JPWO2017090726A1 - スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2015年11月27日に、日本に出願された特願2015−232334号、2016年3月16日に、日本に出願された特願2016−53072号、2016年3月18日に、日本に出願された特願2016−56058号、2016年10月27日に、日本に出願された特願2016−210531号、2016年10月27日に、日本に出願された特願2016−210533号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
磁場を利用する方式では、素子サイズが小さくなると、細い配線に流すことができる電流では書き込みができなくなるという問題がある。
これに対して、スピントランスファートルク(STT)を利用する方式では、一方の強磁性層(固定層、参照層)が電流をスピン分極させ、その電流のスピンがもう一方の強磁性層(自由層、記録層)の磁化に移行され、その際に生じるトルク(STT)によって書き込み(磁化反転)が行われるが、素子サイズが小さくなるほど書き込みに必要な電流が小さくて済むという利点がある。
TMR素子の長寿命の観点からはこの反転電流密度は低いことが望ましい。この点は、GMR素子についても同様である。
従って、TMR素子及びGMR素子のいずれの磁気抵抗効果素子においても、この磁気抵抗効果素子に流れる電流密度を低減することが望まれる。
SOTを利用する磁化反転は、磁化の向きが可変な強磁性金属層(自由層)に、純スピン流を発生する材料からなる部材(例えば、層あるいは膜。以下、「スピン流発生部材」ということがある)を接合した構造において、この部材に電流を流すことで純スピン流を発生させ、その純スピン流が強磁性金属層との接合部分から強磁性金属層中に拡散(注入)されることにより、生ずる。この際に、スピン流発生部材と強磁性金属層のスピン抵抗の大きさの違い(ミスマッチ)により、注入したスピン流が強磁性金属層からスピン流発生部材に戻ってくる影響が懸念される。このように逆流したスピン流は、強磁性金属層中の磁化の反転に寄与しない。従って、このように逆流するスピン流の量を低減する構成を検討して、本発明に想到した。
図1に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)のスピン軌道トルク配線2の幅方向の中心線であるX−X線で切った断面図である。
本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、図1に示すスピン流磁化反転素子101は、磁化の向きが可変な第2強磁性金属層1と、第2強磁性金属層1の面直方向である第1方向(z方向)に対して交差する第2方向(x方向)に延在し、第2強磁性金属層1の第1面1aに接合するスピン軌道トルク配線2と、を備え、スピン軌道トルク配線2の、少なくとも第2強磁性金属層1に接合する接合部分のスピン抵抗は、第2強磁性金属層1のスピン抵抗よりも大きい。
ここで、スピン軌道トルク配線2と第2強磁性金属層1との接合は、「直接」接合してもよいし、後述するようにキャップ層のような「他の層を介して」接合してもよく、スピン軌道トルク配線2で発生した純スピン流が第2強磁性金属層1に流れ込む構成であれば、スピン軌道トルク配線と第1強磁性金属層との接合(接続あるいは結合)の仕方に限定はない。
スピン軌道トルク配線は、第2強磁性金属層の面直方向に対して交差する方向に延在する。スピン軌道トルク配線は、該スピン軌道トルク配線に第2強磁性金属層の面直方向に対して直交する方向(スピン軌道トルク配線の延在方向)に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、第2強磁性金属層に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
非磁性体(強磁性体ではない材料)では上向きスピンS+の電子数と下向きスピンS−の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう上向きスピンS+の電子数と下方向に向かう下向きスピンS−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。
これに対して、強磁性体中に電流を流した場合にも上向きスピン電子と下向きスピン電子が互いに反対方向に曲げられる点は同じであるが、強磁性体中では上向きスピン電子と下向きスピン電子のいずれかが多い状態であるため、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)点で異なる。従って、スピン軌道トルク配線の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
図2において、スピン軌道トルク配線2の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込むことになる。
本発明では、このようにスピン軌道トルク配線に電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流がスピン軌道トルク配線に接する第2強磁性金属層に拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク(SOT)効果で自由層である第2強磁性金属層の磁化反転に寄与するものである。
後述する本発明の磁気抵抗効果素子すなわち、純スピン流によるSOT効果で強磁性金属層の磁化反転を行う磁気抵抗効果素子は、従来のSTTを利用する磁化反転を純スピン流によるSOT効果でアシストする素子として、あるいは純スピン流によるSOT効果による磁化反転が主力で従来のSTTを利用する磁化反転でアシストする素子として、あるいは純スピン流によるSOTのみで強磁性金属層の磁化反転を行う新規の磁気抵抗効果素子としても用いることもできる。
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。
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。
従って、本発明の磁気抵抗効果素子において、同じサイズのスピン軌道トルク配線であれば、スピン抵抗率が大きい材料を用いる方がスピン流の逆流を低減する効果が大きい。
ここで、第2強磁性金属層からスピン軌道トルク配線へスピン流が逆流する効果を低減する効果が大きい材料は、スピン拡散長だけで決まるのではなく、電気抵抗率との積で決まる点に留意すべきである。
非磁性体の電気抵抗率およびスピン拡散長は後述する方法により算出したものであり、Feの各パラメータは非特許文献4に基づいた値である。
スピン流は、距離dとスピン拡散長λの比に依存して、exp(−d/λ)に従って指数関数的に減衰する。スピン拡散長λは物質固有の定数であり、スピン流の大きさが1/eになる距離である。
材料のスピン拡散長は様々な手法によって見積もることができる。例えば、非局所的方法、スピンポンピング効果を利用する方法、ハンル効果を利用する方法などが知られている。
面内スピンバルブ構造(強磁性体と非磁性体との界面がトンネル接合ではない場合)を用いた非局所測定において、拡散方程式を解くことにより、スピン出力(非局所スピンバルブ信号)の大きさΔVは以下の式(2)のように表される(非特許文献3)。
Q=RSF/RSNで定義され、RSN、RSFはそれぞれ、RSN=λN/(ANσN)、RSF=λF/{(1−σF 2)(AFσF)}で定義される非磁性体、強磁性体のスピン抵抗であり、
λN、λFはそれぞれ、非磁性体、強磁性体のスピン拡散長であり、
AN、AFはそれぞれ、非磁性体、強磁性体のスピン流が流れる領域の断面積であり、
σN、σFはそれぞれ、非磁性体、強磁性体の電気伝導率であり、
αFは、強磁性体のスピン偏極率であり、
dは、2本の強磁性体細線間の距離である。
一方の強磁性体細線12と参照電極15との間に直流電流を印加し、別の強磁性体細線13と参照電極16との間の電圧を測定する。このとき、磁場を印加して2つの強磁性体細線の磁化を反転させる。素子の形状(サイズ)が異なっているため形状異方性の効果で反転磁場が異なるため、磁場領域によって強磁性体細線の磁化の向きが平行と反平行が形成できる。平行時と反平行時の電圧の差からスピン出力の抵抗を求めることができる。
強磁性体細線間距離dを、7nm〜1μmの間の少なくとも5種類以上で測定した。精度を上げるためには、スピン拡散長の大きさにより強磁性体細線間距離dの数を決める必要がある。非局所測定では強磁性体細線間距離dを小さくし過ぎるとノイズが大きくなるので小さくできない。そのため、スピン拡散長が小さいときは、指数関数の裾の部分で測定を行うことになるが、測定の点すなわち、強磁性体細線間距離dの数を増やせば、測定精度は上がる。
強磁性体細線間距離を横軸とし、縦軸にスピン出力ΔVをプロットし、式(2)によるフィッティングによって、各非磁性体のスピン拡散長を求めた。
表1中のMo、WおよびMoFe合金は、強磁性体細線間距離dを25nmから5nmづつ大きくして5点とった。また、Nbは、強磁性体細線間距離dを7nmから1nmづつ大きくして20点とった。また、Pdは、強磁性体細線間距離dを7nmから1nmづつ大きくして40点とった。また、Ptは、強磁性体細線間距離dを7nmから1nmづつ大きくして100点とった。なお、製造装置の制約上、7nm以上の解像度が得ることをできていない。前述の強磁性体細線間距離dの変化は、設計上の値である。但し、十分な数の測定点数を計測することで、設計値と実際の値の誤差を統計的に補完した。
PtやPdのようにスピン拡散長が短いものについては通常、スピンポンピング効果を利用する方法、ハンル効果を利用する方法で求める。
図4に示すように、一般的な四端子法による測定を行った。参照電極間に直流電流を印加し、強磁性体細線間の電圧降下を測定した。また、素子のばらつきや誤差を避けるため、強磁性体細線間の距離の異なる素子の複数の結果から非磁性体細線の電気抵抗率を求めた。具体的には、強磁性体細線間の距離を横軸とし、縦軸に電気抵抗をプロットし、その傾きから電気抵抗率を求めた。
表1中のMoおよびWは、強磁性体細線間距離dを5点とった。また、Nbは、強磁性体細線間距離dを20点とった。また、Pdは、強磁性体細線間距離dを40点とった。また、Ptは、強磁性体細線間距離dを100点とった。
この場合、非磁性の重金属は最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。かかる非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。スピン軌道トルク配線2は、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。
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のに対して、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流JSが発生しやすい。
スピン軌道相互作用はスピン軌道トルク配線材料の物質の固有の内場によって生じるため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱されるため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線における純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は3%以下であることが好ましい。
トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe2,Bi2Te3,(Bi1−xSbx)2Te3などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率でスピン流を生成することが可能である。
図5は、発明のスピン流磁化反転素子の応用例であり、また、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子100は、磁気抵抗効果素子部20と、該磁気抵抗効果素子部20の積層方向に対して交差する方向に延在し、磁気抵抗効果素子部20(第2強磁性金属層23)に接合するスピン軌道トルク配線40とを備え、前記スピン軌道トルク配線層の、少なくとも前記第2強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、前記第2強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きい。本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子100は、本発明のスピン流磁化反転素子101と、磁化の向きが固定された第1強磁性金属層21と、非磁性層22とを有する構成であると言うこともできる。
図5を含めて以下では、スピン軌道トルク配線が磁気抵抗効果素子部の積層方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、直交する方向に延在する構成の場合について説明する。
図5においては、磁気抵抗効果素子部20の積層方向に電流を流すための配線30と、その配線30を形成する基板10と、キャップ層24も示している。
以下、磁気抵抗効果素子部20の積層方向をz方向、z方向と垂直でスピン軌道トルク配線40と平行な方向をx方向、x方向及びz方向と直交する方向をy方向とする。
図5に示した例では、第2強磁性金属層23の上にスピン軌道トルク配線層40が形成されているが、逆の順番で形成されていても構わない。
磁気抵抗効果素子部20は、磁化の向きが固定された第1強磁性金属層21と、磁化の向きが可変な第2強磁性金属層23と、第1強磁性金属層21及び第2強磁性金属層23に挟持された非磁性層22とを有する。
第1強磁性金属層21の磁化が一方向に固定され、第2強磁性金属層23の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部20として機能する。保磁力差型(擬似スピンバルブ型;Pseudo spin valve 型)のMRAMに適用する場合には、第1強磁性金属層の保持力は第2強磁性金属層の保磁力よりも大きいものであり、また、交換バイアス型(スピンバルブ;spin valve型)のMRAMに適用する場合には、第1強磁性金属層では反強磁性層との交換結合によって磁化の向きが固定される。
また、磁気抵抗効果素子部20は、非磁性層22が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子であり、非磁性層22が金属からなる場合は巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子である。
第1強磁性金属層21は固定層や参照層、第2強磁性金属層23は自由層や記憶層などと呼ばれる。
例えば、非磁性層22が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al2O3、SiO2、Mg、及び、MgAl2O4O等を用いることができる。またこれらの他にも、Al,Si,Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、非磁性層22が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
基板10は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Si、AlTiC等を用いることができる。
例えば1つの例として、下地層には(001)配向したNaCl構造を有し、Ti,Zr,Nb,V,Hf,Ta,Mo,W,B,Al,Ceの群から選択される少なくとも1つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。
配線30は、磁気抵抗効果素子部20の第2強磁性金属層21に電気的に接続され、図5においては、配線30とスピン軌道トルク配線40と電源(図示略)とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部20の積層方向に電流が流される。
図6〜図9に示すスピン軌道トルク配線の実施形態は、上述の材料以外の構成によって、スピン軌道トルク配線に流す電流によるジュール熱を低減する構成の例である。
この構成においては、STT効果による磁化反転とSOT効果による磁化反転を併用するため、STT効果だけで磁化反転を行う構成に比べてSTT反転電流は低減されるが、SOT反転電流の分のエネルギーを消費することになる。
そのため、SOT反転電流によるジュール熱を低減する観点では、スピン軌道トルク配線はすべてが純スピン流を生成しうる材料だけからなるよりも、電気抵抗率が小さい部分を有することが好ましい。すなわち、この観点では、スピン軌道トルク配線は純スピン流を生成する材料からなる部分(スピン流発生部)と、電気抵抗率が小さい導電部とからなるのが好ましい。導電部は、このスピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなるのが好ましい。
導電部は、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。導電部は、スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
なお、導電部において純スピン流が生成されても構わない。この場合、スピン流発生部と導電部との区別は、本明細書中にスピン流発生部及び導電部の材料として記載したものからなる部分はスピン流発生部または導電部であるとして区別できる。また、純スピン流を生成する主要部以外の部分であって、その主要部より電気抵抗率が小さい部分は導電部として、スピン流発生部と区別できる。
ここで、スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度領域とは、例えば、銅を主成分とするスピン流発生部において、モル比で重金属の濃度が10%以下を指す。スピン流発生部を構成する主成分が上述の重金属以外からなる場合、スピン流発生部に含まれる重金属の濃度はモル比で50%以下であることが好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。これらの濃度領域は、電子のスピン散乱の効果が有効に得られる領域である。重金属の濃度が低い場合、重金属よりも原子番号が小さい軽金属が主成分となる。なお、この場合、重金属は軽金属との合金を形成しているのではなく、軽金属中に重金属の原子が無秩序に分散していることを想定している。軽金属中ではスピン軌道相互作用が弱いため、スピンホール効果によって純スピン流は生成しにくい。しかしながら、電子が軽金属中の重金属を通過する際に、軽金属と重金属の界面でもスピンが散乱される効果があるため重金属の濃度が低い領域でも純スピン流が効率よく発生させることが可能である。重金属の濃度が50%を超えると、重金属中のスピンホール効果の割合は大きくなるが、軽金属と重金属の界面の効果が低下するため総合的な効果が減少する。したがって、十分な界面の効果が期待できる程度の重金属の濃度が好ましい。
また、上述のスピン軌道トルク配線がトポロジカル絶縁体を含む場合、スピン軌道トルク配線におけるスピン流発生部をトポロジカル絶縁体からなるものとすることができる。トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe2,Bi2Te3,(Bi1−xSbx)2Te3などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は高効率でスピン流を生成することが可能である。
図6〜図9に示すスピン軌道トルク配線の実施形態はすべて、スピン流発生部の少なくとも一部が第2強磁性金属層に接合した構成である。
ここで、スピン軌道トルク配線と第2強磁性金属層との接合は、「直接」接合してもよいし、後述するようにキャップ層のような「他の層を介して」接合してもよく、スピン軌道トルク配線で発生した純スピン流が第2強磁性金属層に流れ込む構成であれば、スピン軌道トルク配線と第2強磁性金属層との接合(接続あるいは結合)の仕方は限定されない。
SOT反転電流に対する純スピン流生成効率の観点で、スピン軌道トルク配線に流れる電流がすべてスピン流発生部を流れるようにするためには、スピン流発生部と導電部とが電気的に並列に配置する部分がなく、すべて電気的に直列に配置するようにする。
図6〜図9に示すスピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子部の積層方向からの平面視で、スピン流発生部と導電部とが電気的に並列に配置する部分がない構成であり、(a)で示す断面を有する構成の中で、SOT反転電流に対する純スピン流生成効率が最も高い構成の場合である。
図9に示す構成では、スピン流発生部41と導電部42とが接する面積が広いため、スピン流発生部41を構成する原子番号の大きい非磁性金属と導電部42を構成する金属との密着性が高い。
まず、磁気抵抗効果素子部20例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成することができる。磁気抵抗効果素子部20がTMR素子の場合、例えば、トンネルバリア層は第1強磁性金属層上に最初に0.4〜2.0nm程度のアルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法等の薄膜作成法を用いることができる。
磁気抵抗効果素子部20の成膜及び形状の形成を行った後、スピン流発生部41を最初に形成することが好ましい。これはスピン流発生部41から磁気抵抗効果素子部20に純スピン流の散乱をできるだけ抑制できる構造にすることが高効率化に繋がるからである。
磁気抵抗効果素子部20の成膜及び形状の形成を行った後、加工後の磁気抵抗効果素子部20の周囲をレジスト等で埋めて、磁気抵抗効果素子部20の上面を含む面を形成する。この際、磁気抵抗効果素子部20の上面を平坦化することが好ましい。平坦化することで、スピン流発生部41と磁気抵抗効果素子部20の界面におけるスピン散乱を抑制することができる。
次に、平坦化した磁気抵抗効果素子部20の上面にスピン流発生部41の材料を成膜する。成膜はスパッタ等を用いることができる。
次に、スピン流発生部41を作製したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング(RIE)法を用いて不要部を除去する。
次に、導電部42を構成する材料をスパッタ等で成膜し、レジスト等を剥離することで、スピン軌道トルク配線40が作製される。スピン流発生部41の形状が複雑な場合は、レジストまたは保護膜の形成と、スピン流発生部41の成膜を複数回に分けて形成してもよい。
図10に基づいて、磁気抵抗効果素子100が「STT及びSOT併用」構成である場合の作用について説明する。
もう一つは、スピン軌道トルク配線40の延在方向に流れる電流I2(SOT反転電流)である。
電流I1と電流I2とは互いに交差(直交)するものであり、磁気抵抗効果素子20とスピン軌道トルク配線40とが接合する部分(符号24’は磁気抵抗効果素子20(キャップ層24)側の接合部を示し、符号40’はスピン軌道トルク配線40側の接合部を示す)において、磁気抵抗効果素子20に流れる電流とスピン軌道トルク配線40に流れる電流が合流し、または、分配される。
図11に示す磁気抵抗効果素子200において、スピン軌道トルク配線50は磁気抵抗効果素子20の積層方向に備えた上面接合部51(上述のスピン軌道トルク配線40に相当)の他に、第1強磁性金属層23の側壁に接合する側壁接合部52を有する。
従って、純スピン流Jsが磁気抵抗効果素子20の上面からキャップ層24を介して第1強磁性金属層23に流れ込むだけでなく、純スピン流Js’が第1強磁性金属層23の側壁から流れ込むので、SOT効果が増強される。
図12に示す磁気抵抗効果素子300では、基板10側にスピン軌道トルク配線40を有する。この場合、固定層である第1強磁性金属層23と自由層である第2強磁性金属層24の積層順が図1に示す磁気抵抗効果素子100とは逆になる。
図5や図13に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子100において、積層が後で基板10から遠い側に配置する第2強磁性金属層23が磁化自由層とされ、積層が先で基板10に近い側に配置する第2強磁性金属層21が磁化固定層(ピン層)とされている、いわゆるボトムピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子100の構造は特に限定されるものではなく、いわゆるトップピン構造であってもよい。
第2電源120は、スピン軌道トルク配線40の両端に接続されている。第2電源120は、磁気抵抗効果素子20の積層方向に対して直交する方向に流れる電流である、スピン軌道トルク配線40に流れる電流を制御することができる。
また、例えば薄いデバイスを作製する必要があり、非磁性層22の厚みを薄くせざる得ない場合は、非磁性層22に流れる電流を少なくことが求められる。この場合は、第1電源110から流れる電流量を少なくし、第2電源120から流れる電流量を多くし、SOTの寄与率を高めることができる。
本発明の磁気メモリ(MRAM)は、本発明の磁気抵抗効果素子を複数備える。
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線に流れる電流密度が1×107A/cm2未満とするものである。
スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線に流れる電流によって熱が生じる。熱が第1強磁性金属層に加わると、第1強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は1×107A/cm2未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。
SOT磁化反転工程とSTT磁化反転工程は、同時に行ってもよいし、SOT磁化反転工程を事前に行った後にSTT磁化反転工程を加えて行ってもよい。すなわち、図13に示す磁気抵抗効果素子100においては、第1電源110と第2電源120から電流を同時に供給してもよいし、第2電流120から電流を供給後に、加えて第1電源110から電流を供給してもよいが、SOTを利用した磁化反転のアシスト効果をより確実に得るためには、スピン軌道トルク配線の電源に電流が印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加することが好ましい。すなわち、第2電流120から電流を供給後に、加えて第1電源110から電流を供給することが好ましい。
Claims (8)
- 磁化の向きが可変な第2強磁性金属層と、
前記第2強磁性金属層の面直方向に対して交差する方向に延在し、前記第2強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線層の、前記第2強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、前記第2強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きいスピン流磁化反転素子。 - 前記スピン軌道トルク配線層は、スピン流を発生する材料からなるスピン流発生部と導電部とを有し、
スピン流発生部の一部は前記接合部分を構成している請求項1に記載のスピン流磁化反転素子。 - 前記導電部の電気抵抗率は、前記スピン流発生部の電気抵抗率以下であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン流発生部は、タングステン、モリブデン、ニオブ、及び、これらの金属を少なくとも1つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなる請求項1〜3のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線は、前記第2強磁性金属層の側壁の一部に接する側壁接合部を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、磁化の向きが固定されている第2強磁性金属層と、前記第1強磁性金属層と前記第2強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子。
- 前記第2強磁性金属層が前記第一強磁性金属層よりも積層方向において下方に位置する請求項6に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項7に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
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