁膜
１００、１０１、１０２ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
１１０ スピン軌道トルク型磁化回転素子
２００ 磁気メモリ

Claims (7)

1. 第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、
   前記スピン軌道トルク配線に対して前記第１方向と異なる第２方向に位置する第１強磁性層と、を備え、
   前記第２方向からの平面視で、前記第１強磁性層の前記第１方向と直交する第３方向の幅は、前記スピン軌道トルク配線の前記第３方向の幅より広く、
   前記第１強磁性層において、前記第２方向からの平面視で前記スピン軌道トルク配線と重畳する第１領域の面積は、重畳しない第２領域の面積より大きく、
   前記スピン軌道トルク配線及び前記第１強磁性層は基板上にあり、
   前記第１強磁性層の前記基板側の第１面は、前記第１領域と前記第２領域との間に段差を有する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
2. 前記第２方向からの平面視で、前記第２領域が前記スピン軌道トルク配線から前記第３方向へ突出する突出幅が２０ｎｍ以下である、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
3. 前記第１強磁性層の前記第３方向の幅が６０ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
   前記第１強磁性層から前記第２方向に順に積層された非磁性層と第２強磁性層とを備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
5. 基板をさらに有し、
   前記基板に近い側から、前記スピン軌道トルク配線、第１強磁性層、前記非磁性層、前記第２強磁性層の順に積層されている、請求項４に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
6. 前記スピン軌道トルク配線に接続された制御部をさらに有し、
   前記制御部は、
   前記スピン軌道トルク配線に沿って書き込み電流を流す第１動作と、
   前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記第２強磁性層を含む積層体の積層方向に読み出し電流を流す第２動作と、
   前記第１動作により書き込みが適切に行われたかを前記第２動作の結果により判断する第３動作と、
   前記第１動作による書き込みが適切に行われていない場合に、前記スピン軌道トルク配線に沿って書き込み電流を再度流す第４動作と、を行う、請求項４又は５に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
7. 請求項４～６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えた、磁気メモリ。

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