WO2021130796A1 - 磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイ - Google Patents

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英嗣 小村
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic recording array.
  • Giant magnetoresistive (GMR) elements consisting of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a non-magnetic layer, and tunnel magnetoresistive (TMR) elements using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the non-magnetic layer are magnetic resistance.
  • TMR tunnel magnetoresistive
  • insulating layer tunnel barrier layer, barrier layer
  • Magnetoresistive elements can be applied to magnetic sensors, radio frequency components, magnetic heads and non-volatile random access memory (MRAM).
  • MRAM is a storage element in which a magnetoresistive element is integrated.
  • the MRAM reads and writes data by utilizing the characteristic that the resistance of the magnetoresistive sensor changes when the directions of magnetization of the two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer in the magnetoresistive element change.
  • the direction of magnetization of the ferromagnetic layer is controlled by using, for example, a magnetic field generated by an electric current. Further, for example, the direction of magnetization of the ferromagnetic layer is controlled by utilizing the spin transfer torque (STT) generated by passing a current in the stacking direction of the magnetoresistive sensor.
  • STT spin transfer torque
  • SOT spin-orbit torque
  • Patent Document 1 a writing method using spin-orbit torque (SOT) (for example, Patent Document 1).
  • SOT is induced by the spin current generated by spin-orbit interaction or the Rashba effect at the interface of dissimilar materials.
  • the current for inducing SOT in the magnetoresistive sensor flows in the direction intersecting the stacking direction of the magnetoresistive sensor. That is, it is not necessary to pass a current in the stacking direction of the magnetoresistive element, and it is expected that the life of the magnetoresistive element will be extended.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive element and a magnetic recording array capable of enhancing the reliability of data.
  • the present invention provides the following means for solving the above problems.
  • the magnetic resistance effect element according to the first aspect is laminated on the spin orbit torque wiring extending in the first direction and the spin orbit torque wiring, and the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, and the above.
  • a heat radiating layer that is separated from the laminated body and connects the spin orbit torque wiring and the conductive layer is provided.
  • the magnetoresistive sensor according to the above aspect further includes an insulating layer between the laminated body and the heat radiating layer, and the thermal conductivity of the heat radiating layer is higher than the thermal conductivity of the insulating layer. May be good.
  • the magnetoresistive effect element according to the above aspect has the first wiring and the first wiring connected to the spin-orbit torque wiring with the laminated body sandwiched in the first direction in a plan view from the stacking direction of the laminated body. Two wirings may be further provided.
  • the heat radiating layer may be in contact with the first wiring and the second wiring.
  • the distance of the first path from the end of the first wiring in the first direction to the conductive layer via the laminate is the heat radiation from the end. It may be longer than the distance of the second path reaching the conductive layer through the layer.
  • the heat dissipation layer may include any one selected from the group consisting of SiN, AlN, and MgO.
  • the contact surface between the heat radiation layer and the spin-orbit torque wiring may be inclined with respect to the stacking direction of the laminated body.
  • the heat radiating layer may cover a part of the surface of the conductive layer opposite to the surface in contact with the laminated body.
  • the heat radiating layer may be in contact with the surface of the spin-orbit torque wiring in contact with the laminated body.
  • the heat dissipation layer may be one continuous layer.
  • the magnetic recording array according to the second aspect has a plurality of magnetoresistive elements according to the above aspect.
  • the magnetoresistive element and the magnetic recording array according to the present embodiment can improve the reliability of data.
  • the x direction is the direction in which the spin-orbit torque wiring 20 described later extends, and is the length direction of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the x direction is an example of the second direction.
  • the y direction is an example of the second direction.
  • the z direction is a direction orthogonal to the x direction and the y direction.
  • the z direction is an example of the stacking direction.
  • the + z direction may be expressed as “up” and the ⁇ z direction may be expressed as “down”.
  • the top and bottom do not always coincide with the direction in which gravity is applied.
  • connection means that, for example, 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.
  • connection as used herein is not limited to the case of being physically connected. For example, not only when the two layers are physically in contact with each other, but also when the two layers are connected with another layer in between, the "connection” is also included. The case where the two members are electrically connected is also included in the "connection".
  • FIG. 1 is a block diagram of the magnetic recording array 200 according to the first embodiment.
  • the magnetic recording array 200 includes a plurality of magnetoresistive elements 100, a plurality of write wirings Wp1 to Wpn, a plurality of common wirings Cm1 to Cmn, a plurality of read wirings Rp1 to Rpn, and a plurality of first switching elements 110.
  • a plurality of second switching elements 120 and a plurality of third switching elements 130 are provided.
  • the magnetic recording array 200 can be used for, for example, a magnetic memory.
  • the write wirings Wp1 to Wpn electrically connect the power supply and one or more magnetoresistive elements 100.
  • Common wirings Cm1 to Cmn are wirings used both when writing data and when reading data.
  • the common wirings Cm1 to Cmn electrically connect the reference potential and one or more magnetoresistive elements 100.
  • the reference potential is, for example, ground.
  • the common wirings Cm1 to Cmn may be provided in each of the plurality of magnetoresistive elements 100, or may be provided across the plurality of magnetoresistive elements 100.
  • the readout wirings Rp1 to Rpn electrically connect the power supply and one or more magnetoresistive elements 100.
  • the power supply is connected to the magnetic recording array 200 during use.
  • the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 shown in FIG. 1 are connected to the respective magnetoresistive effect elements 100.
  • the first switching element 110 is connected between the magnetoresistive effect element 100 and the write wirings Wp1 to Wpn.
  • the second switching element 120 is connected between the magnetoresistive element 100 and the common wirings Cm1 to Cmn.
  • the third switching element 130 is connected between the magnetoresistive effect element 100 and the read wirings Rp1 to Rpn.
  • a write current flows between the write wirings Wp1 to Wpn connected to the predetermined magnetoresistive effect element 100 and the common wirings Cm1 to Cmn.
  • a read current flows between the common wirings Cm1 to Cmn connected to the predetermined magnetoresistive element 100 and the read wirings Rp1 to Rpn.
  • the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 are elements that control the flow of current.
  • the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 are, for example, a transistor, an element such as an Ovonic Threshold Switch (OTS) that utilizes a phase change of a crystal layer, and a metal insulator transition.
  • OTS Ovonic Threshold Switch
  • An element such as a (MIT) switch that utilizes a change in band structure, an element that utilizes a breakdown voltage such as a Zener diode and an avalanche diode, and an element whose conductivity changes as the atomic position changes.
  • any one of the first switching element 110, the second switching element 120, and the third switching element 130 may be shared by the magnetoresistive effect element 100 connected to the same wiring.
  • one first switching element 110 is provided upstream of the write wirings Wp1 to Wpn.
  • one second switching element 120 is provided upstream of the common wirings Cm1 to Cmn.
  • one third switching element 130 is provided upstream of the read wirings Rp1 to Rpn.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the magnetic recording array 200 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross section of the magnetoresistive effect element 100 cut along the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 described later in the y direction.
  • the first switching element 110 and the second switching element 120 shown in FIG. 2 are transistors Tr.
  • the third switching element 130 is electrically connected to the conductive layer 30 and is located, for example, in the y direction of FIG.
  • the transistor Tr is, for example, a field effect transistor, and has a gate electrode G, a gate insulating film GI, a source S formed on the substrate Sub, and a drain D.
  • the substrate Sub is, for example, a semiconductor substrate.
  • the transistor Tr and the magnetoresistive sensor 100 are electrically connected via the first wiring 60 or the second wiring 70. Further, the transistor Tr and the write wiring Wp or the common wiring Cm are connected by a conductive portion Cw.
  • the first wiring 60, the second wiring 70, and the conductive portion Cw may be referred to as, for example, a connection wiring or a via wiring.
  • the first wiring 60, the second wiring 70, and the conductive portion Cw include a material having conductivity.
  • the first wiring 60, the second wiring 70, and the conductive portion Cw extend in the z direction, for example.
  • the periphery of the magnetoresistive sensor 100 and the transistor Tr is covered with an insulating layer 90.
  • the insulating layer 90 is an insulating layer that insulates between the wirings of the multilayer wiring and between the elements.
  • the insulating layer 90 includes, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbonitide (SiCN), silicon oxynitride (SiON), and aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), zirconium oxide (ZrO x ) and the like.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is another cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross section of the magnetoresistive effect element 100 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
  • FIG. 4 is a cross section of the magnetoresistive effect element 100 cut in the yz plane passing through the center of the length of the spin-orbit torque wiring 20 in the x direction.
  • the magnetoresistive effect element 100 includes a laminate 10, a spin-orbit torque wiring 20, a conductive layer 30, a heat radiating layer 40, an insulating layer 50, a first wiring 60, and a second wiring 70.
  • the resistance value of the laminated body 10 in the z direction changes when spin is injected into the laminated body 10 from the spin-orbit torque wiring 20.
  • the magnetoresistive element 100 is a magnetic element using spin-orbit torque (SOT), and may be referred to as a spin-orbit torque type magnetoresistive element, a spin injection type magnetoresistive element, or a spin current magnetic resistance effect element. ..
  • the laminated body 10 is laminated on the spin-orbit torque wiring 20. Another layer may be provided between the laminate 10 and the spin-orbit torque wiring 20. The laminate 10 is sandwiched between the spin-orbit torque wiring 20 and the conductive layer 30 in the z direction.
  • the laminated body 10 is a columnar body.
  • the plan view shape of the laminated body 10 from the z direction is, for example, a circle, an ellipse, or a quadrangle.
  • the laminated body 10 has a first ferromagnetic layer 1, a second ferromagnetic layer 2, and a non-magnetic layer 3.
  • the first ferromagnetic layer 1 is in contact with, for example, the spin-orbit torque wiring 20 and is laminated on the spin-orbit torque wiring 20.
  • Spin is injected into the first ferromagnetic layer 1 from the spin-orbit torque wiring 20.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives spin-orbit torque (SOT) due to the injected spin, and the orientation direction changes.
  • SOT spin-orbit torque
  • the second ferromagnetic layer 2 is in the z direction of the first ferromagnetic layer 1.
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 sandwich the non-magnetic layer 3 in the z direction.
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 each have magnetization.
  • the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 is less likely to change in the orientation direction than the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 when a predetermined external force is applied.
  • the first ferromagnetic layer 1 is called a magnetization free layer
  • the second ferromagnetic layer 2 is sometimes called a magnetization fixed layer or a magnetization reference layer.
  • the resistance value of the laminated body 10 changes according to the difference in the relative angles of magnetization between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 sandwiching the non-magnetic layer 3.
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 include a ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic material is, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing at least one of these metals, and at least one of these metals and B, C, and N. It is an alloy containing the above elements.
  • the ferromagnetic material is, for example, Co—Fe, Co—Fe—B, Ni—Fe, Co—Ho alloy, Sm—Fe alloy, Fe—Pt alloy, Co—Pt alloy, CoCrPt alloy.
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 may contain a Whistler alloy.
  • Heusler alloy contains an intermetallic compound with XYZ or X 2 YZ chemical composition.
  • X is a transition metal element or noble metal element of Group Co, Fe, Ni, or Cu on the periodic table
  • Y is a transition metal of Group Mn, V, Cr or Ti, or an elemental species of X
  • Z is a group III. It is a typical element of Group V.
  • the Whisler 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 and the like. Whisler alloys have a high spin polarizability.
  • the laminate 10 may have an antiferromagnetic layer on the surface of the second ferromagnetic layer 2 opposite to the non-magnetic layer 3 via a spacer layer.
  • the second ferromagnetic layer 2, the spacer layer, and the antiferromagnetic layer have a synthetic antiferromagnetic structure (SAF structure).
  • the synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching a non-magnetic layer.
  • the antiferromagnetic coupling between the second ferromagnetic layer 2 and the antiferromagnetic layer increases the coercive force of the second ferromagnetic layer 2 as compared with the case without the antiferromagnetic layer.
  • the antiferromagnetic layer is, for example, IrMn, PtMn, or the like.
  • the spacer layer contains, for example, at least one selected from the group consisting of Ru, Ir, Rh.
  • the laminated body 10 may have a layer other than the first ferromagnetic layer 1, the second ferromagnetic layer 2, and the non-magnetic layer 3.
  • a base layer may be provided between the spin-orbit torque wiring 20 and the laminated body 10. The base layer enhances the crystallinity of each layer constituting the laminated body 10.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is in contact with, for example, one surface of the laminated body 10.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is an example of wiring, and is a writing wiring for writing data to the magnetoresistive effect element 100.
  • the spin-orbit torque wiring 20 has a length in the x direction longer than the y direction when viewed from the z direction, and extends in the x direction. At least a part of the spin-orbit torque wiring 20 sandwiches the first ferromagnetic layer 1 together with the non-magnetic layer 3 in the z direction.
  • the spin-orbit torque wiring 20 generates a spin current by the spin Hall effect when the current I flows, and injects spin into the first ferromagnetic layer 1.
  • the spin-orbit torque wiring 20 gives, for example, spin-orbit torque (SOT) sufficient to reverse the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
  • SOT spin-orbit torque
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is induced in a direction orthogonal to the direction in which a current flows, based on the spin-orbit interaction when a current is passed.
  • the spin Hall effect is common to the normal Hall effect in that moving (moving) charges (electrons) can bend in the moving (moving) direction.
  • the first spin oriented in the ⁇ y direction is bent in the + z direction
  • the second spin oriented in the + y direction is bent in the ⁇ z direction.
  • the number of electrons in the first spin and the number of electrons in the second spin generated by the spin Hall effect are equal. That is, the number of electrons in the first spin in the + z direction is equal to the number of electrons in the second spin in the ⁇ z direction.
  • the first spin and the second spin flow in the direction of eliminating the uneven distribution of spins. In the movement of the first spin and the second spin in the z direction, the charge flows cancel each other out, so that the amount of current becomes zero.
  • a spin current without an electric current is particularly called a pure spin current.
  • the electron flow of the first spin is J ⁇
  • the electron flow of the second spin is J ⁇
  • the spin current JS occurs in the z direction.
  • the first spin is injected into the first ferromagnetic layer 1 from the spin-orbit torque wiring 20.
  • the spin orbit torque wiring 20 is any one of metals, alloys, intermetal compounds, metal borides, metal carbides, metal silices, and metal phosphors having a function of generating a spin flow by the spin Hall effect when the current I flows. including.
  • the spin-orbit torque wiring 20 contains, for example, a non-magnetic heavy metal as a main component.
  • Heavy metal means a metal having a specific density of yttrium (Y) or more.
  • the non-magnetic heavy metal is, for example, a non-magnetic metal having a d-electron or an f-electron in the outermost shell and having an atomic number of 39 or more and a large atomic number.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is composed of, for example, Hf, Ta, and W.
  • Non-magnetic heavy metals have stronger spin-orbit interaction than other metals. The spin-hole effect is generated by the spin-orbit interaction, and spins are likely to be unevenly distributed in the spin-orbit torque wiring 20, and spin current JS is likely to occur.
  • the spin-orbit torque wiring 20 may also contain a magnetic metal.
  • the magnetic metal is a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal.
  • a small amount of magnetic metal contained in the non-magnetic material becomes a spin scattering factor.
  • the trace amount is, for example, 3% or less of the total molar ratio of the elements constituting the spin-orbit torque wiring 20.
  • the spin-orbit torque wiring 20 may include a topological insulator.
  • a topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistor, but a metallic state in which spin polarization occurs on the surface thereof.
  • an internal magnetic field is generated by spin-orbit interaction.
  • Topological insulators develop a new topological phase due to the effect of spin-orbit interaction even in the absence of 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 the edges.
  • Topological insulators include, 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 For example, Te 3 .
  • Topological insulators can generate spin currents with high efficiency.
  • the conductive layer 30 is on the opposite side of the spin-orbit torque wiring 20 of the laminated body 10.
  • the conductive layer 30 is in contact with, for example, the second ferromagnetic layer 2 of the laminated body 10.
  • the conductive layer 30 is made of a conductive material.
  • the conductive layer 30 includes, for example, any one selected from the group consisting of Al, Cu, Ta, Ti, Zr, NiCr, and nitrides (eg TiN, TaN, SiN).
  • the conductive layer 30 is, for example, a laminate of NiCr and Ta.
  • the conductive layer 30 may function as a cap layer of the laminated body 10. Further, the conductive layer 30 may function as a hard mask used in the manufacturing process of the magnetoresistive sensor 100.
  • the conductive layer 30 may be made of, for example, a transparent electrode material.
  • the conductive layer 30 is, for example, indium zinc oxide (IZO), indium-tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), antimony oxide-tin oxide system (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped oxidation. It may be tin (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ) or the like.
  • IZO indium zinc oxide
  • ITO indium-tin oxide
  • SnO 2 tin oxide
  • ATO antimony oxide-tin oxide system
  • ZnO zinc oxide
  • fluorine-doped oxidation It may be tin (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ) or the like.
  • the heat radiating layer 40 is separated from the laminated body 10 in, for example, the x direction and the y direction. There is, for example, an insulating layer 50 between the heat radiating layer 40 and the laminated body 10.
  • the heat radiating layer 40 connects the spin-orbit torque wiring 20 and the conductive layer 30.
  • the heat radiating layer 40 is, for example, one continuous layer surrounding the periphery of the laminated body 10.
  • the heat radiating layer 40 is a path for releasing heat generated in the spin-orbit torque wiring 20.
  • the heat radiating layer 40 has thermal conductivity and insulating properties.
  • the heat radiating layer 40 is, for example, more excellent in thermal conductivity than the insulating layer 50.
  • the heat radiating layer 40 includes a material that has insulating properties and is superior in thermal conductivity to the materials constituting the insulating layer 50.
  • the heat radiating layer 40 is made of, for example, a material having insulating properties and having higher thermal conductivity than the material constituting the insulating layer 50.
  • the heat radiating layer 40 includes, for example, any one selected from the group consisting of SiN, AlN, and MgO. For example, when the insulating layer 50 is SiO 2 , the heat radiating layer 40 may be SiN.
  • the insulating layer 50 is between the laminated body 10 and the heat radiating layer 40.
  • the insulating layer 50 surrounds, for example, the periphery of the laminate 10.
  • the insulating layer 50 is made of, for example, the same material as the insulating layer 90 described above.
  • the first wiring 60 and the second wiring 70 sandwich the laminated body 10 in the x direction in a plan view from the z direction.
  • the first wiring 60 and the second wiring 70 are wirings extending in the z direction.
  • the first wiring 60, the second wiring 70, and the conductive portion Cw include a material having conductivity.
  • the magnetoresistive sensor 100 is formed by a laminating step of each layer and a processing step of processing a part of each layer into a predetermined shape.
  • a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam vapor deposition method (EB vapor deposition method), an atomic laser deposit method, or the like can be used for the lamination of each layer.
  • CVD chemical vapor deposition
  • EB vapor deposition method electron beam vapor deposition method
  • atomic laser deposit method or the like.
  • the processing of each layer can be performed by using photolithography or the like.
  • impurities are doped at a predetermined position on the substrate Sub to form the source S and the drain D.
  • a gate insulating film GI and a gate electrode G are formed between the source S and the drain D.
  • the source S, drain D, gate insulating film GI, and gate electrode G serve as transistors Tr.
  • the insulating layer 90 is formed so as to cover the transistor Tr. Further, by forming an opening in the insulating layer 90 and filling the opening with a conductor, the first wiring 60, the second wiring 70, and the conductive portion Cw are formed.
  • the write wiring Wp and the common wiring Cm are formed by laminating the insulating layer 90 to a predetermined thickness, forming a groove in the insulating layer 90, and filling the groove with a conductor.
  • the wiring layer, the ferromagnetic layer, the non-magnetic layer, and the ferromagnetic layer are laminated in this order on one surface of the insulating layer 90, the first wiring 60, and the second wiring 70.
  • the wiring layer is processed into a predetermined shape.
  • the wiring layer is processed into a predetermined shape to become a spin-orbit torque wiring 20.
  • the laminated body formed on the wiring layer is processed into a predetermined shape to obtain the laminated body 10.
  • an insulating layer is laminated on the spin-orbit torque wiring 20 and the laminated body 10.
  • the insulating layer 50 can be obtained by removing a portion of the laminated insulating layer other than the portion laminated on the spin-orbit torque wiring 20 (including the portion laminated on the upper surface of the laminated body 10). Next, the conductive layer 30 is formed on the laminated body 10 and the insulating layer 50. Finally, by stacking the heat radiating layers 40, the spin-orbit torque wiring 20 and the conductive layer 30 are connected by the heat radiating layer 40. After that, the other portion is filled with the insulating layer 90 to obtain the magnetoresistive sensor 100.
  • the magnetoresistive sensor 100 has a data writing operation and a data reading operation.
  • the operation of recording data on the magnetoresistive sensor 100 will be described.
  • the first switching element 110 and the second switching element 120 connected to the magnetoresistive element 100 for which data is to be recorded are turned on.
  • a write current flows through the spin-orbit torque wiring 20.
  • a spin Hall effect occurs, and spin is injected into the first ferromagnetic layer 1.
  • the spin injected into the first ferromagnetic layer 1 adds a spin orbital torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 to change the orientation direction of the magnetization of the first ferromagnetic layer 1.
  • SOT spin orbital torque
  • the direction of the spin injected into the first ferromagnetic layer 1 is reversed, so that the orientation direction of the magnetization can be freely controlled.
  • the resistance value of the laminated body 10 in the stacking direction is small when the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 are parallel, and the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 are small. It becomes large when the magnetization of 2 is antiparallel. Data is recorded in the magnetoresistive element 100 as the resistance value in the stacking direction of the laminated body 10.
  • the operation of reading data from the magnetoresistive sensor 100 will be described.
  • the first switching element 110 or the second switching element 120 connected to the magnetoresistive element 100 for which data is to be recorded and the third switching element 130 are turned on.
  • a read current flows in the stacking direction of the laminated body 10. If the resistance value of the laminated body 10 in the stacking direction is different according to Ohm's law, the output voltage will be different. Therefore, for example, by reading the voltage in the stacking direction of the laminated body 10, the data recorded in the magnetoresistive sensor 100 can be read out.
  • the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment can efficiently remove the heat generated in the spin-orbit torque wiring 20 during the writing operation, and is excellent in data stability. The reason for this will be specifically described below.
  • the spin-orbit torque wiring 20 often contains heavy metals. Heavy metals have high electrical resistance and become a heat source.
  • the heat generated in the spin-orbit torque wiring 20 reduces the stability of the magnetization of the magnetoresistive effect element 100 and causes the reliability of the stored data to decrease. Most of the generated heat is discharged to the outside through the first wiring 60, the second wiring 70, and the conductive layer 30 having excellent thermal conductivity. When the number of heat paths from the spin-orbit torque wiring 20 to the first wiring 60, the second wiring 70, or the conductive layer 30 increases, the heat exhaust property of the magnetoresistive effect element 100 is improved.
  • the heat generated in the spin-orbit torque wiring 20 is transmitted to the conductive layer 30 through the insulating layer 50, and the heat passes in the vicinity of the laminated body 10.
  • the heat may reduce the stability of the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 and change the direction of magnetization.
  • the resistance value of the laminated body 10 changes, and the read data is rewritten.
  • the heat radiating layer 40 is arranged at a position separated from the laminated body 10. Therefore, the heat generated in the spin-orbit torque wiring 20 is transmitted to the heat radiating layer 40 away from the laminated body 10, and the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 may change. It is suppressed. That is, the magnetoresistive sensor 100 can stably hold data and is highly reliable.
  • a path for the heat generated in the spin-orbit torque wiring 20 to reach the conductive layer 30 there are a first path R1 passing through the laminated body 10 and a second path R2 passing through the heat radiating layer 40.
  • first path R1 passing through the laminated body 10
  • second path R2 passing through the heat radiating layer 40.
  • the distance of the first path R1 to reach the conductive layer 30 via the conductive layer 30 is preferably longer than the distance of the second path R2 from the first end portion 60E to the conductive layer 30 via the heat radiating layer 40.
  • the first end portion 60E is a portion where the current density rapidly increases when a current flows from the first wiring 60 to the spin-orbit torque wiring 20, and heat is likely to be generated.
  • the first end portion 70E is used.
  • the distance of the path from the first end 70E to the conductive layer 30 via the laminate 10 is preferably longer than the distance of the path from the first end 70E to the conductive layer 30 via the heat radiating layer 40.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 101 according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is another cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 101 according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a cross section of the magnetoresistive effect element 101 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 21 in the y direction.
  • FIG. 6 is a cross section of the magnetoresistive effect element 101 cut in the yz plane passing through the center of the length in the x direction of the spin-orbit torque wiring 21.
  • the magnetoresistive element 101 includes a laminate 11, a spin-orbit torque wiring 21, a conductive layer 31, a heat radiating layer 41, an insulating layer 51, a first wiring 61, and a second wiring 71.
  • the laminated body 11 is the same as the laminated body 10 according to the first embodiment.
  • Each of the spin track torque wiring 21, the conductive layer 31, the heat dissipation layer 41, the insulating layer 51, the first wiring 61, and the second wiring 71, except for the shape, is the spin track torque wiring 20 and the conductive layer according to the first embodiment.
  • 30, the heat radiating layer 40, the insulating layer 50, the first wiring 60, and the second wiring 70 are the same. Therefore, the magnetoresistive sensor 101 according to the second embodiment has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • the heat dissipation layer 41 is inclined with respect to the z direction.
  • the contact surfaces 21s and 21t between the heat radiating layer 41 and the spin-orbit torque wiring 21 are inclined with respect to the z direction.
  • the contact surfaces 31s and 31t between the heat radiating layer 41 and the conductive layer 31 are inclined with respect to the z direction.
  • the heat dissipation layer 41 is in contact with the first wiring 61 and the second wiring 71.
  • the first wiring 61 and the second wiring 71 are exposed, and the heat dissipation layer 41, the first wiring 61, and the first wiring 61 are exposed. It comes into contact with the second wiring 71. Since the first wiring 61 and the second wiring 71 also have excellent thermal conductivity, the heat dissipation efficiency can be further improved by having a heat path directly from the heat radiating layer 41 to the first wiring 61 and the second wiring 71. ..
  • the heat radiating layer 41 covers a part of the second surface 31b of the conductive layer 31.
  • the second surface 31b is a surface opposite to the first surface 31a
  • the first surface 31a is a surface in contact with the laminated body 10.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 102 according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is another cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 102 according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a cross section of the magnetoresistive effect element 102 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 22 in the y direction.
  • FIG. 8 is a cross section of the magnetoresistive effect element 102 cut in the yz plane passing through the center of the length in the x direction of the spin-orbit torque wiring 22.
  • the magnetoresistive element 102 includes a laminate 12, a spin-orbit torque wiring 22, a conductive layer 32, a heat radiating layer 42, an insulating layer 52, a first wiring 62, and a second wiring 72.
  • Each of the laminate 12, the spin track torque wiring 22, the conductive layer 32, the heat radiation layer 42, the insulating layer 52, the first wiring 62, and the second wiring 72, except for the shape, is the spin track torque wiring according to the first embodiment.
  • 20, the conductive layer 30, the heat radiating layer 40, the insulating layer 50, the first wiring 60, and the second wiring 70 are the same. Therefore, the magnetoresistive sensor 102 according to the third embodiment has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • the heat radiating layer 42 is inclined with respect to the z direction.
  • the contact surfaces 22s and 22t between the heat radiating layer 42 and the spin-orbit torque wiring 22 are inclined with respect to the z direction.
  • the laminated body 12 is in contact with the heat radiating layer 42 in the y direction.
  • the heat reaching the conductive layer 32 via the heat radiating layer 42 passes in the vicinity of the laminated body 12 in the y direction.
  • the heat generated in the vicinity of the laminated body 10 passes through the inside of the laminated body 10 which is originally excellent in thermal conductivity and hardly reaches the heat radiating layer 42. Therefore, the heat radiating layer 42 is in contact with the laminated body 12 in the y direction. May be good. If the laminate 12 and the heat radiating layer 42 are separated from each other in the x direction, the effect of increasing the thermal stability of the magnetoresistive sensor 102 can be obtained.
  • the conductive layer 32 is formed on the heat radiating layer 42, the insulating layer 52, and the laminated body 12.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 103 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is another cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 103 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a cross section of the magnetoresistive effect element 103 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 23 in the y direction.
  • FIG. 10 is a cross section of the magnetoresistive effect element 103 cut in the yz plane passing through the center of the length in the x direction of the spin-orbit torque wiring 23.
  • the magnetoresistive effect element 103 includes a laminate 13, a spin-orbit torque wiring 23, a conductive layer 33, a heat radiating layer 43, an insulating layer 53, a first wiring 63, and a second wiring 73.
  • Each of the laminate 13, the spin track torque wiring 23, the conductive layer 33, the heat radiation layer 43, the insulating layer 53, the first wiring 63, and the second wiring 73, except for the shape, is the spin track torque wiring according to the first embodiment.
  • 20, the conductive layer 30, the heat radiating layer 40, the insulating layer 50, the first wiring 60, and the second wiring 70 are the same. Therefore, the magnetoresistive sensor 103 according to the fourth embodiment has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • a part of the heat dissipation layer 43 is inclined with respect to the z direction.
  • the contact surfaces 23s and 23t between the heat radiating layer 43 and the spin-orbit torque wiring 23 are inclined with respect to the z direction.
  • the contact surfaces 33s and 33t between the heat radiating layer 43 and the conductive layer 33 are inclined with respect to the z direction.
  • the heat radiating layer 43 has a stepped shape having a terrace along the xy plane and a step standing up against the xy plane.
  • the heat radiating layer 43 is in contact with the first surface 23a of the spin-orbit torque wiring 23.
  • the first surface 23a is a surface in contact with the laminated body 13 of the spin-orbit torque wiring 23.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 104 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 12 is another cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 104 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 11 is a cross section of the magnetoresistive effect element 104 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 24 in the y direction.
  • FIG. 12 is a cross section of the magnetoresistive effect element 104 cut in the yz plane passing through the center of the length in the x direction of the spin-orbit torque wiring 24.
  • the magnetoresistive element 104 includes a laminate 14, a spin-orbit torque wiring 24, a conductive layer 34, a heat radiating layer 44, an insulating layer 54, a first wiring 64, and a second wiring 74. Further, in FIGS. 11 and 12, the insulating layer 90 surrounding the magnetic resistance effect element 104 is simultaneously illustrated.
  • the insulating layer 90 is composed of an insulating layer 91, an insulating layer 92, and an insulating layer 93.
  • Each of the laminate 14, the spin track torque wiring 24, the conductive layer 34, the heat radiation layer 44, the insulating layer 54, the first wiring 64, and the second wiring 74, except for the shape, is the spin track torque wiring according to the first embodiment.
  • 20, the conductive layer 30, the heat radiating layer 40, the insulating layer 50, the first wiring 60, and the second wiring 70 are the same.
  • the heat radiating layer 44 is in contact with the first surface 24a of the spin-orbit torque wiring 24 and the second surface 34b of the conductive layer 34.
  • the magnetoresistive sensor 104 is manufactured by the following procedure. First, the first wiring 64 and the second wiring 74 are formed by providing an opening in the insulating layer 91 and filling it with a conductor. Next, the wiring layer is laminated on the insulating layer 91, the first wiring 64, and the second wiring 74. Next, the wiring layer is processed in the x-direction and the y-direction to form the spin-orbit torque wiring 24. When the wiring layer is processed in the x direction, the ends of the first wiring 64 and the second wiring 74 are removed by overetching.
  • the circumference of the spin-orbit torque wiring 24 is covered with the insulating layer 92. After that, by performing chemical mechanical polishing (CMP), the upper surface of the insulating layer 92 and the upper surface of the spin-orbit torque wiring 24 become flat.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a ferromagnetic layer, a non-magnetic layer, and a ferromagnetic layer are laminated on the insulating layer 92 and the spin-orbit torque wiring 24.
  • a hard mask layer is formed at a predetermined position on the ferromagnetic layer. Using the hard mask layer as a mask, the laminated ferromagnetic layer, non-magnetic layer, and ferromagnetic layer are processed to obtain a laminated body 14.
  • the hard mask layer is the conductive layer 34.
  • the insulating layer 54, the heat radiating layer 44, and the insulating layer 93 are laminated in this order so as to cover the conductive layer 34, the spin-orbit torque wiring 24, and the insulating layer 92. Finally, an opening for forming an electrode electrically connected to the conductive layer 34 is formed at a position overlapping the conductive layer 34 when viewed from the z direction.
  • the magnetoresistive sensor 104 according to the fifth embodiment also has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 105 according to the sixth embodiment.
  • FIG. 14 is another cross-sectional view of the magnetoresistive sensor 105 according to the sixth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross section of the magnetoresistive effect element 105 cut in the xz plane passing through the center of the width of the spin-orbit torque wiring 25 in the y direction.
  • FIG. 14 is a cross section of the magnetoresistive effect element 105 cut in the yz plane passing through the center of the length of the spin-orbit torque wiring 25 in the x direction.
  • the magnetoresistive element 105 includes a laminate 15, a spin-orbit torque wiring 25, a conductive layer 35, a heat radiating layer 45, an insulating layer 55, a first wiring 65, and a second wiring 75. Further, in FIGS. 13 and 14, the insulating layer 90 surrounding the magnetic resistance effect element 104 is simultaneously illustrated.
  • the insulating layer 90 is composed of an insulating layer 91 and an insulating layer 94.
  • Each of the laminate 15, the spin track torque wiring 25, the conductive layer 35, the heat radiation layer 45, the insulating layer 55, the first wiring 65, and the second wiring 75, except for the shape, is the spin track torque wiring according to the first embodiment.
  • 20, the conductive layer 30, the heat radiating layer 40, the insulating layer 50, the first wiring 60, and the second wiring 70 are the same.
  • the heat radiating layer 45 is in contact with the first surface 25a of the spin-orbit torque wiring 25 and the second surface 35b of the conductive layer 35.
  • the magnetoresistive sensor 105 is manufactured by the following procedure. First, the first wiring 64 and the second wiring 74 are formed by providing an opening in the insulating layer 91 and filling it with a conductor. Next, the wiring layer, the ferromagnetic layer, the non-magnetic layer, and the ferromagnetic layer are laminated on the insulating layer 91, the first wiring 64, and the second wiring 74. Next, a hard mask layer having the same shape as the spin-orbit torque wiring 25 to be produced is formed on the upper surface of the ferromagnetic layer, and the wiring layer, the ferromagnetic layer, the non-magnetic layer, and the ferromagnetic layer are processed at once. The ends of the first wiring 65 and the second wiring 75 are removed by overetching.
  • the shapes of the laminated ferromagnetic layer, non-magnetic layer, and ferromagnetic layer in the x direction are processed to obtain a laminated body 15.
  • the hard mask layer after processing becomes the conductive layer 35.
  • the insulating layer 55, the heat radiating layer 45, and the insulating layer 94 are laminated in this order so as to cover the conductive layer 35 and the spin-orbit torque wiring 25. Finally, an opening for forming an electrode electrically connected to the conductive layer 35 is formed at a position overlapping the conductive layer 35 when viewed from the z direction.
  • the magnetoresistive sensor 105 according to the sixth embodiment also has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.

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Abstract

本実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、第１方向に延びるスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に積層され、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある非磁性層と、を有する積層体と、前記積層体の前記スピン軌道トルク配線と反対側に接する導電層と、前記第１方向において前記積層体と離間し、前記スピン軌道トルク配線と前記導電層とを繋ぐ放熱層と、を備える。

Description

磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイ
　本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイに関する。
　強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子は、磁気抵抗効果素子として知られている。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）への応用が可能である。
　ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子が集積された記憶素子である。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子における非磁性層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化すると、磁気抵抗効果素子の抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。強磁性層の磁化の向きは、例えば、電流が生み出す磁場を利用して制御する。また例えば、強磁性層の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して制御する。
　ＳＴＴを利用して強磁性層の磁化の向きを書き換える場合、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性劣化の原因となる。
　近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（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誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流れる。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
特開２０１７－２１６２８６号公報
　大きなＳＯＴを得るためには、大きなスピン軌道相互作用を示す材料を配線に用いる必要がある。例えば、ＴａやＷのような重金属は、スピンホール角が大きく、大きなスピン軌道相互作用を示す材料と言われている。しかしながら、これらの重金属は電気抵抗が大きく、発熱源となる。配線で生じた熱は、磁気抵抗効果素子の磁化の安定性を低下させ、記憶されたデータの信頼性を低下させる原因となる。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、データの信頼性を高めることができる磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイを提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１方向に延びるスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に積層され、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある非磁性層と、を有する積層体と、前記積層体の前記スピン軌道トルク配線と反対側に接する導電層と、前記第１方向において前記積層体と離間し、前記スピン軌道トルク配線と前記導電層とを繋ぐ放熱層と、を備える。
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記積層体と前記放熱層との間に、絶縁層をさらに備え、前記放熱層の熱伝導率は、前記絶縁層の熱伝導率より高くてもよい。
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記積層体の積層方向からの平面視で前記第１方向と交差する第２方向において、前記放熱層と前記積層体とが離間していてもよい。
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記積層体の積層方向からの平面視で、前記積層体を前記第１方向に挟み、前記スピン軌道トルク配線に接続された第１配線と第２配線とをさらに備えてもよい。
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記放熱層は前記第１配線及び前記第２配線と接してもよい。
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１方向における前記第１配線の端部から前記積層体を介して前記導電層へ至る第１経路の距離は、前記端部から前記放熱層を介して前記導電層で至る第２経路の距離より長くてもよい。
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記放熱層は、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯからなる群から選択される何れかを含んでもよい。
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記放熱層と前記スピン軌道トルク配線との接触面が、前記積層体の積層方向に対して傾斜していてもよい。
（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記放熱層は、前記導電層の前記積層体と接する面と反対側の面の一部を被覆してもよい。
（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記放熱層は、前記スピン軌道トルク配線の前記積層体と接する面と接していてもよい。
（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記放熱層は、連続する一つの層であってもよい。
（１２）第２の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を複数有する。
　本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子及び磁気記録アレイは、データの信頼性を高めることができる。
第１実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの要部の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。 第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。 第６実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第６実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の別の断面図である。
　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。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、後述するスピン軌道トルク配線２０が延びる方向であり、スピン軌道トルク配線２０の長さ方向である。ｘ方向は、第２方向の一例である。ｙ方向は、第２方向の一例である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
　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。また本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また２つの部材が電気的に接続されている場合も「接続」に含まれる。
「第１実施形態」
　図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。
　書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、複数の磁気抵抗効果素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘って設けられてもよい。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００に接続される。
　図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に接続されている。第１スイッチング素子１１０は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁気抵抗効果素子１００のと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁気抵抗効果素子１００と読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に接続されている。
　第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。
　第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
　第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。
　図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の要部の断面図である。図２は、磁気抵抗効果素子１００を後述するスピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
　図２に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子１３０は、導電層３０と電気的に接続され、例えば、図２のｙ方向に位置する。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩと基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤとを有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。
　トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、第１配線６０又は第２配線７０を介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐ又は共通配線Ｃｍとは、導電部Ｃｗで接続されている。第１配線６０、第２配線７０及び導電部Ｃｗは、例えば、接続配線、ビア配線と言われることがある。第１配線６０、第２配線７０及び導電部Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。第１配線６０、第２配線７０及び導電部Ｃｗは、例えば、ｚ方向に延びる。
　磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層９０で覆われている。絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。
　図３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の別の断面図である。図３は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。図４は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。
　磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０と導電層３０と放熱層４０と絶縁層５０と第１配線６０と第２配線７０とを備える。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した磁性素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。
　積層体１０は、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。積層体１０とスピン軌道トルク配線２０との間には、他の層を有してもよい。積層体１０は、ｚ方向に、スピン軌道トルク配線２０と導電層３０とに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。
　積層体１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と接し、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。第１強磁性層１にはスピン軌道トルク配線２０からスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受け、配向方向が変化する。第２強磁性層２は、第１強磁性層１のｚ方向にある。第１強磁性層１と第２強磁性層２は、ｚ方向に非磁性層３を挟む。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。第２強磁性層２の磁化は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。強磁性体は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ合金、Ｓｍ－Ｆｅ合金、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
　第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、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。
　積層体１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。
　積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、スピン軌道トルク配線２０と積層体１０との間に下地層を有してもよい。下地層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。
　スピン軌道トルク配線２０は、例えば、積層体１０の一面に接する。スピン軌道トルク配線２０は配線の一例であり、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向より長く、ｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。
　スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉ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、第１強磁性層１にスピンを注入する。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化に与える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、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、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、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。
　例えば、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、－ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが－ｚ方向に曲げられる。
　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スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。すなわち、＋ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。第１スピンと第２スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピン及び第２スピンのｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、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スピンの電子の流れをＪ↑、第２スピンの電子の流れを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。第１スピンは、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に注入される。
　スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉ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を含む。
　スピン軌道トルク配線２０は、例えば、主成分として非磁性の重金属を含む。重金属は、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、例えば、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。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗからなる。非磁性の重金属は、その他の金属よりスピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、スピン軌道トルク配線２０内に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、この他に、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。微量とは、例えば、スピン軌道トルク配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により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。
　導電層３０は、積層体１０のスピン軌道トルク配線２０と反対側にある。導電層３０は、例えば、積層体１０の第２強磁性層２に接する。導電層３０は、導電性を有する材料からなる。導電層３０は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ、窒化物（例えばＴｉＮ、ＴａＮ、ＳｉＮ）からなる群から選択される何れかを含む。導電層３０は、例えば、ＮｉＣｒとＴａとの積層体である。導電層３０は、積層体１０のキャップ層として機能してもよい。また導電層３０は、磁気抵抗効果素子１００の製造過程に用いられるハードマスクとして機能してもよい。
　導電層３０は、例えば、透明電極材料からなってもよい。導電層３０は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）等でもよい。導電層３０が透明であると、第１強磁性層１又は第２強磁性層２の磁化の配向方向を外部から読み取りやすくなる。
　放熱層４０は、例えば、ｘ方向及びｙ方向において積層体１０と離間している。放熱層４０と積層体１０との間には、例えば、絶縁層５０がある。放熱層４０は、スピン軌道トルク配線２０と導電層３０とを繋ぐ。放熱層４０は、例えば、積層体１０の周囲を囲む連続する一つの層である。放熱層４０は、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱を逃がす経路である。
　放熱層４０は、熱伝導性と絶縁性を有する。放熱層４０は、例えば、絶縁層５０より熱伝導性に優れる。放熱層４０は、絶縁性を有し、絶縁層５０を構成する材料より熱伝導性に優れる材料を含む。放熱層４０は、例えば、絶縁性を有し、絶縁層５０を構成する材料より熱伝導性に優れる材料からなる。放熱層４０は、例えば、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、からなる群から選択される何れかを含む。例えば、絶縁層５０がＳｉＯ２の場合、放熱層４０はＳｉＮでもよい。
　絶縁層５０は、積層体１０と放熱層４０との間にある。絶縁層５０は、例えば、積層体１０の周囲を囲む。絶縁層５０は、例えば、上述の絶縁層９０と同様の材料からなる。
　第１配線６０及び第２配線７０は、ｚ方向からの平面視で、積層体１０をｘ方向に挟む。第１配線６０及び第２配線７０は、ｚ方向に延びる配線である。第１配線６０、第２配線７０及び導電部Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。
　次いで、磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、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等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。
　まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。
　次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層９０を形成する。また絶縁層９０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで第１配線６０、第２配線７０及び導電部Ｃｗが形成される。書き込み配線Ｗｐ、共通配線Ｃｍは、絶縁層９０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９０に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。
　次いで、絶縁層９０、第１配線６０及び第２配線７０の一面に、配線層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層する。次いで、配線層を所定の形状に加工する。配線層は所定の形状に加工されることで、スピン軌道トルク配線２０となる。次いで、配線層上に形成された積層体を所定の形状に加工し、積層体１０を得る。次いで、スピン軌道トルク配線２０及び積層体１０の上に、絶縁層を積層する。積層された絶縁層のうちスピン軌道トルク配線２０上に積層された部分（積層体１０の上面に積層された部分を含む）以外を取り除くことで、絶縁層５０が得られる。次いで、積層体１０及び絶縁層５０上に、導電層３０を形成する。最後に、放熱層４０を積層することで、スピン軌道トルク配線２０と導電層３０とが放熱層４０で接続される。その後、その他の部分を絶縁層９０で埋め、磁気抵抗効果素子１００が得られる。
　次いで、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の動作について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、データの書き込み動作とデータの読み出し動作がある。
　まずデータを磁気抵抗効果素子１００に記録する動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにする。第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れる。スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第１強磁性層１に注入される。第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を加え、第１強磁性層１の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。
　積層体１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが平行の場合に小さく、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体１０の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子１００にデータが記録される。
　次いで、データを磁気抵抗効果素子１００から読み出す動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０又は第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０をＯＮにする。各スイッチング素子をこのように設定すると、積層体１０の積層方向に読み出し電流が流れる。オームの法則により積層体１０の積層方向の抵抗値が異なると、出力される電圧が異なる。そのため、例えば積層体１０の積層方向の電圧を読み出すことで、磁気抵抗効果素子１００に記録されたデータを読み出すことができる。
　第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、書き込み動作時にスピン軌道トルク配線２０で生じる熱を効率的に除去でき、データの安定性に優れる。以下、この理由について具体的に説明する。
　スピン軌道トルク配線２０は、重金属を含む場合が多い。重金属は、電気抵抗が大きく、発熱源となる。スピン軌道トルク配線２０で生じた熱は、磁気抵抗効果素子１００の磁化の安定性を低下させ、記憶されたデータの信頼性を低下させる原因となる。発生した熱の多くは、熱伝導性に優れる第１配線６０、第２配線７０及び導電層３０を伝って、外部に排出される。スピン軌道トルク配線２０から第１配線６０、第２配線７０又は導電層３０に至る熱の経路が増えると、磁気抵抗効果素子１００の排熱性が向上する。
　排熱性を向上させる一つの手段として、積層体１０の周囲を囲む絶縁層５０の熱伝導性を高めることが考えられる。しかしながら、この場合、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱は絶縁層５０を伝って導電層３０へ至ることになり、積層体１０の近傍を熱が通過することになる。積層体１０の近傍を熱が通過すると、その熱により第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化の安定性が低下し、磁化の向きが変化する恐れがある。第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角が変化すると、積層体１０の抵抗値が変化し、読み出されるデータが書き換わる。
　これに対し、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０から離間した位置に放熱層４０が配置されている。そのため、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱は、積層体１０から離れた放熱層４０を伝わることになり、第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化の向きが変化することが抑制される。つまり、磁気抵抗効果素子１００は、データを安定的に保持でき、信頼性が高い。
　ここで、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱が導電層３０へ至る経路として、積層体１０を通過する第１経路Ｒ１と放熱層４０を通過する第２経路Ｒ２とがある。例えば、第１配線６０とスピン軌道トルク配線２０との接続面のうち、ｘ方向において、積層体１０に最も近い部分を第１端部６０Ｅとした際に、第１端部６０Ｅから積層体１０を介して導電層３０へ至る第１経路Ｒ１の距離は、第１端部６０Ｅから放熱層４０を介して導電層３０へ至る第２経路Ｒ２の距離より長いことが好ましい。第１経路Ｒ１より第２経路Ｒ２が短いと、生じた熱の多くが第２経路Ｒ２を伝わり、積層体１０への熱の影響をより抑えることができる。第１端部６０Ｅは、第１配線６０からスピン軌道トルク配線２０に電流が流れる際に電流密度が急激に高まる部分であり、発熱しやすい。
　また同様に、例えば、第２配線７０とスピン軌道トルク配線２０との接続面のうち、ｘ方向において、積層体１０に最も近い部分を第１端部７０Ｅとした際に、第１端部７０Ｅから積層体１０を介して導電層３０へ至る経路の距離は、第１端部７０Ｅから放熱層４０を介して導電層３０へ至る経路の距離より長いことが好ましい。
「第２実施形態」
　図５は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。図６は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１の別の断面図である。図５は、スピン軌道トルク配線２１のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面である。図６は、スピン軌道トルク配線２１のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面である。
　第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１は、積層体１１とスピン軌道トルク配線２１と導電層３１と放熱層４１と絶縁層５１と第１配線６１と第２配線７１とを備える。
　積層体１１は、第１実施形態に係る積層体１０と同様である。スピン軌道トルク配線２１、導電層３１、放熱層４１、絶縁層５１、第１配線６１及び第２配線７１のそれぞれは、形状を除いて、第１実施形態に係るスピン軌道トルク配線２０、導電層３０、放熱層４０、絶縁層５０、第１配線６０及び第２配線７０と同様である。そのため、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。
　放熱層４１は、ｚ方向に対して傾斜している。放熱層４１とスピン軌道トルク配線２１との接触面２１ｓ、２１ｔは、ｚ方向に対して傾斜している。また放熱層４１と導電層３１との接触面３１ｓ、３１ｔは、ｚ方向に対して傾斜している。接触面２１ｓ，２１ｔ，３１ｓ，３１ｔがｚ方向に対して傾斜すると、傾斜していない場合と比較して接触面積が増大する。放熱層４１との接触面積が大きくなると、放熱効率が向上する。
　また放熱層４１は、第１配線６１及び第２配線７１と接する。スピン軌道トルク配線２０を作製する際のｘ方向の加工の際に、スピン軌道トルク配線２０をオーバーエッチングすると、第１配線６１及び第２配線７１が露出し、放熱層４１と第１配線６１及び第２配線７１とが接する。第１配線６１及び第２配線７１も熱伝導性に優れるため、放熱層４１から第１配線６１及び第２配線７１に直接至る熱の経路があることで、より放熱効率を向上させることができる。
　また放熱層４１は、導電層３１の第２面３１ｂの一部を被覆している。第２面３１ｂは第１面３１ａと反対側の面であり、第１面３１ａは積層体１０と接する面である。放熱層４１が導電層３１の第２面３１ｂと接することで、放熱層４１と導電層３１との接触面積が大きくなり、放熱効率がより向上する。
「第３実施形態」
　図７は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図８は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の別の断面図である。図７は、スピン軌道トルク配線２２のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０２を切断した断面である。図８は、スピン軌道トルク配線２２のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１０２を切断した断面である。
　第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、積層体１２とスピン軌道トルク配線２２と導電層３２と放熱層４２と絶縁層５２と第１配線６２と第２配線７２とを備える。
　積層体１２、スピン軌道トルク配線２２、導電層３２、放熱層４２、絶縁層５２、第１配線６２及び第２配線７２のそれぞれは、形状を除いて、第１実施形態に係るスピン軌道トルク配線２０、導電層３０、放熱層４０、絶縁層５０、第１配線６０及び第２配線７０と同様である。そのため、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。
　放熱層４２は、ｚ方向に対して傾斜している。放熱層４２とスピン軌道トルク配線２２との接触面２２ｓ、２２ｔは、ｚ方向に対して傾斜している。
　積層体１２は、ｙ方向において、放熱層４２と接している。この場合、放熱層４２を介して導電層３２に至る熱は、ｙ方向においては積層体１２の近傍を通過することになる。しかしながら、積層体１２から離れた位置で発生した熱が積層体１２の近傍を通過せずに、放熱層４２を通過することが重要である。積層体１０の近傍で生じた熱は、もともと熱伝導性に優れる積層体１０の内部を通過し、放熱層４２にはほとんど至らないため、ｙ方向において放熱層４２が積層体１２と接していてもよい。積層体１２と放熱層４２とがｘ方向に離間されていれば、磁気抵抗効果素子１０２の熱安定性を高めるという効果は得られる。
　また導電層３２は、放熱層４２、絶縁層５２及び積層体１２上に形成されている。導電層３２を積層する前に放熱層４２を形成することで、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２が得られる。
「第４実施形態」
　図９は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３の断面図である。図１０は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３の別の断面図である。図９は、スピン軌道トルク配線２３のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０３を切断した断面である。図１０は、スピン軌道トルク配線２３のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１０３を切断した断面である。
　第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、積層体１３とスピン軌道トルク配線２３と導電層３３と放熱層４３と絶縁層５３と第１配線６３と第２配線７３とを備える。
　積層体１３、スピン軌道トルク配線２３、導電層３３、放熱層４３、絶縁層５３、第１配線６３及び第２配線７３のそれぞれは、形状を除いて、第１実施形態に係るスピン軌道トルク配線２０、導電層３０、放熱層４０、絶縁層５０、第１配線６０及び第２配線７０と同様である。そのため、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。
　放熱層４３の一部は、ｚ方向に対して傾斜している。放熱層４３とスピン軌道トルク配線２３との接触面２３ｓ、２３ｔは、ｚ方向に対して傾斜している。放熱層４３と導電層３３との接触面３３ｓ、３３ｔは、ｚ方向に対して傾斜している。
　また放熱層４３は、ｘｙ平面に沿うテラスと、ｘｙ平面に対して起立するステップとを有する階段状である。放熱層４３は、スピン軌道トルク配線２３の第１面２３ａと接する。第１面２３ａは、スピン軌道トルク配線２３の積層体１３と接する面である。放熱層４３がスピン軌道トルク配線２３の第１面２３ａと接することで、放熱層４３とスピン軌道トルク配線２３との接触面積が大きくなり、放熱効率がより向上する。
「第５実施形態」
　図１１は、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４の断面図である。図１２は、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４の別の断面図である。図１１は、スピン軌道トルク配線２４のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０４を切断した断面である。図１２は、スピン軌道トルク配線２４のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１０４を切断した断面である。
　第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４は、積層体１４とスピン軌道トルク配線２４と導電層３４と放熱層４４と絶縁層５４と第１配線６４と第２配線７４とを備える。また図１１及び図１２では、磁気抵抗効果素子１０４の周囲を囲む絶縁層９０を同時に図示している。絶縁層９０は、絶縁層９１、絶縁層９２及び絶縁層９３からなる。
　積層体１４、スピン軌道トルク配線２４、導電層３４、放熱層４４、絶縁層５４、第１配線６４及び第２配線７４のそれぞれは、形状を除いて、第１実施形態に係るスピン軌道トルク配線２０、導電層３０、放熱層４０、絶縁層５０、第１配線６０及び第２配線７０と同様である。放熱層４４は、スピン軌道トルク配線２４の第１面２４ａ及び導電層３４の第２面３４ｂと接している。
　第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４は、以下の手順で作製される。まず絶縁層９１に開口を設け、導電体で充填することで、第１配線６４及び第２配線７４が形成される。次いで、絶縁層９１、第１配線６４及び第２配線７４上に配線層を積層する。次いで、配線層をｘ方向及びｙ方向に加工し、スピン軌道トルク配線２４を形成する。配線層をｘ方向に加工する際に、オーバーエッチングすることで、第１配線６４及び第２配線７４の端部が除去される。
　次いで、スピン軌道トルク配線２４の周囲を絶縁層９２で被覆する。その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うことで、絶縁層９２の上面とスピン軌道トルク配線２４の上面とが平坦になる。次いで、絶縁層９２及びスピン軌道トルク配線２４の上に、強磁性層、非磁性層、強磁性層を積層する。そして、強磁性層の上の所定の位置に、ハードマスク層を形成する。ハードマスク層をマスクとして、積層した強磁性層、非磁性層、強磁性層を加工し、積層体１４を得る。ハードマスク層は、導電層３４となる。
　次いで、導電層３４、スピン軌道トルク配線２４及び絶縁層９２を覆うように、絶縁層５４、放熱層４４、絶縁層９３を順に積層する。最後に、導電層３４と電気的に接続される電極を形成するための開口を、ｚ方向から見て導電層３４と重なる位置に形成する。
　第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４も、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。
「第６実施形態」
　図１３は、第６実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５の断面図である。図１４は、第６実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５の別の断面図である。図１３は、スピン軌道トルク配線２５のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１０５を切断した断面である。図１４は、スピン軌道トルク配線２５のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１０５を切断した断面である。
　第６実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５は、積層体１５とスピン軌道トルク配線２５と導電層３５と放熱層４５と絶縁層５５と第１配線６５と第２配線７５とを備える。また図１３及び図１４では、磁気抵抗効果素子１０４の周囲を囲む絶縁層９０を同時に図示している。絶縁層９０は、絶縁層９１及び絶縁層９４からなる。
　積層体１５、スピン軌道トルク配線２５、導電層３５、放熱層４５、絶縁層５５、第１配線６５及び第２配線７５のそれぞれは、形状を除いて、第１実施形態に係るスピン軌道トルク配線２０、導電層３０、放熱層４０、絶縁層５０、第１配線６０及び第２配線７０と同様である。放熱層４５は、スピン軌道トルク配線２５の第１面２５ａ及び導電層３５の第２面３５ｂと接している。
　第６実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５は、以下の手順で作製される。まず絶縁層９１に開口を設け、導電体で充填することで、第１配線６４及び第２配線７４が形成される。次いで、絶縁層９１、第１配線６４及び第２配線７４上に配線層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を積層する。次いで、強磁性層の上面に、作製するスピン軌道トルク配線２５と同様の形状のハードマスク層を形成し、配線層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を一度に加工する。第１配線６５及び第２配線７５の端部は、オーバーエッチングにより除去される。
　次いで、ハードマスク層のｘ方向の一部を除去する。次いで、形状が加工されたハードマスク層をマスクとして、積層した強磁性層、非磁性層、強磁性層のｘ方向の形状を加工し、積層体１５を得る。加工後のハードマスク層は、導電層３５となる。
　次いで、導電層３５及びスピン軌道トルク配線２５を覆うように、絶縁層５５、放熱層４５、絶縁層９４を順に積層する。最後に、導電層３５と電気的に接続される電極を形成するための開口を、ｚ方向から見て導電層３５と重なる位置に形成する。
　第６実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５も、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。
　ここまで、第１実施形態から第６実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。
１　第１強磁性層
２　第２強磁性層
３　非磁性層
１０，１１，１２，１３，１４，１５　積層体
２０，２１，２２，２３，２４，２５　スピン軌道トルク配線
３０，３１，３２，３３，３４，３５　導電層
４０，４１，４２，４３，４４，４５　放熱層
５０，５１，５２，５３，５４，５５，９０，９１，９２，９３，９４　絶縁層
６０，６１，６２，６３，６４，６５　第１配線
７０，７１，７２，７３，７４，７５　第２配線
２１ｓ，２１ｔ，２２ｓ，２２ｔ，２３ｓ,２３ｔ，３１ｓ，３１ｔ，３３ｓ,３３ｔ　接触面
２３ａ，２４ａ，２５ａ，３１ａ　第１面
３１ｂ，３４ｂ，３５ｂ　第２面
６０Ｅ，７０Ｅ　第１端部
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５　磁気抵抗効果素子
１１０　第１スイッチング素子
１２０　第２スイッチング素子
１３０　第３スイッチング素子
２００　磁気記録アレイ
Ｃｍ１～Ｃｍｎ　共通配線
Ｃｗ　導電部
Ｄ　ドレイン
Ｇ　ゲート電極
ＧＩ　ゲート絶縁膜
Ｒｐ１～Ｒｐｎ　読み出し配線
Ｒ１　第１経路
Ｒ２　第２経路
Ｓ　ソース
Ｓｕｂ　基板
Ｔｒ　トランジスタ
Ｗｐ１～Ｗｐｎ　書き込み配線

Claims (12)

  1. 　第１方向に延びるスピン軌道トルク配線と、
    　前記スピン軌道トルク配線に積層され、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間にある非磁性層と、を有する積層体と、
    　前記積層体の前記スピン軌道トルク配線と反対側に接する導電層と、
    　前記第１方向において前記積層体と離間し、前記スピン軌道トルク配線と前記導電層とを繋ぐ放熱層と、を備える、磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記積層体と前記放熱層との間に、絶縁層をさらに備え、
    　前記放熱層の熱伝導率は、前記絶縁層の熱伝導率より高い、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記積層体の積層方向からの平面視で前記第１方向と交差する第２方向において、前記放熱層と前記積層体とが離間している、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記積層体の積層方向からの平面視で、前記積層体を前記第１方向に挟み、前記スピン軌道トルク配線に接続された第１配線と第２配線とをさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記放熱層は前記第１配線及び前記第２配線と接する、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記第１方向における前記第１配線の端部から前記積層体を介して前記導電層へ至る第１経路の距離は、前記端部から前記放熱層を介して前記導電層で至る第２経路の距離より長い、請求項４又は５に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記放熱層は、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯからなる群から選択される何れかを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　前記放熱層と前記スピン軌道トルク配線との接触面が、前記積層体の積層方向に対して傾斜している、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 　前記放熱層は、前記導電層の前記積層体と接する面と反対側の面の一部を被覆する、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 　前記放熱層は、前記スピン軌道トルク配線の前記積層体と接する面と接している、請求項１～９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 　前記放熱層は、連続する一つの層である、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 　請求項１～１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を複数有する、磁気記録アレイ。
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