WO2020110296A1 - スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子 - Google Patents

スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子 Download PDF

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WO2020110296A1
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WO
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orbit torque
spin
domain
spin orbit
ferromagnetic layer
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PCT/JP2018/044216
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English (en)
French (fr)
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優剛 石谷
智生 佐々木
陽平 塩川
Original Assignee
Tdk株式会社
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a spin orbit torque type magnetization rotating element, a spin orbit torque type magnetoresistive effect element, a magnetic memory and a high frequency magnetic element.
  • MRAM Magneticoresistive Random Access Memory
  • ReRAM Resistance Random Access Memory
  • PCRAM Phase Change Random Access
  • ⁇ MRAM uses the change in resistance value caused by the direction of magnetization for data recording.
  • miniaturization of elements constituting the memory and multi-valued recording bits per element constituting the memory are being studied.
  • Non-Patent Document 1 describes a structure in which an antiferromagnetic material and a ferromagnetic material are stacked. Non-Patent Document 1 describes that when an electric current is passed through the antiferromagnetic material of the structure, a spin orbit torque (SOT) is generated and the magnetization of the ferromagnetic material can be analog-controlled. Analog control of magnetization leads to multi-valued recording bits.
  • SOT spin orbit torque
  • the magnetoresistive effect element may be used in combination with a semiconductor device such as a transistor.
  • a semiconductor device includes a high temperature treatment process in a manufacturing process.
  • the magnetoresistive effect element is required to withstand a semiconductor manufacturing process.
  • a practical antiferromagnetic material causes element diffusion in a high temperature environment. That is, the structure described in Non-Patent Document 1 had a low endurance temperature.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a spin orbit torque type magnetization rotating element, a spin orbit torque type magnetoresistive effect element, a magnetic memory and a high frequency magnetic element which are excellent in heat resistance. ..
  • a first ferromagnetic layer a first surface of which faces the first ferromagnetic layer, and a first ferromagnetic layer is formed in a stacking direction.
  • a spin orbit torque wiring having a long axis extending in a first direction in a plan view; and an underlayer in contact with a second surface of the spin orbit torque wiring opposite to the first surface.
  • a first domain having a first crystal orientation axis at a position overlapping the first ferromagnetic layer in a plan view from the stacking direction, and another region having a different crystalline state from the first domain, The first crystal orientation axis of the first domain is continuous with the underlayer.
  • the other region has a second domain having a second crystal orientation axis, and the second crystal orientation axis is from the underlayer. It may be continuous and different from the first crystal orientation axis.
  • the other region may include a non-crystalline portion whose crystal arrangement cannot be confirmed by a transmission electron microscope.
  • the degree of lattice mismatch between the underlayer and the first domain is 5% or less at the interface between the underlayer and the first domain. Good.
  • the first ferromagnetic layer has a plurality of domains in which crystal orientation axes are aligned, and any one of the plurality of domains is different from other domains.
  • the domain and the crystal orientation direction may be different.
  • each of the plurality of domains may have a continuous crystal structure from the underlayer via the spin orbit torque wiring.
  • the first ferromagnetic layer may have a maximum width of 30 nm or more in a plan view from the stacking direction.
  • the spin-orbit torque wiring has a crystal structure of an fcc structure, and the underlayer is at least one of a NaCl structure, a corundum structure and a spinel structure. It may have a crystal structure.
  • the spin orbit torque wiring has a crystal structure of a bcc structure, and the underlayer is at least one of a NaCl structure, a corundum structure and a rutile structure. It may have a crystal structure.
  • the spin-orbit torque wiring may have a crystal structure of an hcp structure, and the underlayer may have a crystal structure of a corundum structure.
  • a spin orbit torque type magnetoresistive effect element is a spin orbit torque type magnetization rotation element according to the above aspect, a second ferromagnetic layer facing the first ferromagnetic layer, and a second ferromagnetic layer. A non-magnetic layer located between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer.
  • a magnetic memory according to a third aspect includes a plurality of spin orbit torque type magnetoresistive effect elements according to the above aspect.
  • the high frequency magnetic element according to the fourth aspect includes the spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to the above aspect.
  • the spin orbit torque type magnetization rotating element, the spin orbit torque type magnetoresistive effect element, the magnetic memory, and the high frequency magnetic element according to the above aspect have excellent heat resistance.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic view of the vicinity of the interface between the spin orbit torque wiring and the underlayer of the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the first embodiment. It is the figure which showed the crystal structure of the interface in the case of a 1st combination. It is the figure which showed the crystal structure of the interface in the case of a 2nd combination. It is the figure which showed the crystal structure of the interface in the case of a 3rd combination. It is the figure which showed the crystal structure of the interface in the case of the 4th combination. It is the figure which showed the crystal structure of the interface in the case of the 5th combination.
  • FIG. 3 is a plan view of the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the interface between the spin orbit torque wiring and the underlayer of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to Modification 1; 11 is a plan view of a spin orbit torque type magnetization rotating element according to Modification Example 1.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a spin orbit torque type magnetization rotation element 102 according to Modification Example 2.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a spin orbit torque type magnetization rotation element 103 according to Modification Example 3.
  • FIG. It is sectional drawing of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element concerning 2nd Embodiment. It is a top view of the magnetic memory concerning 3rd Embodiment. It is a cross-sectional schematic diagram of the high frequency magnetic element concerning 4th Embodiment.
  • the +z direction is the direction in which the underlayer 30, the spin orbit torque wiring 20, and the first ferromagnetic layer 1 described below are stacked on the support (not shown).
  • the ⁇ z direction is the opposite direction.
  • the “x direction” is a direction that is substantially orthogonal to the z direction and in which the spin orbit torque wiring 20 extends.
  • One of the x directions is the +x direction and the opposite direction is the ⁇ x direction.
  • the “y direction” is a direction orthogonal to the z direction and the x direction.
  • One of the y directions is the +y direction and the opposite direction is the -y direction.
  • the first direction is an example of the x direction.
  • the stacking direction is an example of the +z direction.
  • the +z direction may be expressed as “up” and the ⁇ z direction may be expressed as “down”.
  • the top and bottom do not necessarily correspond to the direction in which gravity is applied.
  • FIG. 1 is a sectional view of a spin orbit torque type magnetization rotating element 100 according to the first embodiment.
  • the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 has a first ferromagnetic layer 1, a spin orbit torque wiring 20, and an underlayer 30.
  • the underlayer 30 contacts the second surface 20b of the spin orbit torque wiring 20.
  • the underlayer 30 controls crystallinity such as crystal orientation and crystal grain size of each layer including the first ferromagnetic layer 1.
  • the base layer 30 is a polycrystalline insulator.
  • a polycrystal is a state in which a plurality of crystals are aggregated.
  • the first surface 30a of the underlayer 30 has a plurality of domains in which atoms are arranged in a predetermined arrangement.
  • the first surface 30a is a surface in contact with the second surface 20b of the spin orbit torque wiring 20.
  • the underlayer 30 is, for example, MgO, FeO, VO, MnO, CoO, NiO, TiO 2 , MnO 2 , RuO 2 , SnO 2 , Al 2 O 3 , Ti 2 O 3 , V 2 O 3 , Cr 2 O 3. , Fe 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Rh 2 O 3 , VO, and MgAl 2 O 3 .
  • the crystal structure of each domain of the underlayer 30 is, for example, a NaCl structure, a rutile structure, a spinel structure, or a corundum structure.
  • the underlayer 30 is MgO, FeO, VO, MnO, CoO, or NiO, it is easy to select the NaCl structure as the crystal structure of each domain of the underlayer 30.
  • the underlayer 30 is any of TiO 2 , MnO 2 , RuO 2 , and SnO 2 , the rutile structure is easily selected as the crystal structure of each domain of the underlayer 30.
  • the base layer 30 is any one of Al 2 O 3 , Ti 2 O 3 , V 2 O 3 , Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Ga 2 O 3 , and Rh 2 O 3 , the base layer 30 is used.
  • the crystal structure of each domain it is easy to select a corundum structure.
  • the underlayer 30 is Mg x Al 3-x O 4 , it is easy to select a spinel structure as the crystal structure of each domain of the underlayer 30. Even when the underlayer 30 is formed using the same material, the crystal structure that can be selected by the underlayer 30 differs depending on the film forming conditions and the like.
  • the spin orbit torque wiring 20 exists in the xy plane and has a long axis in the x direction.
  • the spin orbit torque wiring 20 extends in the x direction.
  • the first surface 20a and the second surface 20b of the spin orbit torque wiring 20 are substantially parallel to the xy plane.
  • the spin orbit torque wiring 20 produces a spin current by the spin Hall effect when a current I flows.
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is induced in a direction orthogonal to the flowing direction of the current I based on the spin-orbit interaction when the current I is passed.
  • the spin orbit torque wiring 20 produces a spin orbit torque (SOT) in the first ferromagnetic layer 1 that can reverse the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
  • a current I flows along the spin orbit torque wiring 20.
  • the first spin S1 oriented in one direction and the second spin S2 oriented in the opposite direction to the first spin S1 are respectively bent in a direction orthogonal to the current.
  • the first spin S1 oriented in the +y direction is bent in the +z direction
  • the second spin S2 oriented in the ⁇ y direction is bent in the ⁇ z direction.
  • the ordinary Hall effect and spin Hall effect are common in that the moving (moving) charge (electron) can bend the moving (moving) direction.
  • the ordinary Hall effect charged particles moving in a magnetic field are bent by the Lorentz force, and the spin Hall effect causes electrons to move (current Is different only in that the direction of spin movement is bent.
  • the number of electrons in the first spin S1 and the number of electrons in the second spin S2 generated by the spin Hall effect are equal.
  • the number of electrons of the first spin S1 toward the +z direction is equal to the number of electrons of the second spin S2 toward the ⁇ z direction.
  • the spin current without an electric current is particularly called a pure spin current.
  • the spin orbit torque wiring 20 faces the first ferromagnetic layer 1.
  • the injected spin gives a spin orbit torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
  • SOT spin orbit torque
  • the spin orbit torque wiring 20 is made of any one of a metal, an alloy, an intermetallic compound, a metal boride, a metal carbide, a metal silicide, and a metal phosphide having a function of generating a spin current by a spin Hall effect when a current flows. Composed.
  • the spin orbit torque wiring 20 includes a material that produces a spin orbit torque (SOT) in the first ferromagnetic layer 1 that can reverse the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
  • SOT spin orbit torque
  • the main structure of the spin orbit torque wiring 20 is preferably a non-magnetic heavy metal.
  • Heavy metal means a metal having a specific gravity of yttrium or higher.
  • the non-magnetic heavy metal is preferably a non-magnetic metal having an atomic number of 39 or more and a large atomic number having d or f electrons in the outermost shell. Non-magnetic heavy metals have a large spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect.
  • Electrons generally move in the opposite direction to the current, regardless of their spin orientation.
  • a non-magnetic metal having a large atomic number having d-electrons or f-electrons in the outermost shell has a large spin-orbit interaction and a strong spin Hall effect.
  • the flow of spins in the z direction depends on the degree of uneven distribution of spins in the z direction. If the spin Hall effect is strong, the spins are likely to be unevenly distributed, and the spin current J S is likely to occur.
  • FIG. 2 is an enlarged schematic view of the vicinity of the interface between the spin orbit torque wiring 20 and the underlayer 30.
  • the spin orbit torque wiring 20 has a first domain 21 and another region 22.
  • the other region 22 shown in FIG. 2 has a second domain 22A and a third domain 22B. These domains are separated by grain boundaries.
  • the first domain 21 has a first crystal orientation axis ax1.
  • the second domain 22A has a second crystal orientation axis ax2.
  • the third domain 22B has a third crystal orientation axis ax3.
  • the crystal orientation axis is a direction perpendicular to the arrangement plane of atoms (shown by a dotted line in FIG. 2 ).
  • the array plane of atoms is measured by a transmission electron microscope (TEM).
  • the first crystal orientation axis ax1, the second crystal orientation axis ax2, and the third crystal orientation axis ax3 have different orientation directions.
  • the second crystal orientation axis ax2 and the third crystal orientation axis ax3 are tilted with respect to the first crystal orientation axis ax1.
  • the first crystal orientation axis ax1 continues from the first domain 31 of the underlayer 30.
  • the second crystal orientation axis ax2 is continuous from the second domain 32A of the underlayer 30.
  • the third crystal orientation axis ax3 is continuous from the third domain 32B of the underlayer 30.
  • the first domain 21, the second domain 22A, and the third domain 22B of the spin orbit torque wiring 20 are epitaxially grown from the first domain 31, the second domain 32A, and the third domain 32B of the underlayer 30, respectively.
  • the degree of lattice mismatch at the interface between the underlying layer 30 having continuous crystal orientation axes and the spin orbit torque wiring 20 is preferably 5% or less.
  • the degree of matching is preferably 5% or less.
  • “Lattice mismatch” is an index of the matching state of two crystals at the crystal interface. As the degree of lattice mismatch is larger, the crystals are not aligned with each other, and the crystal lattices are distorted at the crystal interface. When the degree of lattice mismatch is 5% or less, the spin orbit torque wiring 20 is epitaxially grown by reflecting the crystal structure of the underlayer 30.
  • the method of calculating the lattice mismatch depends on the crystal structure of the underlayer 30 and the crystal structure of the spin orbit torque wiring 20.
  • the interface b1 between the first domain 31 of the underlayer 30 and the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 will be described as an example.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 has an fcc structure or a bcc structure.
  • the combination of the first domain 31 of the underlayer 30 having the NaCl structure and the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 having the fcc structure is referred to as a “first combination”.
  • a combination of the first domain 31 of the underlayer 30 having a NaCl structure and the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 having a bcc structure is referred to as a “second combination”.
  • FIG. 3 is a diagram showing a crystal structure of the interface b1 in the case of the first combination.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is shown by a solid line
  • the crystal structure of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is shown by a dotted line.
  • the first domain 31 of the underlayer 30 is a square lattice in which A sites and B sites are alternately arranged.
  • the lattice constant of the first domain 31 of the underlayer 30 is a NaCl .
  • the unit lattice of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is a square lattice.
  • the lattice constant of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is a fcc .
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 grows on the first domain 31 of the underlayer 30 by Cubic on Cubic (ConC) growth.
  • ConC growth refers to a growth state in which the sides of the unit cell match.
  • the lattice mismatch degree is expressed by the following equation (1) in the case of the first combination.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is Pt, Pd, or Au
  • the fcc structure As the crystal structure of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the underlayer 30 is any one selected from the group consisting of MgO, MnO, ALN, and VO
  • the spin orbit torque wiring 20 is Pt
  • the combination of the interfaces b1 is likely to be the first combination.
  • FIG. 4 is a diagram showing a crystal structure of the interface b1 in the second combination.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is shown by a solid line
  • the crystal structure of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is shown by a dotted line.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is the same as that of FIG.
  • the unit lattice of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is a square lattice.
  • the lattice constant of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is a bcc .
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 grows Rotate 45 (R45) on the first domain 31 of the underlayer 30.
  • the R45 growth refers to a growth state in which the side of the unit lattice of the first domain 21 and the side of the unit lattice of the first domain 31 are inclined by 45 degrees.
  • the sides of the unit lattice of the first domain 31 correspond to the diagonal lines of the unit lattice of the first domain 21.
  • the lattice mismatch degree is expressed by the following equation (2) in the case of the second combination.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is Ta, W, or Mo
  • the underlayer 30 is any one selected from the group consisting of MgO, MnO, and VO
  • the spin orbit torque wiring 20 is Ta
  • the combination of the interfaces b1 is likely to be the second combination.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 has a bcc structure.
  • a combination in which the first domain 31 of the underlayer 30 has a rutile structure and the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 has a bcc structure is referred to as a “third combination”.
  • FIG. 5 is a diagram showing a crystal structure of the interface b1 in the case of the third combination.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is shown by a solid line
  • the crystal structure of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is shown by a dotted line.
  • the unit cell of the first domain 31 of the underlayer 30 is composed of A sites arranged at each vertex and the center of the square, and four B sites surrounding the central A site.
  • the lattice constant of the first domain 31 of the underlayer 30 is a ruti .
  • the unit cell of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is the same as that of FIG.
  • the lattice constant of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is a bcc .
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 grows R45 on the first domain 31 of the underlayer 30.
  • the sides of the unit lattice of the first domain 31 correspond to the diagonal lines of the unit lattice of the first domain 21.
  • the lattice mismatch degree is expressed by the following equation (3) in the case of the third combination.
  • the third combination is likely to occur.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 has any one of the fcc structure, the bcc structure, and the hcp structure.
  • a combination in which the first domain 31 of the underlayer 30 has a corundum structure and the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 has an fcc structure is referred to as a “fourth combination”.
  • a combination of the first domain 31 having a corundum structure and the first domain 21 having a bcc structure is referred to as a “fifth combination”.
  • a combination of the first domain 31 having a corundum structure and the first domain 21 having an hcp structure is referred to as a “sixth combination”.
  • FIG. 6 is a diagram showing a crystal structure of the interface b1 in the case of the fourth combination.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is shown by a solid line
  • the crystal structure of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is shown by a dotted line.
  • the unit cell of the first domain 31 of the underlayer 30 is a parallelogram connecting four A sites.
  • the lattice constant of the first domain 31 of the underlayer 30 is a cor .
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is crystal-grown in the ⁇ 111> direction on the first domain 31 of the underlayer 30.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is aligned with the first domain 31 of the underlayer 30 on the (111) plane.
  • the lattice mismatch degree is expressed by the following equation (4) in the case of the fourth combination.
  • the fourth combination is likely to occur.
  • FIG. 7 is a diagram showing a crystal structure of the interface b1 in the case of the fifth combination.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is shown by a solid line
  • the crystal structure of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is shown by a dotted line.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is the same as that of FIG.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is crystal-grown in the ⁇ 110> direction on the first domain 31 of the underlayer 30.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is aligned with the first domain 31 of the underlayer 30 on the (110) plane.
  • Atoms are arranged in a rectangular shape on the (110) plane of the bcc structure.
  • the long side of this rectangle is equal to the length of the diagonal line of the unit cell a bcc .
  • the lattice mismatch degree is expressed by the following equation (5) in the case of the fifth combination.
  • the underlayer 30 is any one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , Ti 2 O 3 , and V 2 O 3 and the spin-orbit torque wiring 20 is Mo, the fifth combination is likely to occur.
  • FIG. 8 is a diagram showing a crystal structure of the interface b1 in the case of the sixth combination.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is shown by a solid line
  • the crystal structure of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is shown by a dotted line.
  • the crystal structure of the first domain 31 of the underlayer 30 is the same as that of FIG.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is crystal-grown on the first domain 31 of the underlayer 30 in the ⁇ 0001> direction.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is aligned with the first domain 31 of the underlayer 30 on the (0001) plane.
  • the atoms are arranged in a hexagonal closest packing.
  • One side of this hexagon is the unit cell a hcp .
  • the lattice mismatch degree is expressed by the following equation (6) in the case of the sixth combination.
  • the spin orbit torque wiring 20 is Ti
  • the hcp structure is easily selected as the crystal structure of the spin orbit torque wiring 20.
  • the underlayer 30 is Ti 2 O 3 or Fe 2 O 3 and the spin-orbit torque wiring 20 is Ti, the sixth combination is likely to occur.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 has an fcc structure.
  • a combination in which the first domain 31 of the underlayer 30 has a spinel structure and the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 has an fcc structure is referred to as a “seventh combination”.
  • the unit lattice of the first domain 31 of the underlayer 30 is a square lattice.
  • the lattice constant of the first domain 31 is a spinel .
  • the unit cell of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is the same as in FIG.
  • the lattice constant of the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 is a fcc .
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 grows by ConC on the first domain 31 of the underlayer 30.
  • the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20 corresponds to half of the side of the unit lattice of the first domain 31.
  • the lattice mismatch degree is expressed by the following equation (7) in the case of the seventh combination.
  • the seventh combination is likely to occur.
  • FIG. 10 is a plan view of the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 according to the first embodiment.
  • the crystal state of the first surface 20 a of the spin orbit torque wiring 20 is illustrated only at a position overlapping with the first ferromagnetic layer 1 for simplicity.
  • the first domain 21, the second domain 22A, and the third domain 22B are in positions where they overlap the first ferromagnetic layer 1 in a plan view from the z direction.
  • the first domain 21, the second domain 22A, and the third domain 22B are separated by grain boundaries.
  • the first surface 20a of each of the first domain 21, the second domain 22A, and the third domain 22B has, for example, a different surface index.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a magnetic metal.
  • the magnetic metal is a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. A small amount of magnetic metal contained in the non-magnetic material becomes a spin scattering factor. When the spins are scattered, the spin-orbit interaction is enhanced, and the spin current generation efficiency with respect to the current is increased.
  • the molar ratio of the magnetic metal added is preferably sufficiently smaller than the total molar ratio of the elements constituting the spin orbit torque wiring.
  • the molar ratio of the magnetic metal added is preferably 3% or less of the whole.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a topological insulator.
  • the topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistance substance, but the surface of which has a spin-polarized metallic state.
  • An internal magnetic field is generated in the topological insulator by spin-orbit interaction.
  • a new topological phase appears due to the effect of spin-orbit interaction even without an external magnetic field.
  • Topological insulators can generate pure spin currents with high efficiency due to strong spin-orbit interaction and breaking of inversion symmetry at edges.
  • the topological insulator is, 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 , (Bi 1-x Sb x ) 2 Such as Te 3 .
  • the topological insulator can generate a spin current with high efficiency.
  • the first ferromagnetic layer 1 is laminated on the first surface 20a of the spin orbit torque wiring 20 (see FIG. 1).
  • the first ferromagnetic layer 1 may be directly connected to the spin orbit torque wiring 20 or may be connected via another layer.
  • the first ferromagnetic layer 1 contains a ferromagnetic material, especially a soft magnetic material.
  • Ferromagnetic materials include, for example, metals selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, alloys containing one or more of these metals, and at least one or more of these metals and B, C, and N. Alloys and the like.
  • the ferromagnetic material is, for example, Co-Fe, Co-Fe-B, Ni-Fe, Co-Ho alloy, Sm-Fe alloy, Fe-Pt alloy, Co-Pt alloy, CoCrPt alloy.
  • the first ferromagnetic layer 1 may include a Heusler alloy such as Co 2 FeSi.
  • Heusler alloys include intermetallic compounds having a chemical composition of XYZ or X 2 YZ.
  • X is a transition metal element or a noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table
  • Y is a transition metal of Mn, V, Cr, or Ti group or an element species of X
  • Z is a group III.
  • To V are typical elements of group V.
  • the Heusler alloy is, for example, Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , Co 2 FeGe 1-c Ga c, or the like. Heusler alloys have a high spin polarizability.
  • the first ferromagnetic layer 1 shown in FIG. 10 has an elliptical shape in a plan view from the z direction.
  • the plan view shape of the first ferromagnetic layer 1 is not limited to the elliptical shape.
  • the planar view shape of the first ferromagnetic layer 1 may be, for example, a circle, a triangle, a quadrangle, an amorphous shape, or the like.
  • the maximum width w of the first ferromagnetic layer 1 in plan view from the z direction is preferably 30 nm or more. As shown in FIG. 10, when the plan view shape of the first ferromagnetic layer 1 is an ellipse, the maximum width w is the width of the major axis of the ellipse. When the shape of the first ferromagnetic layer 1 in plan view is circular, the maximum width w is the diameter of the circle. When the first ferromagnetic layer 1 has a polygonal shape in plan view, the maximum width w is the maximum side length. When the maximum width w of the first ferromagnetic layer 1 is wide, a plurality of magnetic domains are easily formed in the first ferromagnetic layer 1.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is oriented in any direction in the xy plane or the z direction.
  • the first ferromagnetic layer 1 is called an in-plane magnetized film.
  • the first ferromagnetic layer 1 is called a perpendicular magnetization film.
  • the method of manufacturing the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 includes a step of forming the underlayer 30, a step of forming the spin orbit torque wiring 20, and a step of forming the first ferromagnetic layer 1.
  • a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or the like is used for forming each layer.
  • a film is formed on the support so that the underlayer 30 becomes polycrystalline.
  • a well-known thing is used for a support body.
  • ions are sputtered onto the support from an oblique direction.
  • the flying distance and the flying time of the ions with respect to the support change depending on the place, and the direction of the crystal orientation axis changes between the portion near and far from the sputtering source.
  • the film forming conditions of the underlayer 30 are changed during film formation. For example, the energy of sputtering at the beginning of film formation is lowered and the energy of sputtering is increased during film formation.
  • the film-forming energy is changed during film formation, the state of aggregation of sputtered ions changes, and the crystal orientation axis changes from place to place.
  • the film formation surface of the underlayer 30 is flushed. Flushing refers to exposing the film formation surface to a high temperature momentarily.
  • steps are exposed on the film formation surface.
  • a step is a step between atomic arrangement planes (terraces). The growth conditions change in the vicinity of the step, and the crystal orientation axis changes from place to place.
  • the underlayer 30 may be formed, annealed, and then rapidly cooled. The rapid cooling causes the underlayer 30 to become polycrystalline.
  • the spin orbit torque wiring 20 is formed on the underlayer 30.
  • the spin orbit torque wiring 20 is epitaxially grown on the underlayer 30 by performing at least one of setting materials and controlling film forming conditions.
  • the first domain 31 of the underlayer 30 and the first domain 21 of the spin-orbit torque wiring 20 are continuous with each other, and their crystal orientation axes coincide with each other.
  • the material of the spin orbit torque wiring 20 is set, for example, so that the degree of lattice mismatch at the interface between the underlayer 30 and the spin orbit torque wiring 20 is 5% or less.
  • Table 1 shows an example of a combination in which the degree of lattice mismatch at the interface between the underlayer 30 and the spin orbit torque wiring 20 is 5% or less.
  • the film forming conditions of the spin orbit torque wiring 20 are set to low sputtering power.
  • the sputtering power is controlled by the distance between the target and the film formation target, the potential difference, and the like.
  • the sputtering power is low, the energy of the ions flying to the film formation target is low, and the ions are aggregated at an energy-stable position, and the spin-orbit torque wiring 20 can be epitaxially grown.
  • the first ferromagnetic layer 1 is formed on the spin orbit torque wiring 20.
  • the film forming conditions for the first ferromagnetic layer 1 are not particularly limited.
  • the spin orbit torque wiring 20 has a plurality of domains (for example, the first domain 21, the second domain 22A, the third domain 22B) on the first surface 20a (see FIG. 10). Each of the plurality of domains has a different crystal orientation direction.
  • the DOS (Density Of States) of a crystal differs depending on its orientation direction.
  • the generation amount of the first spin S1 depends on DOS. For example, the generation amount of the first spin S1 is different between the first domain 21, the second domain 22A, and the third domain 22B.
  • the first spin S1 gives a spin orbit torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives spin orbit torque (SOT) to rotate or reverse. Since the generation amount of the first spin S1 is different, the magnitude of SOT that the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives is different between the vicinity of the first domain 21, the vicinity of the second domain 22A, and the vicinity of the third domain 22B. Each is different.
  • the magnitude of the SOT that the magnetization receives is large in the order of the vicinity of the first domain 21, the vicinity of the second domain 22A, and the vicinity of the third domain 22B.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is not inverted in the vicinity of the first domain 21, the vicinity of the second domain 22A, and the vicinity of the third domain 22B ( Hereinafter referred to as "first state").
  • the current density of the current I flowing through the spin orbit torque wiring 20 is gradually increased, the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is in the order of the vicinity of the first domain 21, the vicinity of the second domain 22A, and the vicinity of the third domain 22B. Invert.
  • the state in which only the magnetization in the vicinity of the first domain 21 is magnetically reversed is the "second state", and the state in which the magnetization in the vicinity of the first domain 21 and the second domain 22A is magnetically reversed is the "third state”.
  • the state in which the magnetization in the vicinity of the second domain 22A and the third domain 22B is reversed is referred to as the "fourth state”.
  • all the magnetizations of the first ferromagnetic layer 1 are magnetically reversed (hereinafter referred to as “fifth state”).
  • the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 can realize different magnetization states from the first state to the fifth state by controlling the current density of the current I flowing through the spin orbit torque wiring 20.
  • the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 is used for a spin orbit torque type magnetoresistive effect element described later.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect element records a change in the magnetization state as a resistance value. That is, according to the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 according to the first embodiment, a spin orbit torque type magnetoresistive effect element capable of recording information in multiple values can be realized.
  • the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 is not limited to the use as a magnetoresistive effect element, but can be applied to other uses. Other applications include, for example, a spatial light modulator in which the spin current magnetization rotation element is arranged in each pixel and the incident light is spatially modulated by utilizing a magneto-optical effect. Alternatively, for example, the abnormal Hall effect may be used to read the change in the resistance value of the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 alone.
  • the spin orbit torque type rotating element is particularly called a spin orbit torque type magnetization reversing element when the magnetization is reversed.
  • FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the interface between the spin orbit torque wiring 20′ and the underlayer 30′ of the spin orbit torque type magnetization rotation element 101 according to the first modification. Modification 1 is different from the structure shown in FIG. 2 in the crystal structure of the spin orbit torque wiring 20′ and the underlayer 30′. The same configurations as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the spin orbit torque wiring 20 ′ has a first domain 21 and another area 22.
  • the other region 22 shown in FIG. 11 has a second domain 22A, a third domain 22B, and an amorphous portion Am.
  • the amorphous part Am is a part where the crystal arrangement cannot be clearly confirmed by TEM.
  • the TEM measures an array of atoms in the depth direction of about 20 nm (10 to 20 layers of atoms) from the observation surface.
  • the TEM cannot clearly specify the arrangement surface of atoms.
  • the crystal orientation axis cannot be defined because the atomic arrangement plane cannot be specified.
  • FIG. 12 is a plan view of the spin orbit torque type magnetization rotating element 101 according to the first modification.
  • the crystal state of the first surface 20 ′ a of the spin orbit torque wiring 20 ′ is illustrated only at the position overlapping with the first ferromagnetic layer 1 for simplicity.
  • the first domain 21, the second domain 22A, the third domain 22B, and the non-crystalline portion Am are at positions overlapping the first ferromagnetic layer 1 in a plan view from the z direction.
  • the first domain 21, the second domain 22A, and the third domain 22B are separated by grain boundaries.
  • the non-crystalline part Am occupies a region other than the part divided by the grain boundary.
  • the spin orbit torque wiring 20' has a plurality of crystalline states on the first surface 20'a.
  • the first domain 21, the second domain 22A, the third domain 22B, and the amorphous portion Am have different crystal states.
  • the generated amount of the first spin S1 is different in the first domain 21, the second domain 22A, the third domain 22B, and the amorphous portion Am, for example.
  • the first spin S1 gives a spin orbit torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives spin orbit torque (SOT) to rotate or reverse. Since the generation amount of the first spin S1 is different, the magnitude of the SOT that the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives is in the vicinity of the first domain 21, the vicinity of the second domain 22A, and the vicinity of the third domain 22B. , And the vicinity of the non-crystalline portion Am are different.
  • the spin orbit torque type magnetization rotation element 101 according to the first modification can realize a plurality of different magnetization states. That is, according to the spin orbit torque type magnetization rotation element 101 according to the first modification, it is possible to realize a spin orbit torque type magnetoresistive effect element capable of recording information in multiple values.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a spin orbit torque type magnetization rotation element 102 according to Modification 2.
  • the crystal structure of the first ferromagnetic layer 11 is different from that of the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 according to the first embodiment.
  • the same components as those of the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the first ferromagnetic layer 11 has a plurality of domains whose crystallographic orientation axes are aligned.
  • the first ferromagnetic layer 11 has, for example, a first domain 11A, a second domain 11B, and a third domain 11C (see FIG. 13).
  • Any of the plurality of domains of the first ferromagnetic layer 11 has a different crystal orientation from the other domains.
  • the first domain 11A, the second domain 11B, and the third domain 11C have different crystal orientation axes. Grain boundaries exist between the domains.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives spin orbit torque (SOT) and rotates or reverses. For example, spins are injected from the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20, and the magnetization of the first domain 11A of the first ferromagnetic layer 1 is reversed.
  • the magnetization reversal of the first domain 11A propagates into the first ferromagnetic layer 1. Grain boundaries between domains hinder the propagation of magnetization reversal.
  • the magnetization reversal of the first domain 11A becomes difficult to propagate to the second domain 11B and the third domain 11C.
  • the magnetization reversal of the first ferromagnetic layer 11 remains domain by domain. That is, the first ferromagnetic layer 11 can easily maintain a plurality of magnetization states. The fact that the first ferromagnetic layer 11 can have a plurality of magnetization states leads to multi-valued information recording.
  • the material forming the first ferromagnetic layer 11 and the film forming conditions of the first ferromagnetic layer 11 are controlled.
  • a material that easily grows grains is used for the first ferromagnetic layer 11.
  • the first ferromagnetic layer 11 is sputtered from an oblique direction.
  • the film forming conditions of the first ferromagnetic layer 11 may be changed during film formation, flushing may be performed, or rapid cooling may be performed after annealing.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the spin orbit torque type magnetization rotation element 103 according to Modification 3.
  • Modification 3 is different from Modification 2 in the crystal structure of the first ferromagnetic layer 11′.
  • the same components as those in the modification 2 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the first ferromagnetic layer 11' has a plurality of domains whose crystal orientation axes are aligned.
  • the first ferromagnetic layer 11' has, for example, a first domain 11'A, a second domain 11'B, and a third domain 11'C.
  • Each of the first domain 11'A, the second domain 11'B, and the third domain 11'C has a continuous crystal orientation axis from the underlayer 30 via the spin orbit torque wiring 20.
  • the first domain 31 of the underlayer 30, the first domain 21 of the spin orbit torque wiring 20, and the first domain 11′A of the first ferromagnetic layer 11′ have continuous crystal structures with each other and have the same crystal structure. It has an orientation axis.
  • first domain 11'A spins are mainly injected from the first domain 21.
  • spins are mainly injected from the second domain 22A to the second domain 11'B.
  • Spins are mainly injected from the third domain 22B into the third domain 11'C.
  • the domains of the first ferromagnetic layer 11 ′ and the domains of the spin orbit torque wiring 20 have a one-to-one correspondence relationship.
  • the first domain 21, the second domain 22A, and the third domain 22B have different amounts of spins to be injected into the first ferromagnetic layer 11'.
  • the first ferromagnetic layer 11' can realize a plurality of magnetization states based on the difference in the generation amount of the first spin S1. In the first ferromagnetic layer 11', the range in which the magnetization reversal propagates is limited for each domain.
  • the first ferromagnetic layer 11' can more stably generate a plurality of magnetization states. it can.
  • the film forming conditions of the first ferromagnetic layer 11 ′ are controlled. For example, the sputtering power at the time of forming the first ferromagnetic layer 11' is set low.
  • FIG. 15 is a sectional view of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 according to the second embodiment.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 includes a stacked body 10, a spin orbit torque wiring 20, and a base layer 30.
  • the spin-orbit torque type magnetoresistive effect element 110 has a non-magnetic layer 3 and a second ferromagnetic layer 2 provided on the upper surface of the first ferromagnetic layer 1 of the spin-orbit torque type magnetization rotation element 100 shown in FIG. Is.
  • another spin orbit torque type magnetization rotating element may be used instead of the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 shown in FIG. 1, another spin orbit torque type magnetization rotating element may be used.
  • the same components as those of the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the stacked body 10 includes a first ferromagnetic layer 1, a nonmagnetic layer 3, and a second ferromagnetic layer 2.
  • the laminated body 10 has the same structure as a general magnetoresistive effect element.
  • the nonmagnetic layer 3 is made of an insulator
  • the laminated body 10 has the same structure as a tunneling magnetoresistive (TMR) element, and when the nonmagnetic layer 3 is made of metal, a giant magnetoresistive effect ( The structure is similar to that of a GMR (Giant Magnetoresistance) element.
  • TMR tunneling magnetoresistive
  • the resistance value of the stacked body 10 in the z direction changes.
  • the stacked body 10 is a coercive force difference type (pseudo spin valve type) magnetoresistive effect element
  • the coercive force of the second ferromagnetic layer 2 is larger than that of the first ferromagnetic layer 1.
  • the stacked body 10 is an exchange bias type (spin valve type) magnetoresistive effect element
  • the second ferromagnetic layer 2 is subjected to interlayer antiferromagnetic (SAF) coupling and the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 is changed. It is fixed to the first ferromagnetic layer 1.
  • the laminated body 10 may have layers other than the first ferromagnetic layer 1, the second ferromagnetic layer 2, and the nonmagnetic layer 3.
  • the stacked body 10 may include, for example, a second underlayer, a cap layer, or the like that enhances the crystallinity of the stacked body 10.
  • the second underlayer is formed between the spin orbit torque wiring 20 and the stacked body 10.
  • the cap layer is formed on the upper surface of the stacked body 10.
  • the second ferromagnetic layer 2 can be made of the same material as the first ferromagnetic layer 1.
  • an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be laminated on the second ferromagnetic layer 2.
  • the second ferromagnetic layer 2 may have a synthetic ferromagnetic coupling structure.
  • the nonmagnetic layer 3 is made of a nonmagnetic insulator, semiconductor or metal.
  • Insulator non-magnetic for example, Al 2 O 3, SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4, and these Al, Si, a portion of Mg Zn, is a material which is substituted in Be and the like.
  • the nonmagnetic layer 3 is made of a nonmagnetic insulator, the nonmagnetic layer 3 is a tunnel barrier layer. MgO and MgAl 2 O 4 easily realize a coherent tunnel between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2.
  • the nonmagnetic metal is, for example, Cu, Au, Ag or the like.
  • the non-magnetic semiconductor is, for example, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu(In,Ga)Se 2, or the like.
  • the spin-orbit torque magnetoresistive effect element 110 has a resistance value that changes based on a change in the magnetization state of two ferromagnetic bodies (the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2) that sandwich the nonmagnetic layer 3. To do.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 records information based on the resistance value.
  • the first ferromagnetic layer 1 can have a plurality of magnetization states.
  • the spin-orbit torque type magnetoresistive effect element 110 exhibits a plurality of resistance values according to the magnetization state of the first ferromagnetic layer 1. That is, the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 can record multivalued information as a plurality of resistance values.
  • FIG. 16 is a plan view of the magnetic memory 120 according to the third embodiment.
  • the spin-orbit torque type magnetoresistive effect elements 110 are arranged in a 3 ⁇ 3 matrix.
  • FIG. 16 is an example of a magnetic memory, and the type, number and arrangement of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 are arbitrary.
  • One word line WL1 to WL3, one bit line BL1 to BL3, and one read line RL1 to RL3 are connected to each spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110.
  • a current is caused to flow in the spin orbit torque wiring 20 of any spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 to perform a write operation. Further, by selecting the read lines RL1 to RL3 and the bit lines BL1 to BL3 to which a current is applied, a current is caused to flow in the stacking direction of the arbitrary spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110, and a reading operation is performed.
  • the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the read lines RL1 to RL3 to which the current is applied can be selected by transistors or the like.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 can record data in analog instead of digital signals of “1” and “0”. Therefore, the magnetic memory 120 can be used in a neuromorphic device that imitates the brain.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of the high frequency magnetic element according to the fourth embodiment.
  • the high frequency magnetic element 130 includes a spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110, a DC power supply 41, an input terminal 42, and an output terminal 43.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 has an electrode 44 on the surface of the second ferromagnetic layer 2 opposite to the nonmagnetic layer 3.
  • a high frequency current is input from the input terminal 42 of the high frequency magnetic element 130.
  • the high frequency current produces a high frequency magnetic field.
  • a pure spin current is induced and spins are injected into the first ferromagnetic layer 1.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 oscillates due to the high frequency magnetic field and the injected spin.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 causes ferromagnetic resonance when the frequency of the high frequency current input from the input terminal 42 is the ferromagnetic resonance frequency.
  • the change in the resistance value of the functional portion having the magnetoresistive effect becomes large. This change in resistance value is read out from the output terminal 43 by applying a DC current or DC voltage from the DC power supply 41.
  • the resistance value change output from the output terminal 43 is large, and when the frequency is other than that. Changes the resistance value output from the output terminal 43.
  • the high frequency magnetic element functions as a high frequency filter by utilizing the magnitude of the change in the resistance value.
  • the high-frequency magnetic element 130 becomes a high-frequency filter that passes or cuts various frequencies by selecting various magnetization states in the first ferromagnetic layer 1.

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Abstract

このスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１強磁性層と、第１面が前記第１強磁性層に面し、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で長軸が第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の前記第１面と反対の第２面に接する下地層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、前記積層方向からの平面視で前記第１強磁性層と重なる位置に、第１の結晶配向軸を有する第１ドメインと、前記第１ドメインと結晶状態の異なる他の領域と、を有し、前記第１ドメインの前記第１の結晶配向軸は、前記下地層から連続する。

Description

スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子
　本発明は、スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子に関する。
　微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型の磁気記録装置に注目が集まっている。磁気記録装置の一例としては、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｒａｎｄｏｍｅ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ　Ｃｈａｎｇｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等がある。
　ＭＲＡＭは、磁化の向きによって生じる抵抗値変化をデータ記録に利用している。記録メモリの大容量化を実現するために、メモリを構成する素子の小型化、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットの多値化が検討されている。
　非特許文献１には、反強磁性体と強磁性体とを積層した構造体が記載されている。非特許文献１には、構造体の反強磁性体に電流を流すと、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）が生じ、強磁性体の磁化をアナログ制御できることが記載されている。磁化のアナログ制御は、記録ビットの多値化に繋がる。
S.Fukami et al., Nature materials, Vol.15, p.535-p.541, 2016, nmat4566.
　磁気抵抗効果素子は、トランジスタ等の半導体デバイスと組み合わせて使用されることがある。半導体デバイスは、製造プロセスにおいて高温処理プロセスを含む。磁気抵抗効果素子を半導体デバイスと組み合わるためには、半導体の製造プロセスに耐えることが、磁気抵抗効果素子に求められる。しかしながら、実用上の反強磁性体は、高温環境下で元素拡散を起こしてしまう。つまり、非特許文献１に記載の構造体は、耐久温度が低かった。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、耐熱性に優れたスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子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軌道トルク型磁化回転素子は、第１強磁性層と、第１面が前記第１強磁性層に面し、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で長軸が第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の前記第１面と反対の第２面に接する下地層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、前記積層方向からの平面視で前記第１強磁性層と重なる位置に、第１の結晶配向軸を有する第１ドメインと、前記第１ドメインと結晶状態の異なる他の領域と、を有し、前記第１ドメインの前記第１の結晶配向軸は、前記下地層から連続する。
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記他の領域は、第２の結晶配向軸を有する第２ドメインを有し、前記第２の結晶配向軸は、前記下地層から連続し、前記第１の結晶配向軸と異なってもよい。
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記他の領域は、透過型電子顕微鏡で結晶の配列を確認できない非結晶部を含んでもよい。
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記下地層と前記第１ドメインとの界面において、前記下地層と前記第１ドメインとの格子不整合度が５％以下であってもよい。
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１強磁性層は、結晶配向軸が揃った複数のドメインを有し、前記複数のドメインのうちのいずれかは、他のドメインと結晶配向方向が異なってもよい。
（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記複数のドメインのそれぞれは、前記下地層から前記スピン軌道トルク配線を介して結晶構造が連続してもよい。
（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１強磁性層は、前記積層方向からの平面視で、最大幅が３０ｎｍ以上であってもよい。
（８）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、ｆｃｃ構造の結晶構造を有し、前記下地層は、ＮａＣｌ構造、コランダム構造及びスピネル構造のうち少なくとも一つの結晶構造を有してもよい。
（９）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、ｂｃｃ構造の結晶構造を有し、前記下地層は、ＮａＣｌ構造、コランダム構造及びルチル構造のうち少なくとも一つの結晶構造を有してもよい。
（１０）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、ｈｃｐ構造の結晶構造を有し、前記下地層は、コランダム構造の結晶構造を有してもよい。
（１１）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える。
（１２）第３の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。
（１３）第４の態様にかかる高周波磁気素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える。
　上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子は、耐熱性に優れる。
第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線と下地層との界面近傍を拡大した模式図である。 第１の組み合わせの場合における界面の結晶構造を示した図である。 第２の組み合わせの場合における界面の結晶構造を示した図である。 第３の組み合わせの場合における界面の結晶構造を示した図である。 第４の組み合わせの場合における界面の結晶構造を示した図である。 第５の組み合わせの場合における界面の結晶構造を示した図である。 第６の組み合わせの場合における界面の結晶構造を示した図である。 第７の組み合わせの場合における界面の結晶構造を示した図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面図である。 変形例１にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線と下地層との界面近傍を拡大した断面図である。 変形例１にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面図である。 変形例２にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２の断面図である。 変形例３にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３の断面図である。 第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気メモリの平面図である。 第４実施形態にかかる高周波磁気素子の断面模式図である。
　以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、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。
　方向について定義する。＋ｚ方向は、支持体（図示略）に対して後述する下地層３０、スピン軌道トルク配線２０及び第１強磁性層１が積層される方向である。－ｚ方向は、その反対方向である。＋ｚ方向と－ｚ方向とを区別しない場合は、単に「ｚ方向」という。「ｘ方向」は、ｚ方向と略直交し、スピン軌道トルク配線２０が延びる方向である。ｘ方向のうち一方向を＋ｘ方向、その反対方向を－ｘ方向とする。「ｙ方向」は、ｚ方向及びｘ方向と直交する方向である。ｙ方向のうち一方向を＋ｙ方向、その反対方向を－ｙ方向とする。第１方向は、ｘ方向の一例である。積層方向は、＋ｚ方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
「第１実施形態」
　図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の断面図である。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２０と下地層３０とを有する。
（下地層）
　下地層３０は、スピン軌道トルク配線２０の第２面２０ｂに接する。下地層３０は、第１強磁性層１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。
　下地層３０は、多結晶の絶縁体である。多結晶は、複数の結晶が集合した状態である。下地層３０の第１面３０ａは、原子が所定の配列で配列したドメインを複数有する。第１面３０ａは、スピン軌道トルク配線２０の第２面２０ｂに接する面である。
　下地層３０は、例えば、ＭｇＯ、ＦｅＯ、ＶＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＲｕＯ２、ＳｎＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｒｈ２Ｏ３、ＶＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ３である。
　下地層３０の各ドメインの結晶構造は、例えば、ＮａＣｌ構造、ルチル構造、スピネル構造、コランダム構造である。
　例えば、下地層３０がＭｇＯ、ＦｅＯ、ＶＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯのいずれかの場合、下地層３０の各ドメインの結晶構造はＮａＣｌ構造を選択しやすい。
　例えば、下地層３０がＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＲｕＯ２、ＳｎＯ２のいずれかの場合、下地層３０の各ドメインの結晶構造はルチル構造を選択しやすい。
　例えば、下地層３０がＡｌ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｒｈ２Ｏ３のいずれかの場合は、下地層３０の各ドメインの結晶構造はコランダム構造を選択しやすい。
　例えば、下地層３０がＭｇｘＡｌ３－ｘＯ４の場合は、下地層３０の各ドメインの結晶構造はスピネル構造を選択しやすい。なお、同じ材料を用いて下地層３０を成膜した場合でも、下地層３０が選択しうる結晶構造は、成膜条件等で異なる。
（スピン軌道トルク配線）
　スピン軌道トルク配線２０は、ｘｙ平面に存在し、ｘ方向に長軸を有する。スピン軌道トルク配線２０はｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａ及び第２面２０ｂは、ｘｙ平面と略平行である。
　スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れるとスピンホール効果によってスピン流を生み出す。スピンホール効果は、電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１に生み出す。
　スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流Ｉが流れる。一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、＋ｙ方向に配向した第１スピンＳ１が＋ｚ方向に曲げられ、－ｙ方向に配向した第２スピンＳ２が－ｚ方向に曲げられる。
　通常のホール効果とスピンホール効果とは、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。
　非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しい。図１において、＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数とは等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
　第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑－Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。図１において、スピン軌道トルク配線２０は第１強磁性層１に面する。スピンは、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に注入される。注入されたスピンは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を、第１強磁性層１の磁化に与える。第１強磁性層１の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）により磁化反転する。
　スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１に生み出す材料を含む。
　スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。非磁性の重金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。
　電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属は、スピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く生じる。ｚ方向のスピンの流れは、ｚ方向のスピンの偏在の程度に依存する。スピンホール効果が強く生じるとスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。
　図２は、スピン軌道トルク配線２０と下地層３０との界面近傍を拡大した模式図である。スピン軌道トルク配線２０は、第１ドメイン２１と他の領域２２とを有する。図２に示す他の領域２２は、第２ドメイン２２Ａと第３ドメイン２２Ｂとを有する。これらのドメインは粒界によって区切られる。
　第１ドメイン２１は、第１の結晶配向軸ａｘ１を有する。第２ドメイン２２Ａは、第２の結晶配向軸ａｘ２を有する。第３ドメイン２２Ｂは、第３の結晶配向軸ａｘ３を有する。結晶配向軸は、原子の配列面（図２において点線で図示）に対して垂直な方向である。原子の配列面は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で測定される。第１の結晶配向軸ａｘ１と第２の結晶配向軸ａｘ２と第３の結晶配向軸ａｘ３とは、それぞれ配向方向が異なる。例えば、第２の結晶配向軸ａｘ２及び第３の結晶配向軸ａｘ３は、第１の結晶配向軸ａｘ１に対して傾いている。
　第１の結晶配向軸ａｘ１は、下地層３０の第１ドメイン３１から連続する。第２の結晶配向軸ａｘ２は、下地層３０の第２ドメイン３２Ａから連続する。第３の結晶配向軸ａｘ３は、下地層３０の第３ドメイン３２Ｂから連続する。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ及び第３ドメイン２２Ｂのそれぞれは、下地層３０の第１ドメイン３１、第２ドメイン３２Ａ及び第３ドメイン３２Ｂのそれぞれからエピタキシャル成長している。
　結晶配向軸の連続する下地層３０とスピン軌道トルク配線２０との界面における格子不整合度は、好ましくは５％以下である。例えば、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１と下地層３０の第１ドメイン３１との界面ｂ１において、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１と下地層３０の第１ドメイン３１との格子不整合度は、好ましくは５％以下である。
　「格子不整合度」は、結晶界面において二つの結晶の整合状態の指標である。格子不整合度が大きいほど、互いの結晶が整合しておらず、結晶界面で互いの結晶格子が歪む。格子不整合度が５％以下であれば、スピン軌道トルク配線２０は、下地層３０の結晶構造を反映してエピタキシャル成長する。
　格子不整合度は、下地層３０の結晶構造及びスピン軌道トルク配線２０の結晶構造によって算出の仕方が異なる。以下、下地層３０の第１ドメイン３１とスピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１との界面ｂ１を例に説明する。
　例えば、下地層３０の第１ドメイン３１がＮａＣｌ構造の場合、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、ｆｃｃ構造またはｂｃｃ構造となる。以下、下地層３０の第１ドメイン３１がＮａＣｌ構造で、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１がｆｃｃ構造の組み合わせを「第１の組み合わせ」という。また、下地層３０の第１ドメイン３１がＮａＣｌ構造で、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１がｂｃｃ構造の組み合わせを「第２の組み合わせ」という。
　図３は、第１の組み合わせの場合における界面ｂ１の結晶構造を示した図である。図３において下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造を実線、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の結晶構造を点線で示す。
　下地層３０の第１ドメイン３１は、ＡサイトとＢサイトが交互配列した正方格子である。下地層３０の第１ドメイン３１の格子定数はａＮａＣｌである。
　スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の単位格子は正方格子となる。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の格子定数はａｆｃｃである。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１上にＣｕｂｉｃ　ｏｎ　Ｃｕｂｉｃ　（ＣｏｎＣ）成長する。ＣｏｎＣ成長は、単位格子の辺が一致する成長状態をいう。
　格子不整合度は、第１の組み合わせの場合、以下の式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　スピン軌道トルク配線２０がＰｔ、Ｐｄ、Ａｕの場合、スピン軌道トルク配線２０の結晶構造はｆｃｃ構造を選択しやすい。例えば、下地層３０がＭｇＯ、ＭｎＯ、ＡＬＮ、ＶＯからなる群から選択されるいずれかであり、スピン軌道トルク配線２０がＰｔの場合、界面ｂ１の組み合わせは、第１の組み合わせになりやすい。
　図４は、第２の組み合わせにおける界面ｂ１の結晶構造を示した図である。図４において下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造を実線、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の結晶構造を点線で示す。
　下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造は、図３と同じである。
　スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の単位格子は正方格子である。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の格子定数はａｂｃｃである。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１上にＲｏｔａｔｅ４５（Ｒ４５）成長する。Ｒ４５成長は、第１ドメイン２１の単位格子の辺と第１ドメイン３１の単位格子の辺とが４５度傾いた成長状態をいう。第１ドメイン３１の単位格子の辺は、第１ドメイン２１の単位格子の対角線と対応する。
　格子不整合度は、第２の組み合わせの場合、以下の式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　スピン軌道トルク配線２０がＴａ、Ｗ、Ｍｏの場合、スピン軌道トルク配線２０の結晶構造はｂｃｃ構造を選択しやすい。例えば、下地層３０がＭｇＯ、ＭｎＯ、ＶＯからなる群から選択されるいずれかであり、スピン軌道トルク配線２０がＴａの場合、界面ｂ１の組み合わせは、第２の組み合わせになりやすい。
　また例えば、下地層３０の第１ドメイン３１がルチル構造の場合、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１はｂｃｃ構造となる。以下、下地層３０の第１ドメイン３１がルチル構造で、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１がｂｃｃ構造の組み合わせを「第３の組み合わせ」という。
　図５は、第３の組み合わせの場合の界面ｂ１の結晶構造を示した図である。図５において下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造を実線、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の結晶構造を点線で示す。
　下地層３０の第１ドメイン３１の単位格子は、正方形の各頂点及び中央に配置されたＡサイトと、中央のＡサイトを取り囲む４つのＢサイトとからなる。下地層３０の第１ドメイン３１の格子定数はａｒｕｔｉである。
　スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の単位格子は、図４と同様である。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の格子定数はａｂｃｃである。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１上にＲ４５成長する。第１ドメイン３１の単位格子の辺は、第１ドメイン２１の単位格子の対角線と対応する。
　格子不整合度は、第３の組み合わせの場合、以下の式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　例えば、下地層３０がＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＲｕＯ２からなる群から選択されるいずれかであり、スピン軌道トルク配線２０がＷの場合、第３の組み合わせとなりやすい。
　また例えば、下地層３０の第１ドメイン３１がコランダム構造の場合、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、ｆｃｃ構造、ｂｃｃ構造、ｈｃｐ構造のいずれかとなる。以下、下地層３０の第１ドメイン３１がコランダム構造で、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１がｆｃｃ構造の組み合わせを「第４の組み合わせ」という。また、第１ドメイン３１がコランダム構造で、第１ドメイン２１がｂｃｃ構造の組み合わせを「第５の組み合わせ」という。また第１ドメイン３１がコランダム構造で、第１ドメイン２１がｈｃｐ構造の組み合わせを「第６の組み合わせ」という。
　図６は、第４の組み合わせの場合の界面ｂ１の結晶構造を示した図である。図６において下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造を実線、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の結晶構造を点線で示す。
　下地層３０の第１ドメイン３１の単位格子は、４つのＡサイトを結ぶ平行四辺形となる。下地層３０の第１ドメイン３１の格子定数はａｃｏｒである。
　スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１上に、＜１１１＞方向に結晶成長する。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１と（１１１）面で整合する。
　ｆｃｃ構造の（１１１）面は、三角形状に配置された原子が最密状態で並ぶ。三角形の１辺は、単位格子ａｆｃｃの対角線の長さと等しい。
　格子不整合度は、第４の組み合わせの場合、以下の式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　例えば、下地層３０がＡｌ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３からなる群から選択されるいずれかであり、スピン軌道トルク配線２０がＰｄの場合、第４の組み合わせとなりやすい。
　図７は、第５の組み合わせの場合の界面ｂ１の結晶構造を示した図である。図７において下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造を実線、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の結晶構造を点線で示す。
　下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造は、図６と同じである。
　スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１上に、＜１１０＞方向に結晶成長する。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１と（１１０）面で整合する。
　ｂｃｃ構造の（１１０）面は、長方形状に原子が配列する。この長方形の長辺は、単位格子ａｂｃｃの対角線の長さと等しい。
　格子不整合度は、第５の組み合わせの場合、以下の式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　例えば、下地層３０がＡｌ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３からなる群から選択されるいずれかであり、スピン軌道トルク配線２０がＭｏの場合、第５の組み合わせとなりやすい。
　図８は、第６の組み合わせの場合の界面ｂ１の結晶構造を示した図である。図８において下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造を実線、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の結晶構造を点線で示す。
　下地層３０の第１ドメイン３１の結晶構造は、図６と同じである。
　スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１上に、＜０００１＞方向に結晶成長する。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１と（０００１）面で整合する。
　ｈｃｐ構造の（０００１）面は、原子が六方最密状に並ぶ。この六角形の一辺が、単位格子ａｈｃｐである。
　格子不整合度は、第６の組み合わせの場合、以下の式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　　スピン軌道トルク配線２０がＴｉの場合、スピン軌道トルク配線２０の結晶構造はｈｃｐ構造を選択しやすい。例えば、下地層３０がＴｉ２Ｏ３またはＦｅ２Ｏ３であり、スピン軌道トルク配線２０がＴｉの場合、第６の組み合わせとなりやすい。
　また例えば、下地層３０の第１ドメイン３１がスピネル構造の場合、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１はｆｃｃ構造となる。以下、下地層３０の第１ドメイン３１がスピネル構造で、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１がｆｃｃ構造の組み合わせを「第７の組み合わせ」という。
　下地層３０の第１ドメイン３１の単位格子は、正方格子となる。第１ドメイン３１の格子定数はａｓｐｉｎｅｌである。
　スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の単位格子は、図３と同じである。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１の格子定数はａｆｃｃである。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、下地層３０の第１ドメイン３１上にＣｏｎＣ成長する。スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１は、第１ドメイン３１の単位格子の辺の半分と対応する。
　格子不整合度は、第７の組み合わせの場合、以下の式（７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　例えば、下地層３０がＭｇｘＡｌ３－ｘＯ４であり、スピン軌道トルク配線２０がＡｕの場合、第７の組み合わせとなりやすい。
　図１０は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の平面図である。図１０において、スピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａの結晶状態は、簡単のため第１強磁性層１と重なる位置のみで図示した。
　第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ、第３ドメイン２２Ｂは、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１と重なる位置にある。第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ、第３ドメイン２２Ｂは、粒界で区切られる。第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ及び第３ドメイン２２Ｂのそれぞれの第１面２０ａは、例えば、それぞれ面指数が異なる。
　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。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
　一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する場合がある。添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
　スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
　トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１－ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
（第１強磁性層）
　第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａに積層されている（図１参照）。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。
　第１強磁性層１は、強磁性体、特に軟磁性体を含む。強磁性体は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ合金、Ｓｍ－Ｆｅ合金、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
　第１強磁性層１は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
　図１０に示す第１強磁性層１は、ｚ方向からの平面視で、楕円形である。第１強磁性層１の平面視形状は、楕円形に限られない。第１強磁性層１の平面視形状は、例えば、円形、三角形、四角形、不定形等でもよい。
　ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１の最大幅ｗは、好ましくは３０ｎｍ以上である。図１０に示すように第１強磁性層１の平面視形状が楕円形の場合、最大幅ｗは楕円の長軸の幅である。また第１強磁性層１の平面視形状が円形の場合、最大幅ｗは円の直径である。また第１強磁性層１の平面視形状が多角形の場合、最大幅ｗは最大の辺の長さである。第１強磁性層１の最大幅ｗが広いと、第１強磁性層１内に複数の磁区が形成されやすくなる。
　第１強磁性層１の磁化は、ｘｙ面内のいずれかの方向又はｚ方向に配向する。第１強磁性層１の磁化がｘｙ面内のいずれかの方向に配向している場合、第１強磁性層１は面内磁化膜と言われる。第１強磁性層１の磁化がｚ方向に配向している場合、第１強磁性層１は垂直磁化膜と言われる。
（スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法）
　スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の製造方法は、下地層３０の成膜工程と、スピン軌道トルク配線２０の成膜工程と、第１強磁性層１の成膜工程と、を有する。各層の成膜は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等が用いられる。
　まず支持体上に、下地層３０が多結晶となるように成膜する。支持体は、公知の物が用いられる。
　例えば、支持体に対してイオンを斜め方向からスパッタリングする。イオンを斜め方向からスパッタリングすると、支持体に対するイオンの飛来距離、飛来時間が場所ごとで変わり、スパッタ源から近い部分と遠い部分とで結晶配向軸の方向が変わる。
　また例えば、下地層３０の成膜条件を成膜途中で変化させる。例えば、成膜初期のスパッタリングのエネルギーを低くして、成膜途中でスパッタリングのエネルギーを高くする。成膜途中で成膜エネルギーを変えると、スパッタリングしたイオンの凝集状態が変化し、結晶配向軸が場所ごとで変化する。
　また例えば、下地層３０の成膜面をフラッシングする。フラッシングは、成膜面を瞬間的に高温にさらすことをいう。下地層３０の成膜面をフラッシングすると、成膜面にステップが露出する。ステップは、原子配列面（テラス）間の段差である。ステップ近傍は成長条件が変化し、結晶配向軸が場所ごとで変化する。
　また例えば、下地層３０を成膜し、アニールした後に急冷してもよい。急冷により下地層３０が多結晶となる。
　次いで、下地層３０上にスピン軌道トルク配線２０を成膜する。スピン軌道トルク配線２０は、材料の設定と成膜条件の制御とのうち少なくとも一方を行うことで、下地層３０上にエピタキシャル成長する。スピン軌道トルク配線２０がエピタキシャル成長すると、下地層３０の第１ドメイン３１とスピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１とが連続し、これらの結晶配向軸が一致する。
　スピン軌道トルク配線２０の材料は、例えば、下地層３０とスピン軌道トルク配線２０との界面における格子不整合度が５％以下となるように設定する。表１に、下地層３０とスピン軌道トルク配線２０との界面における格子不整合度が５％以下となる組み合わせの一例を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　またスピン軌道トルク配線２０の成膜条件は、スパッタリングのパワーを低く設定する。スパッタリングのパワーは、ターゲットと被成膜体との距離、電位差等によって制御される。スパッタリングのパワーが低いと、被成膜体に飛来したイオンのエネルギーが低くなり、エネルギー的に安定な箇所に凝集し、スピン軌道トルク配線２０のエピタキシャル成長が可能となる。
　最後に、スピン軌道トルク配線２０上に第１強磁性層１を成膜する。第１強磁性層１の成膜条件は特に問わない。
（スピン軌道トルク型磁化回転素子の動作）
　次いで、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の動作について説明する。図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを流すと、スピンホール効果により第１スピンＳ１が第１強磁性層１に注入される。
　スピン軌道トルク配線２０は、第１面２０ａに複数のドメイン（例えば、第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ、第３ドメイン２２Ｂ）を有する（図１０参照）。複数のドメインのそれぞれは、結晶の配向方向が異なる。結晶のＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｏｆ　Ｓｔａｔｅｓ）は、その配向方向によって異なる。第１スピンＳ１の発生量は、ＤＯＳに依存する。例えば、第１スピンＳ１の発生量は、第１ドメイン２１と第２ドメイン２２Ａと第３ドメイン２２Ｂとでそれぞれ異なる。
　第１スピンＳ１は、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層１の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて回転または反転する。第１スピンＳ１の発生量が異なるため、第１強磁性層１の磁化が受けるＳＯＴの大きさは、第１ドメイン２１の近傍と第２ドメイン２２Ａの近傍と第３ドメイン２２Ｂの近傍とで、それぞれ異なる。
　例えば、第１ドメイン２１近傍、第２ドメイン２２Ａ近傍、第３ドメイン２２Ｂ近傍の順で、磁化が受けるＳＯＴの大きさが大きいとする。スピン軌道トルク配線２０に流す電流Ｉの電流密度が小さい場合、第１強磁性層１の磁化は、第１ドメイン２１近傍、第２ドメイン２２Ａ近傍及び第３ドメイン２２Ｂ近傍のいずれにおいても反転しない（以下、「第１状態」という）。スピン軌道トルク配線２０に流す電流Ｉの電流密度を徐々に高めていくと、第１強磁性層１の磁化は、第１ドメイン２１近傍、第２ドメイン２２Ａ近傍、第３ドメイン２２Ｂ近傍の順で反転する。第１ドメイン２１近傍の磁化のみが磁化反転した状態を「第２状態」、第１ドメイン２１及び第２ドメイン２２Ａ近傍の磁化が磁化反転した状態を「第３状態」、第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ及び第３ドメイン２２Ｂ近傍の磁化が磁化反転した状態を「第４状態」とする。スピン軌道トルク配線２０に流す電流Ｉの電流密度をさらに高めると、第１強磁性層１の磁化は、全て磁化反転する（以下、「第５状態」という）。
　上述のように、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１状態から第５状態の異なる磁化状態を、スピン軌道トルク配線２０に流す電流Ｉの電流密度の制御により実現できる。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、後述するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子に用いられる。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁化状態の変化を抵抗値として記録する。すなわち、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００によれば、多値で情報を記録することができるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を実現できる。
　スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、磁気抵抗効果素子としての用途に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、上記のスピン流磁化回転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができる。また例えば、異常ホール効果を利用して、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００単独で抵抗値変化を読み出してもよい。スピン軌道トルク型回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン軌道トルク型磁化反転素子と言われる。
　以上、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の一例について詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
（変形例１）
　図１１は、変形例１にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１のスピン軌道トルク配線２０’と下地層３０’との界面近傍を拡大した断面図である。変形例１は、スピン軌道トルク配線２０’及び下地層３０’の結晶構造が、図２に示す構成と異なる。図２と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。
　スピン軌道トルク配線２０’は、第１ドメイン２１と他の領域２２とを有する。図１１に示す他の領域２２は、第２ドメイン２２Ａと第３ドメイン２２Ｂと非結晶部Ａｍとを有する。
　非結晶部Ａｍは、ＴＥＭで結晶の配列が明確に確認できない部分である。ＴＥＭは、観測面から２０ｎｍ（原子１０層から２０層分）程度の奥行き方向の原子の配列まで測定する。観測面から奥行き方向への原子の配列が乱れている場合、ＴＥＭは原子の配列面を明確に特定できない。非結晶部Ａｍは、原子の配列面が特定できないため、結晶配向軸も規定できない。
　図１２は、変形例１にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の平面図である。図１０において、スピン軌道トルク配線２０’の第１面２０’ａの結晶状態は、簡単のため第１強磁性層１と重なる位置のみで図示した。
　第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ、第３ドメイン２２Ｂ及び非結晶部Ａｍは、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１と重なる位置にある。第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ、第３ドメイン２２Ｂは、粒界で区切られる。非結晶部Ａｍは、粒界で区切られた部分以外の領域を占める。
　スピン軌道トルク配線２０’は、第１面２０’ａに複数の結晶状態を有する。第１ドメイン２１、第２ドメイン２２Ａ、第３ドメイン２２Ｂ及び非結晶部Ａｍは、それぞれ結晶状態が異なる。第１スピンＳ１の発生量は、例えば、第１ドメイン２１と第２ドメイン２２Ａと第３ドメイン２２Ｂと非結晶部Ａｍとで、それぞれ異なる。
　第１スピンＳ１は、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層１の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて回転または反転する。第１スピンＳ１の発生量が異なるため、第１強磁性層１の磁化が受けるＳＯＴの大きさは、第１ドメイン２１の近傍と、第２ドメイン２２Ａの近傍と、第３ドメイン２２Ｂの近傍と、非結晶部Ａｍの近傍と、でそれぞれ異なる。
　従って、変形例１にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、複数の異なる磁化状態を実現できる。すなわち、変形例１にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１によれば、多値で情報を記録できるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を実現できる。
　また変形例１では、結晶配向軸の異なる複数のドメインと非結晶部とが共存する例を示した。この例に限られず、同一の結晶配向軸を有するドメインが、非結晶部の中に点在していてもよい。
（変形例２）
　図１３は、変形例２にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２の断面図である。変形例２は、第１強磁性層１１の結晶構造が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。
　第１強磁性層１１は、結晶配向軸が揃った複数のドメインを有する。第１強磁性層１１は、例えば、第１ドメイン１１Ａ、第２ドメイン１１Ｂ、第３ドメイン１１Ｃを有する（図１３参照）。第１強磁性層１１の複数のドメインのうちのいずれかは、他のドメインと結晶配向方向が異なる。例えば、第１ドメイン１１Ａと、第２ドメイン１１Ｂと、第３ドメイン１１Ｃとは、それぞれ異なる結晶配向軸を有する。各ドメインの間には、粒界が存在する。
　第１強磁性層１の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて回転または反転する。例えば、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１からスピンが注入され、第１強磁性層１の第１ドメイン１１Ａが磁化反転する。第１ドメイン１１Ａの磁化反転は、第１強磁性層１内に伝搬する。各ドメイン間の粒界は、磁化反転の伝播を阻害する。第１ドメイン１１Ａの磁化反転は、第２ドメイン１１Ｂ及び第３ドメイン１１Ｃに伝搬しにくくなる。
　換言すると、第１強磁性層１１の磁化反転は、ドメイン毎で留まる。つまり、第１強磁性層１１が複数の磁化状態を維持しやすくなる。第１強磁性層１１が複数の磁化状態を取りうることは、多値での情報記録に結び付く。
　第１強磁性層１１に複数のドメインを形成するためには、第１強磁性層１１を構成する材料及び第１強磁性層１１の成膜条件を制御する。例えば、第１強磁性層１１に粒成長しやすい材料を用いる。また例えば、第１強磁性層１１を斜め方向からスパッタする。また第１強磁性層１１の成膜条件を成膜途中で変更したり、フラッシングを行ったり、アニール後に急冷等をしてもよい。
（変形例３）
　また図１４は、変形例３にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３の断面図である。変形例３は、第１強磁性層１１’の結晶構造が、変形例２と異なる。変形例２と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。
　第１強磁性層１１’は、結晶配向軸が揃った複数のドメインを有する。第１強磁性層１１’は、例えば、第１ドメイン１１’Ａ、第２ドメイン１１’Ｂ、第３ドメイン１１’Ｃを有する。
　第１ドメイン１１’Ａ、第２ドメイン１１’Ｂ、第３ドメイン１１’Ｃのそれぞれは、下地層３０からスピン軌道トルク配線２０を介して連続した結晶配向軸を有する。例えば、下地層３０の第１ドメイン３１と、スピン軌道トルク配線２０の第１ドメイン２１と、第１強磁性層１１’の第１ドメイン１１’Ａは、互いに結晶構造が連続し、同一の結晶配向軸を有する。
　第１ドメイン１１’Ａは、第１ドメイン２１から主としてスピンが注入される。第２ドメイン１１’Ｂは、第２ドメイン２２Ａから主としてスピンが注入される。第３ドメイン１１’Ｃは、第３ドメイン２２Ｂから主としてスピンが注入される。第１強磁性層１１’の各ドメインとスピン軌道トルク配線２０の各ドメインとは、１対１で対応する関係にある。
　第１ドメイン２１と第２ドメイン２２Ａと第３ドメイン２２Ｂは、それぞれ第１強磁性層１１’に注入するスピンの発生量が異なる。第１強磁性層１１’は、第１スピンＳ１の発生量の違いに基づき、複数の磁化状態を実現できる。また第１強磁性層１１’は、磁化反転が伝播する範囲がドメイン毎で制限される。
　第１強磁性層１１’に注入されるスピンの量が異なる範囲と、磁化反転が伝播する範囲とが一致すると、第１強磁性層１１’は複数の磁化状態をより安定して生み出すことができる。
　第１強磁性層１１’の各ドメインの結晶構造を下地層３０及びスピン軌道トルク配線２０と連続させるためには、第１強磁性層１１’の成膜条件を制御する。例えば、第１強磁性層１１’の成膜時のスパッタリングのパワーを低く設定する。
（第２実施形態）
　図１５は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０の断面図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０と下地層３０とを有する。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の第１強磁性層１の上面に、非磁性層３と第２強磁性層２とを設けたものである。図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００に代えてその他のスピン軌道トルク型磁化回転素子を用いてもよい。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同一の構成には、同一の符号を付し、説明を省く。
＜積層体＞
　積層体１０は、第１強磁性層１と非磁性層３と第２強磁性層２とを有する。積層体１０は、一般の磁気抵抗効果素子と同様の構成である。積層体１０は、非磁性層３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、非磁性層３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
　第２強磁性層２の磁化が一方向に固定され、第１強磁性層１の磁化の向きが相対的に変化すると、積層体１０のｚ方向の抵抗値が変化する。積層体１０が保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）の磁気抵抗効果素子の場合は、第２強磁性層２の保磁力を第１強磁性層１の保磁力よりも大きくする。積層体１０が交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）の磁気抵抗効果素子の場合は、第２強磁性層２を層間反強磁性（ＳＡＦ）結合として、第２強磁性層２の磁化を第１強磁性層１に対して固定する。
　積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。積層体１０は、例えば、積層体１０の結晶性を高める第２下地層、キャップ層等を有してもよい。第２下地層は、スピン軌道トルク配線２０と積層体１０との間に形成される。キャップ層は、積層体１０の上面に形成される。
　第２強磁性層２は、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。第２強磁性層２の第１強磁性層１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層２にＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を積層してもよい。さらに、第２強磁性層２の漏れ磁場を第１強磁性層１に影響させないようにするため、第２強磁性層２を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３は、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。非磁性層３が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層３はトンネルバリア層である。ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間にコヒーレントトンネルを実現しやすい。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
　スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、非磁性層３を挟む２つの強磁性体（第１強磁性層１と第２強磁性層２）の磁化状態の変化に基づいて、抵抗値が変化する。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、抵抗値に基づいて情報を記録する。上述のように、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１が複数の磁化状態を取りうる。第１強磁性層１の磁化状態が複数存在すると、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、第１強磁性層１の磁化状態に応じて複数の抵抗値を示す。つまり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、複数の抵抗値として多値の情報を記録できる。
「第３実施形態」
　図１６は、第３実施形態にかかる磁気メモリ１２０の平面図である。図１６に示す磁気メモリ１２０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０が３×３のマトリックス配置をしている。図１６は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０の種類、数及び配置は任意である。
　それぞれのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１～ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１～ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１～ＲＬ３が接続されている。
　電流を印加するワードラインＷＬ１～ＷＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０のスピン軌道トルク配線２０に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１～ＲＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１～ＷＬ３、ビットラインＢＬ１～ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１～ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。それぞれが多値で情報を記録できる複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０にデータを記録することで、磁気メモリ１２０の高容量化を実現できる。
　またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、“１”と“０”のデジタル信号ではなく、アナログにデータを記録できる。そのため、脳を模倣したニューロモロフィックデバイス等に磁気メモリ１２０を用いることができる。
「第４実施形態」
　＜高周波磁気素子＞
　図１７は、第４実施形態にかかる高周波磁気素子の断面模式図である。高周波磁気素子１３０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０と、直流電源４１と、入力端子４２と、出力端子４３と、を備える。またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、電極４４を有する。
　高周波磁気素子１３０の入力端子４２から高周波電流が入力される。高周波電流は、高周波磁場を生み出す。またスピン軌道トルク配線２０に高周波電流が流れると、純スピン流が誘起され、第１強磁性層１にスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、高周波磁場及び注入されるスピンにより振動する。
　第１強磁性層１の磁化は、入力端子４２から入力される高周波電流の周波数が強磁性共鳴周波数の場合に、強磁性共鳴する。第１強磁性層１の磁化が強磁性共鳴すると、磁気抵抗効果の機能部の抵抗値変化は大きくなる。この抵抗値変化は、直流電源４１により直流電流又は直流電圧を印加することで、出力端子４３から読み出される。
　入力端子４２から入力される信号の周波数が第１強磁性層１の磁化の強磁性共鳴周波数の際には、出力端子４３から出力される抵抗値変化は大きくなり、それ以外の周波数の際には、出力端子４３から出力される抵抗値変化は小さくなる。この抵抗値変化の大小を利用して、高周波磁気素子は高周波フィルタとして機能する。
　高周波磁気素子１３０は、第１強磁性層１が様々な磁化状態を選択することで、様々な周波数を通過又は遮断する高周波フィルタとなる。
　以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１、１１、１１’　第１強磁性層
２　第２強磁性層
３　非磁性層
１０　積層体
２０、２０’　スピン軌道トルク配線
２０ａ、２０’ａ、３０ａ　第１面
２０ｂ　第２面
１１Ａ、１１’Ａ、２１、３１　第１ドメイン
２２　他の領域
１１Ｂ、１１’Ｂ、２２Ａ、３２Ａ　第２ドメイン
１１Ｃ、１１’Ｃ、２２Ｂ、３２Ｂ　第３ドメイン
３０、３０’　下地層
４１　直流電源
４２　入力端子
４３　出力端子
４４　電極
１００、１０１、１０２、１０３　スピン軌道トルク型磁化回転素子
１１０　スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
１２０　磁気メモリ
１３０　高周波磁気素子
Ｓ１　第１スピン
Ｓ２　第２スピン
ａｘ１　第１の結晶配向軸
ａｘ２　第２の結晶配向軸
ａｘ３　第３の結晶配向軸
Ａｍ　非結晶部
ｂ１　界面
ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３　ビットライン
ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３　リードライン
ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３　ワードライン

Claims (13)

  1. 　第１強磁性層と、
    　第１面が前記第１強磁性層に面し、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で長軸が第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、
    　前記スピン軌道トルク配線の前記第１面と反対の第２面に接する下地層と、を備え、
    　前記スピン軌道トルク配線は、前記積層方向からの平面視で前記第１強磁性層と重なる位置に、
    　第１の結晶配向軸を有する第１ドメインと、前記第１ドメインと結晶状態の異なる他の領域と、を有し、
    　前記第１ドメインの前記第１の結晶配向軸は、前記下地層から連続する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  2. 　前記他の領域は、第２の結晶配向軸を有する第２ドメインを有し、
    　前記第２の結晶配向軸は、前記下地層から連続し、前記第１の結晶配向軸と異なる、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  3. 　前記他の領域は、透過型電子顕微鏡で結晶の配列を確認できない非結晶部を含む、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  4. 　前記下地層と前記第１ドメインとの界面において、前記下地層と前記第１ドメインとの格子不整合度が５％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  5. 　前記第１強磁性層は、結晶配向軸が揃った複数のドメインを有し、
    　前記複数のドメインのうちのいずれかは、他のドメインと結晶配向方向が異なる、請求項１～４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  6. 　前記複数のドメインのそれぞれは、前記下地層から前記スピン軌道トルク配線を介して結晶構造が連続する、請求項５に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  7. 　前記第１強磁性層は、前記積層方向からの平面視で、最大幅が３０ｎｍ以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  8. 　前記スピン軌道トルク配線は、ｆｃｃ構造の結晶構造を有し、
    　前記下地層は、ＮａＣｌ構造、コランダム構造及びスピネル構造のうち少なくとも一つの結晶構造を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  9. 　前記スピン軌道トルク配線は、ｂｃｃ構造の結晶構造を有し、
    　前記下地層は、ＮａＣｌ構造、コランダム構造及びルチル構造のうち少なくとも一つの結晶構造を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  10. 　前記スピン軌道トルク配線は、ｈｃｐ構造の結晶構造を有し、
    　前記下地層は、コランダム構造の結晶構造を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  11. 　請求項１～１０のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
    　前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、
    　前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  12. 　請求項１１に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
  13. 　請求項１～１０のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子を備えた、高周波磁気素子。
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JP2018073934A (ja) * 2016-10-27 2018-05-10 Tdk株式会社 スピン軌道トルク型磁化反転素子及び磁気メモリ
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WO2018180701A1 (ja) * 2017-03-29 2018-10-04 Tdk株式会社 スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

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