WO2020166722A1 - スピントロニクス素子及び磁気メモリ装置 - Google Patents

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知 中辻
義近 大谷
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    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Definitions

  • the present invention relates to a spintronic device and a magnetic memory device.
  • MRAM magnetic random access memory
  • STT spin transfer torque
  • Patent Document 1 STT-MRAM that uses spin transfer torque
  • SOT spin orbit torque
  • the in-plane magnetization SOT-MRAM uses shape magnetic anisotropy, so the size of the memory cell is large. Further, while the anisotropic magnetic field from the in-plane easy magnetization axis direction to the in-plane hard magnetization axis direction is about 0.1 T, in order to saturate in the perpendicular direction, the shape magnetic anisotropy Therefore, there is a large barrier of 1T class. As described above, the SOT-MRAM with in-plane magnetization passes through an anisotropic path at the time of magnetization reversal, so that a complicated precession of magnetization occurs and a writing error is more likely to occur. Moreover, since a large barrier is effectively felt during the magnetization reversal, the current required for the magnetization reversal becomes large.
  • the perpendicular magnetization SOT-MRAM does not utilize the shape magnetic anisotropy, so that the memory cell can be downsized. Further, since the uniaxial anisotropy magnetic field due to the interface magnetic anisotropy is about 0.1T, the barrier at the time of magnetization reversal is small, and the current required for the magnetization reversal is smaller than that of the in-plane magnetization SOT-MRAM. The size can be reduced and power consumption can be suppressed.
  • the conventional perpendicular magnetization SOT-MRAM had to apply a bias magnetic field in one direction in order to determine the rotation direction of the magnetization. Therefore, it is necessary to provide a mechanism for generating a bias magnetic field.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a spintronics element and a magnetic memory device capable of performing perpendicular magnetization reversal by spin orbit torque without using an exchange bias in a zero magnetic field.
  • the spintronics device includes an antiferromagnetic layer and a magnetoresistive device.
  • the antiferromagnetic layer is made of a cantilevered antiferromagnetic material having a minute magnetization due to the magnetic moment canceling, and when a current flows in one direction parallel to the plane, the spin of electrons is spin-polarized in the direction perpendicular to the plane. Generated, or spin accumulation that is spin-polarized obliquely to the perpendicular direction is generated.
  • the magnetoresistive element includes a ferromagnetic material that is stacked in an antiferromagnetic layer and has perpendicular magnetization in a direction perpendicular to the stacking direction, and a spin current generated in the antiferromagnetic layer causes a spin orbit torque on the perpendicular magnetization.
  • the perpendicular magnetization can be reversed.
  • a plurality of memory cells are arranged in a matrix, and each of the plurality of memory cells has the above spintronics device and is connected to a bit line and a word line.
  • an antiferromagnetic layer made of a canted antiferromagnetic material spin accumulation of electrons spin-polarized in parallel or obliquely to the in-plane direction is used, so that an exchange bias is used. Without a magnetic field, it is possible to reverse the perpendicular magnetization in the ferromagnetic material stacked in the antiferromagnetic layer.
  • Mn 3 Sn is a schematic view showing a magnetic spin Hall effect when having a magnetic structure of FIG. 1A.
  • Mn 3 Sn is a schematic view showing a magnetic spin Hall effect when having a magnetic structure of Fig. 1B.
  • FIG. 3 is a graph showing the conversion efficiency from current to spin current in transition metals (Pt, ⁇ -Ta, ⁇ -W) and Mn 3 Sn. It is a schematic diagram explaining the perpendicular magnetization reversal using the spin orbit torque by the conventional spin Hall effect. It is a schematic diagram explaining the perpendicular magnetization reversal using the spin orbit torque by the magnetic spin Hall effect of this embodiment. It is an example of a circuit configuration diagram of a magnetic memory device according to the present embodiment. 9 is an example of a circuit configuration diagram of a memory cell configuring the magnetic memory device of FIG. 8. FIG.
  • Ferromagnetic materials have been used as a major component in devices in a wide range of fields such as motors, generators, magnetic sensors, and magnetic memories because they have magnetization.
  • an antiferromagnetic material unlike a ferromagnetic material, has extremely small magnetization, a small response, and is difficult to control, so that it has hardly been applied to applications.
  • the antiferromagnetic material has a small magnetization, it can be said that if the antiferromagnetic material is used as a constituent element of the memory cell, a leakage magnetic field is not generated and the magnetic memory is suitable for miniaturization. Further, since the antiferromagnetic material has a resonance frequency (up to 1 THz) that is several orders of magnitude higher than that of the ferromagnetic material, high-speed data processing is expected.
  • Such magnetic structure has orthorhombic symmetry, and only one of the three magnetic moments of Mn located at the apex of the triangle is parallel to the easy axis of magnetization. Since the other two magnetic moments cancel with respect to the easy axis of magnetization, it is considered that a weak ferromagnetic moment is induced.
  • an antiferromagnetic material having a small magnetization due to the magnetic moment being canceled is called a canted antiferromagnetic material.
  • the Mn 3 Sn, slight magnetization number m.mu. B is observed at room temperature by application of an external magnetic field. This value is only about 1/1000 of the magnetization of a normal ferromagnetic material.
  • magnetization reversal was observed due to a low magnetic field of about several hundred Gauss, and the sign (positive/negative) of the Hall resistivity sharply changed accordingly.
  • the hole resistivity changed by about 6 ⁇ cm. This is the antiferromagnetic magnetization few m.mu. B, shows a huge response comparable to ferromagnetic, and means that control at low magnetic field can be realized at room temperature.
  • Mn 3 Sn when an external magnetic field is applied in the positive direction of the x-axis in the real space, Mn 3 Sn has a magnetic structure in which spins cancel each other in the real space, but the momentum space (kx, ky, kz) , A positive magnetic charge (+) and a negative magnetic charge (-) form a dipole with the K point in between, and the dipoles are arranged ferromagnetically at the Brillouin zone boundary of the hexagonal crystal.
  • this external magnetic field is reversed, the magnetic structure of Mn 3 Sn in the real space and the virtual magnetic field of the momentum space are reversed as shown in FIG. 1B.
  • the arrangement of dipoles in the momentum space shown in FIGS. 1A and 1B shows that the magnetic order of Mn 3 Sn macroscopically breaks the time-reversal symmetry, similar to the spin arrangement of the ferromagnet in the real space.
  • a cluster magnetic octupole as shown in FIGS. 1A and 1B can be operated by applying an external magnetic field, and it is possible to respond to an external magnetic field of 100 T or more with the inversion of the cluster magnetic octupole. It has been revealed that a large virtual magnetic field is reversed and transport phenomena such as the anomalous Hall effect can be controlled.
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is generated in a direction orthogonal to the current due to scattering due to spin-orbit interaction when a current is applied to a non-magnetic material.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the conventional spin Hall effect in the transition metal layer 10.
  • the transition metal layer 10 is made of a transition metal such as platinum (Pt), tantalum (Ta), or tungsten (W) having a strong spin-orbit interaction, extends in one direction (y-axis direction), and extends in the xy plane. Form a plate that spreads out.
  • the spin Hall effect that appears in the antiferromagnetic material (hereinafter referred to as the “magnetic spin Hall effect”) is handled.
  • the antiferromagnetic layer 20 is made of Mn 3 Sn, and has a plate shape extending in one direction (y-axis direction) and spreading in the xy plane.
  • Mn 3 Sn has the magnetic structure of FIG. 1A, as shown in FIG. 4A, when an electron flow Ie in the positive y-axis direction (current in the negative y-axis direction) is passed through the antiferromagnetic layer 20, the antiferromagnetic layer A non-zero spin polarization component appears in the plane perpendicular direction (z-axis direction) of 20.
  • electrons that are spin-polarized parallel or obliquely to the direction perpendicular to the plane of the antiferromagnetic layer 20 have an upper surface side (z-axis positive direction side) and a lower surface side (z-axis negative direction) of the antiferromagnetic layer 20. Side) and spin accumulation with a vertical component on the surface is generated.
  • the spin polarization direction of spin accumulation on the upper surface side of the antiferromagnetic layer 20 and the spin polarization direction of spin accumulation on the lower surface side are opposite to each other.
  • Mn 3 Sn causes spin polarization on the upper surface and the lower surface of the antiferromagnetic layer 20 as shown in FIG. 4B.
  • the polar direction is reversed.
  • the spin polarization direction in the spin accumulation on the surface can be controlled, so that the direction and magnitude of the spin orbit torque can also be changed.
  • the spin polarization direction is reversed and the spin orbit is reversed. The direction of torque can be changed.
  • Each memory cell that constitutes the conventional SOT-MRAM includes a spintronics element in which a magnetic tunnel junction element (MTJ element) 30 as a magnetoresistive element is stacked on a transition metal layer 10 as shown in FIG.
  • the MTJ element 30 is made of a ferromagnetic material such as CoFeB, and has a free layer 31 in which the magnetization M11 in the perpendicular direction (z-axis direction) can be inverted, a barrier layer 32 made of an insulator such as MgO, and a strong material such as CoFeB.
  • the free layer 31, the barrier layer 32, and the fixed layer 33 are laminated on the transition metal layer 10 in this order, and the laminating direction corresponds to the in-plane direction.
  • the MTJ element 30 is in the low resistance state, and the magnetization M13 of the fixed layer 33 and the magnetization M11 of the free layer 31 are opposite to each other. At this time (the antiparallel state), the MTJ element 30 is in the high resistance state.
  • FIG. 6 shows an example in which the bias magnetic field Hy is applied in the positive direction of the y-axis.
  • the bias magnetic field Hy is a magnetic field generated by a magnet or an external magnetic field generated electrically.
  • the magnetization M11 rotates in the direction determined by the bias magnetic field Hy, and the magnetization reversal occurs.
  • the memory cell that constitutes the SOT-MRAM of this embodiment includes the spintronics device 100 shown in FIG. As shown in FIG. 7, the spintronics device 100 has a structure in which the MTJ device 30 is laminated on the antiferromagnetic layer 20. As described above, when a current is applied to the antiferromagnetic layer 20 in the longitudinal direction (y-axis direction), electrons spin-polarized parallel or obliquely to the perpendicular direction (z-axis direction) of the antiferromagnetic layer 20 are generated. , Are scattered on the upper surface side (the positive side of the z axis) and the lower surface side (the negative side of the z axis) of the antiferromagnetic layer 20, and spin accumulation is generated on each surface.
  • the magnetization M11 when the magnetization M11 is oriented in the negative z-axis direction, when a spin current having a non-zero spin polarization component in the positive z-axis direction occurs at the interface (upper surface) of the antiferromagnetic layer 20, The magnetization M11 receives the torque based on the spin accumulation and rotates, thereby reversing in the positive direction of the z-axis.
  • the magnetization M11 When the magnetization M11 is oriented in the positive direction of the z-axis, if a spin current having a non-zero spin polarization component in the negative direction of the z-axis occurs at the interface (upper surface) of the antiferromagnetic layer 20, the magnetization M11 has the spin.
  • the z-axis is inverted in the negative direction by receiving the torque based on the accumulation and rotating.
  • spin accumulation that is spin-polarized parallel or obliquely to the perpendicular direction is generated by the magnetic spin Hall effect, and thus the bias magnetic field Hy unlike the conventional case is not required.
  • the spin current and the magnetization M11 can be coupled. That is, the perpendicular magnetization reversal of the MTJ element 30 can be achieved only by the spin current. Therefore, since it is possible to realize the perpendicular magnetization reversal in the zero magnetic field without requiring the exchange bias, it is possible to provide the SOT-MRAM excellent in the resistance to erroneous writing and the rewriting.
  • the magnetic memory device 200 includes a memory cell array 110, an X driver 120, a Y driver 130, and a controller 140.
  • the X driver 120 and the Y driver 130 are connected to the memory cell array 110, and
  • a controller 140 is connected to the driver 120 and the Y driver 130.
  • the ground line GNDj is set to the ground voltage.
  • a reference voltage other than the ground voltage may be set on the ground line GNDj.
  • the voltage level (H level or L level) of the first bit line BLi_1 and the second bit line BLi_2 is set.
  • each memory cell MC has a first terminal 41 connected to the fixed layer 33 of the MTJ element 30, a second terminal 42 connected to one end of the antiferromagnetic layer 20, and an antiferromagnetic layer. It is a three-terminal device in which the third terminal 43 is connected to the other end portion of 20.
  • the transistor Tr1 is connected to the second terminal 42, and the transistor Tr2 is connected to the third terminal 43.
  • the transistors Tr1 and Tr2 are assumed to be NMOS (N-channel metal oxide semiconductor) transistors.
  • the first terminal 41 is connected to the ground line GNDj
  • the second terminal 42 is connected to the drain of the transistor Tr1
  • the third terminal 43 is connected to the drain of the transistor Tr2.
  • the gate of the transistor Tr1 and the gate of the transistor Tr2 are connected to the word line WLj.
  • the source of the transistor Tr1 is connected to the first bit line BLi_1, and the source of the transistor Tr2 is connected to the second bit line BLi_2.
  • 1-bit data of “0” and “1” is assigned to the MTJ element 30 according to the resistance state.
  • the low resistance state and the high resistance state of the MTJ element 30 represent “0" and "1", respectively.
  • the data allocation to the MTJ element 30 may be reversed.
  • the MTJ element 30 of the memory cell MC located in the i-th row and the j-th column stores a data "0" in a low resistance state, that is, the magnetization M13 of the fixed layer 33 and the magnetization M11 of the free layer 31 are in the same direction. ..
  • the word line WLj is set to H level
  • the first bit line BLi_1 is set to H level
  • the second bit line BLi_2 is set to L level. To be done.
  • the transistors Tr1 and Tr2 are turned on, the write current flows from the first bit line BLi_1 side to the second bit line BLi_2 side in the antiferromagnetic layer 20, and a spin current is generated in the perpendicular direction by the magnetic spin Hall effect.
  • the magnetization M11 is inverted by the spin orbit torque acting on the magnetization M11, and the data “1” is written.
  • the MTJ element 30 of the memory cell MC located in the i-th row and the j-th column stores a data "1" in a high resistance state, that is, the magnetization M13 of the fixed layer 33 and the magnetization M11 of the free layer 31 are opposite to each other.
  • the word line WLj is set to the H level
  • the first bit line BLi_1 is set to the L level
  • the second bit line BLi_2 is set to the H level. To be done.
  • the transistors Tr1 and Tr2 are turned on, the write current flows in the antiferromagnetic layer 20 from the second bit line BLi_2 side to the first bit line BLi_1 side, and a spin current is generated in the perpendicular direction due to the magnetic spin Hall effect.
  • the magnetization M11 is inverted by the spin orbit torque acting on the magnetization M11, and the data “0” is written.
  • the word line WLj is set to the H level, and one of the first bit line BLi_1 and the second bit line BLi_2 is set to the H level.
  • the other is opened.
  • the transistors Tr1 and Tr2 are turned on, and the antiferromagnetic layer 20, the free layer 31, the barrier layer 32, the fixed layer 33, the first terminal 41, from the H-level first bit line BLi_1 or the second bit line BLi_2.
  • the read current flows to the ground line GNDj.
  • the structure in which the MTJ element 30 is laminated as the magnetoresistive element on the antiferromagnetic layer 20 is shown, but a magnetoresistive element other than the MTJ element 30 may be adopted.

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Abstract

スピントロニクス素子（１００）は、反強磁性層（２０）とＭＴＪ素子（３０）とを備える。反強磁性層（２０）は、磁気モーメントがキャントして微小な磁化を有するキャントした反強磁性体からなり、面内に平行な一方向（ｙ軸方向）に電流が流れると、電子のスピンが面直方向（ｚ軸方向）に平行に又は斜めに偏極したスピン蓄積を生成する。ＭＴＪ素子（３０）は、反強磁性層（２０）に積層され、積層方向である面直方向の磁化（Ｍ１１）を有する強磁性体を含み、反強磁性層（２０）において生成されたスピン流によって磁化（Ｍ１１）にスピン軌道トルクが働くことで、磁化（Ｍ１１）が反転可能である。

Description

スピントロニクス素子及び磁気メモリ装置
　本発明は、スピントロニクス素子及び磁気メモリ装置に関する。
　近年、不揮発性メモリとして磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の研究が進んでいる。現在実用化されているＭＲＡＭは、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を用いたＳＴＴ－ＭＲＡＭである（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、書き込みと読み出しに同一の電流パスを使うため、書き換え耐性に難がある。一方、書き換え耐性の大幅な向上が期待されるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いたＭＲＡＭ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）の研究及び開発が進んでいる（例えば、特許文献２参照）。
　面内磁化のＳＯＴ－ＭＲＡＭは、形状磁気異方性を利用しているため、メモリセルのサイズが大きい。また、面内の磁化容易軸方向から面内の磁化困難軸方向への異方性磁場は０．１Ｔ程度であるのに対し、面直方向に飽和させるためには、形状磁気異方性のために１Ｔ級の大きなバリアがある。このように、面内磁化のＳＯＴ－ＭＲＡＭは、磁化反転の際に異方的なパスを通過するため、磁化の複雑な歳差運動を起こし、書き込みエラーが起こる可能性が高くなる。また、磁化反転の際に有効的に大きなバリアを感じるため、磁化反転に必要な電流が大きくなる。
　一方、垂直磁化のＳＯＴ－ＭＲＡＭは、形状磁気異方性を利用しないため、メモリセルの小型化が可能となる。また、界面磁気異方性に起因する一軸異方性磁場は０．１Ｔ程度であるため、磁化反転の際のバリアは小さく、面内磁化のＳＯＴ－ＭＲＡＭよりも、磁化反転に必要な電流は小さくなり、消費電力を抑えることができる。
米国特許第８９８１５０３号明細書 特許第６１７８４５１号公報
　しかしながら、従来の垂直磁化のＳＯＴ－ＭＲＡＭは、磁化の回転方向を定めるため、一方向にバイアス磁場を印加する必要があった。このため、バイアス磁場を発生させる機構を設ける必要があった。
　ここで、隣接する磁気モーメントの向きが互い違いの磁気秩序を有する反強磁性体を強磁性体に隣接させると、交換バイアス（exchange bias）の作用によって、強磁性体に一方向のバイアス磁場が作用することが知られている。交換バイアスにより面内方向のバイアス磁場が発生すると、理論的には、外部磁場を要することなく（すなわち、ゼロ磁場で）、強磁性体においてスピン軌道トルクによる垂直磁化の反転が可能となる。
　しかしながら、交換バイアスを利用して強磁性体の磁化反転を繰り返すと、トレーニング効果（training effect）によって、反強磁性体と強磁性体との界面に働いている交換バイアス磁場が減少してくるため、磁化反転が起こりにくくなってしまうという問題が生じる。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、交換バイアスを用いることなくゼロ磁場で、スピン軌道トルクによる垂直磁化反転が可能なスピントロニクス素子及び磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態に係るスピントロニクス素子は、反強磁性層と磁気抵抗素子とを備える。反強磁性層は、磁気モーメントがキャントして微小な磁化を有するキャントした反強磁性体からなり、面内に平行な一方向に電流が流れると、電子のスピンが面直方向にスピン偏極した、又は面直方向に対して斜めにスピン偏極したスピン蓄積を生成する。磁気抵抗素子は、反強磁性層に積層され、積層方向である面直方向の垂直磁化を有する強磁性体を含み、反強磁性層において生成されたスピン流によって垂直磁化にスピン軌道トルクが働くことで、垂直磁化が反転可能である。
　本発明の実施形態に係る磁気メモリ装置は、複数のメモリセルがマトリクス状に配置され、複数のメモリセルの各々が、上記のスピントロニクス素子を有し、ビット線及びワード線に接続されている。
　本発明によれば、キャントした反強磁性体からなる反強磁性層において、電子のスピンが面直方向に平行に又は斜めにスピン偏極したスピン蓄積が生成されることで、交換バイアスを用いることなくゼロ磁場で、反強磁性層に積層された強磁性体における垂直磁化を反転させることができる。
Ｍｎ３Ｓｎの実空間における磁気構造及び運動量空間における仮想磁場を示す模式図である。 Ｍｎ３Ｓｎの実空間における磁気構造及び運動量空間における仮想磁場を示す模式図である。 室温でのＭｎ３Ｓｎのホール抵抗率及び磁化の磁場依存性を示すグラフである。 遷移金属における従来のスピンホール効果を示す模式図である。 Ｍｎ３Ｓｎが図１Ａの磁気構造を有するときの磁気スピンホール効果を示す模式図である。 Ｍｎ３Ｓｎが図１Ｂの磁気構造を有するときの磁気スピンホール効果を示す模式図である。 遷移金属（Ｐｔ、β－Ｔａ、β－Ｗ）とＭｎ３Ｓｎにおける電流からスピン流への変換効率を表すグラフである。 従来のスピンホール効果によるスピン軌道トルクを用いた垂直磁化反転を説明する模式図である。 本実施形態の磁気スピンホール効果によるスピン軌道トルクを用いた垂直磁化反転を説明する模式図である。 本実施形態に係る磁気メモリ装置の回路構成図の一例である。 図８の磁気メモリ装置を構成するメモリセルの回路構成図の一例である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面全体を通して、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。
　強磁性体は、磁化を有することから、モータ、発電機、磁気センサ、磁気メモリ等の幅広い分野のデバイスにおいて主要な構成要素として利用されてきた。一方、反強磁性体は、強磁性体とは異なり、磁化が極めて小さく、応答も微小で、制御が困難であることから、応用への展開がほとんどなされていない。
　近年、スピントロニクスの分野において、磁気メモリの微細化と高速処理が求められている。上述のように、反強磁性体は磁化が微小であるため、メモリセルの構成要素として反強磁性体を用いると、漏れ磁場が発生せず、磁気メモリの微細化に適しているといえる。さらに、反強磁性体は、強磁性体よりも数桁も大きい共鳴周波数（～１ＴＨｚ）を有することから、高速なデータ処理が期待される。
　本実施形態では、反強磁性体の磁気メモリへの応用例について説明する。まず、反強磁性体の一例としてＭｎ３Ｓｎの特性について説明する。
　Ｍｎ３Ｓｎは、三角形をベースとしたカゴメ格子と呼ばれる結晶構造をとる反強磁性体であり、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、実空間において、カゴメ格子が[０００１]方向（ｚ軸方向）に積層した構造を有する。カゴメ格子の頂点に位置するマンガン（Ｍｎ）は、幾何学的フラストレーションにより、４２０Ｋ以下の温度で、磁気モーメント（局在スピンの向き）が互いに１２０度傾いた非共線的な（non-collinear）スピン構造を示す。二層（ｚ＝０面とｚ＝１／２面）のカゴメ格子上に配置された３種類の６つのスピンのユニットは、六角形で示されるクラスター磁気八極子と呼ばれるスピン秩序を形成している。
　このような磁気構造は斜方晶の対称性を有し、三角形の頂点に位置するＭｎの３つの磁気モーメントのうちの１つのみが磁化容易軸に平行となる。他の２つの磁気モーメントが磁化容易軸に対してキャントしていることから、弱い強磁性モーメントを誘起すると考えられる。このように、磁気モーメントがキャントして微小な磁化を有する反強磁性体は、キャントした反強磁性体（canted antiferromagnet）と呼ばれる。
　実際、図２に示すように、Ｍｎ３Ｓｎにおいて、外部磁場の印加によって数ｍμＢの僅かな磁化が室温で観測されている。この値は、通常の強磁性体の磁化の１０００分の１程度でしかない。しかしながら、Ｍｎ３Ｓｎにおいて室温でホール効果を測定すると、図２に示すように、数百ガウス程度の低磁場によって磁化反転がみられ、これに伴い、ホール抵抗率の符号（正負）が鋭く変化し、ホール抵抗率が約６μΩｃｍ変化することが観測された。これは、磁化が数ｍμＢの反強磁性体において、強磁性体に匹敵する巨大な応答を示し、且つ室温において低磁場での制御が実現可能であることを意味する。
　近年の研究により、反強磁性体における大きな異常ホール効果は、運動量空間における仮想磁場（ベリー曲率）に由来することが明らかになっている。電磁気学の電荷に関するガウスの法則のように、この仮想磁場の湧き出しと吸い込みが、それぞれ、正の磁荷（＋）と負の磁荷（－）に対応する。
　図１Ａにおいて、実空間で外部磁場がｘ軸正方向に印加されたとき、実空間では、Ｍｎ３Ｓｎはスピンが互いにキャンセルするような磁気構造をとるが、運動量空間（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）では、正の磁荷（＋）と負の磁荷（－）がＫ点を挟んで双極子を形成しており、六方晶のブリルアンゾーン境界に双極子が強磁性的に並ぶ。この外部磁場を反転させると、Ｍｎ３Ｓｎにおける実空間の磁気構造及び運動量空間の仮想磁場は、図１Ｂに示すように反転する。図１Ａ及び図１Ｂに示す運動量空間での双極子の配列は、実空間での強磁性体のスピン配列と同様に、Ｍｎ３Ｓｎの磁気秩序が時間反転対称性を巨視的に破っていることを意味する。
　最近の研究により、図１Ａ及び図１Ｂに示すようなクラスター磁気八極子は、外部磁場の印加により操作可能であり、このクラスター磁気八極子の反転に伴って、１００Ｔ以上もの外部磁場に対応するような大きな仮想磁場が反転し、異常ホール効果等の輸送現象が制御可能であることが明らかになっている。
　運動量空間における大きな仮想磁場を利用すれば、以下に述べるように、電流をスピン流に変換するスピンホール効果が反強磁性体において発現すると考えられる。
　スピンホール効果とは、非磁性体等に電流を流したときに、スピン軌道相互作用による散乱により、電流に対して直交する方向にスピン流が発生する現象である。図３は、遷移金属層１０における従来のスピンホール効果を説明する模式図である。遷移金属層１０は、スピン軌道相互作用の強い白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等の遷移金属からなり、一方向（ｙ軸方向）に延在してｘ－ｙ平面に広がる板状をなす。
　図３に示すように、遷移金属層１０にｙ軸正方向の電子流Ｉｅ（ｙ軸負方向の電流）を流すと、ｘ軸正方向にスピン偏極した電子と、ｘ軸負方向にスピン偏極した電子とが、それぞれ、ｚ軸正方向とｚ軸負方向に分かれて散乱され、遷移金属層１０の上面側（ｚ軸正方向側）と下面側（ｚ軸負方向側）にそれぞれ蓄積する。これをスピン蓄積という。このように、面直方向（ｚ軸方向）にスピン流が生成されると、面内方向にスピン偏極した電子によってスピン軌道トルクを発生させることができる。
　本実施形態では、反強磁性体において発現するスピンホール効果（以下、「磁気スピンホール効果」と呼ぶ。）を扱う。
　図４Ａは、Ｍｎ３Ｓｎが図１Ａの磁気構造をとるときの磁気スピンホール効果を示し、図４Ｂは、Ｍｎ３Ｓｎが図１Ｂの磁気構造をとるときの磁気スピンホール効果を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、反強磁性層２０はＭｎ３Ｓｎからなり、一方向（ｙ軸方向）に延在してｘ－ｙ平面に広がる板状をなす。
　Ｍｎ３Ｓｎが図１Ａの磁気構造をとるとき、図４Ａに示すように、反強磁性層２０にｙ軸正方向の電子流Ｉｅ（ｙ軸負方向の電流）を流すと、反強磁性層２０の面直方向（ｚ軸方向）においてゼロではないスピン偏極成分が現れる。具体的には、反強磁性層２０の面直方向に平行に又は斜めにスピン偏極した電子が、反強磁性層２０の上面側（ｚ軸正方向側）と下面側（ｚ軸負方向側）に散乱され、表面に垂直成分を持つスピン蓄積が生成される。反強磁性層２０の上面側におけるスピン蓄積のスピン偏極方向と下面側におけるスピン蓄積のスピン偏極方向は互いに逆である。
　上述のように、図１Ａに示すＭｎ３Ｓｎに対して印加された外部磁場を反転させると、図１Ｂに示すように、実空間における磁気構造及び運動量空間における仮想磁場が反転する。Ｍｎ３Ｓｎが図１Ｂの磁気構造をとる反強磁性層２０に対して、図４Ａと同一方向に電流を流すと、図４Ｂに示すように、反強磁性層２０の上面と下面のスピン偏極方向が反転する。
　このように、外部磁場によってＭｎ３Ｓｎのスピン配列を変えることにより、表面のスピン蓄積におけるスピン偏極方向を制御することができるため、スピン軌道トルクの方向及び大きさも変化させることができる。あるいは、反強磁性層２０に流す電流の向きを逆にすることによっても（ｙ軸負方向からｙ軸正方向に変えることによって、又はその逆によって）、スピン偏極方向を反転させ、スピン軌道トルクの方向を変えることができる。
　Ｍｎ３Ｓｎにおける磁気スピンホール効果によって生成したスピン流を計測したところ、図５に示すように、電流からスピン流への変換効率（スピンホール角）が、スピン軌道相互作用の強いＰｔ、β－Ｔａ、及びβ－Ｗよりも高いことがわかった。
　以上より、Ｍｎ３Ｓｎではスピン軌道トルクの方向及び大きさが可変であり、且つ高い変換効率を示すことから、以下に述べるように、遷移金属における従来のスピン軌道トルクとは異なる、新しいタイプのスピン軌道トルクを発生させることができる。
　次に、図６及び図７を参照し、ＳＯＴ－ＭＲＡＭにおける垂直磁化反転について説明する。
　従来のＳＯＴ－ＭＲＡＭを構成する各メモリセルは、図６に示すように、遷移金属層１０に、磁気抵抗素子としての磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）３０が積層されたスピントロニクス素子を備える。ＭＴＪ素子３０は、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体からなり、面直方向（ｚ軸方向）の磁化Ｍ１１が反転可能なフリー層３１と、ＭｇＯ等の絶縁体からなるバリア層３２と、ＣｏＦｅＢ等の強磁性体からなり、磁化Ｍ１３の方向が面直方向（図６ではｚ軸正方向）に固定された固定層３３とを有する。遷移金属層１０上には、フリー層３１、バリア層３２及び固定層３３がこの順で積層されており、積層方向が面直方向に対応する。固定層３３の磁化Ｍ１３とフリー層３１の磁化Ｍ１１が同じ向きのとき（平行状態）、ＭＴＪ素子３０は低抵抗状態にあり、固定層３３の磁化Ｍ１３とフリー層３１の磁化Ｍ１１が互いに逆向きのとき（反平行状態）、ＭＴＪ素子３０は高抵抗状態にある。
　上述のように、遷移金属層１０に長手方向（ｙ軸方向）の電流を流すと、面内方向（ｘ軸方向）にスピン偏極したスピン流が面直方向（ｚ軸方向）に生成される。ここで、フリー層３１の磁化Ｍ１１の回転方向を定めるため、一方向にバイアス磁場Ｈｙを印加して、磁化Ｍ１１をバイアス磁場Ｈｙの方向に少し傾ける必要がある。図６では、ｙ軸正方向にバイアス磁場Ｈｙが印加された例を示している。バイアス磁場Ｈｙは、磁石による磁場、又は電気的に生成された外部磁場である。ＭＴＪ素子３０との界面で面内方向にスピン偏極した電子は、フリー層３１の磁化Ｍ１１にスピン軌道トルクを及ぼす。これにより、磁化Ｍ１１が、バイアス磁場Ｈｙで定まる方向に回転することで、磁化反転が起こる。
　本実施形態のＳＯＴ－ＭＲＡＭを構成するメモリセルは、図７に示すスピントロニクス素子１００を備える。スピントロニクス素子１００は、図７に示すように、反強磁性層２０にＭＴＪ素子３０が積層された構造を有する。上述のように、反強磁性層２０に長手方向（ｙ軸方向）の電流を流すと、反強磁性層２０の面直方向（ｚ軸方向）に平行に又は斜めにスピン偏極した電子が、反強磁性層２０の上面側（ｚ軸正方向側）と下面側（ｚ軸負方向側）に散乱され、それぞれの面でスピン蓄積が生成される。
　ＭＴＪ素子３０との界面において面直方向に平行に又は斜めにスピン偏極した電子は、フリー層３１の磁化Ｍ１１にスピン軌道トルクを及ぼす。スピン偏極方向が面直方向を向いているか、又は面直方向に対して斜めに傾いているため、磁化Ｍ１１がスピン偏極によるトルクを受けて回転することで、磁化反転が可能となる。反強磁性層２０に流す電流の向きを逆にすると、スピン偏極方向が反転するため、スピン軌道トルクの向きが変わる。
　具体的には、磁化Ｍ１１がｚ軸負方向を向いているとき、反強磁性層２０の界面（上面）でｚ軸正方向にゼロではないスピン偏極成分を有するスピン流が生じた場合、磁化Ｍ１１はそのスピン蓄積に基づくトルクを受けて回転することで、ｚ軸正方向に反転する。磁化Ｍ１１がｚ軸正方向を向いているとき、反強磁性層２０の界面（上面）でｚ軸負方向にゼロではないスピン偏極成分を有するスピン流が生じた場合、磁化Ｍ１１はそのスピン蓄積に基づくトルクを受けて回転することで、ｚ軸負方向に反転する。
　このように、本実施形態のスピントロニクス素子１００では、磁気スピンホール効果により、面直方向に平行に又は斜めにスピン偏極したスピン蓄積を生成するため、従来のようなバイアス磁場Ｈｙを要することなく、スピン流と磁化Ｍ１１（垂直磁化）とをカップルさせることができる。すなわち、スピン流のみでＭＴＪ素子３０の垂直磁化反転が可能となる。よって、交換バイアスを必要とせず、ゼロ磁場での垂直磁化反転を実現することができることから、誤書込み耐性及び書換え耐性に優れたＳＯＴ－ＭＲＡＭを提供することができる。
　次に、図８及び図９を参照して、本実施形態のＳＯＴ－ＭＲＡＭに対応する磁気メモリ装置２００について説明する。
　磁気メモリ装置２００は、図８に示すように、メモリセルアレイ１１０と、Ｘドライバ１２０と、Ｙドライバ１３０と、コントローラ１４０とを備え、メモリセルアレイ１１０にＸドライバ１２０及びＹドライバ１３０が接続され、Ｘドライバ１２０及びＹドライバ１３０にコントローラ１４０が接続されている。
　メモリセルアレイ１１０では、複数のメモリセルＭＣがｍ×ｎのマトリクス状に配置され、各メモリセルＭＣは、第１ビット線ＢＬｉ＿１及び第２ビット線ＢＬｉ＿２（ｉ＝１、２、…、ｍ）に接続されるとともに、ワード線ＷＬｊ及びグランド線ＧＮＤｊ（ｊ＝１、２、…、ｎ）に接続されている。
　Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬｊ（ｊ＝１、２、…、ｎ）に接続され、コントローラ１４０の制御のもとで、アクセス対象のワード線ＷＬｊをアクティブレベル（例えばＨレベル）に駆動する。グランド線ＧＮＤｊはグランド電圧に設定されている。なお、グランド線ＧＮＤｊには、グランド電圧以外の基準電圧を設定してもよい。
　Ｙドライバ１３０は、複数の一対のビット線（第１ビット線ＢＬｉ＿１及び第２ビット線ＢＬｉ＿２）（ｉ＝１、２、…、ｍ）に接続され、コントローラ１４０の制御のもとで、アクセス対象の第１ビット線ＢＬｉ＿１及び第２ビット線ＢＬｉ＿２の電圧レベル（Ｈレベル又はＬレベル）を設定する。
　各メモリセルＭＣは、図９に示すように、ＭＴＪ素子３０の固定層３３に第１端子４１が接続され、反強磁性層２０の一端部に第２端子４２が接続され、反強磁性層２０の他端部に第３端子４３が接続された３端子デバイスである。第２端子４２にはトランジスタＴｒ１が接続され、第３端子４３にはトランジスタＴｒ２が接続されている。本実施形態において、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２は、ＮＭＯＳ（N-channel metal oxide semiconductor）トランジスタであるものとする。
　第１端子４１はグランド線ＧＮＤｊに接続され、第２端子４２はトランジスタＴｒ１のドレインに接続され、第３端子４３はトランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。トランジスタＴｒ１のゲート及びトランジスタＴｒ２のゲートはワード線ＷＬｊに接続されている。トランジスタＴｒ１のソースは第１ビット線ＢＬｉ＿１に接続され、トランジスタＴｒ２のソースは第２ビット線ＢＬｉ＿２に接続されている。
　次に、ＭＴＪ素子３０へのデータの書き込み及びＭＴＪ素子３０からのデータの読み出しについて説明する。
　ＭＴＪ素子３０には、抵抗状態に応じて“０”と“１”の１ビットのデータが割り当てられる。本実施形態では、ＭＴＪ素子３０の低抵抗状態及び高抵抗状態が、それぞれ、“０”及び“１”を表すものとする。なお、ＭＴＪ素子３０へのデータの割り当ては逆であってもよい。
　ｉ行ｊ列に位置するメモリセルＭＣのＭＴＪ素子３０がデータ“０”を記憶している低抵抗状態、すなわち、固定層３３の磁化Ｍ１３とフリー層３１の磁化Ｍ１１が同じ向きにあるとする。この低抵抗状態で当該メモリセルＭＣにデータ“１”を書き込むとき、ワード線ＷＬｊがＨレベルに設定され、第１ビット線ＢＬｉ＿１がＨレベルに設定され、第２ビット線ＢＬｉ＿２がＬレベルに設定される。これにより、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２がオンとなり、反強磁性層２０において書き込み電流が第１ビット線ＢＬｉ＿１側から第２ビット線ＢＬｉ＿２側へ流れ、磁気スピンホール効果により面直方向にスピン流が生成され、磁化Ｍ１１にスピン軌道トルクが働くことで磁化Ｍ１１が反転し、データ“１”が書き込まれる。
　ｉ行ｊ列に位置するメモリセルＭＣのＭＴＪ素子３０がデータ“１”を記憶している高抵抗状態、すなわち、固定層３３の磁化Ｍ１３とフリー層３１の磁化Ｍ１１が互いに逆向きにあるとする。この高抵抗状態で当該メモリセルＭＣにデータ“０”を書き込むとき、ワード線ＷＬｊがＨレベルに設定され、第１ビット線ＢＬｉ＿１がＬレベルに設定され、第２ビット線ＢＬｉ＿２がＨレベルに設定される。これにより、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２がオンとなり、反強磁性層２０において書き込み電流が第２ビット線ＢＬｉ＿２側から第１ビット線ＢＬｉ＿１側へ流れ、磁気スピンホール効果により面直方向にスピン流が生成され、磁化Ｍ１１にスピン軌道トルクが働くことで磁化Ｍ１１が反転し、データ“０”が書き込まれる。
　なお、ＭＴＪ素子３０がデータ“０”を記憶している状態でデータ“０”を書き込む電流を反強磁性層２０に流した場合と、ＭＴＪ素子３０がデータ“１”を記憶している状態でデータ“１”を書き込む電流を反強磁性層２０に流した場合は、磁化Ｍ１１の方向と、反強磁性層２０の界面におけるスピン偏極方向とのなす角度が小さく、磁化Ｍ１１に働くスピン軌道トルクが小さくなるため、磁化Ｍ１１は反転せず、データの書き換えは起こらない。
　ｉ行ｊ列に位置するメモリセルＭＣに記憶されたデータを読み出すときは、ワード線ＷＬｊをＨレベルに設定し、第１ビット線ＢＬｉ＿１及び第２ビット線ＢＬｉ＿２の一方をＨレベルに設定し、他方を開放状態とする。これにより、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２がオンとなり、Ｈレベルの第１ビット線ＢＬｉ＿１又は第２ビット線ＢＬｉ＿２から、反強磁性層２０、フリー層３１、バリア層３２、固定層３３、第１端子４１、及びグランド線ＧＮＤｊへと読み出し電流が流れる。この読み出し電流の大きさを計測することにより、ＭＴＪ素子３０の抵抗状態、すなわち、メモリセルＭＣに記憶されたデータが得られる。
　なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が可能である。
　例えば、本実施形態では、磁気スピンホール効果が発現するキャントした反強磁性体の一例としてＭｎ３Ｓｎを挙げたが、組成式がＭｎ３Ｘ（Ｘ=Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ等）の大きな異常ホール効果を示すキャントした反強磁性体において、本実施形態が適用可能である。また、磁気スピンホール効果を示す他の反強磁性体の候補物質として、Ｍｎ１－ｘＴｒｘγ相（gamma-phase）（Ｔｒ＝Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ）がある。
　また、本実施形態では、反強磁性層２０に、磁気抵抗素子としてＭＴＪ素子３０が積層された構造を示したが、ＭＴＪ素子３０以外の磁気抵抗素子を採用してもよい。
２０　　反強磁性層
３０　　ＭＴＪ素子
３１　　フリー層
３２　　バリア層
３３　　固定層
１００　　スピントロニクス素子
１１０　　メモリセルアレイ
１２０　　Ｘドライバ
１３０　　Ｙドライバ
１４０　　コントローラ
２００　　磁気メモリ装置
ＢＬｉ＿１　　第１ビット線
ＢＬｉ＿２　　第２ビット線
ＧＮＤｊ　　グランド線
ＭＣ　　メモリセル
Ｔｒ１、Ｔｒ２　　トランジスタ
ＷＬｊ　　ワード線
 

Claims (8)

  1. 　磁気モーメントがキャントして微小な磁化を有するキャントした反強磁性体からなり、面内に平行な一方向に電流が流れると、電子のスピンが面直方向に平行に又は斜めに偏極したスピン蓄積を生成する反強磁性層と、
    　前記反強磁性層に積層され、積層方向である前記面直方向の垂直磁化を有する強磁性体を含み、前記反強磁性層において生成されたスピン流によって前記垂直磁化にスピン軌道トルクが働くことで、前記垂直磁化が反転可能な磁気抵抗素子と、
    　を備えるスピントロニクス素子。
  2. 　前記キャントした反強磁性体はクラスター磁気八極子のスピン秩序を有する、請求項１に記載のスピントロニクス素子。
  3. 　前記反強磁性層は、磁場の印加によって、前記キャントした反強磁性体の磁気構造が変化し、前記スピン流におけるスピンの偏極方向が変化する、請求項１又は２に記載のスピントロニクス素子。
  4. 　前記反強磁性層は、前記面内に平行に流す電流の向きによって、前記スピン流におけるスピンの偏極方向が変化する、請求項１～３の何れか１項に記載のスピントロニクス素子。
  5. 　前記キャントした反強磁性体は異常ホール効果を示す、請求項１～４の何れか１項に記載のスピントロニクス素子。
  6. 　前記キャントした反強磁性体は、組成式がＭｎ３Ｘで表され、
    　前記Ｘは、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｐｔ、又はＩｒである、請求項１～５の何れか１項に記載のスピントロニクス素子。
  7. 　前記磁気抵抗素子は、
    　前記反強磁性層に積層され、強磁性体からなり、前記垂直磁化が反転可能なフリー層と、
    　前記フリー層に積層され、絶縁体からなるバリア層と、
    　前記バリア層に積層され、強磁性体からなり、前記面直方向に磁化が固定された固定層と、を有する、請求項１～６の何れか１項に記載のスピントロニクス素子。
  8. 　複数のメモリセルがマトリクス状に配置された磁気メモリ装置であって、
    　前記複数のメモリセルの各々が、請求項１～７の何れか１項に記載のスピントロニクス素子を有し、ビット線及びワード線に接続されている、磁気メモリ装置。
     

     
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