WO2018155562A1 - 磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及びメモリデバイス - Google Patents

磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及びメモリデバイス Download PDF

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亨 及川
智生 佐々木
陽平 塩川
竜雄 柴田
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetization switching element, a magnetoresistive effect element, and a memory device.
  • Giant magnetoresistive (GMR) elements composed of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, and tunnel magnetoresistive (TMR) elements using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the nonmagnetic layer are known. ing. These elements are used in magnetic sensors, high-frequency components, magnetic heads, nonvolatile random access memories (MRAM), and the like.
  • MRAM magnetic resonance fingerprinting
  • STT spin transfer torque
  • Patent Document 1 describes that the damping constant is 0.01 or less. It is known that the critical write current density using STT is proportional to the damping constant of the ferromagnetic metal layer, and it is preferable to use a material having a low damping constant from the viewpoint of energy saving, high durability, and high integration. In recent years, Mn—Ga and Mn—Ge alloys are expected as materials having a low damping constant. However, when the damping constant of the ferromagnetic metal layer is low, there is a possibility of erroneous writing due to the read current, and the problem of lowering the reliability as a device arises at the same time.
  • Damping constant is a physical quantity originating from spin orbit interaction. Therefore, the damping constant has a close relationship with the magnetic anisotropy energy. Generally, when the damping constant is reduced, the magnetic anisotropy energy is also reduced. When the magnetic anisotropy energy is reduced, the magnetization of the ferromagnetic metal layer is easily reversed, and data reading / writing is facilitated.
  • Non-Patent Document 1 describes that the damping constant of a Co—Fe alloy, which is a material generally used in magnetoresistive elements, is less than 0.01. The same applies to a Co—Fe—B alloy produced by sputtering.
  • the Co—Fe—B alloy has a damping constant of 0.01 or more only in the case of a structure other than the BCC structure where high output characteristics cannot be obtained. Therefore, a ferromagnetic material having a damping constant of less than 0.01 is used for the magnetoresistive effect element using STT.
  • Non-Patent Document 2 a pure spin current generated by spin-orbit interaction as a means for reducing reversal current.
  • Pure spin current generated by spin-orbit interaction induces spin-orbit torque (SOT).
  • SOT spin-orbit torque
  • a pure spin current is generated by the same number of upward spin electrons and downward spin electrons flowing in opposite directions, and the charge flow is canceled out. Therefore, the current flowing through the magnetoresistive effect element is zero, and the lifetime of the magnetoresistive effect element is expected to be extended.
  • the magnetization reversal element using SOT differs from the magnetization reversal element using STT in the mechanism of magnetization reversal. For this reason, an adequate configuration for driving a magnetization reversal element using SOT is not sufficiently known.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a magnetization reversal element capable of quickly performing magnetization reversal.
  • magnetization reversal can be performed quickly by increasing the damping constant of the ferromagnetic metal layer. That is, this invention provides the following means in order to solve the said subject. The following means are common in the technical idea of increasing the damping constant.
  • a magnetization reversal element extends in a first direction intersecting with a ferromagnetic metal layer and a stacking direction of the ferromagnetic metal layer, and the ferromagnetic metal layer is formed on one surface thereof.
  • the damping constant of the ferromagnetic metal layer is greater than 0.01.
  • the magnetization reversal element includes a ferromagnetic metal layer and a spin orbit torque that extends in a first direction intersecting with the lamination direction of the ferromagnetic metal layer and is joined to the ferromagnetic metal layer. And a direction of spin injected from the spin orbit torque wiring into the ferromagnetic metal layer intersects with a magnetization direction of the ferromagnetic metal layer, and the damping of the ferromagnetic metal layer
  • the constant may be greater than 0.01.
  • the magnetization reversal element according to the second aspect extends in a first direction intersecting with a ferromagnetic metal layer and a stacking direction of the ferromagnetic metal layer, and the ferromagnetic metal layer is formed on one surface thereof.
  • the ferromagnetic metal layer includes a Co and Pt multilayer film, a Co—Ni alloy, (Co x Fe 1-x ) 1-y B y (x> 0.75, y> 0.20), and a rare earth element.
  • the magnetization reversal element according to the second aspect includes a ferromagnetic metal layer and a spin that extends in a first direction intersecting with the lamination direction of the ferromagnetic metal layer and is bonded to the ferromagnetic metal layer.
  • One or more substances selected from the group consisting of Fe—Co—N alloys may be included.
  • a magnetization reversal element extends in a first direction intersecting with a ferromagnetic metal layer and a stacking direction of the ferromagnetic metal layer, and the ferromagnetic metal layer is formed on one surface thereof.
  • the spin direction intersects the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer, and the insertion layer includes a heavy metal having a melting point of 2000 degrees or more or an alloy containing the heavy metal, and the film thickness is an atomic radius. 2 times or less.
  • a magnetization reversal element includes a ferromagnetic metal layer and a spin orbit torque that extends in a first direction intersecting the lamination direction of the ferromagnetic metal layer and is joined to the ferromagnetic metal layer. And an insertion layer provided between the ferromagnetic metal layer and the spin orbit torque wiring, and the direction of spin injected from the spin orbit torque wiring into the ferromagnetic metal layer is the strong.
  • the magnetic metal layer may intersect with the magnetization direction, and the insertion layer may include an alloy including a rare earth element, and the film thickness may be not more than twice the atomic radius.
  • the direction of spin injected from the spin orbit torque wiring into the ferromagnetic metal layer is 45 ° or more and 90 ° or less with respect to the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer. It may be tilted.
  • the ferromagnetic metal layer may have a thickness of 4 nm or less.
  • a magnetoresistive effect element includes a magnetization reversal element according to the aspect described above, a nonmagnetic layer sequentially laminated on a surface of the ferromagnetic metal layer opposite to the spin orbit torque wiring, And a second ferromagnetic metal layer.
  • a memory device includes the magnetoresistive effect element according to the above aspect.
  • the magnetization reversal element According to the magnetization reversal element according to the above aspect, the magnetization reversal can be performed quickly.
  • FIG. 1 It is the perspective view which showed typically the magnetization switching element which concerns on 1st Embodiment. It is a schematic diagram for demonstrating a spin Hall effect. It is the perspective view which showed typically the magnetization inversion element with which the direction of the spin injected into a ferromagnetic metal layer and the direction of magnetization of a ferromagnetic metal layer are parallel. It is a cross-sectional schematic diagram of the magnetoresistive effect element which performs magnetization reversal using STT. It is the perspective view which showed typically the magnetization reversal element concerning 3rd Embodiment. It is the perspective view which showed typically the magnetoresistive effect element concerning 4th Embodiment. It is a schematic diagram of the calculation model used for simulation. FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the strength of magnetization of a ferromagnetic metal layer of Example 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between applied magnetization and time required for magnetization reversal when the magnetization of the ferromagnetic metal layers of Examples 1 to 3 is reversed.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between applied magnetization and time required for magnetization reversal when reversing the magnetization of the ferromagnetic metal layers of Examples 4 to 6.
  • FIG. 10 is a diagram showing the behavior of magnetization in Example 7.
  • FIG. 9 is a diagram showing the behavior of magnetization in Example 8.
  • FIG. 10 is a diagram showing the behavior of magnetization in Example 9. It is the figure which showed the behavior of the magnetization of Example 10.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing the behavior of magnetization in Example 11.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a magnetization switching element according to the first embodiment.
  • the magnetization switching element 100 according to the first embodiment includes a ferromagnetic metal layer 10 and a spin orbit torque wiring 20.
  • the lamination direction of the ferromagnetic metal layer 10 is the z direction
  • the first direction in which the spin orbit torque wiring 20 extends is the second direction orthogonal to the x direction, the z direction, and the x direction. Is the y direction.
  • the x direction is orthogonal to the z direction.
  • the lamination direction of the ferromagnetic metal layer 10 means the lamination direction of the ferromagnetic metal layer 10 and the spin orbit torque wiring.
  • Ferromagnetic metal layer 10 is a ferromagnetic material magnetized M 10 is oriented in a predetermined direction.
  • the direction of magnetization M 10 can be in either direction. The magnetization direction changes when an external force or the like is applied.
  • the laminated surface of the ferromagnetic metal layer 10 is a surface orthogonal to the laminated direction of the ferromagnetic metal layer 10.
  • the damping constant of the ferromagnetic metal layer 10 is greater than 0.01.
  • the damping constant of the ferromagnetic metal layer 10 is larger than 0.01, preferably 0.015 or more, more preferably 0.02 or more, further preferably 0.03 or more, and It is especially preferable that it is 05 or more.
  • the damping constant is a constant affected by the magnitude of the spin orbit interaction. NiFe or the like has a damping constant of around 0.01, but has a very small coercive force. Therefore, noise and rewriting are easily caused by the external magnetic field and the current flowing in the integrated circuit.
  • a material having a damping constant of 0.02 or more generally has a sufficient coercive force, and such noise and rewriting hardly occur and stable operation can be realized. Further, since the damping constant is large, the magnetization reversal of the ferromagnetic metal layer 10 can be performed quickly. The detailed reason why the magnetization reversal can be performed quickly will be described later.
  • the damping constant varies depending on various parameters such as the type of material constituting the ferromagnetic metal layer 10, crystallinity, the thickness of the ferromagnetic metal layer 10, and the measurement method.
  • the damping constant in the present embodiment is a damping constant obtained by the following procedure.
  • a target magnetic film is formed on a substrate having an insulating layer with a sufficient thickness on the surface.
  • the magnetic film is selected between 2 nm and 20 nm according to the actual use conditions.
  • a 100 nm oxide film is formed in order to prevent the magnetic layer from being oxidized.
  • silica, aluminum oxide, magnesium oxide, or the like can be used for the oxide film.
  • After applying a resist it is exposed by photolithography and developed to form an element shape.
  • the element shape is a cylindrical shape having a diameter of 40 nm to 100 nm in accordance with actual use conditions.
  • the oxide film and the magnetic film were etched using an ion beam, and the side wall of the shaved magnetic layer was protected with the oxide film.
  • the oxide film was formed with a thickness of 50 nm.
  • a short-circuit type coplanar line is formed by photolithography.
  • the line width and length of the central conductor of the coplanar line are 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, respectively.
  • a microwave magnetic field generated by a coplanar line contributes to ferromagnetic resonance (FMR). Therefore, in the magnetic film processed into a cylindrical shape, a portion of 100 ⁇ 1 ⁇ m 2 directly under the central conductor of the coplanar line contributes to ferromagnetic resonance.
  • the element is placed on an electromagnet that generates a magnetic field in the direction of the easy axis of the magnetic film, and is connected to a microwave generator and a vector network analyzer using a coplanar microprobe.
  • the S11 parameter (reflection coefficient) of the coplanar line is measured using a network analyzer, and the microwave absorption spectrum by FMR of the magnetic film is observed.
  • the film thickness of the ferromagnetic metal layer 10 is preferably 4 nm or less. As described above, the damping constant is also affected by the film thickness of the ferromagnetic metal layer 10. As the thickness of the ferromagnetic metal layer 10 decreases, the damping constant tends to increase. This is presumably because the magnetization in the ferromagnetic metal layer 10 is strongly influenced by the laminated interface due to the thin film thickness of the ferromagnetic metal layer 10.
  • the lower limit of the film thickness of the ferromagnetic metal layer 10 is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm.
  • the spin orbit torque wiring 20 extends in the x direction.
  • the spin orbit torque wiring 20 is connected to one surface perpendicular to the z direction of the ferromagnetic metal layer 10 (directly bonded).
  • the spin orbit torque wiring 20 is made of a material that generates a pure spin current by a spin Hall effect when a current flows. Any material that can generate a pure spin current in the spin orbit torque wiring 20 is sufficient as such a material.
  • the material constituting the spin orbit torque wiring 20 is not limited to a material composed of a single element, and includes a portion composed of a material that generates a pure spin current and a portion composed of a material that does not generate a pure spin current. The thing etc. may be sufficient.
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is passed through the material.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the spin orbit torque wiring 20 shown in FIG. 1 cut along the x direction (that is, in the xz plane). A mechanism by which a pure spin current is generated by the spin Hall effect will be described with reference to FIG.
  • the first spin S1 oriented on the back side of the paper and the second spin S2 oriented on the front side of the paper are orthogonal to the current, respectively. Bent in the direction.
  • the normal Hall effect and the spin Hall effect are common in that the moving (moving) charge (electrons) can bend in the moving (moving) direction, but the normal Hall effect is the charged particle moving in the magnetic field.
  • the direction of motion is bent, but the spin Hall effect is greatly different in that the direction of movement is bent only by the movement of electrons (only the current flows) even though there is no magnetic field.
  • the number of electrons of the first spin S1 and the number of electrons of the second spin S2 are equal in a non-magnetic material (a material that is not a ferromagnetic material), the number of electrons in the first spin S1 going upward in the figure and the downward direction The number of electrons of the second spin S2 heading is equal. Therefore, the current as a net flow of charge is zero.
  • This spin current without current is particularly called a pure spin current.
  • the material of the spin orbit torque wiring 20 does not include a material made only of a ferromagnetic material.
  • the electron flow of the first spin S1 is J ⁇
  • the electron flow of the second spin S2 is J ⁇
  • the spin current is JS
  • J S is an electron flow having a polarizability of 100%.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a nonmagnetic heavy metal.
  • the heavy metal is used to mean a metal having a specific gravity equal to or higher than yttrium.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be made of only nonmagnetic heavy metal.
  • the non-magnetic heavy metal is preferably a non-magnetic metal having an atomic number of 39 or more having d electrons or f electrons in the outermost shell. This is because such a nonmagnetic metal has a large spin-orbit interaction that causes a spin Hall effect.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be made of only a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more having d electrons or f electrons in the outermost shell.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a magnetic metal.
  • the magnetic metal refers to a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. This is because if a non-magnetic metal contains a small amount of magnetic metal, the spin-orbit interaction is enhanced and the spin current generation efficiency for the current flowing through the spin-orbit torque wiring 20 can be increased.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be made of only an antiferromagnetic metal.
  • the spin-orbit interaction occurs due to the intrinsic internal field of the material of the spin-orbit torque wiring material (by magnetic action), a pure spin current is generated even in a non-magnetic material.
  • the spin current generation efficiency is improved because the electron spin that flows through the magnetic metal itself is scattered.
  • the added amount of the magnetic metal is increased too much, the generated pure spin current is scattered by the added magnetic metal, and as a result, the effect of reducing the spin current becomes stronger. Therefore, it is preferable that the molar ratio of the magnetic metal added is sufficiently smaller than the molar ratio of the main component of the pure spin generation part in the spin orbit torque wiring.
  • the molar ratio of the magnetic metal added is preferably 3% or less.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a topological insulator.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be composed only of a topological insulator.
  • a topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high-resistance substance, but a spin-polarized metal state is generated on the surface thereof. Substances have something like an internal magnetic field called spin-orbit interaction. Therefore, even without an external magnetic field, a new topological phase appears due to the effect of spin-orbit interaction. This is a topological insulator, and a pure spin current can be generated with high efficiency by strong spin-orbit interaction and breaking inversion symmetry at the edge.
  • topological insulator 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 ) 2 Te 3 are preferable. These topological insulators can generate a spin current with high efficiency.
  • the magnetization reversal element 100 may have components other than the ferromagnetic metal layer 10 and the spin orbit torque wiring 20.
  • you may have a board
  • the substrate is preferably excellent in flatness, and for example, Si, AlTiC, or the like can be used as a material.
  • the direction of the injected spin S 20 intersects the direction of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10. And orientation of the spin S 20 to be injected, the behavior of the magnetization reversal of the magnetization M 10 by the relationship between the direction of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 is different.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing a magnetization reversal element 101 in which the direction of spin injected into the ferromagnetic metal layer and the direction of magnetization of the ferromagnetic metal layer are parallel.
  • the ferromagnetic metal layer 11 shown in FIG. 3, the magnetization M 11 are oriented in the + y direction of the xy plane direction.
  • the direction of the spin S 20 injected from the spin orbit torque wiring 20 into the ferromagnetic metal layer 11 is oriented in the ⁇ y direction.
  • the spin S 20 When the spin S 20 is injected into the ferromagnetic metal layer 11, the spin S 20 gives a torque for rotating the magnetization M 11 in the ⁇ y direction. On the other hand, the magnetization M 11, consuming and damping torque to be stay in the + y direction.
  • the magnetization M 11 When anisotropic external magnetic field in this state is applied while the torque and the damping torque that causes rotation maintaining balanced relationship with each other, the magnetization M 11 is the magnetization reversal. That is, the magnetization M 11 is affected by two torques, and as an initial behavior, first rises in the z direction while precessing from the + y direction, and then reverses in the ⁇ y direction while precessing.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistive effect element that performs magnetization reversal using STT.
  • the magnetoresistive effect element 30 shown in FIG. 4 includes a free layer 31, a nonmagnetic layer 32, a fixed layer 33, and two wirings 34 sandwiching these layers, which are sequentially stacked.
  • the magnetoresistive effect element 30 shown in FIG. 4 when a current is passed between the two wirings 34, spin is injected from the fixed layer 33 to the free layer 31.
  • the spin injected from the fixed layer 33 has the same + z direction as the magnetization M 33 of the fixed layer 33. Therefore, the magnetization M 31 of the free layer 31 may magnetization reversal from -z direction + z-direction, the magnetization M 31 is reversed magnetization while precession.
  • the direction of the injected spin S 20 is orthogonal to the direction of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10. . Therefore, the magnetization M 10 oriented in the z-direction, though subjected to y-direction of the torque, such as an external magnetic field is applied in the y-direction.
  • the vector direction to which torque is applied is in the easy magnetization direction (z direction in FIG. 1). They are orthogonal to each other. Therefore, this torque does not have a balanced relationship with the damping torque applied in the + z direction. That is, the magnetization M 10 is the time of the magnetization reversal, under the influence of the torque applied to the y-direction, firstly fall quickly as the initial behavior from the + z direction to the y direction. Then, after the fallen to the y-direction, the magnetization M 10 is subjected to a force to be beyond the easy magnetization direction, reversed toward the -z direction while the precession.
  • This initial behavior is spin S 20 components intersecting the orientation direction of the magnetization M 10 occurs when it is injected into the ferromagnetic metal layer 10. Since the torque vector direction applied to the alignment direction are different magnetization M 10 (direction of orientation of the spins S 20 to be injected are different) as the initial behavior faster, the orientation direction of the spin S 20 to be injected, it is preferable that inclined 45 ° to 90 ° relative to the orientation of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10, are perpendicular (tilted 90 °) is more preferable. Therefore, in addition to the configuration of FIG. 1, for example, a configuration in which the direction of the injected spin S 20 is the y direction and the orientation direction of the magnetization M 10 is the x direction may be employed.
  • the magnetization switching element 100 has a damping constant larger than 0.01.
  • the damping constant has a close relationship with the magnetic anisotropy energy.
  • the damping constant is large, the magnetic anisotropy energy generally increases. That is, when a large damping constant, force the magnetization M 10 is the next in the easy magnetization direction is increased.
  • the force in which the magnetization M 10 to the other side in the easy magnetization direction is increased, the speed at which the faces in the -z direction becomes faster while the magnetization M 10 performs a precession.
  • Magnetization M 10 even when the initial behavior is affected by the force to beyond the easy magnetization direction.
  • the vector direction of the force exerted on the magnetization M 10 during the initial behavior is completely different direction as the easy axis, the effect is small. Further, since the ratio of the time spent for the initial behavior to the total time required for the magnetization reversal is small, the total time required for the magnetization reversal is sufficiently shortened even if the time required for the initial behavior is slightly increased.
  • the magnetization reversal element according to the first embodiment has a large damping constant, the magnetization reversal can be performed quickly.
  • the magnetization switching element according to the second embodiment has the same element configuration as the magnetization switching element according to the first embodiment.
  • the magnetization switching element according to the second embodiment has a ferromagnetic metal layer and a spin orbit torque wiring, and the direction of spin injected from the spin orbit torque wiring into the ferromagnetic metal layer depends on the magnetization of the ferromagnetic metal layer. Intersects the direction of
  • the magnetization reversal element according to the second embodiment includes a multilayer film of ferromagnetic metal layers of Co and Pt, a Co—Ni alloy, (Co x Fe 1-x ) 1-y B y (x> 0.75, y> 0.20), one or more substances selected from the group consisting of alloys containing rare earth elements, Fe 4 N, Fe—Co—Ni alloys.
  • Transition metals containing rare earth elements have a large damping constant due to the enhancement of the spin-orbit interaction.
  • Fe 1-x Gd x (x ⁇ 0.05) which is an Fe—Gd alloy
  • Sm—Fe alloy (SmFe 12 ) and Ho—Co alloy (HoCo 2 ) can be given as alloys containing rare earth elements.
  • the Sm—Fe alloy is a tetragonal magnetic material whose c-axis length is shorter than the a-axis length.
  • the Ho—Co alloy is a tetragonal magnetic material whose c-axis length is longer than the a-axis length.
  • the easy axis of magnetization of the first ferromagnetic layer 4 tends to be oriented in the direction perpendicular to the plane.
  • the film is formed in a magnetic field or annealed in a magnetic field, Can be directed in the direction of the magnetic field inside.
  • the Sm—Fe alloy and the Ho—Co alloy have strong magnetocrystalline anisotropy and a large damping constant, so that magnetization rotation hardly occurs. Therefore, the ferromagnetic metal layer formed using these materials has strong data retention.
  • damping constants are measured with a film thickness of 50 nm or more except for the multilayer film, and can be regarded as a sufficiently thick bulk material value.
  • the damping constant tends to increase due to the influence of the adjacent layer and the surface. Moreover, it is remarkable at 2 nm or less.
  • the damping constant in this embodiment is defined as a value that is not affected by the surface or interface.
  • a material having a relatively high damping constant in such a bulk state has a relatively high damping constant even in a thin film, so that relatively quick magnetization reversal is achieved. Since the Co / Pt multilayer film is less influenced by the surface and interface, the Co / Pt multilayer film is defined by the value of the damping constant measured in the laminated structure.
  • the magnetization reversal operation of the magnetization reversal element according to the second embodiment is the same as the magnetization reversal operation according to the first embodiment. Therefore, in the magnetization reversal of the magnetization reversal element according to the second embodiment, the direction of the spin injected from the spin orbit torque wiring into the ferromagnetic metal layer is 45 ° or more and 90 ° with respect to the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer. It is preferable that it is inclined below, and it is more preferable that it is orthogonal (inclined 90 degrees).
  • the film thickness of the ferromagnetic metal layer is preferably 4 nm or less. Moreover, the lower limit of the film thickness of the ferromagnetic metal layer is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm.
  • the ferromagnetic metal layer includes a predetermined material, and the damping constant of the ferromagnetic metal layer is large. Therefore, the magnetization reversal element according to the second embodiment can quickly perform the magnetization reversal.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a magnetization switching element according to the third embodiment.
  • the magnetization reversal element 102 according to the third embodiment includes the ferromagnetic metal layer 10 and the spin orbit torque wiring 20, and further includes an insertion layer 40 provided therebetween.
  • Other configurations are the same as those of the magnetization reversal elements according to the first and second embodiments, and the direction of the spin S 20 injected from the spin orbit torque wiring 20 into the ferromagnetic metal layer 10 depends on the ferromagnetic metal layer. It intersects with the direction of ten magnetizations M10.
  • the insertion layer 40 is made of a heavy metal having a melting point of 2000 degrees or higher, or an alloy containing a heavy metal having a melting point of 2000 degrees or higher.
  • heavy metals having a melting point of 2000 degrees or more include Ta, Ir, Mo, and W. Since these elements are difficult to diffuse even when heat is applied to the magnetization switching element, the characteristics of the magnetization switching element are unlikely to deteriorate.
  • the damping constant of the ferromagnetic metal layer 10 increases. In general, a heavy metal having a large contribution of 4d electrons, 5d electrons, or 4f electrons is said to have a large spin orbit interaction. This is because the damping constant is a constant affected by the magnitude of the spin-orbit interaction.
  • the spin-orbit interaction is an interaction between electron spin and electron orbital angular momentum, and extends to adjacent layers.
  • the damping constant of the ferromagnetic metal layer 10 adjacent to the insertion layer 40 containing the alloy containing the rare earth element is also increased.
  • the thickness of the insertion layer 40 is preferably not more than twice the atomic radius and less than twice the atomic radius.
  • a layer having twice the atomic radius corresponds to a layer corresponding to one atomic layer. That is, it can be said that the thickness of the insertion layer 40 is preferably equal to or less than the thickness of one atomic layer and less than the thickness of one atomic layer.
  • a film thickness less than the film thickness of one atomic layer is usually not possible.
  • the “film thickness for one atomic layer” here means the film thickness formed under the film forming conditions necessary for forming the film thickness for one atomic layer.
  • “Film thickness less than the thickness” means a film thickness laminated under film deposition conditions less than that condition. It is difficult with current technology to arrange atoms in a single layer. Therefore, it can be said that a layer having an atomic radius of 2 times or less is a layer having a plurality of gaps in a plan view (viewed from the z direction).
  • the spin S 20 is injected from the spin orbit torque wiring 20 into the ferromagnetic metal layer 10 through the insertion layer 40. Therefore, it is preferable that the insertion layer 40 does not inhibit this spin flow. If the thickness of the insertion layer 40 is not more than twice the atomic radius as described above, the insertion layer 40 has a plurality of gaps. That is, spin can be transmitted from the spin orbit torque wiring 20 to the ferromagnetic metal layer 10 through this gap.
  • the magnetization reversal operation of the magnetization reversal element 102 according to the third embodiment is the same as the magnetization reversal operation according to the first embodiment. Therefore, in the magnetization reversal of the magnetization reversal element 102 according to the third embodiment, the direction of spin injected from the spin orbit torque wiring 20 into the ferromagnetic metal layer 10 is 45 with respect to the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer 10. It is preferably inclined at 90 ° or more and more preferably at 90 ° or 90 °.
  • the film thickness of the ferromagnetic metal layer 10 is preferably 4 nm or less. The lower limit of the film thickness of the ferromagnetic metal layer 10 is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm.
  • the magnetization switching element 102 according to the third embodiment can quickly perform the magnetization switching.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing a magnetoresistive element according to the fourth embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 110 shown in FIG. 6 includes the magnetization switching element 100 according to the first embodiment, the nonmagnetic layer 50, the second ferromagnetic metal layer 60, and the wiring layer 70.
  • the magnetization reversal element 100 includes a ferromagnetic metal layer 10 and a spin orbit torque wiring 20.
  • the nonmagnetic layer 50 and the second ferromagnetic metal layer 60 are sequentially stacked on the surface of the ferromagnetic metal layer 10 opposite to the spin orbit torque wiring 20.
  • the example which uses the magnetization inversion element 100 concerning 1st Embodiment as a representative is shown as a magnetization inversion element, you may apply the magnetization inversion element concerning 2nd Embodiment or 3rd Embodiment.
  • the second ferromagnetic metal layer 60 is a fixed layer whose magnetic anisotropy is relatively stronger than that of the ferromagnetic metal layer 10 and whose magnetization direction is fixed in one direction.
  • the material of the second ferromagnetic metal layer 60 a known material can be used.
  • a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni and an alloy that includes one or more of these metals and exhibits ferromagnetism can be used.
  • An alloy containing these metals and at least one element of B, C, and N can also be used. Specific examples include Co—Fe and Co—Fe—B.
  • Heusler alloy such as Co 2 FeSi.
  • the Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V It is a transition metal of Cr, Ti or Ti, and can take the elemental species of X, and Z is a typical element of Group III to Group V. Examples thereof include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b .
  • an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn is brought into contact with the surface of the second ferromagnetic metal layer 60 opposite to the nonmagnetic layer 50. Also good. Further, in order to prevent the leakage magnetic field of the second ferromagnetic metal layer 60 from affecting the ferromagnetic metal layer 10, a synthetic ferromagnetic coupling structure may be used.
  • a known material can be used for the nonmagnetic layer 50.
  • the nonmagnetic layer 50 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), as the material, Al 2 O 3 , SiO 2 , Mg, MgAl 2 O 4 O, or the like can be used.
  • materials in which a part of Al, Si, Mg is substituted with Zn, Be, or the like can also be used.
  • MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, spin can be injected efficiently.
  • the nonmagnetic layer 50 is made of metal, Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material.
  • the wiring layer 70 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, copper, aluminum, etc. can be used.
  • the magnetoresistance effect element 110 can read the magnetization state of the ferromagnetic metal layer 10 by measuring the resistance value between the spin orbit torque wiring 20 and the wiring layer 70. Resistance, low in the case of parallel magnetization M 60 of the direction and the second ferromagnetic metal layer 60 of the magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10, the direction and the second ferromagnetic magnetization M 10 of the ferromagnetic metal layer 10 magnetization M 60 of the metal layer 60 becomes high in the case of antiparallel.
  • the magnetoresistive effect element 110 As described above, according to the magnetoresistive effect element 110 according to the fourth embodiment, it is possible to appropriately read the information of the magnetization switching element 100 that can quickly perform the magnetization switching.
  • the magnetoresistive effect element 110 can be used for a memory device or the like. Examples thereof include a memory device having a magnetoresistive effect element 110 and a control element such as a transistor connected to the spin orbit torque wiring 20.
  • the control device can control the current flowing through the spin-orbit torque wires 20 to control the spin rate to be injected into the ferromagnetic metal layer 10 can be controlled the direction of the magnetization M 10.
  • the above-described magnetization reversal element and magnetoresistive effect element can be produced using a known film forming means such as sputtering and a processing technique such as photolithography. A metal constituting each layer is sequentially laminated on a substrate serving as a support, and then processed into a predetermined shape.
  • film forming methods include sputtering, vapor deposition, laser ablation, and MBE.
  • a resist film is formed in a portion where it is desired to leave, and unnecessary portions are removed by processing such as ion milling and reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • a tunnel barrier layer is formed by first sputtering a metal thin film of about 0.4 to 2.0 nm on a ferromagnetic metal layer, and then naturalizing by plasma oxidation or oxygen introduction It can be formed by performing oxidation and subsequent heat treatment.
  • the present invention is not necessarily limited to the configuration and manufacturing method of the magnetization reversal element and magnetoresistive effect element according to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the ferromagnetic metal layer is bonded to the spin orbit torque wiring
  • the ferromagnetic metal layer is connected to the spin orbit torque wiring and the insertion layer is interposed between them.
  • the present invention is not limited to this. If the spin of the spin orbit torque wiring can be injected into the ferromagnetic metal layer, another layer may be interposed between the ferromagnetic metal layer and the spin orbit torque wiring.
  • the layer that can be interposed between the ferromagnetic metal layer and the spin orbit torque wiring include a layer made of Ta, Ir, Mo, W, La, and Lu having a thickness of about 0.5 to 2 nm.
  • Example 1 In Example 1, the magnetization reversal behavior of the ferromagnetic metal layer was confirmed by simulation. The simulation was performed using the magnetic field simulation package software “FUJITSU Manufacturing Industry Solution EXAMAG LLG Simulator V2” widely used to confirm the magnetization reversal behavior of the conventional spin transfer torque. It is known that the result of the software can be correlated with actual measured values.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a calculation model used in the simulation. As shown in FIG. 7, 25 meshes each having a side of 2 nm and a height of 1 nm were used as the first layer A, and the same mesh was stacked on the first layer A to form the second layer B.
  • the xyz direction shown in FIG. 7 is a simulation setting and does not necessarily match the xyz direction according to the embodiment.
  • the first layer A was a free layer capable of magnetization reversal
  • the second layer B was a fixed layer with fixed magnetization. That is, the first layer A corresponds to the ferromagnetic metal layer 10 whose magnetization is reversed in FIG. 1, and the second layer B corresponds to the spin orbit torque wiring 20 for injecting spins in FIG.
  • the saturation magnetization Ms of the second layer B was set to 1.0 ⁇ 10 ⁇ 5 T.
  • the first layer A is a perpendicular magnetization film having an easy axis in the y direction.
  • the saturation magnetization Ms of the second layer B was set to 1.0 T, and the exchange stiffness A was set to 1.49 ⁇ 10 ⁇ 11 J / m.
  • the anisotropic magnetic field Hk was 1.2 T, and the damping constant (Gilbird relaxation coefficient) ⁇ was 0.01.
  • a model in which the spin of the second layer B oriented in the z direction is injected into the first layer A was reproduced.
  • the magnetization conditions for the magnetization reversal were as follows.
  • m x, m y, m z are each, x direction in the initial state, a magnetization in the y-direction, z-direction of the ferromagnetic metal layer, which will be described later Mx, My, an initial value for Mz.
  • the spin injection from the second layer B to the first layer A was assumed to pass a current in the x direction.
  • FIG. 8 is a diagram showing the strength of magnetization of the ferromagnetic metal layer of Example 1.
  • the horizontal axis represents seconds, and the vertical axis represents the magnitudes of Mx, My, and Mz.
  • Mx, My, and Mz are the magnetizations of the ferromagnetic metal layers in the x, y, and z directions, respectively.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating the entire process in which the magnetization of the ferromagnetic metal layer is reversed
  • FIG. 8B is a diagram in which the initial behavior is extracted.
  • Examples 2 and 3 In Examples 2 and 3, simulations were performed under the same conditions as in Example 1 except that the damping constant ⁇ was changed. In Example 2, the damping constant ⁇ was 0.02, and in Example 3, the damping constant ⁇ was 0.1.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the applied magnetization and the time required for magnetization reversal when the magnetization of the ferromagnetic metal layers of Examples 1 to 3 is reversed.
  • the vertical axis in FIG. 9A is the time required for the initial behavior, and the vertical axis in FIG. 9B is the time required until the magnetization reversal is completed.
  • the horizontal axis represents the magnitude H (Oe) of the applied external magnetic field.
  • the time required for the initial behavior tended to be longer as the damping constant was larger.
  • the time required for the initial behavior is shorter than the time required to complete the magnetization reversal. Therefore, as shown in FIG. 9B, when the damping constant is increased under the same applied magnetization condition, the time required for magnetization reversal is shortened.
  • Example 4 to 6 In Examples 4 to 6, the simulation was performed under the same conditions as in Examples 1 to 3, except that the applied current density was 3.5 ⁇ 10 11 A / m 2 .
  • the damping constant ⁇ was 0.01, in Example 5, the damping constant ⁇ was 0.02, and in Example 6, the damping constant ⁇ was 0.1.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the applied magnetization and the time required for magnetization reversal when the magnetization of the ferromagnetic metal layers of Examples 4 to 6 is reversed.
  • the vertical axis in FIG. 10A is the time required for the initial behavior, and the vertical axis in FIG. 10B is the time required until the magnetization is completely reversed.
  • the horizontal axis represents the magnitude H (Oe) of the applied external magnetic field.
  • Examples 7 to 11 In Examples 7 to 11, after the magnetization rotated by 90 ° due to the initial behavior, a state in which the magnetization precesses due to the force to go in the easy magnetization direction was simulated.
  • the damping constant ⁇ is 0.01, in Example 8, the damping constant ⁇ is 0.02, in Example 9, the damping constant ⁇ is 0.03, in Example 10, the damping constant ⁇ is 0.05, In Example 9, the damping constant ⁇ was set to 0.1.
  • FIGS. 11 to 15 are diagrams showing the magnetization behaviors of Examples 7 to 11, respectively.
  • the horizontal axis represents seconds, and the vertical axis represents the magnitudes of Mx, My, and Mz.
  • the magnetization switching element of the present invention since the magnetization switching can be performed quickly, the magnetization switching element of the present invention is suitable for a memory device.

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Abstract

この磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、その一面上に前記強磁性金属層が位置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から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、前記強磁性金属層のダンピング定数が０．０１より大きい。

Description

磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及びメモリデバイス
　本発明は、磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及びメモリデバイスに関する。
　本願は、２０１７年２月２４日に、日本に出願された特願２０１７－０３３０５３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と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）素子が知られている。これらの素子は、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）等に利用されている。
　ＭＲＡＭでは、絶縁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ＴＭＲ素子の素子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。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、磁気抵抗効果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。
　ＳＴＴを利用して書込みを行う磁気抵抗効果素子では、磁化反転をする強磁性金属層のダンピング定数を小さくする試みが進められている。例えば、特許文献１には、ダンピング定数を０．０１以下にすることが記載されている。ＳＴＴを利用した臨界書き込み電流密度は強磁性金属層のダンピング定数に比例することが知られており、省エネルギー、高耐久性及び高集積の観点からダンピング定数が低い材料を用いることが好ましい。近年ではＭｎ－ＧａやＭｎ－Ｇｅ合金は、ダンピング定数が低い材料として期待されている。しかしながら、強磁性金属層のダンピング定数が低いということは読み込み電流によって誤書き込みを行う可能性もあり、デバイスとしての信頼性を下げるという問題も同時に生じる。
　ダンピング定数は、スピン軌道相互作用を起源とする物理量である。そのためダンピング定数は、磁気異方性エネルギーと密接な関係を有する。一般に、ダンピング定数を小さくすると磁気異方性エネルギーも小さくなる。磁気異方性エネルギーが小さくなると、強磁性金属層の磁化が反転しやすくなり、データの読み書きが容易になる。
　また非特許文献１には、一般的に磁気抵抗効果素子で用いられている材料であるＣｏ－Ｆｅ合金のダンピング定数が０．０１未満であることが記載されている。スパッタで作製されるＣｏ－Ｆｅ－Ｂ合金でも同様である。Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ合金でダンピング定数が０．０１以上となるのは、高い出力特性を得ることができないＢＣＣ構造以外の構造の場合のみである。そのため、ＳＴＴを用いた磁気抵抗効果素子には、ダンピング定数が０．０１未満の強磁性材料が用いられている。
　一方、近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、非特許文献２）。スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起する。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
特開２０１１－２５８５９６号公報
M.Oogane, T. Wakitani, S. Yakata, R. Yilgin, Y. Ando, A. Sakuma and T. Miyazaki, Japanease Journal of Applied Physics, Vol.45, pp. 3889-3891 (2006). 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を用いた磁化反転素子については、まだ研究が始まったばかりである。ＳＯＴを用いた磁化反転素子は、ＳＴＴを用いた磁化反転素子と磁化反転のメカニズムが異なる。そのため、ＳＯＴを用いた磁化反転素子を駆動させるために、適切な構成については十分知られていない。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁化反転を素早く行うことができる磁化反転素子を提供することを目的とする。
　本発明者らは、ＳＯＴを用いた磁化反転素子においては、強磁性金属層のダンピング定数を大きくすると、磁化反転を素早く行うことができることを見出した。すなわち、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。以下の手段は、いずれもダンピング定数を大きくするという技術的思想において共通している。
（１）第１の態様にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、その一面上に前記強磁性金属層が位置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から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、前記強磁性金属層のダンピング定数が０．０１より大きい。第１の態様にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記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から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、前記強磁性金属層のダンピング定数が０．０１より大きくてもよい。
（２）第２の態様にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、その一面上に前記強磁性金属層が位置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から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、前記強磁性金属層が、ＣｏとＰｔの多層膜、Ｃｏ－Ｎｉ合金、（ＣｏｘＦｅ１－ｘ）１－ｙＢｙ（ｘ＞０．７５、ｙ＞０．２０）、希土類元素を含む合金、Ｆｅ４Ｎ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎ合金からなる群から選択される１つ以上の物質を含む。また、第２の態様にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記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から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、前記強磁性金属層が、ＣｏとＰｔの多層膜、Ｃｏ－Ｎｉ合金、（ＣｏｘＦｅ１－ｘ）１－ｙＢｙ（ｘ＞０．７５、ｙ＞０．２０）、希土類元素を含む合金、Ｆｅ４Ｎ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎ合金からなる群から選択される１つ以上の物質を含んでもよい。
（３）第３の態様にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、その一面上に前記強磁性金属層が位置するスピン軌道トルク配線と、前記強磁性金属層と前記スピン軌道トルク配線との間に設けられた挿入層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、前記挿入層は融点の温度が２０００度以上の重金属または前記重金属を含む合金を含み、膜厚が原子半径の２倍以下である。
　さらに他の態様にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、前記強磁性金属層と前記スピン軌道トルク配線との間に設けられた挿入層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、前記挿入層は希土類元素を含む合金を含み、膜厚が原子半径の２倍以下であってもよい。
（４）上記態様にかかる磁化反転素子は、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して４５°以上９０°以下傾いていてもよい。
（５）上記態様にかかる磁化反転素子は、前記強磁性金属層の膜厚が４ｎｍ以下であってもよい。
（６）第４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反転素子と、前記強磁性金属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強磁性金属層とを備える。
（７）第５の態様にかかるメモリデバイスは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を備える。
　上記態様にかかる磁化反転素子によれば、磁化反転を素早く行うことができる。
第１実施形態に係る磁化反転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。 強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、強磁性金属層の磁化の向きとが平行な磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。 ＳＴＴを利用して磁化反転を行う磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 第３実施形態にかかる磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。 シミュレーションに用いた計算モデルの模式図である。 実施例１の強磁性金属層の磁化の強度を示した図である。 実施例１～３の強磁性金属層の磁化を磁化反転する際に、印加した磁化と磁化反転に必要な時間との関係を示した図である。 実施例４～６の強磁性金属層の磁化を磁化反転する際に、印加した磁化と磁化反転に必要な時間との関係を示した図である。 実施例７の磁化の挙動を示した図である。 実施例８の磁化の挙動を示した図である。 実施例９の磁化の挙動を示した図である。 実施例１０の磁化の挙動を示した図である。 実施例１１の磁化の挙動を示した図である。
　以下、本発明について、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。
「第１実施形態」
（磁化反転素子）
　図１は、第１実施形態に係る磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。第１実施形態にかかる磁化反転素子１００は、強磁性金属層１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
　以下の実施形態において、強磁性金属層１０の積層方向をｚ方向、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向のいずれにも直交する第２の方向をｙ方向とする。なお、本実施形態では、ｘ方向はｚ方向に直交する。また、強磁性金属層１０の積層方向とは、強磁性金属層１０とスピン軌道トルク配線との積層方向を意味する。
＜強磁性金属層＞
　強磁性金属層１０は、磁化Ｍ１０が所定の方向に向いた強磁性体である。図１では、磁化Ｍ１０を強磁性金属層１０の積層面に対して垂直（ｚ方向）な垂直磁化膜としているが、磁化Ｍ１０の方向はいずれの方向でもよい。磁化方向は、外力等が加わると変化する。なお、強磁性金属層１０の積層面とは、強磁性金属層１０の積層方向に直交する面である。
　本実施形態において、強磁性金属層１０のダンピング定数は、０．０１より大きい。強磁性金属層１０のダンピング定数は、０．０１より大きく、０．０１５以上であることが好ましく、０．０２以上であることがより好ましく、０．０３以上であることがさらに好ましく、０．０５以上であることが特に好ましい。ダンピング定数は、スピン軌道相互作用の大きさに影響を受ける定数である。ＮｉＦｅなどはダンピング定数が０．０１前後であるが、保磁力が非常に小さい。そのため外部磁場や集積回路に流れる電流によって容易にノイズや書き換えの原因となる。ダンピング定数が０．０２以上の材料は一般的に十分な保磁力を持っており、これらのノイズや書き換えは起きにくく、安定的な動作が実現できる。またダンピング定数が大きいことで、強磁性金属層１０の磁化反転を素早く行うことができる。磁化反転を素早く行うことができる詳細な理由は後述する。
　ダンピング定数は、強磁性金属層１０を構成する材料の種類、結晶性、強磁性金属層１０の厚み、測定方法等の様々なパラメータにより変動する。本実施形態におけるダンピング定数は、以下のような手順で求めたダンピング定数である。
　表面に絶縁層が十分な厚さで形成されている基板上に目的の磁性膜を形成する。磁性膜は実使用条件に合わせて２ｎｍから２０ｎｍの間で選定する。磁性膜を形成した後、磁性層の酸化を防止するために、１００ｎｍの酸化膜を形成する。酸化膜は、例えば、シリカ、酸化アルミニウム又は酸化マグネシウム等を用いることができる。レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにて露光し、現像し素子形状を形成する。
　素子形状は実使用条件に合わせて４０ｎｍ～１００ｎｍの直径の円柱形状とする。イオンビームを用いて、酸化膜と磁性膜をエッチングし、削れた磁性層の側壁を酸化膜で保護した。酸化膜は５０ｎｍの厚みで形成した。同様にフォトリソグラフィーにより短絡型コプレーナ線路を形成する。コプレーナ線路の中心導体の線幅及び長さは、それぞれ１μｍおよび１００μｍとする。強磁性共鳴（ＦＭＲ）には、コプレーナ線路が発生するマイクロ波磁界が寄与する。よって、円柱形に加工された磁性膜のうち、コプレーナ線路の中心導体直下の内１００×１μｍ２の部分が強磁性共鳴に寄与する。
　素子を磁性膜の磁化容易軸方向に磁場を発生する電磁石の上に設置し、コプレーナマイクロプロープを用いてマイクロ波発生器およびベクトルネットワークアナライザに接続する。ネットワークアナライザを用いてコプレーナ線路のＳ１１パラメータ（反射係数）を測定し、磁性膜のＦＭＲによるマイクロ波吸収スペクトルを観測する。得られた波形をローレンツ関数でフィッティングし共鳴周波数ｆ０、半値幅Δｆを求める。これらの値からα＝Δｆ／（２ｆ０）の式を用いて、ダンピング定数αを算出する。
　強磁性金属層１０の膜厚は４ｎｍ以下であることが好ましい。上述のように、ダンピング定数は強磁性金属層１０の膜厚の影響も受ける。強磁性金属層１０の膜厚が薄くなると、ダンピング定数は大きくなる傾向にある。強磁性金属層１０の膜厚が薄くなることで、強磁性金属層１０内の磁化が積層界面の影響を強く受けるためと考えられる。強磁性金属層１０の膜厚の下限値は、特に限定されないが０．５ｎｍが好ましい。
＜スピン軌道トルク配線＞
　スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性金属層１０のｚ方向に垂直な一面に接続されている（直接接合されている）。
　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２０中に純スピン流が生成されるものであれば足りる。スピン軌道トルク配線２０を構成する材料は、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は、図１に示すスピン軌道トルク配線２０をｘ方向に沿って（即ちｘｚ平面で）切断した断面図である。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２０の延在方向に電流Ｉを流すと、紙面奥側に配向した第１スピンＳ１と紙面手前側に配向した第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が、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）では第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の電子数とが等しい。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。
　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２０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。
　スピン軌道トルク配線２０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２０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。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２０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。
　また、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２０に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線２０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（磁気的な作用によって）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。
　また、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。スピン軌道トルク配線２０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、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。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。そこで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。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に生成することができる。
　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、高効率にスピン流を生成することが可能である。
　磁化反転素子１００は、強磁性金属層１０とスピン軌道トルク配線２０以外の構成要素を有していてもよい。例えば、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
＜磁化反転素子の動作＞
　図１において、スピン軌道トルク配線２０で発生した純スピン流は、強磁性金属層１０に拡散して流れ込む。すなわち、スピン軌道トルク配線２０で発生したスピンＳ２０は、強磁性金属層１０に注入される。
　注入されるスピンＳ２０の向きは、強磁性金属層１０の磁化Ｍ１０の向きに対して交差している。注入されるスピンＳ２０の向きと、強磁性金属層１０の磁化Ｍ１０の向きとの関係によって磁化Ｍ１０の磁化反転の挙動が異なる。
　図３は、強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、強磁性金属層の磁化の向きとが平行な磁化反転素子１０１を模式的に示した斜視図である。図３に示す強磁性金属層１１は、磁化Ｍ１１がｘｙ平面方向の＋ｙ方向に配向している。またスピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１１に注入されるスピンＳ２０の向きは－ｙ方向に配向している。
　スピンＳ２０が強磁性金属層１１に注入されると、スピンＳ２０は磁化Ｍ１１を－ｙ方向に回転させようとするトルクを与える。一方で、磁化Ｍ１１には、＋ｙ方向に留まろうとするダンピングトルクもかかる。この状態で異方性外部磁場が加わると、回転させようとするトルクとダンピングトルクとが互いにつりあい関係を保ちながら、磁化Ｍ１１は磁化反転する。つまり、磁化Ｍ１１は二つのトルクの影響を受けて、まず初期挙動として＋ｙ方向から歳差運動をしながらｚ方向に立ち上がり、その後、歳差運動をしながら－ｙ方向に向けて反転する。
　この磁化反転の挙動は、ＳＴＴを利用した磁化反転と同様の挙動である。図４は、ＳＴＴを利用して磁化反転を行う磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図４に示す磁気抵抗効果素子３０は、順に積層された自由層３１と、非磁性層３２と、固定層３３と、これらを挟む二つの配線３４とを有する。
　図４に示す磁気抵抗効果素子３０では、二つの配線３４間に電流を流すと、固定層３３から自由層３１へスピンが注入される。固定層３３から注入されるスピンは、固定層３３の磁化Ｍ３３と同じ＋ｚ方向を有する。そのため、自由層３１の磁化Ｍ３１が－ｚ方向から＋ｚ方向に磁化反転する場合も、磁化Ｍ３１は歳差運動を行いながら磁化反転する。
　これに対し図１に示すように、第１実施形態にかかる磁化反転素子１００は、注入されるスピンＳ２０の向きは、強磁性金属層１０の磁化Ｍ１０の向きに対して直交している。そのため、ｚ方向に配向した磁化Ｍ１０は、あたかもｙ方向に外部磁場が加えられたようなｙ方向のトルクを受ける。
　トルクが加わるベクトル方向は、図３に示す強磁性金属層に注入されるスピンの向きと強磁性金属層の磁化の向きとが平行な場合と異なり、磁化容易方向（図１ではｚ方向）に対して直交している。そのため、このトルクは、＋ｚ方向に加わるダンピングトルクとつりあい関係をとらない。つまり、磁化Ｍ１０は磁化反転する際に、ｙ方向に加わるトルクの影響を受けて、まず初期挙動として＋ｚ方向からｙ方向まで素早く倒れる。そして、ｙ方向まで倒れた後は、磁化Ｍ１０が磁化容易方向に向こうとする力を受けて、歳差運動をしながら－ｚ方向に向けて反転する。
　この初期挙動は、磁化Ｍ１０の配向方向に対して交差する成分のスピンＳ２０が強磁性金属層１０に注入されれば生じる。また磁化Ｍ１０の配向方向に対して加わるトルクベクトル方向が異なっている（注入されるスピンＳ２０の配向方向が異なる）ほど初期挙動は早くなるため、注入されるスピンＳ２０の配向方向は、強磁性金属層１０の磁化Ｍ１０の向きに対して４５°以上９０°以下傾いていることが好ましく、直交している（９０°傾いている）ことがより好ましい。そのため、図１の構成の他に、例えば注入されるスピンＳ２０の向きがｙ方向で、磁化Ｍ１０の配向方向がｘ方向と言う構成でもよい。
　また第１実施形態にかかる磁化反転素子１００は、ダンピング定数が０．０１より大きい。ダンピング定数は、磁気異方性エネルギーと密接な関係を有し、ダンピング定数が大きいと、一般に磁気異方性エネルギーは大きくなる。すなわち、ダンピング定数が大きいと、磁化Ｍ１０が磁化容易方向に向こうとする力が大きくなる。
　図１に示す磁化反転素子１００における磁化Ｍ１０は、上述のように初期挙動として＋ｚ方向からｙ方向まで素早く倒れた後に、歳差運動を行いながら－ｚ方向に反転する。磁化Ｍ１０が磁化容易方向に向こうとする力が大きくなると、磁化Ｍ１０が歳差運動を行いながら－ｚ方向に向く速度が早くなる。磁化Ｍ１０は、初期挙動する際にも磁化容易方向に向こうとする力の影響を受ける。しかしながら、初期挙動時に磁化Ｍ１０に加わる力のベクトル方向は、磁化容易方向と全く異なる方向であり、その影響は小さい。また磁化反転に要する全体時間のうち初期挙動に費やす時間が占める割合は小さいため、初期挙動にかかる時間が少し長くなっても、磁化反転に要する全体時間は十分短縮される。
　これに対し、図３及び図４に示すように強磁性金属層に注入されるスピンの向きと強磁性金属層の磁化の向きとが平行な場合は、磁化Ｍ１１は初期挙動として歳差運動をしながら一方向に立ち上がり、その後、歳差運動をしながら反転する。そのため、ダンピング定数を大きくして後段の歳差運動の時間を早めても、初期挙動としての歳差運動の時間が長くなり、磁化反転に要する全体時間は変わらない。
　上述のように、第１実施形態にかかる磁化反転素子は、ダンピング定数が大きいため磁化反転を素早く行うことができる。
「第２実施形態」
　第２実施形態にかかる磁化反転素子は、第１実施形態にかかる磁化反転素子と素子構成は同様である。第２実施形態にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層と、スピン軌道トルク配線とを有し、スピン軌道トルク配線から強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、強磁性金属層の磁化の向きに対して交差している。
　第２実施形態にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層がＣｏとＰｔの多層膜、Ｃｏ－Ｎｉ合金、（ＣｏｘＦｅ１－ｘ）１－ｙＢｙ（ｘ＞０．７５、ｙ＞０．２０）、希土類元素を含む合金、Ｆｅ４Ｎ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎｉ合金からなる群から選択される１つ以上の物質を含む。
　これらの物質はダンピング定数が大きく、例えば次のような値が測定で得られる。
　ＣｏとＰｔの多層膜［Ｃｏ（４Å）／Ｐｔ（８Å）］ｎでは、層数ｎと共にダンピング定数αが大きくなり、層数ｎがおおよそ１５以上で一定値に収束する。ｎ≧２以上で０．１５≧α≧０．１が得られる。
　Ｃｏ－Ｎｉ合金であるＣｏｘＮｉ１－ｘでは、α＝０．０１１（ｘ＝０．８）、α＝０．０１２（ｘ＝０．５）、０．０１９（ｘ＝０．２）、０．０３５（ｘ＝０．１）が得られる。
　Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ合金である（ＣｏｘＦｅ１－ｘ）１－ｙＢｙ（ｘ＞０．７５、ｙ＞０．２０）では、ＣｏのＦｅに対する相対比ｘ、及びＢの置換量yが大きい程αが大きく、α＝０．０１１（ｘ＝０．９、ｙ＝０．２２）、α＝０．０１１（ｘ＝０．８、ｙ＝０．２４）、α＝０．０１５（ｘ＝０．９、ｙ＝０．３）、α＝０．０１５（ｘ＝０．８、ｙ＝０．３３）が得られる。
　希土類元素を含む遷移金属は、スピン軌道相互作用の増強によって、ダンピング定数が大きくなる。例えば、Ｆｅ－Ｇｄ合金であるＦｅ１－ｘＧｄｘ（ｘ≧０．０５）では、α=０．０１１（ｘ＝０．０８）、α＝０．０３３（ｘ＝０．１４）、α＝０．０４３（ｘ＝０．２）が得られる。また、Ｆｅ－Ｇｄ合金の他に、希土類元素を含む合金として、Ｓｍ－Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）及びＨｏ－Ｃｏ合金（ＨｏＣｏ２）が挙げられる。Ｓｍ－Ｆｅ合金は、ｃ軸長がａ軸長より短い正方晶の磁性材料である。ｃ軸長がａ軸長より短いと、第１強磁性層４の磁化容易軸が面内方向に配向しやすい。Ｈｏ－Ｃｏ合金は、ｃ軸長がａ軸長より長い正方晶の磁性材料である。ｃ軸長がａ軸長より長いと第１強磁性層４の磁化容易軸が面直方向に配向しやすいが、磁場中で成膜した場合や磁場中アニールをすることによって、ｃ軸を面内の磁場方向に向けることができる。Ｓｍ－Ｆｅ合金及びＨｏ－Ｃｏ合金は、結晶磁気異方性が強く、ダンピング定数が大きいため、磁化回転が生じにくい。従って、これらの材料を用いて形成された強磁性金属層は、強いデータ保持力を有する。
　ＦｅＣｏ窒化物合金である（ＦｅｘＣｏ１－ｘ）Ｎｙ（１≧ｘ≧０、ｙ≧０．２５）は、窒化によってダンピング定数が大きくなる。Ｆｅ４Ｎはα＝０．０１５となる。また、Ｆｅ０．７Ｃｏ０．３Ｎではα＝０．０１７が得られる。
　これらのダンピング定数は、多層膜以外、いずれも膜厚５０ｎｍ以上で測定したもので、十分に厚いバルク物質の値とみなせる。膜厚が概ね１０ｎｍ以下では、隣接層や表面の影響によってダンピング定数は上昇する傾向がある。また、２ｎｍ以下ではそれが顕著である。本実施形態におけるダンピング定数は、表面や界面の影響が無い状態の値として定義している。このようなバルクの状態で相対的に高いダンピング定数を有する物質は、薄膜でも相対的にダンピング定数が高く、よって相対的に素早い磁化反転が達成される。Ｃｏ／Ｐｔ多層膜は表面や界面の影響が小さいので、その積層構造で測定したダンピング定数の値で定義する。
　第２実施形態にかかる磁化反転素子の磁化反転の動作は、第１実施形態にかかる磁化反転の動作と同様である。そのため、第２実施形態にかかる磁化反転素子の磁化反転も、スピン軌道トルク配線から強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、強磁性金属層の磁化の向きに対して４５°以上９０°以下傾いていることが好ましく、直交している（９０°傾いている）ことがより好ましい。また強磁性金属層の膜厚は、４ｎｍ以下であることが好ましい。また、強磁性金属層の膜厚の下限値は、特に限定されないが０．５ｎｍが好ましい。
　上述のように、第２実施形態にかかる磁化反転素子は、強磁性金属層が所定の材料を含み、強磁性金属層のダンピング定数が大きい。そのため、第２実施形態にかかる磁化反転素子は、磁化反転を素早く行うことができる。
「第３実施形態」
　図５は、第３実施形態にかかる磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
　第３実施形態にかかる磁化反転素子１０２は、強磁性金属層１０とスピン軌道トルク配線２０とを備え、さらにこれらの間に設けられた挿入層４０を備える。その他の構成は、第１実施形態及び第２実施形態にかかる磁化反転素子と同様であり、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１０に注入されるスピンＳ２０の向きは、強磁性金属層１０の磁化Ｍ１０の向きに対して交差している。
　挿入層４０は、融点が２０００度以上の重金属、又は融点が２０００度以上の重金属を含む合金からなる。融点が２０００度以上の重金属の例としては、Ｔａ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗなどが挙げられる。これらの元素は磁化反転素子に熱が加えられても拡散しにくいので、磁化反転素子の特性が劣化しにくい。また、融点が２０００度以上の重金属が強磁性金属層１０に接すると、強磁性金属層１０のダンピング定数は増加する。一般に、４ｄ電子、５ｄ電子又は４ｆ電子の寄与が大きい重金属は、スピン軌道相互作用が大きいと言われている。ダンピング定数は、スピン軌道相互作用の大きさに影響を受ける定数であるためである。
　スピン軌道相互作用は、電子のスピンと電子の軌道角運動量の相互作用であり、隣接する層まで及ぶ。希土類元素を含む合金を含む挿入層４０に隣接する強磁性金属層１０のダンピング定数も大きくなる。
　一方で、挿入層４０の膜厚は、原子半径の２倍以下であり、原子半径の２倍未満であることが好ましい。ここで原子半径の２倍の層と言うと、原子１層分の層に対応する。すなわち、挿入層４０の膜厚は原子１層分の膜厚以下であり、原子１層分の膜厚未満であることが好ましいと言い換えることができる。
　原子１層分の膜厚未満の膜厚は、通常とり得ない。ここでいう「原子１層分の膜厚」は、原子１層分の膜厚を成膜するために必要な成膜条件により成膜された膜厚を意味し、「原子１層分の膜厚未満の膜厚」はその条件未満の成膜条件により積層された膜厚を意味する。原子を１層で完全に配列させることは今の技術では難しい。そのため、原子半径の２倍以下の層は、現実的には、平面視で（ｚ方向から見て）複数の隙間を有する層とも言える。
　スピンＳ２０は、スピン軌道トルク配線２０から挿入層４０を介して強磁性金属層１０へ注入される。そのため、挿入層４０は、このスピンの流れを阻害しないことが好ましい。上述のように挿入層４０の膜厚が、原子半径の２倍以下であれば、挿入層４０は複数の隙間を有する。つまり、この隙間を介してスピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１０へスピンを伝えることができる。
　第３実施形態にかかる磁化反転素子１０２の磁化反転の動作は、第１実施形態にかかる磁化反転の動作と同様である。そのため、第３実施形態にかかる磁化反転素子１０２の磁化反転も、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１０に注入されるスピンの向きは、強磁性金属層１０の磁化の向きに対して４５°以上９０°以下傾いていることが好ましく、直交している（９０°傾いている）ことがより好ましい。また強磁性金属層１０の膜厚は、４ｎｍ以下であることが好ましい。強磁性金属層１０の膜厚の下限値は、特に限定されないが０．５ｎｍが好ましい。
　上述のように、第３実施形態にかかる磁化反転素子１０２は、強磁性金属層１０に隣接する挿入層４０の影響を受けて、強磁性金属層１０のダンピング定数が大きくなる。そのため、第３実施形態にかかる磁化反転素子１０２は、磁化反転を素早く行うことができる。
「第４実施形態」
　図６は、第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。図６に示す磁気抵抗効果素子１１０は、第１実施形態にかかる磁化反転素子１００と、非磁性層５０と、第２強磁性金属層６０と、配線層７０とを備える。
　磁化反転素子１００は、強磁性金属層１０とスピン軌道トルク配線２０とを備える。非磁性層５０と第２強磁性金属層６０とは、強磁性金属層１０のスピン軌道トルク配線２０と反対側の面に順に積層されている。なお、磁化反転素子は、代表して第１実施形態にかかる磁化反転素子１００を用いる例を例示するが、第２実施形態又は第３実施形態にかかる磁化反転素子を適用してもよい。
　第２強磁性金属層６０は、強磁性金属層１０より磁気異方性が相対的に強く、磁化方向が１方向に固定された固定層である。
　第２強磁性金属層６０の材料としては、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り、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、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などが挙げられる。
　また、第２強磁性金属層６０の保磁力をより大きくするために、第２強磁性金属層６０の非磁性層５０と反対側の面にＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を接触させてもよい。さらに、第２強磁性金属層６０の漏れ磁場を強磁性金属層１０に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
　非磁性層５０には、公知の材料を用いることができる。
　例えば、非磁性層５０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５０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。
　配線層７０は、導電性を有するものであれば特に問わない。例えば、銅、アルミ等を用いることができる。
　第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１１０は、スピン軌道トルク配線２０と配線層７０間の抵抗値を測定することで、強磁性金属層１０の磁化状態を読み出すことができる。抵抗値は、強磁性金属層１０の磁化Ｍ１０の向きと第２強磁性金属層６０の磁化Ｍ６０が平行の場合は低く、強磁性金属層１０の磁化Ｍ１０の向きと第２強磁性金属層６０の磁化Ｍ６０が反平行の場合は高くなる。
　上述のように、第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１１０によれば、磁化反転を素早く行うことができる磁化反転素子１００の情報を適切に読み出すことができる。
　またこの磁気抵抗効果素子１１０は、メモリデバイス等に用いることができる。たとえば、磁気抵抗効果素子１１０と、スピン軌道トルク配線２０に接続されたトランジスタ等の制御素子とを有するメモリデバイス等が挙げられる。制御素子によりスピン軌道トルク配線２０に流れる電流を制御することができ、強磁性金属層１０に注入されるスピン量を制御し、磁化Ｍ１０の向きを制御できる。
（素子の製造方法）
　上述の磁化反転素子及び磁気抵抗効果素子は、スパッタリング等の公知の成膜手段と、フォトリソグラフィー等の加工技術を用いて作製できる。支持体となる基板上に、各層を構成する金属等を順に積層し、その後所定の形に加工する。
　成膜法としてはスパッタリング法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等が挙げられる。フォトリソグラフィー法では、レジスト膜を残したい部分に形成し、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の処理により不要部を除去する。
　例えば磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子を作製する場合、例えば、トンネルバリア層は、強磁性金属層上に最初に０．４～２．０ｎｍ程度の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、その後の熱処理を行うことで、形成できる。
　本発明は、上記実施形態にかかる磁化反転素子及び磁気抵抗効果素子の構成及び製造方法に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。なお、第１、第２、及び第４実施形態では強磁性金属層がスピン軌道トルク配線に接合され、第３実施形態では強磁性金属層がスピン軌道トルク配線に、これらの間に挿入層を介在させた状態で接合されているが、本発明はこれに限定されない。スピン軌道トルク配線のスピンを強磁性金属層に注入できれば、その他の層を強磁性金属層とスピン軌道トルク配線との間に介在させてもよい。強磁性金属層とスピン軌道トルク配線との間に介在させることのできる層としては、厚さ０．５～２ｎｍ程度のＴａ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｌａ、Ｌｕからなる層が挙げられる。
「実施例１」
　実施例１では、シミュレーションにより強磁性金属層の磁化反転の挙動を確認した。シミュレーションは、従来のスピントランスファートルクの磁化反転の挙動の確認に広く用いられている磁界シミュレーションパッケージソフトウェア「FUJITSU Manufacturing Industry Solution EXAMAG LLGシミュレータV2」を用いて行った。当該ソフトウェアの結果が実際の実測値と対応関係が得られることは知られている。
　図７は、シミュレーションに用いた計算モデルの模式図である。図７に示すように一辺２ｎｍ、高さ１ｎｍのメッシュを２５個用いて第１層Ａとし、同様のメッシュを第１層Ａ上に積層配置して第２層Ｂとした。図７に示すｘｙｚ方向はシミュレーション上の設定であり、実施形態にかかるｘｙｚ方向と必ずしも一致しない。
　第１層Ａを磁化反転可能な自由層、第２層Ｂを磁化が固定された固定層とした。すなわち、第１層Ａは図１において磁化反転する強磁性金属層１０に対応し、第２層Ｂは図１においてスピンを注入するスピン軌道トルク配線２０に対応する。
　シミュレーションでは、第１層Ａと第２層Ｂの層間の磁気結合はないものとし、第２層Ｂの磁化は図７に示すｚ方向に固定した。このとき第２層Ｂの飽和磁化Ｍｓは１．０×１０－５Ｔとした。
　また第１層Ａの磁化については、第１層Ａをｙ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜とした。第２層Ｂの飽和磁化Ｍｓを１．０Ｔとし、交換スティフネスＡを１．４９×１０－１１Ｊ／ｍとした。異方性磁場Ｈｋは１．２Ｔ、ダンピング定数（ギルバード緩和係数）αを０．０１とした。そして、ｚ方向に配向した第２層Ｂのスピンが、第１層Ａに注入されるモデルを再現した。
　すなわち、磁化反転する際の磁化の条件は以下の条件とした。初期条件は、ｍｘ＝０、ｍｙ＝１．０、ｍｚ＝０とした。これは第１層Ａのスピンが＋ｙ方向に向いていることを示す。なお、ｍｘ、ｍｙ、ｍｚは、それぞれ、初期状態におけるｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の強磁性金属層の磁化であり、後述するＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの初期値である。第２層Ｂから第１層Ａへのスピン注入は、ｘ方向への電流を流したとして仮定した。電流密度は１．５×１０１１Ａ／ｍ２とし、外部磁場をＨｘ＝－１３００Ｏｅとした。
　図８は、実施例１の強磁性金属層の磁化の強度を示した図である。横軸は秒であり、縦軸はＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚのそれぞれの大きさを示す。なお、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、それぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の強磁性金属層の磁化である。図８（ａ）は、強磁性金属層の磁化が反転する全課程を示した図であり、図８（ｂ）は、初期挙動を抽出した図である。
　図８（ａ）に示すように、Ｍｙ＝１．０（＋ｙ方向）からＭｙ＝－１．０（－ｙ方向）に至るまでの磁化反転全体に要した時間は、１×１０－９秒程度であった。また図８（ｂ）に示すように、Ｍｙ＝１．０からＭｙ＝０に至るまでの初期挙動に要した時間は、１×１０－１０秒以下であった。このように磁化反転に必要な時間全体のうち、初期挙動に要する時間は全体の１０分の１以下と言える。
「実施例２、３」
　実施例２及び３では、ダンピング定数αを変えた点以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションした。実施例２ではダンピング定数αを０．０２とし、実施例３ではダンピング定数αを０．１とした。
　図９は、実施例１～３の強磁性金属層の磁化を磁化反転する際に、印加した磁化と磁化反転に必要な時間との関係を示した図である。図９（ａ）の縦軸は初期挙動に要した時間であり、（ｂ）の縦軸は磁化反転しきるまでに要した時間である。横軸は、いずれも印加された外部磁場の大きさＨ（Ｏｅ）である。
　図９（ａ）に示すように、初期挙動に要する時間は、ダンピング定数が大きい方が長い傾向があった。しかしながら、ダンピング定数が大きくなると、磁化反転が完了するのに必要な時間に対して初期挙動に要する時間は短い。そのため、図９（ｂ）に示すように同一印加磁化の条件下においてダンピング定数が大きくなると、磁化反転に要する時間が短くなった。
「実施例４～６」
　実施例４～６では、印加電流密度を３．５×１０１１Ａ／ｍ２とした点以外は、実施例１～３と同様の条件でシミュレーションした。実施例４ではダンピング定数αを０．０１、実施例５ではダンピング定数αを０．０２とし、実施例６ではダンピング定数αを０．１とした。
　図１０は、実施例４～６の強磁性金属層の磁化を磁化反転する際に、印加した磁化と磁化反転に必要な時間との関係を示した図である。図１０（ａ）の縦軸は初期挙動に要した時間であり、（ｂ）の縦軸は磁化反転しきるまでに要した時間である。横軸は、いずれも印加された外部磁場の大きさＨ（Ｏｅ）である。
　図１０（ａ）に示すように、印加電流密度が大きくなると、ダンピング定数が初期挙動に要する時間に与える影響は少なくなった。印加電流密度を大きくと、第１層Ａに注入されるスピン量が増え、磁化に加わる力が大きくなる。そのため、ダンピング定数の影響が小さくなったものと考えられる。一方で、図１０（ｂ）に示すように印加電流密度を大きくした場合でも、ダンピング定数が大きくなると、磁化反転に要する時間が短くなった。
「実施例７～１１」
　実施例７～１１では、初期挙動により磁化が９０°回転した後、磁化容易方向に向こうとする力を受けて、磁化が歳差運動する様子を模式的にシミュレーションした。
　実施例７～１１では、初期条件をｍｘ＝０．８、ｍｙ＝－０．６、ｍｚ＝０とした。すなわち、第１層Ａのスピンは、ほとんど－ｙ方向に向かって傾いた後の挙動を確認した。電流密度は１．０×１０８Ａ／ｍ２とし、外部磁場をＨｘ＝－２００Ｏｅとした。実施例７ではダンピング定数αを０．０１、実施例８ではダンピング定数αを０．０２とし、実施例９ではダンピング定数αを０．０３、実施例１０ではダンピング定数αを０．０５とし、実施例９ではダンピング定数αを０．１とした。
　図１１～１５は、実施例７～１１のそれぞれの磁化の挙動を示した図である。横軸は秒であり、縦軸はＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚのそれぞれの大きさを示す。図１１～１５に示すように、ダンピング定数が大きいほど、Ｍｙ＝－０．６からＭｙ＝－１．０に至る歳差運動の収束過程が早くなった。すなわち、ダンピング定数を大きくすることで、磁化反転の後半過程を早めることができ、磁化反転全体にかかる時間を短くできることが分かる。
　本発明の磁化反転素子によれば、磁化反転を素早く行うことができるので、本発明の磁化反転素子はメモリデバイスに好適である。
１０、１１…強磁性金属層、２０…スピン軌道トルク配線、Ｍ１０，Ｍ１１，Ｍ３１，Ｍ３３，Ｍ６０…磁化、Ｓ２０…スピン、３０…磁気抵抗効果素子、３１…自由層、３２…非磁性層、３３…固定層、３４…配線、４０…挿入層、５０…非磁性層、６０…第２強磁性金属層、７０…配線層、１００，１０１，１０２…磁化反転素子、Ａ…第１層、Ｂ…第２層

Claims (7)

  1. 　強磁性金属層と、
    　前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、その一面上に前記強磁性金属層が位置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から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、
    　前記強磁性金属層のダンピング定数が０．０１より大きい、磁化反転素子。
  2. 　強磁性金属層と、
    　前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、その一面上に前記強磁性金属層が位置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から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、
    　前記強磁性金属層が、ＣｏとＰｔの多層膜、Ｃｏ－Ｎｉ合金、（ＣｏｘＦｅ１－ｘ）１－ｙＢｙ（ｘ＞０．７５、ｙ＞０．２０）、希土類元素を含む合金、Ｆｅ４Ｎ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｎ合金からなる群から選択される１つ以上の物質を含む、磁化反転素子。
  3. 　強磁性金属層と、
    　前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、その一面上に前記強磁性金属層が位置するスピン軌道トルク配線と、
    　前記強磁性金属層と前記スピン軌道トルク配線との間に設けられた挿入層と、を備え、
    　前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差しており、
    　前記挿入層は融点の温度が２０００度以上の重金属または前記重金属を含む合金を含み、膜厚が原子半径の２倍以下である、磁化反転素子。
  4. 　前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して４５°以上９０°以下傾いている、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
  5. 　前記強磁性金属層の膜厚が４ｎｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁化反転素子。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載の磁化反転素子と、
    　前記強磁性金属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強磁性金属層とを備える、磁気抵抗効果素子。
  7. 　請求項６に記載の磁気抵抗効果素子を備える、メモリデバイス。
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