JPWO2017090736A1 - スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子及びスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子及びスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

このスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子は、基板と、前記基板側から順に磁化の向きが固定された第１強磁性金属層と、非磁性層と、磁化の向きが可変の第２強磁性金属層と、キャップ層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在し、前記キャップ層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記キャップ層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓからなる群からなる選択されるいずれか一つ以上のスピン伝導性の高い物質を主として有する。

Description

本発明は、スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子及びスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。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２０１６−０５３０７２号、２０１６年３月１８日に日本に出願された特願２０１６−０５６０５８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。
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子及び非磁性層として絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子はＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高いものの、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（ＭＲ）比はＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。
ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。
磁場を利用する方式は、細い配線に流す電流量には限界があるため、素子サイズが小さくなると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。そのため、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。
しかしながら、ＳＴＴを用いた磁気抵抗効果素子は、磁化反転をさせるための反転電流を磁気抵抗効果素子の積層方向に流す必要がある。積層方向に流れる電流は、磁気抵抗効果素子の寿命に悪影響を及ぼす。
そこで近年、純スピン流により誘起されたスピン軌道相互作用を利用した磁化反転が応用上可能であると提唱されている（例えば、非特許文献１）。
スピン軌道相互作用した磁気抵抗効果素子は、純スピン流によりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴにより磁化反転を起こす。純スピン流は、上向きスピンの電子と下向きスピン電子とが同数で互いに逆向きに流れることで生み出される。全体としての電荷の流れは相殺されているため、純スピン流が流れても、電流量はゼロである。
純スピン流は、電流の流れ方向と直交する方向に流れる。そのため、ＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子において、磁化反転を起こすための反転電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流れる。
つまり、ＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、長寿命化が期待されている。
Ｉ．Ｍ．Ｍｉｒｏｎ，Ｋ．Ｇａｒｅｌｌｏ，Ｇ．Ｇａｕｄｉｎ，Ｐ．−Ｊ．Ｚｅｒｍａｔｔｅｎ，Ｍ．Ｖ．Ｃｏｓｔａｃｈｅ，Ｓ．Ａｕｆｆｒｅｔ，Ｓ．Ｂａｎｄｉｅｒａ，Ｂ．Ｒｏｄｍａｃｑ，Ａ．Ｓｃｈｕｈｌ，ａｎｄ Ｐ．Ｇａｍｂａｒｄｅｌｌａ，Ｎａｔｕｒｅ，４７６，１８９（２０１１）．
ＳＯＴを用いた磁気抵抗効果素子は、まだ検討が始まったばかりである。そのため、明確な構成は決定していないが、自由層を基板側に設けるトップピン構造が広く用いられている。
純スピン流により誘起されるＳＯＴは積層される層の界面の影響を大きく受ける。大きなＳＯＴを得るためには界面は均一であることが求められる。一般に積層体において、基板に近い層ほど積層される各層の影響が少なく均質となる。そこで、純スピン流を効率よく自由層に供給するために、トップピン構造が採用されている。
一方で、ＳＴＴを用いた磁気抵抗効果素子では、ボトムピン構造も広く採用されている。固定層が基板側にあることで磁化が安定し、ノイズの発生が抑制されるためである。
このボトムピン構造は、ＳＯＴを用いた磁気抵抗効果素子にも原理的には適用可能である。しかしながら、実際にＳＯＴを用いた磁気抵抗効果素子にボトムピン構造を適用しようとすると、積層界面が乱れ、自由層に効率的に純スピン流を供給できないという問題がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、純スピン流により誘起されるＳＯＴを効率的に利用できる磁気抵抗効果素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
（１）第１の態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子は、基板と、前記基板上に設けられ、前記基板側から順に磁化の向きが固定された第１強磁性金属層と、非磁性層と、磁化の向きが可変の第２強磁性金属層と、キャップ層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在し、前記キャップ層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記キャップ層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓからなる群から選択されるいずれか一つ以上のスピン伝導性の高い物質を主として有する。
（２）上記態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子において、前記キャップ層の厚みが、前記キャップ層の主成分を構成する物質のスピン拡散長以下であってもよい。
（３）第２の態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された第１強磁性金属層と、非磁性層と、磁化の向きが可変の第２強磁性金属層と、キャップ層と、を順に有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在し、前記キャップ層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記キャップ層は、スピン伝導性を有し、前記磁気抵抗効果素子は前記第２強磁性金属層と前記キャップ層との間に拡散防止層をさらに有する。
（４）上記態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子において、前記拡散防止層は、磁性元素又はイットリウム以上の原子番号を有する元素から選ばれる少なくとも一つを有してもよい。
（５）上記態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子において、前記拡散防止層の厚みは、前記拡散防止層を構成する原子の原子半径の４倍以下であってもよい。
（６）上記態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属を含んでもよい。
（７）上記態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子において、前記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純スピン流生成部と、該純スピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなる低抵抗部とからなり、該純スピン流生成部の少なくとも一部が前記キャップ層と接していてもよい。
（８）第３の態様にかかる磁気メモリは、上述のスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子を含む。
（９）第４の態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板上に、磁化の向きが固定された第１強磁性金属層と、非磁性層と、磁化の向きが可変の第２強磁性金属層と、キャップ層と、プロセス保護層とを順に積層した積層体を形成する工程と、前記積層体を所定の形状に加工し、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記プロセス保護層を除去し、除去後に露出した露出面上にスピン軌道トルク配線を形成する工程と、を有する。
上記態様にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子によれば、純スピン流により誘起されるＳＯＴを効率的に利用できる。
第１実施形態に係るスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。 スピンホール効果について説明するための模式図である。 スピン軌道トルク配線の一実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 第２実施形態に係るスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。 本実施形態に係るスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法を示した図である。 本実施形態に係るスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子をｘｚ平面で切断した断面模式図である。 本実施形態に係るスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の別の例をｘｚ平面で切断した断面模式図である。 本実施形態に係るスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子を電源も含めて模式的に示した斜視図である。
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、本発明の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。
（スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子）
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
図１に示すように、スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１００は、基板１０と、磁気抵抗効果素子２０と、スピン軌道トルク配線４０とを有する。図１では、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に電流を流すための配線３０も示している。スピン軌道トルク配線４０は、磁気抵抗効果素子２０に接合し、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に対して交差する方向に延在している。
以下では、スピン軌道トルク配線が磁気抵抗効果素子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。
以下、磁気抵抗効果素子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。
＜基板＞
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、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓの半導体やＡｌＴｉＣ等を用いることができる。また、基板１０はＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、 ＩｎＧａＡｓの半導体やＡｌＴｉＣ等の材料の上に回路を有しても良い。
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子２０は、基板１０側から順に、第１強磁性金属層２１と、非磁性層２２と、第２強磁性金属層２３と、キャップ層２４とを有する。
第１強磁性金属層２１の磁化は一方向に固定され、第２強磁性金属層２３の磁化の向きが第１強磁性金属層２１の磁化に対して相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子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２１の保磁力は第２強磁性金属層２３の保磁力よりも大きい。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２１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。
磁気抵抗効果素子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。
実施形態にかかる磁気抵抗効果素子は、公知の磁気抵抗効果素子の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第１強磁性金属層の磁化の向きを固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第１強磁性金属層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。
第１強磁性金属層２１は、第２強磁性金属層２３より基板１０側に配設される。基板１０側に固定層である第１強磁性金属層２１を配設すると、第１強磁性金属層２１の磁化が安定する。第１強磁性金属層２１の磁化が安定すると、ＭＲ比のバックグラウンドが揺らぐことが抑制され、磁気抵抗効果素子２０のノイズが低減する。
第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２３は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。
第１強磁性金属層２１の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
また、より高い出力を得るためには、第１強磁性金属層２１の材料としてＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素である。ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもできる。ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどがホイスラー合金として挙げられる。
また第１強磁性金属層２１の第２強磁性金属層２３と反対側の面には、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を接触させてもよい。第１強磁性金属層２１の第２強磁性金属層２３に対する保磁力をより大きくできる。また第１強磁性金属層２１の漏れ磁場を第２強磁性金属層２３に影響させないようにするため、磁気抵抗効果素子２０をシンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
第１強磁性金属層２１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第１強磁性金属層２１は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とする。
第２強磁性金属層２３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用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
第２強磁性金属層２３の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第２強磁性金属層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第２強磁性金属層２３と非磁性層２２の界面で、第２強磁性金属層２３に垂直磁気異方性を付加できる。第２強磁性金属層２３の膜厚は薄い方が好ましい。垂直磁気異方性は第２強磁性金属層２３の膜厚を厚くすることによって効果が減衰する。
非磁性層２２には、公知の材料を用いることができる。
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トンネルバリア層として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り、スピンを効率よく第２強磁性金属層２３に注入できる。
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。
キャップ層２４は、第２強磁性金属層２３とスピン軌道トルク配線４０を繋ぐ層である。後述する製造方法において詳細を記載するが、キャップ層２４は製造過程で研磨可能な層である。そのため、第２強磁性金属層２３上にキャップ層２４を設けることで、スピン軌道トルク配線４０が積層される面を平坦化できる。
純スピン流に伴うＳＯＴは、積層面の界面の影響を大きく受ける。キャップ層２４とスピン軌道トルク配線４０の界面を平坦化することで、純スピン流を第２強磁性金属層２３に効率的に供給することができ、大きなＳＯＴを得ることができる。
一方、スピン軌道トルク配線４０で発生した純スピン流は、第２強磁性金属層２３に至るまでにキャップ層２４を通過する。キャップ層２４は、界面の平坦化に必要な層であるが、キャップ層２４が通過するスピンを拡散すると、十分な純スピン流を第２強磁性金属層２３に供給できない。
そこで、キャップ層２４はスピン軌道トルク配線４０から伝播するスピンを散逸しにくいことが求められる。すなわち、キャップ層２４は、スピン伝導性を有していることが求められ、スピン伝導性の高い物質を主として有することが好ましい。
銅、銀、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素等は、スピン拡散長が室温でも１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくい。そのため、キャップ層２４は、これらの材料からなる群から選択されるいずれか一つ以上の元素を主として有することが好ましい。
キャップ層２４の厚みは、キャップ層２４を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。キャップ層２４の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線４０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子２０に十分伝えることができる。
またキャップ層２４は、磁気抵抗効果素子２０の各層の結晶配向性にも寄与する。キャップ層２４は、磁気抵抗効果素子２０の第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２３の磁性を安定化し、磁気抵抗効果素子２０の低抵抗化に寄与する。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線４０は、磁気抵抗効果素子２０の積層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４０には、スピン軌道トルク配線４０に沿って電流を流すための電源が電気的に接続されている。スピン軌道トルク配線４０と電源とで、磁気抵抗効果素子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。
スピン軌道トルク配線４０は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線４０中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
図２は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図２に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。
図２に示すように、スピン軌道トルク配線４０の延在方向に電流Ｉを流すと、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。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いのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
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ので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数は等しい。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第１スピン電子と第２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。しかしながら、強磁性体中では第１スピン電子と第２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）。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。
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ＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。図２においては、純スピン流としてＪＳが図中の上方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
図２において、スピン軌道トルク配線４０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。本実施形態では、スピン軌道トルク配線４０に電流を流して生成された純スピン流は、キャップ層２４を介して第２強磁性金属層２３に拡散する。自由層である第２強磁性金属層２３の磁化は、純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果で磁化反転する。
磁化反転は、ＳＯＴのみの効果を利用して行う必要はない。例えば、ＳＯＴと共にＳＴＴの効果を利用して磁化反転を行ってもよい。またこの他、ＳＯＴと共に、外部磁場、熱、電圧、格子歪等を利用してもよい。
スピン軌道トルク配線４０は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線４０は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
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。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。スピン軌道トルク配線４０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。これに対して、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属は、スピン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を発生しやすい。
スピン軌道トルク配線４０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線４０に流す電流に対するスピン流生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線４０は、反強磁性金属だけからなってもよい。
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、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。
スピン軌道トルク配線４０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４０は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体または高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。
物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。このスピン軌道相互作用の効果で、外部磁場が無くても新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率で生成できる。
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３〜図６は、スピン軌道トルク配線の実施形態を説明するための模式図であり、それぞれ、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
純スピン流を生成しうる材料である重金属は、通常の配線として用いられる金属に比べて電気抵抗が大きい。そのため、ジュール熱を低減する観点では、スピン軌道トルク配線４０のすべてが純スピン流を生成しうる材料により構成されているよりも、電気抵抗が小さい部分を有することが好ましい。すなわち、スピン軌道トルク配線４０は純スピン流を生成する材料からなる部分（スピン流生成部）と、このスピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなる部分（低抵抗部）とからなるのが好ましい。
スピン流生成部は、純スピン流を生成しえる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。
低抵抗部は、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。低抵抗部は、スピン流生成部よりも電気抵抗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、低抵抗部は、純スピン流を生成しないものに限られるわけではなく、純スピン流を生成しても構わない。この場合、スピン流生成部と低抵抗部との区別は、本明細書中にスピン流生成部及び低抵抗部の材料として記載したものからなる部分はスピン流生成部または低抵抗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が小さい部分は低抵抗部として、スピン流生成部と区別できる。
スピン流生成部は、非磁性の重金属を含んでもよい。純スピン流を生成しうる重金属は、有限に含まれていればよい。スピン流生成部の材料構成としては以下の２つのいずれかであることが好ましい。一つは、スピン流生成部の主成分を純スピン流を生成しうる重金属が占める場合であり、もう一つは、純スピン流を生成しうる重金属が、スピン流生成部の主成分よりも十分少ない濃度領域を占める場合である。
純スピン流を生成しうる重金属がスピン流生成部の主成分を占める場合、その比率は、９０％以上であることが好ましく、１００％であることが好ましい。この場合の重金属は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属である。
一方、スピン流生成部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属の占める濃度が十分少ない場合の一例としては、スピン流生成部の主成分が銅であり、重金属がモル比で１０％以下の濃度で含まれている場合が挙げられる。
このように純スピン流を生成しうる重金属が、スピン流生成部の主成分よりも十分少ない濃度領域を占める場合、スピン流生成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。重金属の濃度範囲が当該範囲内であれば、電子によるスピン散乱の効果が有効に得られる。
ここで、純スピン流を生成しうる重金属がスピン流生成部の主成分よりも十分少ない濃度領域を占める場合は、スピン流生成部を構成する主成分は上述の重金属以外からなる。すなわち、スピン流生成部を構成する主となる部分が重金属よりも原子番号が小さい軽金属であり、その他の部分が重金属である。
ここで想定しているのは、重金属と軽金属とが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態様である。スピン軌道相互作用は、軽金属中では弱く、主成分たる軽金属中ではスピンホール効果による純スピン流は生成されにくい。しかしながら、軽金属中に重金属が含まれると、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スピンが散乱される。その結果、重金属の濃度が低い場合でも純スピン流を効率よく発生させることが可能である。
一方で、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。
またスピン流生成部は反強磁性金属からなるものとすることができる。この場合は、上述のスピン軌道トルク配線４０が磁性金属を含む場合の一例である。スピン流生成部が反強磁性金属からなる場合は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性重金属が１００％の場合と同等の効果を得ることができる。反強磁性金属は、例えば、ＩｒＭｎやＰｔＭｎが好ましく、熱に対して安定なＩｒＭｎがより好ましい。
またスピン流生成部はトポロジカル絶縁体からなるものとすることができる。この場合は、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の一例である。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できる。
スピン軌道トルク配線で生成された純スピン流が実効的に磁気抵抗効果素子に拡散していくためにはスピン流生成部の少なくとも一部が磁気抵抗効果素子２０に接触している必要がある。図３〜図６に示すスピン軌道トルク配線の実施形態はすべて、スピン流生成部が少なくとも一部でキャップ層２４に接触した構成である。
図３に示すスピン軌道トルク配線４０は、キャップ層２４との接合部４０’がすべてスピン流生成部４１からなり、スピン流生成部４１は低抵抗部４２Ａ、４２Ｂに挟まれている。
ここで、スピン流生成部と低抵抗部とが電気的に並列に配置する場合には、スピン軌道トルク配線に流れる電流はスピン流生成部及び低抵抗部の抵抗の大きさの逆比の割合に分かれてそれぞれの部分を流れることになる。
純スピン流生成効率の観点からは、スピン軌道トルク配線に流れる電流がすべてスピン流生成部を流れるようにすることが好ましい。すなわち、スピン流生成部と低抵抗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ことが好ましい。
図３〜図６に示すスピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子の積層方向からの平面視で、スピン流生成部と低抵抗部とが電気的に並列に配置する部分がない構成である。これらの構成は、純スピン流生成効率を高くできる。
図３に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン流生成部４１が、磁気抵抗効果素子２０の積層方向からの平面視において、キャップ層２４との接合部２４’を含むように重畳している。スピン軌道トルク配線４０の厚さ方向は、スピン流生成部４１だけからなり、低抵抗部４２Ａ、４２Ｂは、このスピン流生成部４１を電流の流れる方向に挟んでいる。図３に示すスピン軌道トルク配線の変形例としては、スピン流生成部４１が、磁気抵抗効果素子２０の積層方向からの平面視において、キャップ層２４の接合部２４’と重なるように重畳している場合がある。この変形例において当該部分以外の構成は、図３に示すスピン軌道トルク配線と同じである。
図４に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン流生成部４１が、磁気抵抗効果素子２０の積層方向から平面視において、キャップ層２４の接合部２４’の一部と重畳している。スピン軌道トルク配線４０の厚さ方向は、スピン流生成部４１だけからなり、低抵抗部４２Ａ、４２Ｂは、このスピン流生成部４１を電流の流れる方向に挟んでいる。
図５に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン流生成部４１が、磁気抵抗効果素子２０の積層方向から平面視において、キャップ層２４の接合部２４’を含むように重畳している。スピン軌道トルク配線４０の厚さ方向は、磁気抵抗効果素子２０側からスピン流生成部４１と低抵抗部４２Ｃが順に積層している。スピン流生成部４１及び低抵抗部４２Ｃが積層する部分は、電流の流れる方向に低抵抗部４２Ａ、４２Ｂにより挟まれている。図５に示すスピン軌道トルク配線の変形例としては、スピン流生成部４１が磁気抵抗効果素子２０の積層方向からの平面視において、キャップ層２４の接合部２４’に重なるように重畳している場合がある。この変形例において当該部分以外の構成は、図５に示すスピン軌道トルク配線と同じである。
図６に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン流生成部４１が第１スピン流生成部４１Ａと第２スピン流生成部４１Ｂとを有する。第１スピン流生成部４１Ａは、スピン流生成部４１の磁気抵抗効果素子２０側の一面全体に形成された部分である。第２スピン流生成部４１Ｂは、第１スピン流生成部４１Ａ上に積層された部分であって、磁気抵抗効果素子２０の積層方向から平面視してキャップ層２４の接合部２４’を含むように重畳する部分である。第２スピン流生成部４１Ｂは、電流の流れる方向に低抵抗部４２Ａ、４２Ｂに挟まれている。
図６に示すスピン軌道トルク配線の変形例として、第２スピン流生成部４１Ｂが磁気抵抗効果素子２０の積層方向からの平面視において、キャップ層２４の接合部２４’に重なるように重畳している場合がある。この変形例において当該部分以外の構成は、図６に示すスピン軌道トルク配線と同じである。図６に示す構成では、スピン流生成部４１と低抵抗部４２とが接する面積が広いため、スピン流生成部４１と低抵抗部４２との密着性が高い。
図３〜図６では、スピン軌道トルク配線４０の厚み及びｙ方向の幅は、電流の流れ方向に一定として図示している。しかしながら、スピン軌道トルク配線４０の形状は当該構成に限られない。例えば、磁気抵抗効果素子２０と積層方向からの平面視で重なる部分において、スピン軌道トルク配線４０を狭窄してもよい。スピン軌道トルク配線４０を流れる電流は、狭窄した部分で集中する。すなわち、スピン流生成部４１に供給される電流効率を高め、純スピン流の発生効率を高めることができる。
また図３〜図６では、スピン流生成部４１のｘ方向（電流の流れ方向）の幅は、スピン軌道トルク配線４０の厚み方向で原則一定である。しかしながら、スピン流生成部４１の形状は当該構成に限られない。例えば、スピン流生成部４１のｘ方向の幅が、磁気抵抗効果素子２０に向かって縮径する構成としてもよい。スピン流生成部４１は、低抵抗部４２Ａ、４２Ｂより抵抗が大きい。そのため、スピン軌道トルク配線４０を流れる電流の一部は、スピン流生成部４１と低抵抗部４２Ａ、４２Ｂの界面に沿って流れる。その結果、磁気抵抗効果素子２０とスピン軌道トルク配線４０の界面に多くの電流を供給することができ、純スピン流の第２強磁性金属層２３への供給効率をより高めることができる。
＜下地層＞
基板１０の磁気抵抗効果素子２０側の面には、下地層（図示略）が形成されていてもよい。下地層を設けると、基板１０上に積層される第１強磁性金属層２１を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。
下地層は、絶縁性を有していることが好ましい。配線３０等に流れる電流が散逸しないようにするためである。下地層には、種々のもの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からなる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。
他の例として、下地層にはＡＢＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。
他の例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。
他の例として、下地層には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗのからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。
下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子２０の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。
＜配線＞
配線３０は、磁気抵抗効果素子２０の第１強磁性金属層２１に電気的に接続される。第２強磁性金属層２３の磁化をＳＯＴのみを利用して磁化反転させる場合は、配線３０は不要である。一方で、ＳＯＴに加えてＳＴＴを利用する場合は、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に電流を流す必要があり、配線３０が必要になる。
配線３０は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
「第２実施形態」
図７は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の斜視模式図である。第２実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１０１は、拡散防止層２６を有する点が、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１００と同一であり、同一の符号を付している。
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１０１は、磁気抵抗効果素子２５と、スピン軌道トルク配線４０と、を備える。磁気抵抗効果素子２５は、第２強磁性金属層２３とキャップ層２４との間に、拡散防止層２６を有する。拡散防止層２６を有する場合は、スピン軌道トルク配線４０が基板１０側に設けられていてもよい。
拡散防止層２６は、キャップ層２４を構成する元素が第２強磁性金属層２３へ拡散することを防止する層である。上述のように、キャップ層２４には、スピン軌道トルク配線４０から第２強磁性金属層２３へ供給される純スピン流を拡散しないために、スピン伝導性が求められる。しかしながら、この点のみを考慮するとキャップ層２４を構成する元素として軽元素が用いられ、この元素が第２強磁性金属層２３に拡散する場合がある。
第２強磁性金属層２３に非磁性元素が拡散すると、第２強磁性金属層２３の磁化特性が劣化する。例えばＭｇは、キャップ層２４に用いることができる元素ではあるが、拡散しやすい元素である。キャップ層２４と第２強磁性金属層２３の間に拡散防止層２６を設けることで、キャップ層２４から第２強磁性金属層２３への原子の拡散を防止する。
拡散防止層２６は、磁性元素又はイットリウム以上の原子番号を有する元素から選ばれる少なくとも一つを有することが好ましい。これらの元素は重く、動きにくい。つまりこれらの元素は、拡散してくる元素の流れを阻害する。つまり、キャップ層２４を構成する元素が第２強磁性金属層２３へ拡散することを抑制する。またこれらの元素は重いため、拡散防止層２６を構成する元素自体が第２強磁性金属層２３に拡散することもほとんどない。
またスピン軌道トルク配線４０に流れる電流の一部は、拡散防止層２６にも供給される。そのため、例えば拡散防止層２６を構成する材料を非磁性の重金属とすると、拡散防止層２６でも純スピン流を生み出すことができる。
拡散防止層２６の厚みは、拡散防止層を構成する原子の原子半径の４倍（原子直径の２倍）以下であることが好ましく、原子半径の２倍（原子直径の１倍）未満であることがより好ましい。ここで、拡散防止層２６の厚みとは、製造時において計算上積層される厚みを意味する。
拡散防止層２６は、元素の拡散を防止するという観点では緻密に層を構成していることが好ましい。しかしながら、緻密な層が形成されると磁気的な相関も遮断されるおそれがある。そのため、磁気的な相関を維持しつつ、元素の拡散を防止するために、拡散防止層２６を構成する元素が層の面内に散逸的に存在していることが最も好ましい。
拡散防止層２６を積層する際の計算上厚みが、原子の原子半径の４倍（原子直径の２倍）以下であれば、精密な制御をおこなわない限り、緻密な層は形成されず、隙間が形成される。また原子の原子半径の２倍（原子直径の１倍）未満であれば、原子１層分の厚み未満であり、緻密な層が形成されないことは明らかである。
拡散防止層２６は、上述のように非常に薄い層であるが、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を用いて分析可能である。また装置の空間分解能及び得られるピークの半値幅等から、拡散防止層２６の厚みも推定可能である。
（スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法）
次いで、本実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。図８は、本実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法を模式的に示した図である。
以下、拡散防止層を有さない場合を例に説明する。拡散防止層を有する場合は、第２強磁性金属層２３とキャップ層２４の間に拡散防止層を積層する工程を加える点のみが異なり、その他の工程は同一である。
まず図８（ａ）に示すように、基板１０上に、配線用金属層３１、第１強磁性金属層２１、非磁性層２２、第２強磁性金属層２３、キャップ層２４、プロセス保護層２７を順に積層する。ＳＯＴのみを利用して磁化反転を行う場合は、配線用金属層３１は不要である。
これらの積層方法は公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等を用いることができる。非磁性層２２は、金属薄膜をスパッタリングし、得られた金属薄膜をプラズマ酸化又は酸素導入により自然酸化してもよい。
プロセス保護層２７は、加工中に除去される層であり、第２強磁性金属層２３に加工ダメージが加わるのを防ぐ層である。プロセス保護層２７は、キャップ層２４と同じ材料を用いて形成してもよいし、異なる材料を用いてもよい。
プロセス保護層２７は、プロセス中に選択的にエッチングされず、機械的な硬さを有することが好ましい。そのため、プロセス保護層２７を構成する材料として、Ｒｕ，Ｔａ，ＳｉＮ，Ｗ，Ｍｏからなる群から選ばれる少なくとも一つ以上の元素を用いることが好ましい。
次いで図８（ｂ）に示すように、プロセス保護層２７上にレジスト等を設け、積層体を所定の形状に加工して、磁気抵抗効果素子２０を作製する。配線３０と磁気抵抗効果素子２０との形状が異なる場合は、まず配線３０を得るために積層体を一方向に加工したあと、その方向と異なる方向に積層体を加工する。積層体の加工には、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いることができる。
そして、図８（ｃ）に示すように、磁気抵抗効果素子２０の側面を保護するために、磁気抵抗効果素子２０の外周を絶縁体５０で被覆する。この際、絶縁体５０の露出面５０ａとプロセス保護層２７の露出面２７ａとは、完全に同一の位置に形成されるとは限らない。絶縁体５０を形成する際に膜厚を制御したとしても、それぞれの面の間に僅かな段差が残る場合がある。またプロセス保護層２７の露出面２７ａは、積層体を加工する際のダメージを受けて荒れている。
そこで図８（ｄ）に示すように、絶縁体５０の露出面５０ａ及びプロセス保護層２７の露出面２７ａを研磨する。研磨の方法は、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いることが好ましい。研磨によりプロセス保護層２７は除去され、キャップ層２４が露出する。研磨は、必ずしもプロセス保護層２７とキャップ層２４の界面で止める必要はなく、キャップ層２４をある程度研磨した段階で止めてもよい。
研磨により、絶縁体５０の露出面５０ａとキャップ層２４の露出面２４ａは同一平面となる。またキャップ層２４の露出面２４ａも、研磨前のプロセス保護層２７の露出面２７ａと異なり平坦である。
最後に、平坦化された露出面上にスピン軌道トルク配線４０を積層する。スピン軌道トルク配線４０は、配線３０と交差する方向に延在するように加工する。その後、スピン軌道トルク配線４０の露出面を絶縁体で保護し、スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子が作製される。
この製造方法において重要なのは、スピン軌道トルク配線４０が積層されるキャップ層２４の露出面２４ａが平坦化されている点である。純スピン流により誘起されるＳＯＴは、積層面の界面の効果を大きく受ける。そのため、スピン軌道トルク配線４０が積層される露出面２４ａを平坦化することで、ＳＯＴを効率的に誘起できる。
また第２強磁性金属層２３の磁化の配向度も、積層界面の影響を大きく受ける。例えば垂直磁化膜の場合、第２強磁性金属層２３の磁化は積層界面に垂直に配向する。積層界面が平坦でないと、磁化が積層方向に対して僅かに傾いて配向する。磁化の配向方向がばらつくと、ＭＲ比の低下の原因となる。
またこの製造方法において、研磨している対象が第２強磁性金属層２３ではないという点も重要である。例えば、スピン軌道トルク配線４０が積層される積層面を平坦化するという点のみを考慮すると、第２強磁性金属層２３を厚めに積層し、第２強磁性金属層２３の露出面を研磨することも考えられる。しかしながら、第２強磁性金属層２３を厚膜にすると特性にばらつきが生じる。これに対し、最初から除去される層としてプロセス保護層２７を設けることで、第２強磁性金属層２３に影響を与えずに、研磨等の加工が可能になる。
なお、図３〜図６に示すようにスピン軌道トルク配線４０を、スピン流生成部４１と低抵抗部４２Ａ，４２Ｂに分ける場合は、公知のフォトリソグラフィー等の加工手段を用いることができる。
この際、スピン流生成部４１は低抵抗部４２Ａ，４２Ｂより先に形成することが好ましい。これはスピン流生成部４１から磁気抵抗効果素子２０に供給される純スピン流の散乱を抑制するために、スピン流生成部４１と磁気抵抗効果素子２０の界面にダメージを与えないためである。
（スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の動作）
次いで、スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の動作について説明する。スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子は、第２強磁性金属層２３の磁化反転を抵抗値変化として出力する。以下、第２強磁性金属層２３の磁化反転を行う方法として、ＳＴＴとＳＯＴを共に利用した方法と、ＳＯＴのみを利用した方法とのそれぞれについて説明する。
まず、ＳＴＴとＳＯＴを共に利用して第２強磁性金属層２３の磁化反転を行う方法について説明する。図９は、本実施形態に係るスピン流アシスト型磁気抵抗効果素子をｘｚ平面で切断した断面模式図である。図９は、ｘｚ平面における断面図に対応する。素子の動作の理解に不要な絶縁体は除去して図示している。
図９に示すようにスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１００には２種類の電流がある。一つは、磁気抵抗効果素子２０をその積層方向に流れ、スピン軌道トルク配線４０及び配線３０に流れる電流Ｉ１（ＳＴＴ反転電流）である。図９においては、電流Ｉ１はスピン軌道トルク配線４０、磁気抵抗効果素子２０、配線３０の順に流れる。この場合、電子は配線３０、磁気抵抗効果素子２０、スピン軌道トルク配線４０の順に流れる。
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に流れる電流とスピン軌道トルク配線４０に流れる電流は、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、合流または分配される。
電流Ｉ１を流すと、第１強磁性金属層（固定層）２１の磁化と同じ方向を向いたスピンを有する電子が、スピンの向きを維持したまま、非磁性層２２を通過し、第２強磁性金属層２３に供給される。この電子は、第２強磁性金属層（自由層）２３の磁化Ｍ２３が反転するようなトルク（ＳＴＴ）を与える。
一方、電流Ｉ２は図２に示す電流Ｉに対応する。すなわち、電流Ｉ２を流すと、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２がそれぞれスピン軌道トルク配線４０の端部に向かって曲げられ純スピン流Ｊｓが生じる。純スピン流Ｊｓは、電流Ｉ２の流れる方向と垂直な方向に誘起される。すなわち、図におけるｚ軸方向やｘ軸方向に純スピン流Ｊｓが生じる。図９では、第２強磁性金属層２３の磁化の向きに寄与するｚ軸方向の純スピン流Ｊｓのみを図示している。
図の手前側に電流Ｉ２を流すことによりスピン軌道トルク配線４０に生じた純スピン流Ｊｓは、キャップ層２４を介して第２強磁性金属層２３に拡散して流れ込む。流れ込んだスピンは、第２強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３に影響を及ぼす。すなわち、図９では、−ｘ方向に向いたスピンが第２強磁性金属層２３に流れ込むことで＋ｘ方向に向いた第２強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３を反転させるトルク（ＳＯＴ）が加わる。
以上の通り、第１電流経路（電流Ｉ１）に流れる電流によって生じるＳＴＴ効果に、第２電流経路（電流Ｉ２）に流れる電流によって生じた純スピン流ＪｓによるＳＯＴ効果が加わって、第２強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３が反転する。
ＳＴＴ効果のみで第２強磁性金属層２３の磁化を反転させようとする（すなわち、電流Ｉ１のみに電流が流れる）と、磁気抵抗効果素子２０には所定の電圧以上の電圧を印加する必要がある。ＴＭＲ素子の一般的な駆動電圧は数Ｖ以下と比較的小さいが、非磁性層２２は数ｎｍ程度の非常に薄い膜であり、絶縁破壊が生じることがある。非磁性層２２に通電を続けることで、確率的に非磁性層の弱い部分（膜質が悪い、膜厚が薄い等）が破壊される。
これに対して、ＳＴＴ効果とＳＯＴ効果を同時に利用することで、磁気抵抗効果素子２０に印加する電圧を小さくすることができる。また、スピン軌道トルク配線４０に流す電流の電流密度も小さくできる。磁気抵抗効果素子２０に印加する電圧を小さくすることで、非磁性層２２が絶縁破壊される確率が低下する。またスピン軌道トルク配線４０に流す電流の電流密度を小さくすることで、エネルギー効率が高めることができる。
次いで、ＳＯＴのみを利用して第２強磁性金属層２３の磁化反転を行う方法について説明する。図１０は、本実施形態に係るスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子をｘｚ平面で切断した断面模式図である。素子の動作の理解に不要な絶縁体は除去して図示している。ＳＯＴのみを利用する場合は、配線３０は不要なため、図１０に示すスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１０２は配線３０を有さない。
ＳＯＴのみを用いる場合は、上述の電流Ｉ２のみを用いる。上述のように、電流Ｉ２は、純スピン流Ｊｓを生み出し、生じた純スピン流Ｊｓは、キャップ層２４を介して第２強磁性金属層２３に拡散して流れ込む。流れ込んだスピンは、第２強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３に影響を及ぼす。
すなわち、図１０では、−ｘ方向に向いたスピンが第２強磁性金属層２３に流れ込むことで＋ｘ方向に向いた第２強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３を反転させるトルク（ＳＯＴ）を与え、第２強磁性金属層２３の磁化が反転する。
スピン軌道トルク配線４０に流す電流の電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２未満であることが好ましい。スピン軌道トルク配線４０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４０に流れる電流によって熱が生じる。熱は、第２強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３の安定性を低下させる。
第２強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３の安定性の低下は、想定外の外力による磁化反転が生じる可能性を高まる。磁化反転は、記録した情報が書き換わることに繋がる。そのため、この観点からはスピン軌道トルク配線４０に流す電流を少なくすることが好ましく、第２強磁性金属層２３の磁化反転は、ＳＴＴとＳＯＴを共に利用した方法を用いることが好ましい。
図１１は、本実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子を電源も含めて図示した模式図である。図１１に示すスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１００は、ＳＴＴとＳＯＴを共に利用して第２強磁性金属層２３の磁化を反転する。
第１電源１１０は、配線３０とスピン軌道トルク配線４０とに接続される。第１電源１１０はスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子１００の積層方向に流れる電流を制御する。第１電源１１０は公知のものを用いることができる。
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を制御する。すなわち第２電源１２０は、スピン軌道トルク配線４０に流れる電流を制御する。第２電源１２０は公知のものを用いることができる。
上述のように、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に流れる電流はＳＴＴを誘起する。これに対して、スピン軌道トルク配線４０に流れる電流はＳＯＴを誘起する。ＳＴＴ及びＳＯＴはいずれも第２強磁性金属層２３の磁化反転に寄与する。
このように、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に流れる電流量と、積層方向に直交する方向に流れる電流量とを２つの電源によって制御することで、ＳＯＴとＳＴＴが磁化反転に対して寄与する寄与率を自由に制御できる。
例えば、デバイスに大電流を流すことができない場合は磁化反転に対するエネルギー効率の高いＳＴＴが主となるように制御する。すなわち、第１電源１１０から流れる電流量を増やし、第２電源１２０から流れる電流量を少なくする。
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。
なお、ＳＯＴのみを用いて第２強磁性金属層２３の磁化を反転させる場合は、図１１における配線３０と第１電源１１０が不要となる。
上述のように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子によれば、ボトムピン構造のＳＯＴを用いた磁気抵抗効果素子においても、キャップ層がスピンを散乱することを抑制できる。また加工時過程で除去されるプロセス保護層を用いることで、キャップ層とスピン軌道トルク配線の界面を平坦化できる。すなわち、スピン軌道トルク配線で生じた純スピン流を効率的に第２強磁性金属層に供給できる。また拡散防止層を設けることで、キャップ層を構成する元素が第２強磁性金属層に拡散し、ＭＲ比が低下することを防げる。
１０…基板、２０，２５…磁気抵抗効果素子、２１…第１強磁性金属層、２２…非磁性層、２３…第２強磁性金属層、２４…キャップ層、２７…プロセス保護層、３０…配線、４０…スピン軌道トルク配線、４１、４１Ａ、４１Ｂ…スピン流生成部、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ…低抵抗部、５０…絶縁体、Ｉ…電流、Ｓ１…第１スピン、Ｓ２…第２スピン、１００，１０１，１０２…スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子

Claims (9)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられ、前記基板側から順に磁化の向きが固定された第１強磁性金属層と、非磁性層と、磁化の向きが可変の第２強磁性金属層と、キャップ層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在し、前記キャップ層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
    前記キャップ層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓからなる群からなる選択されるいずれか一つ以上の物質を主として有する、スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子。
  2. 前記キャップ層の厚みが、前記キャップ層の主成分を構成する物質のスピン拡散長以下である、請求項１に記載のスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子。
  3. 磁化の向きが固定された第１強磁性金属層と、非磁性層と、磁化の向きが可変の第２強磁性金属層と、キャップ層と、を順に有する磁気抵抗効果素子と、
    前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在し、前記キャップ層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
    前記キャップ層は、スピン伝導性を有し、
    前記磁気抵抗効果素子は、前記第２強磁性金属層と前記キャップ層との間に拡散防止層をさらに有する、スピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子。
  4. 前記拡散防止層は、磁性元素又はイットリウム以上の原子番号を有する元素から選ばれる少なくとも一つを有する、請求項３に記載のスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子。
  5. 前記拡散防止層の厚みは、前記拡散防止層を構成する原子の原子半径の４倍以下である、請求項３又は４のいずれかに記載のスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子。
  6. 前記スピン軌道トルク配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属を含む請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子。
  7. 前記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純スピン流生成部と、該純スピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなる低抵抗部とからなり、該純スピン流生成部の少なくとも一部が前記キャップ層と接している請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子。
  8. 請求項１〜７に記載のスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子を複数備える磁気メモリ。
  9. 基板上に、磁化の向きが固定された第１強磁性金属層と、非磁性層と、磁化の向きが可変の第２強磁性金属層と、キャップ層と、プロセス保護層とを順に積層した積層体を形成する工程と、
    前記積層体を所定の形状に加工し、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
    前記プロセス保護層を除去し、除去後に露出した露出面上にスピン軌道トルク配線を形成する工程と、を有するスピン流磁化反転型磁気抵抗効果素子の製造方法。
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