WO2020161814A1 - スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

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

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spin
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陽平 塩川
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    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices

Definitions

  • the present invention relates to a spin orbit torque type magnetization rotating element, a spin orbit torque type magnetoresistive effect element, and a magnetic memory.
  • the magnetoresistive effect element is expected to be applied to magnetic sensors, high-frequency components, magnetic heads, and nonvolatile random access memory (MRAM).
  • MRAM nonvolatile random access memory
  • the magnetoresistive effect element outputs the change in the mutual magnetization directions of the two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer as the change in resistance of the element.
  • the magnetoresistive element records the data by controlling the magnetization direction of the ferromagnetic layer.
  • Known methods for controlling the direction of magnetization include a method using a magnetic field generated by a current and a method using spin transfer torque (STT) generated when a current is passed in the stacking direction of the magnetoresistive effect element. In the method using STT, it is necessary to apply a potential difference in the direction of penetrating the nonmagnetic layer, which may damage the nonmagnetic layer.
  • SOT spin orbit torque
  • Patent Document 1 a method using spin orbit torque (SOT) has been studied as a new method for controlling the direction of magnetization.
  • SOT is induced in the ferromagnetic layer by the spin current generated by the spin-orbit interaction or the Rashba effect at the interface between different materials.
  • the magnetization is inverted by the action of SOT on the magnetization in the ferromagnetic layer.
  • the spin current and the Rashba effect occur when a current flows in a direction intersecting the stacking direction of the ferromagnetic layers.
  • the method using the SOT can prevent a large write current from flowing in the stacking direction of the nonmagnetic layer and the ferromagnetic layer, and can suppress damage to the nonmagnetic layer and the like.
  • the magnetic memory has a plurality of integrated magnetoresistive effect elements. As the reversal current density of each magnetoresistive effect element increases, the power consumption of the magnetic memory increases.
  • the reversal current density is a current density required to reverse the magnetization of the magnetoresistive effect element, and the magnetoresistive effect element operates by reversing the magnetization. It is required to reduce the reversal current density of the magnetoresistive effect element and suppress the power consumption of the magnetic memory.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, 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, and a magnetic memory capable of reducing the reversal current density.
  • the reversal current density will be reduced if SOT can be efficiently added to the magnetization of the ferromagnetic layer.
  • SOT is induced in the ferromagnetic layer by, for example, spin-orbit interaction, Rashba effect, or the like.
  • the inventors have found that when a buckling portion is provided in the spin orbit torque wiring, the spin orbit interaction and the Rashba effect occur efficiently. That is, in order to solve the above problems, the following means are provided.
  • a spin orbit torque type magnetization rotation element includes a first ferromagnetic layer and a spin orbit torque wiring that faces the first ferromagnetic layer and extends in a first direction.
  • the spin-orbit torque wiring has a plurality of atomic planes in which atoms are arranged, and the plurality of atomic planes have a reference plane in which the same atoms are arranged and a buckling surface having a buckling portion, and the buckling The surface has a plurality of first atoms forming a main surface that is substantially parallel to the reference surface, and one or more second atoms forming a buckling portion that is bent with respect to the main surface.
  • the atomic radius of the second atom is 1.1 times or more the atomic radius of the first atom, or 0 times the atomic radius of the first atom. It may be 9 times or less.
  • the length of a perpendicular line from the center of the second atom to the main surface is 0.5 times or more the atomic radius of the first atom. It may be 5 times or less.
  • the lattice spacing of the first atoms may be wider than the diameter of the second atoms.
  • the first atom may be the same as the atom mainly constituting the spin orbit torque wiring.
  • the first atom may be different from an atom mainly constituting the spin orbit torque wiring.
  • the combination of the first atom and the second atom is Mo and Pd, Mo and Bi, Ru and Bi, Rh and Bi, Ag and Bi, It may be any selected from the group consisting of Cd and Bi, W and Pd, W and Bi, Os and Bi, Ir and Bi, Au and Bi.
  • the buckling surface may be located on the first surface facing the first ferromagnetic layer.
  • the spin orbit torque wiring has a first region facing the first ferromagnetic layer and a second region other than the first region, The first region may have the buckling portion.
  • the second region may contain a hydrogen compound.
  • the buckling surface may be provided in plural.
  • the spin orbit torque wiring includes any one or more atoms selected from the group consisting of Al, Cu, Si, Ag, Ga, and Ge. But it's okay.
  • the spin current magnetoresistive effect element according to the second aspect faces the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the above aspect and the surface of the first ferromagnetic layer opposite to the spin orbit torque wiring.
  • a non-magnetic layer and a second ferromagnetic layer sandwiching the first ferromagnetic layer and the non-magnetic layer are provided.
  • 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 power consumption can be reduced in the spin orbit torque type magnetization rotating element, the spin orbit torque type magnetoresistive effect element and the magnetic memory according to the above-mentioned aspect.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the buckling surface of the spin orbit torque wiring of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic sectional view of a spin orbit torque wiring of a first modified example of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of spin orbit torque wiring of a second modification of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the first embodiment.
  • the x direction and the y direction are directions substantially parallel to the first surface 20a of the spin orbit torque wiring 20 described later.
  • the x direction is the direction in which the spin orbit torque wiring 20 described below extends.
  • the y direction is a direction orthogonal to the x direction.
  • the z direction is a direction orthogonal to the x direction and the y direction.
  • the x direction is an example of the first direction.
  • “extending in the x direction” means, for example, that the dimension in the x direction is larger than the minimum dimension among the dimensions in the x direction, the y direction, and the z direction. The same applies when extending in other directions.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a spin orbit torque type magnetization rotating element according to the first embodiment.
  • the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 has a first ferromagnetic layer 10 and a spin orbit torque wiring 20.
  • the first ferromagnetic layer 10 has a first surface 10a and a second surface 10b.
  • the first surface 10 a faces the first surface 20 a of the spin orbit torque wiring 20.
  • face means that two surfaces face each other substantially in parallel, and the two surfaces may be in contact with each other or another layer may be sandwiched therebetween.
  • the second surface 10b is a surface opposite to the first surface 10a.
  • the cross section of the first ferromagnetic layer 10 shown in FIG. 1 is rectangular.
  • the cross section of the first ferromagnetic layer 10 is not limited to a rectangle.
  • the cross section of the first ferromagnetic layer 10 may be, for example, a trapezoid in which the first surface 10a and the second surface 10b have different lengths. Further, the side surface connecting the first surface 10a and the second surface 10b may be curved.
  • the plane shape of the first ferromagnetic layer 10 from the z direction is not particularly limited.
  • the planar shape of the first ferromagnetic layer 10 is, for example, a circle, an ellipse, a rectangle, or an amorphous shape.
  • the first ferromagnetic layer 10 includes 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. And alloys containing the element.
  • 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 10 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 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 element species of X
  • Z is 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 10 has an easy axis of magnetization in any direction in the xy plane or the z direction.
  • the first ferromagnetic layer 10 is called an in-plane magnetized film.
  • the first ferromagnetic layer 10 is called a perpendicular magnetization film.
  • the spin orbit torque wiring 20 extends in the x direction.
  • the spin orbit torque wiring 20 has a first surface 20a and a second surface 20b.
  • the first surface 20a faces the first surface 10a of the first ferromagnetic layer 10.
  • the second surface 20b is a surface opposite to the first surface 20a.
  • the areas of the first surface 20a and the second surface 20b may be the same or different.
  • 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 The difference is that the moving direction of the spin can be bent only by.
  • 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 10.
  • the injected spin adds a spin orbit torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 10.
  • 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 10 that can reverse the magnetization of the first ferromagnetic layer 10.
  • 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 a large atomic number of 39 or more having d-electrons or f-electrons in the outermost shell.
  • Nonmagnetic 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.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a magnetic metal.
  • the magnetic metal is a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal.
  • a trace 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 main structure of the spin orbit torque wiring 20 may be made only of antiferromagnetic metal.
  • 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 a spin-polarized metal state is generated on the surface thereof.
  • 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 Te 3 and the like.
  • the topological insulator can generate a spin current with high efficiency.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the spin orbit torque wiring of the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the first embodiment.
  • the spin orbit torque wiring 20 has a plurality of atomic planes L in which atoms are arranged.
  • the atomic plane L is a virtual plane connecting the centers of the atoms arranged in the xy plane.
  • the plurality of atomic planes L have a reference plane L1 and a buckling plane L2.
  • the reference plane L1 is a plane in which the same atom A spreads in the xy plane.
  • the spin orbit torque wiring 20 is laminated from the second surface 20b toward the first surface 20a. Therefore, the reference plane L1 is, for example, the atomic plane L located closest to the second plane 20b of the spin orbit torque wiring 20.
  • the buckling surface L2 has a main surface MP and a buckling portion BP.
  • the main surface MP is substantially parallel to the reference surface L1. A part of the main surface MP coincides with the parallel surface P1 that is substantially parallel to the reference surface L1.
  • the main surface MP is composed of a plurality of first atoms A1.
  • the buckling portion BP bends with respect to the main surface MP.
  • the buckling portion BP is composed of the second atom A1.
  • the atom A is stacked from the second surface 20b toward the first surface 20a.
  • the atom A is an atom forming the spin orbit torque wiring 20.
  • the atom A is, for example, a nonmagnetic heavy metal as described above.
  • the atom A may include at least one atom selected from the group consisting of Al, Cu, Si, Ag, Ga, and Ge.
  • the lines connecting the atoms A closest to each other in the z direction are growth lines C1 and C2.
  • the growth line C1 has regularity in the z direction.
  • the growth line C1 shown in FIG. 2 has a constant interior angle ⁇ 1 of a line connecting adjacent atoms A.
  • the regularity of the internal angle of the line connecting the adjacent atoms A (the regularity in the z direction) is disturbed midway.
  • the interior angle ⁇ 1 of the line connecting the adjacent atoms A is constant halfway and changes to the interior angle ⁇ 2 at a certain portion.
  • the interior angle ⁇ 2 is the interior angle at the position where the regularity starts to be disturbed.
  • the interior angle ⁇ 2 is smaller than the interior angle ⁇ 1 by 20% or more, for example.
  • the growth line C2 is greatly inclined with respect to the z direction.
  • Buckling means that the regularity of the growth line C2 is greatly disturbed.
  • the atomic plane L is also disturbed.
  • the buckling surface L2 has a buckling portion BP that bends with respect to the parallel surface P1.
  • the buckling surface L2 is composed of the first atom A1 and the second atom A2.
  • the buckling surface L2 is a virtual surface connecting the center of the first atom A1 and the center of the second atom A2.
  • the principal surface MP is a virtual surface connecting the centers of the first atoms A1.
  • the buckling portion BP is an imaginary plane that connects the center of the second atom A2 and the center of the first atom A1 adjacent to the second atom A2.
  • the first atom A1 is the same as the atom A that mainly constitutes the spin orbit torque wiring.
  • the first atom A1 is, for example, a nonmagnetic heavy metal.
  • the second atom A2 is larger than the first atom A1.
  • the second atom A2 bends the buckling surface L2 with respect to the parallel surface P1 and causes the buckling portion BP of the buckling surface L2.
  • the second atom A2 is preferably 1.1 times or more the atomic radius of the first atom A1, and more preferably 1.2 times or more the atomic radius of the first atom A1.
  • the second atom A2 is preferably 1.5 times or less the atomic radius of the first atom A1, and more preferably 1.4 times or less the atomic radius of the first atom A1.
  • the combination of the first atom A1 and the second atom A2 is, for example, Mo and Pd, Mo and Pr, Mo and Sm, Mo and Eu, Mo and Gd, Mo and Tb, Mo and Dy, Mo and Ho, Mo and Mo. Bi, Ru and Nb, Ru and Pr, Ru and Nd, Ru and Pm, Ru and Sm, Ru and Eu, Ru and Gd, Ru and Tb, Ru and Dy, Ru and Ho, Ru and Hf, Ru and Ta, Ru and Bi, Rh and Nb, Rh and Pr, Rh and Nd, Rh and Pm, Rh and Sm, Rh and Eu, Rh and Gd, Rh and Tb, Rh and Dy, Rh and Ho, Rh and Hff, Rh.
  • the combination of the first atom A1 and the second atom A2 is Mo and Pd, Mo and Bi, Ru and Bi, Rh and Bi, Ag and Bi, Cd and Bi, W and Pd, W and Bi, Os and Bi, It is preferably any one selected from the group consisting of Ir and Bi and Au and Bi.
  • the first atom A1 is one having a small atomic radius among the atoms of the combination.
  • the height position of the second atom A2 in the z direction is different from the height position of the first atom A1 in the z direction.
  • the difference ⁇ z between these height positions is the length of a perpendicular line drawn from the center of the second atom A2 to the main surface MP (parallel surface P1).
  • the difference ⁇ z between these height positions is preferably 0.5 times or more and 1.5 times or less the radius of the first atom A1.
  • the difference ⁇ z between these height positions is more preferably 0.64 times or more the radius of the first atom A1, and even more preferably 1.0 times or more the radius of the first atom A1.
  • the difference ⁇ z between these height positions is preferably 0.8 ⁇ or more, more preferably 1.4 ⁇ or more.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the buckling surface of the spin orbit torque wiring of the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the first embodiment.
  • the second atoms A2 are a part of the buckling surface L2, and are scattered on the regularly arranged first atoms A1.
  • the second atom A2 is, for example, randomly located in the xy plane.
  • the buckling portion BP can be confirmed using, for example, a high resolution scanning transmission electron microscope (STEM).
  • STEM high resolution scanning transmission electron microscope
  • the measurement sample thinned to about 50 nm is irradiated with electrons, and the electrons transmitted or scattered in the measurement sample are imaged to specify the position of each atom.
  • High angle scattered electrons may be imaged using a high angle scattering annular dark field scanning transmission microscope (HAADF-STEM).
  • HAADF-STEM can obtain a contrast proportional to the atomic weight, and can measure the difference in atoms in the buckling portion BP with high contrast.
  • the buckling part BP can also be measured by surface measurement using a positron beam, for example.
  • the buckling surface L2 is exposed, and the buckling surface is irradiated with a positron beam at a low angle.
  • the state of the buckling surface L2 can be evaluated from the diffraction image of the scattered electrons. Further, X-rays or neutron rays may be used instead of the positron beam.
  • the spin orbit torque wiring 20 is formed on the substrate (not shown).
  • the layer to be the spin orbit torque wiring 20 is stacked by using, for example, a sputtering method. Ions serving as the atom A are sputtered on the substrate, and ions serving as the second atom A2 are sputtered on the way.
  • the sputtering of the second atom A2 is performed under low energy conditions. For example, the acceleration voltage at the time of sputtering the second atom A2 is made lower than that at the time of sputtering only the atom A.
  • the gas flow rate of a rare gas or the like when sputtering the second atom A2 is increased compared to when sputtering only the atom A.
  • the increase in the gas flow rate reduces the sputtering rate of the second atom A2.
  • the second atom A2 may be sputtered obliquely to the film formation surface.
  • a difference occurs in ion flight time, and the second atoms A2 are scattered on the first atoms A1.
  • an electron beam evaporation method EB evaporation method
  • an atomic laser deposition method may be used instead of the sputtering method.
  • the spin orbit torque wiring 20 is processed by photolithography or the like to form the spin orbit torque wiring 20.
  • the insulating layer is, for example, an oxide film, a nitride film, or the like.
  • the surface of the insulating layer and the spin orbit torque wiring is flattened by CMP polishing (chemical mechanical polishing). Then, a layer to be the first ferromagnetic layer 10 is laminated on the flattened surface. Finally, the first ferromagnetic layer 10 is processed by using a technique such as photolithography. The first ferromagnetic layer 10 and the spin orbit torque wiring 20 may be processed at the same time.
  • the spin orbit torque wiring 20 efficiently causes the spin Hall effect and the Rashba effect. Therefore, SOT efficiently acts on the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10, and the reversal current density can be reduced.
  • the buckling portion BP is a portion in which the crystal structure is disordered, and causes scattering of electrons flowing in the x direction inside the spin-orbit torque wiring 20.
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which spins oriented in one direction are bent in a direction orthogonal to the current (that is, toward the outer circumference of the spin orbit torque wiring 20).
  • the scattered electrons (spins) are directed in the z direction, and the spin Hall effect is efficiently generated.
  • the spin Hall effect produces uneven distribution of spins in the vicinity of the first surface 20a and the second surface 20b.
  • the spin current is generated in a direction to eliminate uneven distribution of spins. The larger the uneven distribution of spins on the first surface 20a and the second surface 20b, the easier the spin current is.
  • the buckling portion BP is a minute disorder of the atomic arrangement that occurs with a thickness of one atomic layer level. Unlike large strains and crystal defects, the buckling portion BP does not cause excessive scattering. The buckling portion BP enhances the generation efficiency of the spin Hall effect, but does not significantly impede the spin current. Therefore, the spin-orbit torque type magnetization rotation element 100 according to the present embodiment can inject a large number of spins into the first ferromagnetic layer 10 and efficiently cause SOT to act on the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10. it can.
  • the detailed mechanism of the Rashba effect is not clear, but it can be considered as follows.
  • the Rashba effect is a phenomenon in which a potential gradient is formed in the z direction by breaking the spatial inversion symmetry, and the spin directions are aligned.
  • an effective magnetic field is generated in the z direction perpendicular to the electron movement direction (x direction).
  • the effective magnetic field acts on the spins, and the spins are aligned in the direction of the effective magnetic field.
  • the buckling part BP disturbs the electronic state of the spin orbit torque wiring 20.
  • the buckling portion BP breaks the symmetry of the electronic state in the z direction.
  • the buckling portion BP creates a field effect in the spin orbit torque wiring 20 and creates a level split.
  • the breaking of the symmetry of the electronic states creates an effective magnetic field and orients the spins. As a result, spins are unevenly distributed in the vicinity of the first surface 20a and the second surface 20b. The uneven distribution of spin produces a spin current.
  • the buckling portion BP causes a slight disorder in the crystal structure and does not significantly change the electronic state of the spin orbit torque wiring 20. If the electronic state changes drastically, the Rashba effect cannot be efficiently produced beyond the level splitting.
  • the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 according to the first embodiment can reduce the reversal current density necessary for reversing the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the spin orbit torque wiring of the first modified example of the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the first embodiment.
  • the spin orbit torque wiring 20A shown in FIG. 4 differs from the spin orbit torque wiring 20 shown in FIG. 2 in that the buckling surface L2 is located on the first surface 20a.
  • the same components as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the Rashba effect tends to occur at the interface of different materials.
  • the first surface 20a is a surface facing the first surface 10a of the first ferromagnetic layer 10. Since the Rashba effect is generated in the vicinity of the first surface 20a close to the first ferromagnetic layer 10, the efficiency of spin injection into the first ferromagnetic layer 10 can be increased.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the spin orbit torque wiring of the second modified example of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the first embodiment.
  • the spin orbit torque wiring 20B shown in FIG. 5 differs from the spin orbit torque wiring 20 shown in FIG. 2 in that the buckling surface L2 is located on the second surface 20b.
  • the same components as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the Rashba effect tends to occur at the interfaces of different interfaces.
  • the efficiency of generating the Rashba effect can be further increased.
  • the reference surface L1 is, for example, the atomic surface L located closest to the first surface 20a of the spin-orbit torque wiring 20.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the spin orbit torque wiring of the third modified example of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the first embodiment.
  • the spin orbit torque wiring 20C shown in FIG. 6 differs from the spin orbit torque wiring 20 shown in FIG. 2 in that it has two layers of buckling surfaces L2.
  • the same components as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the number of buckling surfaces L2 existing in the spin orbit torque wiring 20 is not particularly limited. It may have one layer as shown in FIG. 2, two layers as shown in FIG. 6, or more layers.
  • the spin-orbit torque wirings 20, 20A, 20B, and 20C are all stacked in the z direction by shifting the position of the atom A in the x direction (cubic close packing), but the position of the atom A in the x direction is one. You may do it.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the spin orbit torque wiring of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the second embodiment.
  • the spin-orbit torque wiring 21 shown in FIG. 7 has a second atom A2′ smaller than the first atom A1 but is different from the spin-orbit torque wiring 20 according to the first embodiment.
  • the same components as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the buckling surface L2 bends with respect to the parallel plane P1, and the buckling surface L2 has the buckling portion BP.
  • the second atom A2' is preferably 0.9 times or less the atomic radius of the first atom A1, and more preferably 0.83 times or less the atomic radius of the first atom A1.
  • the second atom A2' is preferably 0.66 times or more the atomic radius of the first atom A1, and more preferably 0.71 times or more the atomic radius of the first atom A1.
  • the combination of the first atom A1 and the second atom A2 is preferably the same as the combination described in the first embodiment, but the first atom A1 has the largest atomic radius among the atoms of the combination.
  • the lattice spacing of the first atom A1 is preferably wider than the diameter of the second atom A2.
  • the lattice spacing of the first atom A1 is the center-to-center distance of the closest first atom A1.
  • the difference ⁇ z between the height position of the second atom A2 in the z direction and the height position of the first atom A1 in the z direction is preferably in the same range as the difference ⁇ z described in the first embodiment.
  • the spin orbit torque type magnetization rotating element 21 according to the second embodiment has the spin orbit torque wiring 21 having the buckling portion BP, the same effect as that of the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 according to the first embodiment can be obtained. .. Further, the same modification as that of the first embodiment can be applied to the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the spin orbit torque wiring of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the third embodiment.
  • the first atom A11 forming the buckling surface L2 is different from the atom A mainly forming the spin orbit torque wiring 22 in the spin orbit torque wiring according to the first embodiment. Different from 20.
  • the same components as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the buckling surface L2 is composed of the first atom A11 and the second atom A2.
  • the buckling surface L2 is a virtual surface connecting the center of the first atom A11 and the center of the second atom A2.
  • the main surface MP is a virtual surface connecting the centers of the first atoms A11.
  • the buckling portion BP is a virtual plane that connects the second atom A2 and the first atom A11 adjacent to the second atom A2.
  • the first atom A11 is different from the atom A which mainly constitutes the spin orbit torque wiring 22.
  • the atom A is, for example, a nonmagnetic heavy metal.
  • the first atom A11 includes, for example, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, OS, Ir, Pt, Au. Further, the atom A may be, for example, a spin conduction material that easily transmits a spin current.
  • the first atom A11 includes, for example, Al, Si, Cu, Ga, Ge.
  • the second atom A2 shown in FIG. 8 is larger than the first atom A11.
  • the second atom A2 bends the buckling surface L2 with respect to the main surface MP, and causes the buckling portion BP of the buckling surface L2.
  • the second atom A2 is preferably 1.1 times or more the atomic radius of the first atom A11, and more preferably 1.2 times or more the atomic radius of the first atom A11.
  • the second atom A2 is preferably 1.5 times or less the atomic radius of the first atom A11, and more preferably 1.4 times or less the atomic radius of the first atom A11.
  • the second atom A2 may be smaller than the first atom A11.
  • the second atom A2 is preferably 0.9 times or less the atomic radius of the first atom A11, and more preferably 0.83 times or less the atomic radius of the first atom A11.
  • the second atom A2 is preferably 0.66 times or more the atomic radius of the first atom A11, and more preferably 0.7 times or more the atomic radius of the first atom A11.
  • the combination of the first atom A11 and the second atom A2 is, for example, as follows.
  • the first atom A11 is selected from the group consisting of Al, Si, Cu, Ga, Ge, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au
  • the second atom A2 is Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Au, It is preferably any selected from the group consisting of Bi.
  • the first atom A11 may be any one atom and the second atom A2 may be the other atom.
  • the spin orbit torque type magnetization rotation element 22 according to the third embodiment has the buckling portion BP, so that the same effects as the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 according to the first embodiment can be obtained. .. Further, in the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the third embodiment, the first atom A 11 is different from the atom A which mainly constitutes the spin orbit torque wiring 22. Therefore, the interfaces of different atoms increase in the spin orbit torque wiring 22. The Rashba effect is likely to occur at interfaces between different types of interfaces. Therefore, more spins can be injected into the first ferromagnetic layer 10, and the reversal current density necessary for reversing the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10 can be further reduced.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the spin orbit torque wiring of the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the fourth embodiment.
  • the spin orbit torque type magnetization rotating element 101 shown in FIG. 9 is different from the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 according to the first embodiment in that the spin orbit torque wiring 23 has a first region R1 and a second region R2. ..
  • the same components as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the spin orbit torque wiring 23 has a first region R1 and a second region R2.
  • the first region R1 is a portion that faces the first ferromagnetic layer 10, and is a portion that overlaps the first ferromagnetic layer 10 in a plan view from the z direction. When the areas of the first surface 10a and the second surface 10b are different, it is a portion that overlaps with the first surface 10a in a plan view from the z direction.
  • the second region R2 is a portion other than the first region R1.
  • the first region R1 has a buckling portion BP (see FIG. 2).
  • the second region R2 may have a buckling portion BP.
  • Spins are injected into the first ferromagnetic layer 10 from the first region R1.
  • the efficiency of spin injection into the first ferromagnetic layer 10 can be improved.
  • the second region R2 also contains a hydrogen compound.
  • the hydrogen compound concentration in the second region R2 is higher than the hydrogen compound concentration in the first region R1.
  • the first region R1 may not include a hydrogen compound.
  • the hydrogen compound is, for example, one in which spin orbit torque wiring 23 reacts with ammonia, one in which spin orbit torque wiring 23 reacts with hydrocarbons, or the like.
  • the hydrogen compound concentration in the first region R1 and the second region R2 is the concentration on the first surface 23a of the spin orbit torque wiring 23.
  • the hydrogen compound concentration in the first region R1 is evaluated at a position overlapping the center of gravity of the first ferromagnetic layer 1 in plan view from the z direction.
  • the hydrogen compound concentration in the second region R2 is evaluated at the center position between the center of gravity of the first ferromagnetic layer 1 and the end of the spin orbit torque wiring 23 in a plan view from the z direction.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the relationship between the second atom A2 and the hydrogen compound Hc.
  • the hydrogen compound Hc forms an ionic bond with the second atom A2. Ionic bonds differ in binding energy from metal bonds.
  • the second atom A2 moves toward the hydrogen compound Hc by an ionic bond or moves away from the hydrogen compound Hc.
  • the level splitting of the spin orbit torque wiring 20 becomes more prominent, and the Rashba effect occurs more efficiently. Therefore, more spins can be injected into the first ferromagnetic layer 10, and the reversal current density necessary for reversing the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10 can be further reduced.
  • RIE reactive ion etching
  • the hydrogen compound concentration of the first surface 23a of the spin orbit torque wiring 23 in the second region R2 is higher than the hydrogen compound concentration at the center of the spin orbit torque wiring 23 in the z direction.
  • the spin orbit torque type magnetization rotating element 101 according to the fourth embodiment has the buckling portion BP, the same effect as the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 according to the first embodiment can be obtained. Further, the Rashba effect can be efficiently exhibited by the hydrogen compound Hc, and more spins can be injected into the first ferromagnetic layer 10. Therefore, the spin orbit torque type magnetization rotation element 101 according to the fourth embodiment can further reduce the reversal current density required for reversing the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10.
  • the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the fourth embodiment can be applied to any of the modifications of the first embodiment, the second embodiment and the third embodiment.
  • FIG. 11 is a view schematically showing a cross section of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 according to the fifth embodiment.
  • the spin orbit torque type magnetoresistance effect element 110 shown in FIG. 11 includes a spin orbit torque type magnetization rotation element 100, a non-magnetic layer 30, and a second ferromagnetic layer 40.
  • the spin orbit torque type magnetization rotating element 100 according to the first embodiment is used as the spin orbit torque type magnetization rotating element, but the spin orbit torque type magnetization rotating element according to the second to fourth embodiments is used. May be.
  • the description of the same configuration as that of the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 of the first embodiment will be omitted.
  • the laminated body in which the first ferromagnetic layer 10, the non-magnetic layer 30, and the second ferromagnetic layer 40 are laminated is the same as a normal magnetoresistive effect element.
  • the magnetization M40 of the second ferromagnetic layer 40 is fixed in one direction (z direction), and the direction of the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10 relatively changes.
  • the coercive force of the second ferromagnetic layer 40 is made larger than that of the first ferromagnetic layer 10. ..
  • the second ferromagnetic layer 40 is subjected to interlayer antiferromagnetic (SAF) coupling, and the magnetization M40 of the second ferromagnetic layer 40 is changed. It is fixed to the first ferromagnetic layer 10.
  • SAF interlayer antiferromagnetic
  • the laminated body When the non-magnetic layer 30 is made of an insulator, the laminated body has the same structure as a tunneling magneto-resistance (TMR) element, and when the non-magnetic layer 30 is made of metal, it has a giant magneto-resistive effect (GMR). : Giant Magnetoresistance) device.
  • TMR tunneling magneto-resistance
  • GMR giant magneto-resistive effect
  • the laminated body may have layers other than the first ferromagnetic layer 10, the nonmagnetic layer 30, and the second ferromagnetic layer 40.
  • the laminated body may have, for example, an underlayer, a cap layer, or the like that enhances the crystallinity of the laminated body.
  • the underlayer is formed between the spin orbit torque wiring 20 and the first ferromagnetic layer 10.
  • the cap layer is formed on the upper surface of the stacked body.
  • the second ferromagnetic layer 40 can use the same material as the first ferromagnetic layer 10.
  • the nonmagnetic layer 30 is made of a nonmagnetic insulator, semiconductor or metal.
  • the non-magnetic insulator is, for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , or a material in which some of Al, Si, and Mg are replaced by Zn, Be, or the like.
  • the nonmagnetic layer 30 is made of a nonmagnetic insulator, the nonmagnetic layer 30 is a tunnel barrier layer. MgO or MgAl 2 O 4 easily realizes a coherent tunnel between the first ferromagnetic layer 10 and the second ferromagnetic layer 40.
  • the non-magnetic 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 type magnetoresistive effect element 110 uses the resistance value change caused by the difference in relative angle between the magnetization M10 of the first ferromagnetic layer 10 and the magnetization M40 of the second ferromagnetic layer 40 to obtain data. Record and read.
  • the spin orbit torque type magnetoresistive element 110 according to the fifth embodiment has the buckling portion BP, the same effect as that of the spin orbit torque type magnetization rotation element 100 according to the first embodiment can be obtained.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the magnetic memory according to the sixth embodiment.
  • the magnetic memory 120 includes a plurality of spin orbit torque type magnetoresistive effect elements 110 (see FIG. 11).
  • the spin-orbit torque type magnetoresistive effect elements 110 are arranged in a 3 ⁇ 3 matrix.
  • FIG. 12 is an example of the magnetic memory, and the number and arrangement of the spin orbit torque type magnetoresistive effect elements 110 are arbitrary.
  • the spin-orbit torque type magnetoresistive element 110 is connected to one word line WL1 to 3 and one bit line BL1 to 3 and one read line RL1 to RL3, respectively.
  • a current is passed through the spin orbit torque wiring 20 of the arbitrary spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110 to perform the write operation. Further, by selecting the read lines RL1 to 3 and the bit lines BL1 to 3 to which the current is applied, a current is caused to flow in the stacking direction of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 110, and the reading operation is performed.
  • the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the read lines RL1 to WL3 to which the current is applied can be selected by transistors or the like. That is, by reading the data of an arbitrary element from the plurality of spin orbit torque type magnetoresistive effect elements 110, it can be utilized as a magnetic memory.

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Abstract

本願のスピン軌道トルク型磁化回転素子（100）は、第１強磁性層（10）と、前記第１強磁性層に面し、第１方向（X）に延びるスピン軌道トルク配線（20）と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、原子（A）が配列した原子面（L）を複数有し、前記複数の原子面は、同一原子が配列した基準面（L1）と、座屈部（BP）を有する座屈面（L2）と、を有し、前記座屈面は、前記基準面と略平行な主面（MP）を形成する複数の第１原子（A1）と前記主面に対して屈曲した座屈部を形成する１つ以上の第２原子（A2）と、を有する。

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及び磁気メモリ
　本発明は、スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
　磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。
　磁気抵抗効果素子は、非磁性層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きの変化を素子の抵抗変化として出力する。磁気抵抗効果素子は、強磁性層の磁化の向きを制御して、データを記録する。磁化の向きを制御する方法として、電流が生み出す磁場を利用する方式、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流した際に生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式が知られている。ＳＴＴを利用する方式は、非磁性層を貫通する方向に電位差を与える必要があり、非磁性層にダメージを与える場合がある。
　近年、磁化の向きを制御する新たな方式としてスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用する方式が検討されている（例えば、特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じたスピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により強磁性層内に誘起される。強磁性層内の磁化にＳＯＴが作用することで、磁化が反転する。スピン流及びラシュバ効果は、強磁性層の積層方向と交差する方向に電流が流れると生じる。ＳＯＴを利用する方式は、非磁性層及び強磁性層の積層方向に大きな書き込み電流を流すことを避けられ、非磁性層等へのダメージを抑制できる。
特開２０１７－２１６２８６号公報
　磁気メモリは、集積された複数の磁気抵抗効果素子を有する。それぞれの磁気抵抗効果素子の反転電流密度が大きくなると、磁気メモリの消費電力が増加する。反転電流密度は、磁気抵抗効果素子の磁化を反転するのに要する電流密度であり、磁気抵抗効果素子は磁化が反転することで動作する。磁気抵抗効果素子の反転電流密度を低減し、磁気メモリの消費電力を抑制することが求められている。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、反転電流密度を低減できるスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリを提供することを目的とする。
　反転電流密度は、強磁性層の磁化に効率的にＳＯＴを加えることができれば、低減する。ＳＯＴは、例えば、スピン軌道相互作用、ラシュバ効果等により強磁性層内に誘起される。発明者らは、スピン軌道トルク配線に座屈部を設けると、スピン軌道相互作用、ラシュバ効果が効率的に生じることを見出した。すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層に面し、第１方向に延び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は、原子が配列した原子面を複数有し、前記複数の原子面は、同一原子が配列した基準面と、座屈部を有する座屈面と、を有し、前記座屈面は、前記基準面と略平行な主面を形成する複数の第１原子と、前記主面に対して屈曲した座屈部を形成する１つ以上の第２原子と、を有する。
（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、前記第２原子の原子半径は、前記第１原子の原子半径の１．１倍以上、または、前記第１原子の原子半径の０．９倍以下であってもよい。
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第２原子の中心から前記主面に下した垂線の長さは、前記第１原子の原子半径の０．５倍以上１．５倍以下であってもよい。
（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、前記第１原子の格子間隔は、前記第２原子の直径より広くてもよい。
（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原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と同一でもよい。
（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、前記第１原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と異なってもよい。
（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原子と前記第２原子との組み合わせが、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＢｉ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＢｉ、ＷとＰｄ、ＷとＢｉ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＢｉ、ＡｕとＢｉからなる群から選択されるいずれかであってもよい。
（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、前記座屈面が、前記第１強磁性層に面する第１面に位置してもよい。
（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、スピン軌道トルク配線が、前記第１強磁性層に面する第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有し、前記第１領域は、前記座屈部を有してもよい。
（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、前記第２領域は、水素化合物を含んでもよい。
（１１）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、前記座屈面を複数有してもよい。
（１２）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、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択されるいずれか１種以上の原子を含んでもよい。
（１３）第２の態様にかかるスピン流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強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に面する非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える。
（１４）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。
　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及び磁気メモリは消費電力を低減できる。
第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。 第１実施形態に係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の断面模式図である。 第１実施形態に係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の座屈面の平面模式図である。 第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第1変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。 第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第２変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。 第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第３変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。 第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。 第３実施形態に係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の断面模式図である。 第４実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。 第２原子と水素化合物の関係を模式的に示した図である。 第５実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 第６実施形態に係る磁気メモリの回路模式図である。
　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、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。
　まず方向について定義する。ｘ方向及びｙ方向は、後述するスピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａと略平行な方向である。ｘ方向は、後述するスピン軌道トルク配線２０が延びる方向である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
　図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
＜第１強磁性層＞
　第１強磁性層１０は、第１面１０ａと第２面１０ｂとを有する。第１面１０ａは、スピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａと面する。本明細書において「面する」とは、２つの面が略平行に向き合うことを意味し、２つの面が接触していても、他の層を間に挟んでいてもよい。第２面１０ｂは、第１面１０ａと反対側の面である。
　図１に示す第１強磁性層１０の断面は、長方形である。第１強磁性層１０の断面は、長方形に限られない。第１強磁性層１０の断面は、例えば、第１面１０ａと第２面１０ｂとの長さが異なる台形でもよい。また第１面１０ａと第２面１０ｂとを繋ぐ側面が湾曲してもよい。
　また第１強磁性層１０のｚ方向からの平面形状は特に問わない。第１強磁性層１０の平面形状は、例えば、円形、楕円形、長方形、不定形である。
　第１強磁性層１０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１０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。
　第１強磁性層１０は、ｘｙ面内のいずれかの方向又はｚ方向に磁化容易軸を有する。第１強磁性層１０がｘｙ面内のいずれかの方向に磁化容易軸を有する場合、第１強磁性層１０は面内磁化膜と言われる。第１強磁性層１０がｚ方向に磁化容易軸を有する場合、第１強磁性層１０は垂直磁化膜と言われる。
＜スピン軌道トルク配線＞
　スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０は、第１面２０ａと第２面２０ｂとを有する。第１面２０ａは、第１強磁性層１０の第１面１０ａに面する。第２面２０ｂは、第１面２０ａと反対側の面である。第１面２０ａと第２面２０ｂの面積は、同じでも異なってもよい。
　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１０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１０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１０の磁化にくわえる。第１強磁性層１０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１０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１０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。
　スピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線２０の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
　一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する場合がある。添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
　スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
　トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、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。
　図２は、第１実施形態に係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の断面模式図である。スピン軌道トルク配線２０は、原子が配列した原子面Ｌを複数有する。原子面Ｌは、ｘｙ面内に配列した原子の中心を結んだ仮想面である。複数の原子面Ｌは、基準面Ｌ１と座屈面Ｌ２とを有する。
　基準面Ｌ１は、同一の原子Ａがｘｙ平面に広がる面である。スピン軌道トルク配線２０は、第２面２０ｂから第１面２０ａに向って積層される。そのため、基準面Ｌ１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の最も第２面２０ｂ側に位置する原子面Ｌである。
　座屈面Ｌ２は、主面ＭＰと座屈部ＢＰとを有する。主面ＭＰは、基準面Ｌ１に対して略平行である。主面ＭＰの一部は、基準面Ｌ１と略平行な平行面Ｐ１と一致する。主面ＭＰは、複数の第１原子Ａ１からなる。座屈部ＢＰは、主面ＭＰに対して屈曲する。座屈部ＢＰは、第２原子Ａ１からなる。ここで、座屈について説明する。
　原子Ａは、第２面２０ｂから第１面２０ａに向って積層される。原子Ａは、スピン軌道トルク配線２０を構成する原子である。原子Ａは、例えば、上述のように非磁性の重金属である。原子Ａは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択されるいずれか１種以上の原子を含んでもよい。
　ｘｚ平面において、ｚ方向に最近接する原子Ａを結んだ線を成長線Ｃ１、Ｃ２とする。成長線Ｃ１は、ｚ方向に規則性を有する。図２に示す成長線Ｃ１は、隣接する原子Ａを結ぶ線の内角θ１が一定である。一方で、成長線Ｃ２は、隣接する原子Ａを結ぶ線の内角の規則性（ｚ方向の規則性）が途中で乱れている。図２に示す成長線Ｃ２は、隣接する原子Ａを結ぶ線の内角θ１は途中まで一定で、ある部分で内角θ２に変化する。内角θ２は、規則性が乱れ始めた位置での内角である。内角θ２は、例えば、内角θ１より２０％以上小さい。内角θ１が内角θ２に替わると、成長線Ｃ２がｚ方向に対して大きく傾く。成長線Ｃ２の規則性が大きく乱れることを座屈という。座屈が生じると、原子面Ｌも乱れる。その結果、座屈面Ｌ２は、平行面Ｐ１に対して屈曲する座屈部ＢＰを有する。
　図２において、座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１と第２原子Ａ２とからなる。座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１の中心と第２原子Ａ２の中心とを結んだ仮想面である。主面ＭＰは、第１原子Ａ１の中心を結んだ仮想面である。座屈部ＢＰは、第２原子Ａ２の中心と第２原子Ａ２に隣接する第１原子Ａ１の中心とを結ぶ仮想面である。
　図２において、第１原子Ａ１は、スピン軌道トルク配線を主として構成する原子Ａと同じである。第１原子Ａ１は、例えば、非磁性の重金属である。
　図２において、第２原子Ａ２は、第１原子Ａ１より大きい。第２原子Ａ２は、座屈面Ｌ２を平行面Ｐ１に対して屈曲させ、座屈面Ｌ２の座屈部ＢＰの原因となる。第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．１倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．２倍以上である。また第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．５倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．４倍以下である。
　第１原子Ａ１と第２原子Ａ２との組み合わせは、例えば、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＰｒ、ＭｏとＳｍ、ＭｏとＥｕ、ＭｏとＧｄ、ＭｏとＴｂ、ＭｏとＤｙ、ＭｏとＨｏ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＮｂ、ＲｕとＰｒ、ＲｕとＮｄ、ＲｕとＰｍ、ＲｕとＳｍ、ＲｕとＥｕ、ＲｕとＧｄ、ＲｕとＴｂ、ＲｕとＤｙ、ＲｕとＨｏ、ＲｕとＨｆ、ＲｕとＴａ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＮｂ、ＲｈとＰｒ、ＲｈとＮｄ、ＲｈとＰｍ、ＲｈとＳｍ、ＲｈとＥｕ、ＲｈとＧｄ、ＲｈとＴｂ、ＲｈとＤｙ、ＲｈとＨｏ、ＲｈとＨｆf、ＲｈとＴａ、ＲｈとＷ、ＲｈとＢｉ、ＰｄとＮｂ、ＰｄとＭｏ、ＰｄとＰｒ、ＰｄとＮｄ、ＰｄとＰｍ、ＰｄとＳｍ、ＰｄとＥｕ、ＰｄとＧｄ、ＰｄとＴｂ、ＰｄとＤｙ、ＰｄとＨｏ、ＰｄとＨｆ、ＰｄとＴａ、ＰｄとＷ、ＰｄとＲｅ、ＰｄとＢｉ、ＡｇとＮｂ、ＡｇとＭｏ、ＡｇとＣｅ、ＡｇとＰｒ、ＡｇとＮｄ、ＡｇとＰｍ、ＡｇとＳｍ、ＡｇとＥｕ、ＡｇとＧｄ、ＡｇとＴｂ、ＡｇとＤｙ、ＡｇとＨｏ、ＡｇとＨｆ、ＡｇとＴａ、ＡｇとＷ、ＡｇとＲｅ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＮｂ、ＣｄとＭｏ、ＣｄとＲｕ、ＣｄとＣｅ、ＣｄとＮｄ、ＣｄとＰｍ、ＣｄとＳｍ、ＣｄとＥｕ、ＣｄとＧｄ、ＣｄとＴｂ、ＣｄとＤｙ、ＣｄとＨｏ、ＣｄとＨｆ、ＣｄとＴａ、ＣｄとＷ、ＣｄとＲｅ、ＣｄとＩｒ、ＣｄとＢｉi、ＨｆとＲｈ、ＨｆとＰｄ、ＨＦとＣｅ、ＨｆとＰｒ、ＨｆとＳｍ、ＨｆとＥｕ、ＨｆとＧｄ、ＨｆとＲｅ、ＨｆとＩｒ、ＨｆとＰｔ、ＨｆとＡｕ、ＨｆとＢｉ、ＴａとＲｈ、ＴａとＰｄ、ＴａとＰｒ、ＴａとＳｍ、ＴａとＥｕ、ＴａとＧｄ、ＴａとＴｂ、ＴａとＤｙ、ＴａとＨｏ、ＴａとＩｒ、ＴａとＰｔ、ＴａとＡｕ、ＴａとＢｉ、ＷとＲｈ、ＷとＰｄ、ＷとＰr、ＷとＳｍ、ＷとＥｕ、ＷとＧｄ、ＷとＴｂ、ＷとＤｙ、ＷとＨｏ、ＷとＡｕ、ＷとＢｉ、ＯＳとＰｒ、ＯｓとＮｄ、ＯｓとＰｍ、ＯｓとＳｍ、ＯｓとＲｕ、ＯｓとＧｄ、ＯｓとＴｂ、ＯｓとＤｙ、ＯｓとＨｏ、ＯｓとＨｆ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＮｂ、ＩｒとＰｒ、ＩｒとＳｍ、ＩｒとＥｕ、ＩｒとＧｄ、ＩｒとＴｂ、ＩｒとＤｙ、ＩｒとＨｏ、ＩｒとＨｆ、ＩｒとＴａ、ＩｒとＢｉ、ＰｔとＮｂ、ＰｔとＰｒ、ＰｔとＳｍ、ＰｔとＥｕ、ＰｔとＧｄ、ＰｔとＴｂ、ＰｔとＤｙ、ＰｔとＨｏ、ＰｔとＨｆ、ＰｔとＴａ、ＰｔとＢｉ、ＡｕとＮｂ、ＡｕとＰｒ、ＡｕとＳｍ、ＡｕとＥｕ、ＡｕとＧｄ、ＡｕとＴｂ、ＡｕとＤｙ、ＡｕとＨｏ、ＡｕとＨｆ、ＡｕとＴａ、ＡｕとＷ、ＡｕとＢｉである。第１原子Ａ１と第２原子Ａ２との組み合わせは、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＢｉ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＢｉ、ＷとＰｄ、ＷとＢｉ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＢｉ、ＡｕとＢｉからなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。第１原子Ａ１は、組み合わせの原子のうち原子半径の小さいものである。
　第２原子Ａ２のｚ方向の高さ位置と、第１原子Ａ１のｚ方向の高さ位置とは異なる。これらの高さ位置の差Δｚは、第２原子Ａ２の中心から主面ＭＰ（平行面Ｐ１）に下した垂線の長さである。これらの高さ位置の差Δｚは好ましくは、第１原子Ａ１の半径の０．５倍以上１．５倍以下である。これらの高さ位置の差Δｚは、より好ましくは、第１原子Ａ１の半径の０．６４倍以上であり、さらに好ましくは、第１原子Ａ１の半径の１．０倍以上である。またこれらの高さ位置の差Δｚは、好ましくは、０．８Å以上であり、より好ましくは、１．４Å以上である。
　図３は、第１実施形態に係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の座屈面の平面模式図である。第２原子Ａ２は、座屈面Ｌ２の一部であり、規則的に配列した第１原子Ａ１上に点在している。第２原子Ａ２は、例えば、ｘｙ面内にランダムに位置する。
　座屈部ＢＰは、例えば、高分解能の走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて確認できる。５０ｎｍ程度まで薄片化した測定試料に、電子を照射し、測定試料中を透過又は散乱した電子を結像して、各原子の位置を特定する。また高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ）を用いて、高角散乱した電子を結像してもよい。ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭは、原子量に比例したコントラストを得ることができ、座屈部ＢＰの原子の違いを高いコントラストで計測できる。
　座屈部ＢＰは、例えば、陽電子ビームを用いた表面測定でも測定できる。座屈面Ｌ２を表出させ、座屈面に陽電子ビームを低角照射する。散乱した電子の回折像から座屈面Ｌ２の状態を評価できる。また陽電子ビームの代わりに、Ｘ線、中性子線を用いてもよい。
＜製造方法＞
　スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の製造方法の一例について説明する。
　まず基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線２０を形成する。スピン軌道トルク配線２０となる層は、例えば、スパッタリング法を用いて積層する。基板上に、原子Ａとなるイオンをスパッタリングし、その途中で第２原子Ａ２となるイオンをスパッタリングする。第２原子Ａ２のスパッタリングは、低エネルギーの条件で行う。例えば、原子Ａのみをスパッタリングしている際より第２原子Ａ２をスパッタリングする際の加速電圧を低くする。また例えば、原子Ａのみをスパッタリングしている際より第２原子Ａ２をスパッタリングする際の希ガス等のガス流量を増やす。ガス流量が増えることで、第２原子Ａ２のスパッタリングレートが低下する。また第２原子Ａ２は、被成膜面に対して斜め方向からスパッタリングしてもよい。斜め方向からスパッタリングすると、イオンの飛来時間に差が生じ、第２原子Ａ２が第１原子Ａ１上に点在する。またスパッタリング法に替えて、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法を用いてもよい。スピン軌道トルク配線２０となる層をフォトリソグラフィー等により加工して、スピン軌道トルク配線２０となる。
　次いで、スピン軌道トルク配線２０の周囲を絶縁層で覆う。絶縁層は、例えば、酸化膜、窒化膜等である。
　次いで、絶縁層とスピン軌道トルク配線の表面を、ＣＭＰ研磨（chemical mechanical polishing）により平坦化する。そして、平坦化された表面に第１強磁性層１０となる層を積層する。最後に、フォトリソグラフィー等の技術を用い、第１強磁性層１０を加工する。第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０の加工は同時に行ってもよい。
　本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、スピン軌道トルク配線２０で、スピンホール効果及びラシュバ効果が効率的に生じる。そのため、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０にＳＯＴが効率的に作用し、反転電流密度を低減できる。
　スピン軌道トルク配線２０が座屈部ＢＰを有すると、スピン流及びラシュバ効果が効率的に生じる理由について説明する。
　座屈部ＢＰは、結晶構造が乱れた部分であり、スピン軌道トルク配線２０の内部をｘ方向に流れる電子の散乱原因となる。スピンホール効果は、一方向に配向したスピンが、電流と直交する方向に（すなわち、スピン軌道トルク配線２０の外周に向って）、曲げられる現象である。座屈部ＢＰによって電子（スピン）が散乱すると、散乱した電子（スピン）がｚ方向に向かい、スピンホール効果が効率的に生じる。スピンホール効果は、第１面２０ａ及び第２面２０ｂの近傍において、スピンの偏在を生み出す。スピン流は、スピンの偏在を解消する方向に生じる。第１面２０ａ及び第２面２０ｂにおけるスピンの偏在が大きいほど、スピン流は発生しやすくなる。
　一方で、スピン軌道トルク配線２０内に散乱原因が多すぎると、発生したスピン流が散乱される。そのため、第１強磁性層１０に注入されるスピン量が減少し、ＳＯＴが磁化Ｍ１０に効率的に作用しなくなる。
　座屈部ＢＰは、原子一層レベルの厚みで生じる微小な原子配列の乱れである。大きな歪みや結晶欠陥とは異なり、座屈部ＢＰは、過剰な散乱原因とはならない。座屈部ＢＰは、スピンホール効果の発生効率を高めるものの、スピン流は大きく阻害しない。したがって、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、多くのスピンを第１強磁性層１０に注入でき、ＳＯＴを第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０に効率的に作用させることができる。
　ラシュバ効果の詳細なメカニズムについては明らかでないが、以下のように考えられる。ラシュバ効果は、空間反転対称性が破れにより、ｚ方向にポテンシャル勾配が形成され、スピンの向きが揃う現象である。ｚ方向にポテンシャル勾配があるスピン軌道トルク配線２０内をｘ方向に電流が流れると、電子の運動方向（ｘ方向）と垂直なｚ方向に有効磁場が生じる。有効磁場がスピンに作用して、その有効磁場の方向にスピンの向きが揃う。
　座屈部ＢＰは、スピン軌道トルク配線２０の電子状態を乱す。座屈部ＢＰは、ｚ方向の電子状態の対称性を崩す。座屈部ＢＰは、スピン軌道トルク配線２０内に電界効果を生み出し、準位の分裂を生み出す。電子状態の対称性の崩れは、有効磁場を生み出し、スピンを配向させる。その結果、第１面２０ａ及び第２面２０ｂの近傍におけるスピンが偏在する。スピンの偏在は、スピン流を生み出す。
　座屈部ＢＰは、結晶構造のわずかな乱れを生み出すものであり、スピン軌道トルク配線２０の電子状態を大きく変動するものではない。電子状態が大幅に変化すると、準位の分裂にとどまらず、ラシュバ効果を効率的に生み出すことができない。
　上述のように、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は、座屈部ＢＰによりスピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉの電流密度が小さくても、多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入できる。したがって、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は、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度を低減できる。
　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。
（第１変形例）
　図４は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第１変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図４に示すスピン軌道トルク配線２０Ａは、座屈面Ｌ２が第１面２０ａに位置する点が、図２に示すスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　ラシュバ効果は、異種材料の界面で生じやすい。第１面２０ａの近傍に座屈面Ｌ２を設けることでラシュバ効果の発生効率をより高めることができる。また第１面２０ａは、第１強磁性層１０の第１面１０ａと対向する面である。第１強磁性層１０に近い第１面２０ａの近傍でラシュバ効果が生じることで、第１強磁性層１０へのスピンの注入効率を高めることができる。
（第２変形例）
　図５は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第２変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク配線２０Ｂは、座屈面Ｌ２が第２面２０ｂに位置する点が、図２に示すスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　ラシュバ効果は、異種界面の界面で生じやすい。第２面２０ｂの近傍に座屈面Ｌ２を設けることでラシュバ効果の発生効率をより高めることができる。座屈面Ｌ２が第２面２０ｂに位置する場合、基準面Ｌ１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の最も第１面２０ａ側に位置する原子面Ｌとする。
（第３変形例）
　図６は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第３変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図６に示すスピン軌道トルク配線２０Ｃは、座屈面Ｌ２を２層有する点が、図２に示すスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　スピン軌道トルク配線２０内に存在する座屈面Ｌ２の数は特に問わない。図２に示すように１層でも、図６に示すように２層でも、それ以上でもよい。
　またスピン軌道トルク配線２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃはいずれも、原子Ａのｘ方向の位置をずらしてｚ方向に積層されている（立方最密充填）が、原子Ａのｘ方向の位置が一致していてもよい。
「第２実施形態」
　図７は、第２実施形態に係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の断面模式図である。図７に示すスピン軌道トルク配線２１は、第２原子Ａ２’が第１原子Ａ１より小さいが、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　第２原子Ａ２’が第１原子Ａ１より小さい場合でも、座屈面Ｌ２は平行面Ｐ１に対して屈曲し、座屈面Ｌ２は座屈部ＢＰを有する。
　第２原子Ａ２’は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．９倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．８３倍以下である。また第２原子Ａ２’は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．６６倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．７１倍以上である。
　第１原子Ａ１と第２原子Ａ２との組み合わせは、第１実施形態に記載の組み合わせと同様のものが好ましいが、第１原子Ａ１は、組み合わせの原子のうち原子半径の大きなものとなる。また第１原子Ａ１の格子間隔は、第２原子Ａ２の直径より広いことが好ましい。第１原子Ａ１の格子間隔は、最近接する第１原子Ａ１の中心間距離である。
　また第２原子Ａ２のｚ方向の高さ位置と、第１原子Ａ１のｚ方向の高さ位置との差Δｚは、第１実施形態に記載の差Δｚと同様の範囲であることが好ましい。
　第２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２１は、座屈部ＢＰを有するため、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と同様の効果が得られる。また第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子も、第１実施形態と同様の変形例を適用できる。
「第３実施形態」
　図８は、第３実施形態に係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の断面模式図である。図８に示すスピン軌道トルク配線２２は、座屈面Ｌ２を構成する第１原子Ａ１１が、スピン軌道トルク配線２２を主として構成する原子Ａと異なる点が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１１と第２原子Ａ２とからなる。座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１１の中心と第２原子Ａ２の中心とを結んだ仮想面である。主面ＭＰは、第１原子Ａ１１の中心を結んだ仮想面である。座屈部ＢＰは、第２原子Ａ２と第２原子Ａ２に隣接する第１原子Ａ１１とを結んだ仮想面である。
　第１原子Ａ１１は、スピン軌道トルク配線２２を主として構成する原子Ａと異なる。原子Ａは、例えば、非磁性の重金属である。第１原子Ａ１１は、例えば、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、ＯＳ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕを含む。また、原子Ａは、例えば、スピン流を透過しやすいスピン伝導材料でもよい。第１原子Ａ１１は、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅを含む。
　図８に示す第２原子Ａ２は、第１原子Ａ１１より大きい。第２原子Ａ２は、座屈面Ｌ２を主面ＭＰに対して屈曲させ、座屈面Ｌ２の座屈部ＢＰの原因となる。第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．１倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．２倍以上である。また第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．５倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．４倍以下である。
　また第２原子Ａ２は、第１原子Ａ１１より小さくてもよい。第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．９倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．８３倍以下である。また第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．６６倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．７倍以上である。
　第１原子Ａ１１と第２原子Ａ２との組み合わせは、例えば以下である。例えば、第１原子Ａ１１は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択され、第２原子Ａ２は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。上記の組み合わせは、第１原子Ａ１１がいずれか一方の原子であり、第２原子Ａ２が他方の原子であればよい。
　第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線２２は、座屈部ＢＰを有するため、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と同様の効果が得られる。また第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１原子Ａ１１がスピン軌道トルク配線２２を主として構成する原子Ａと異なる。そのため、スピン軌道トルク配線２２に異なる原子の界面が増える。ラシュバ効果は、異種界面の界面で生じやすい。したがって、より多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入でき、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度をより低減できる。
　第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子も、第１実施形態と同様の変形例を適用できる。
「第４実施形態」
　図９は、第４実施形態に係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の断面模式図である。図９に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、スピン軌道トルク配線２３が第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を有する点が、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。図１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
　スピン軌道トルク配線２３は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有する。第１領域Ｒ１は、第１強磁性層１０に面する部分であり、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重なる部分である。第１面１０ａと第２面１０ｂの面積が異なる場合は、ｚ方向からの平面視で、第１面１０ａと重なる部分である。第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１以外の部分である。
　第１領域Ｒ１は、座屈部ＢＰ（図２参照）を有する。第２領域Ｒ２は、座屈部ＢＰを有してもよい。スピンは、第１領域Ｒ１から第１強磁性層１０に注入される。第１領域Ｒ１に座屈部ＢＰを設けることで、第１強磁性層１０へのスピンの注入効率を高めることができる。
　また第２領域Ｒ２は、水素化合物を含む。第２領域Ｒ２の水素化合物濃度は、第１領域Ｒ１の水素化合物濃度より高い。第１領域Ｒ１は、水素化合物を含んでなくてもよい。水素化合物は、例えば、スピン軌道トルク配線２３とアンモニアが反応したもの、スピン軌道トルク配線２３と炭化水素が反応したもの、等である。第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の水素化合物濃度は、スピン軌道トルク配線２３の第１面２３ａにおける濃度である。第１領域Ｒ１の水素化合物濃度は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１の重心と重なる位置で評価する。第２領域Ｒ２の水素化合物濃度は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１の重心と、スピン軌道トルク配線２３の端部との中心位置で評価する。
　水素化合物は、分子－原子間結合が強い。水素化合物の水素原子と座屈部ＢＰを形成する第２原子Ａ２とがイオン結合すると、第２原子Ａ２の原子位置が変化する。図１０は、第２原子Ａ２と水素化合物Ｈｃの関係を模式的に示した図である。水素化合物Ｈｃは、第２原子Ａ２とイオン結合する。イオン結合は、金属結合と結合エネルギーが異なる。第２原子Ａ２は、イオン結合により水素化合物Ｈｃに向かう方向、又は、水素化合物Ｈｃから離れる方向に移動する。
　第２原子Ａ２の原子位置が変動すると、ｚ方向の電子状態の対称性がより崩れる。その結果、スピン軌道トルク配線２０の準位の分裂がより顕著になり、ラシュバ効果がより効率的に生じる。したがって、より多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入でき、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度をより低減できる。
　第１強磁性層１０をフォトリソグラフィーによって所定の形状に加工する際に、アンモニア、炭化水素等の水素化合物を用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うと、第２領域Ｒ２に水素化合物が導入される。
　一例として、第２領域Ｒ２における、スピン軌道トルク配線２３の第１面２３ａの水素化合物濃度は、スピン軌道トルク配線２３のｚ方向の中心における水素化合物濃度より高い。
　第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、座屈部ＢＰを有するため、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と同様の効果が得られる。また水素化合物Ｈｃによりラシュバ効果を効率的に発現でき、より多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入できる。したがって、第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度をより低減できる。
　第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１実施形態と同様の変形例、第２実施形態及び第３実施形態のいずれの構成も適用できる。
「第５実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
　図１１は、第５実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０の断面を模式的に示した図である。図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００と、非磁性層３０と、第２強磁性層４０とを備える。図１１では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、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を用いたが、第２～第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を用いてもよい。第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同等の構成については、説明を省く。
　第１強磁性層１０と非磁性層３０と第２強磁性層４０とが積層された積層体は、通常の磁気抵抗効果素子と同様である。積層体は、第２強磁性層４０の磁化Ｍ４０が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の向きが相対的に変化する。積層体が保磁力差型（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４０の保磁力を第１強磁性層１０の保磁力よりも大きくする。積層体が交換バイアス型（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４０を層間反強磁性（ＳＡＦ）結合にし、第２強磁性層４０の磁化Ｍ４０を第１強磁性層１０に対して固定する。
　積層体は、非磁性層３０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３０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。
　積層体は、第１強磁性層１０、非磁性層３０及び第２強磁性層４０以外の層を有してもよい。積層体は、例えば、積層体の結晶性を高める下地層、キャップ層等を有してもよい。下地層は、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１０との間に形成される。キャップ層は、積層体の上面に形成される。
　第２強磁性層４０は、第１強磁性層１０と同様の材料を用いることができる。
　非磁性層３０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３０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層３０はトンネルバリア層である。ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、第１強磁性層１０と第２強磁性層４０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。
　第５実施形態に係る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１０の磁化Ｍ１０と第２強磁性層４０の磁化Ｍ４０の相対角の違いにより生じる抵抗値変化を用いてデータの記録、読出す。
　第５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は、座屈部ＢＰを有するため、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と同様の効果が得られる。
「第６実施形態」
（磁気メモリ）
　図１２は、第６実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。磁気メモリ１２０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０（図１１参照）を備える。
　図１２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１２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の数及び配置は任意である。
　スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１～３と、１本のビットラインＢＬ１～３、１本のリードラインＲＬ１～３が接続されている。
　電流を印加するワードラインＷＬ１～３及びビットラインＢＬ１～３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ＲＬ１～３及びビットラインＢＬ１～３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ＷＬ１～３、ビットラインＢＬ１～３、及びリードラインＲＬ１～３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。
１０　第１強磁性層
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２１、２２、２３　スピン軌道トルク配線
１０ａ、２０ａ　第１面
１０ｂ、２０ｂ　第２面
１００、１０１　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
Ａ　原子
Ａ１、Ａ１１　第１原子
Ａ２、Ａ２’　第２原子
ＢＰ　座屈部
Ｃ１、Ｃ２　成長線
Ｈｃ　水素化合物
Ｉ　電流
Ｌ　原子面
Ｌ１　基準面
Ｌ２　座屈面
Ｍ１０、Ｍ４０　磁化
ＭＰ　主面
Ｐ１　平行面
Ｓ１　第１スピン
Ｓ２　第２スピン

Claims (14)

  1. 　第１強磁性層と、
    　前記第１強磁性層に面し、第１方向に延び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は、原子が配列した原子面を複数有し、
    　複数の原子面は、同一原子が配列した基準面と、座屈部を有する座屈面と、を有し、
    　前記座屈面は、前記基準面と略平行な主面を形成する複数の第１原子と、前記主面に対して屈曲した座屈部を形成する１つ以上の第２原子と、を有する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
  2. 　前記第２原子の原子半径は、前記第１原子の原子半径の１．１倍以上、または、前記第１原子の原子半径の０．９倍以下である、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  3. 　前記第２原子の中心から前記主面に下した垂線の長さは、前記第１原子の原子半径の０．５倍以上１．５倍以下である、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  4. 　前記第１原子の格子間隔は、前記第２原子の直径より広い、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原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と同一である、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. 　前記第１原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と異なる、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。
  7. 　前記第１原子と前記第２原子との組み合わせが、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＢｉ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＢｉ、ＷとＰｄ、ＷとＢｉ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＢｉ、ＡｕとＢｉからなる群から選択されるいずれかである、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. 　前記座屈面が、前記第１強磁性層に面する第１面に位置する、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. 　スピン軌道トルク配線が、前記第１強磁性層に面する第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有し、
    　前記第１領域は、前記座屈部を有する、請求項１～８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. 　前記第２領域は、水素化合物を含む、請求項９に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
  11. 　前記座屈面を複数有する、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。
  12. 　前記スピン軌道トルク配線は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択されるいずれか１種以上の原子を含む、請求項１～１１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。
  13. 　請求項１～１２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強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に面する非磁性層と、
    　前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
  14. 　請求項１３に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
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