WO2022102770A1 - 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ Download PDF

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幸祐 濱中
陽平 塩川
稔 佐貫
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetization rotating element, a magnetoresistive effect element, and a magnetic memory.
  • 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, high 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 direction of mutual magnetization of the two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer in the magnetoresistive sensor changes.
  • 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 effect element.
  • STT spin transfer torque
  • SOT spin-orbit torque
  • Patent Document 1 describes that in a magnetoresistive effect element using spin-orbit torque, magnetization reversal of a ferromagnetic layer becomes easy by using spin-orbit torque wiring as a laminated film and increasing the number of laminated interfaces.
  • Spin-orbit torque wiring tends to generate heat by applying a write current.
  • thermal stress is applied to the spin-orbit torque wiring.
  • the spin-orbit torque wiring is composed of a plurality of layers, the spin-orbit torque wiring may be distorted due to the difference in the expansion rate of each layer. The strain causes cracks and peeling between layers of the laminated film.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetized rotation element, a magnetoresistive effect element, and a magnetic memory capable of suppressing deterioration of spin-orbit torque wiring due to strain.
  • the present invention provides the following means for solving the above problems.
  • the magnetizing rotating element includes a spin-orbit torque wiring and a first ferromagnetic layer in contact with the spin-orbit torque wiring, and the spin-orbit torque wiring is the first ferromagnetic layer. It has a first layer, a second layer, and a third layer in order from the side closest to the above, and the linear expansion coefficient of the material constituting the second layer is the linear expansion of the material constituting the first layer. It is between the coefficient and the linear expansion coefficient of the material constituting the third layer.
  • the first layer contains a first element as a main element
  • the second layer contains a second element different from the first element as a main element
  • the first layer is described.
  • the third layer contains the first element and a third element different from the second element as main elements, and the linear expansion coefficient of the second element is the linear expansion coefficient of the first element and the linear expansion of the third element. It may be between the elements.
  • the first layer contains a first element as a main element
  • the second layer contains a second element different from the first element as a main element
  • the first layer is described.
  • the third layer contains the first element and a third element different from the second element as the main elements, and the first element and the third element are Au, Bi, Hf, Ir, Mo, Pd, Pt, Rh. , Ru, Ta, W, Ag, Al, Cu, Ge, Si, and the second element is Ag, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, Hf, Ir, It may be any one of Mo, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru and Ta.
  • the first element is any one of Au, Bi, Hf, Ir, Mo, Pd, Pt, Rh, Ru, Ta, and W
  • the second element is any one of Ag, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, Hf, Ir, Mo, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, and Ta
  • the third element is It may be any one of Ag, Al, Cu, Ge and Si.
  • the peripheral length of the first layer is shorter than the peripheral lengths of the second layer and the third layer, and the peripheral length of the second layer is the peripheral length of the third layer. It may be shorter than the perimeter.
  • the peripheral length of the first layer is longer than the peripheral lengths of the second layer and the third layer, and the peripheral length of the second layer is the peripheral length of the third layer. It may be longer than the perimeter.
  • the magnetization rotating element according to the above aspect may further include a fourth layer containing the same material as the second layer, and a fifth layer containing the same material as the first layer or the third layer. ..
  • the fourth layer is between the fifth layer and the third layer.
  • the film thickness of the second layer may be thinner than the film thickness of the first layer and the third layer.
  • the second layer may be a continuous film having a plurality of openings or a layer including a plurality of components scattered in an island shape.
  • the magnetization rotating element according to the above aspect further includes an intermediate layer in contact with the spin orbit torque wiring and a conductive layer connected to the spin orbit torque wiring via the intermediate layer, and the intermediate layer is provided.
  • the coefficient of linear expansion of the constituent material may be between the coefficient of linear expansion of the layer in contact with the intermediate layer and the coefficient of linear expansion of the conductive layer.
  • the magnetic resistance effect element according to the second aspect is the magnetized rotating element according to the above aspect, a non-magnetic layer in contact with the first ferromagnetic layer of the magnetized rotating element, and the first ferromagnetic layer. A second ferromagnetic layer with a non-magnetic layer sandwiched between them is provided.
  • the magnetic memory according to the third aspect includes a plurality of the above-mentioned magnetoresistive elements.
  • the magnetization rotating element, magnetoresistive effect element, and magnetic memory according to the present invention can suppress deterioration of spin-orbit torque wiring due to strain.
  • the x direction is, for example, a direction from the first conductive layer 31 to the second conductive layer 32.
  • 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 in which each layer is laminated.
  • the + z direction may be expressed as “up” and the ⁇ z direction may be expressed as “down”.
  • the top and bottom do not always match the direction in which gravity is applied.
  • connection means that, for example, the dimension in the x direction is larger than the smallest dimension among the dimensions in the x direction, the y direction, and the z direction. The same applies when extending in other directions.
  • connection is not limited to the case of being physically connected. For example, not only when two layers are physically in contact with each other, but also when two layers are connected by sandwiching another layer between them is included in "connection".
  • FIG. 1 is a block diagram of the magnetic array 200 according to the first embodiment.
  • the magnetic array 200 includes a plurality of magnetoresistive elements 100, a plurality of write wiring WLs, a plurality of common wiring CLs, a plurality of read wiring RLs, a plurality of first switching elements Sw1, and a plurality of second switching elements. It includes Sw2 and a plurality of third switching elements Sw3.
  • the magnetic array 200 can be used for, for example, a magnetic memory.
  • Each write wiring WL electrically connects the power supply and one or more magnetoresistive elements 100.
  • the common wiring CL is wiring used both when writing data and when reading data, respectively.
  • Each of the common wiring CLs electrically connects the reference potential and one or more magnetoresistive elements 100.
  • the reference potential is, for example, ground.
  • the common wiring CL 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 wiring RL electrically connects the power supply and one or more magnetoresistive elements 100, respectively.
  • the power supply is connected to the magnetic array 200 during use.
  • Each magnetoresistive element 100 is connected to the first switching element Sw1, the second switching element Sw2, and the third switching element Sw3, respectively.
  • the first switching element Sw1 is connected between the magnetoresistive effect element 100 and the write wiring WL.
  • the second switching element Sw2 is connected between the magnetoresistive effect element 100 and the common wiring CL.
  • the third switching element Sw3 is connected to the read wiring RL extending over the plurality of magnetoresistive element 100.
  • a write current flows between the write wiring WL connected to the predetermined magnetoresistive effect element 100 and the common wiring CL.
  • the write current flows, data is written to the predetermined magnetoresistive element 100.
  • the second switching element Sw2 and the third switching element Sw3 are turned on, a read current flows between the common wiring CL connected to the predetermined magnetoresistive element 100 and the read wiring RL.
  • the read current flows, data is read from the predetermined magnetoresistive element 100.
  • the first switching element Sw1, the second switching element Sw2, and the third switching element Sw3 are elements that control the flow of current.
  • the first switching element Sw1, the second switching element Sw2, and the third switching element Sw3 are, for example, a transistor, an element utilizing a phase change of a crystal layer such as an Ovonic Threshold Switch (OTS), and a metal insulator transition.
  • 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.
  • the magnetoresistive effect element 100 connected to the same wiring shares the third switching element Sw3.
  • the third switching element Sw3 may be provided in each magnetoresistive element 100. Further, a third switching element Sw3 may be provided in each magnetoresistive element 100, and the first switching element Sw1 or the second switching element Sw2 may be shared by the magnetoresistive element 100 connected to the same wiring.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a characteristic portion of the magnetic array 200 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross section of the magnetoresistive element 100 cut along the xz plane passing through the center of the width in the y direction of the spin-orbit torque wiring 20 described later.
  • the first switching element Sw1 and the second switching element Sw2 shown in FIG. 2 are transistor Trs.
  • the third switching element Sw3 is electrically connected to the read wiring RL 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 via wiring V, the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32. Further, the transistor Tr and the write wiring WL or the common wiring CL are connected by a via wiring V.
  • the via wiring V extends in the z direction, for example.
  • the read wiring RL is connected to the laminated body 10 via the electrode E.
  • the via wiring V, the electrode E, the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 include a material having conductivity.
  • the periphery of the magnetoresistive effect element 100 and the transistor Tr is covered with an insulating layer In.
  • the insulating layer In is an insulating layer that insulates between the wirings of the multilayer wiring and between the elements.
  • the insulating layer In may be, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbide (SiCN), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), zirconium oxide (ZrO x ), magnesium oxide (MgO), aluminum nitride (AlN) and the like.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the magnetoresistive effect element 100.
  • FIG. 3 is a cross section of the magnetoresistive 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 plan view of the magnetoresistive effect element 100 as viewed from the z direction.
  • the magnetoresistive element 100 includes, for example, a laminate 10, a spin-orbit torque wiring 20, a first conductive layer 31, and a second conductive layer 32.
  • the laminate 10 is electrically in contact with the spin-orbit torque wiring 20.
  • the laminate 10 is physically in contact with, for example, the spin-orbit torque wiring 20.
  • the laminated body 10 is laminated on or above the spin-orbit torque wiring 20, for example. Another layer may be provided between the laminate 10 and the spin-orbit torque wiring 20.
  • the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 are connected to the spin-orbit torque wiring 20.
  • Another layer may be provided between each of the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 and the spin-orbit torque wiring 20.
  • the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 are located at positions sandwiching the laminated body 10 when viewed from the z direction.
  • 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 track torque wiring 20.
  • the magnetoresistive effect 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 sandwiched between the spin-orbit torque wiring 20 and the electrode E (see FIG. 2) 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 side surface 10s of the laminated body 10 is inclined with respect to the z direction, for example.
  • the laminated body 10 has, for example, 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.
  • 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 sometimes referred to as a magnetization free layer
  • the second ferromagnetic layer 2 is sometimes referred to as a magnetization fixed layer or a magnetization reference layer.
  • the magnetization fixing layer is on the side away from the substrate Sub, and is called a top pin structure.
  • 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 ferromagnet.
  • the ferromagnetic material is, for example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, and at least one of these metals and B, C, and N. It is an alloy containing the element of.
  • 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.
  • Whisler alloys include intermetallic compounds with a chemical composition of XYZ or X2YZ .
  • 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 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 non-magnetic layer 3 contains a non-magnetic material.
  • the non-magnetic layer 3 is an insulator (when it is a tunnel barrier layer), for example, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 and the like can be used as the material thereof.
  • a material or the like in which a part of Al, Si, and Mg is replaced with Zn, Be, or the like can also be used.
  • MgO and MgAl2O4 are materials that can realize a coherent tunnel, so that spin can be efficiently injected.
  • the non-magnetic layer 3 is a metal, Cu, Au, Ag or the like can be used as the material.
  • the non-magnetic layer 3 is a semiconductor, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 and the like can be used as the material.
  • 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 first ferromagnetic layer 1.
  • the base layer enhances the crystallinity of each layer constituting the laminated body 10.
  • the cap layer may be provided on the uppermost surface of the laminated body 10.
  • the laminated body 10 may have a ferromagnetic 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 ferromagnetic layer have a synthetic antiferromagnetic structure (SAF structure).
  • the synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching the non-magnetic layer.
  • the antiferromagnetic coupling between the second ferromagnetic layer 2 and the ferromagnetic layer increases the coercive force of the second ferromagnetic layer 2 as compared with the case without the ferromagnetic layer.
  • the ferromagnetic 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 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.
  • the write current flows in the x direction of the spin-orbit torque wiring 20.
  • 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, a 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 the moving (moving) charge (electron) can bend 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. Spin currents without current are especially called pure spin currents.
  • 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 has a first layer 21, a second layer 22, and a third layer 23 in order from the side closer to the first ferromagnetic layer 1.
  • the second layer 22 is between the first layer 21 and the third layer 23.
  • the first layer 21 is closer to the first ferromagnetic layer 1 than the third layer 23.
  • the first layer 21, the second layer 22, and the third layer 23 have different materials or compositions.
  • the coefficient of linear expansion of the material constituting the second layer 22 is between the coefficient of linear expansion of the material constituting the first layer 21 and the coefficient of linear expansion of the material constituting the third layer 23.
  • the coefficient of linear expansion of the material constituting the second layer 22 is larger than the coefficient of linear expansion of the material constituting the first layer 21, and smaller than the coefficient of linear expansion of the material constituting the third layer 23.
  • the difference between the linear expansion coefficient of the material constituting the third layer 23 and the linear expansion coefficient of the material constituting the second layer 22 is the linear expansion coefficient of the material constituting the third layer 23 and the first layer 21.
  • the difference between the linear expansion coefficients of the constituent materials is preferably 70% or less, and the difference between the linear expansion coefficients of the materials constituting the second layer 22 and the linear expansion coefficients of the materials constituting the first layer 21 is the third. It is preferably 70% or less of the difference between the linear expansion coefficient of the material constituting the layer 23 and the linear expansion coefficient of the material constituting the first layer 21. Further, for example, the linear expansion coefficient of the material constituting the second layer 22 is smaller than the linear expansion coefficient of the material constituting the first layer 21, and is larger than the linear expansion coefficient of the material constituting the third layer 23.
  • the difference between the linear expansion coefficient of the material constituting the first layer 21 and the linear expansion coefficient of the material constituting the second layer 22 is the linear expansion coefficient of the material constituting the first layer 21 and the third layer 23.
  • the difference between the linear expansion coefficients of the constituent materials is preferably 70% or less, and the difference between the linear expansion coefficients of the materials constituting the second layer 22 and the linear expansion coefficients of the materials constituting the third layer 23 is the first. It is preferably 70% or less of the difference between the linear expansion coefficient of the material constituting the layer 21 and the linear expansion coefficient of the material constituting the third layer 23.
  • ⁇ is the coefficient of linear expansion
  • ⁇ T is the temperature change
  • ⁇ L is the amount of change in length
  • L is the length.
  • the coefficient of linear expansion is a coefficient of linear expansion in the operating temperature range
  • the length L as a reference for calculation is the length in the operating temperature range.
  • the operating temperature range is the temperature at which the magnetoresistive sensor 100 is most frequently used, and is usually 25 ° C. when driven at room temperature. Since the coefficient of linear expansion does not have a thickness parameter, it can be obtained by forming a film thick enough to measure the material constituting each layer under the same conditions as each layer and evaluating the formed film.
  • the coefficient of linear expansion of the main element may be regarded as the coefficient of linear expansion of each layer.
  • the main element is the element having the highest composition ratio among the elements constituting each layer.
  • the linear expansion coefficient of the main element can be regarded as an approximate linear expansion coefficient of each layer.
  • the table below shows the coefficient of linear expansion of some elements.
  • the linear expansion coefficient of the second element when the first layer 21 contains the first element as the main element, the second layer contains the second element as the main element, and the third layer contains the third element as the main element, the linear expansion coefficient of the second element. Is preferably between the linear expansion coefficient of the first element and the linear expansion coefficient of the third element.
  • the coefficient of linear expansion of the second element is preferably larger than the coefficient of linear expansion of the first element and smaller than the coefficient of linear expansion of the third element.
  • the difference between the linear expansion coefficient of the third element and the linear expansion coefficient of the second element is preferably 70% or less of the difference between the linear expansion coefficient of the third element and the linear expansion coefficient of the first element.
  • the difference between the linear expansion coefficient of the two elements and the linear expansion coefficient of the first element is preferably 70% or less of the difference between the linear expansion coefficient of the third element and the linear expansion coefficient of the first element.
  • the linear expansion coefficient of the second element is smaller than the linear expansion coefficient of the first element and larger than the linear expansion coefficient of the third element.
  • the difference between the linear expansion coefficient of the first element and the linear expansion coefficient of the second element is preferably 70% or less of the difference between the linear expansion coefficient of the first element and the linear expansion coefficient of the third element.
  • the difference between the linear expansion coefficient of the two elements and the linear expansion coefficient of the third element is preferably 70% or less of the difference between the linear expansion coefficient of the first element and the linear expansion coefficient of the third element.
  • the first layer 21 contains, for example, any one or more of Au, Bi, Hf, Ir, Mo, Pd, Pt, Rh, Ru, Ta, W, Ag, Al, Cu, Ge, and Si.
  • the main element (first element) of the first layer 21 is, for example, one of these elements.
  • the first layer 21 may be a simple substance metal, an alloy, an intermetallic compound, or a nitride.
  • the first layer 21 is closer to the first ferromagnetic layer 1 than the second layer 22 and the third layer 23, and the spin generated in the first layer 21 is diffused to reach the first ferromagnetic layer 1. It's hard to do. Therefore, the first layer 21 is preferably a material capable of injecting a large amount of spin into the first ferromagnetic layer 1.
  • Non-magnetic heavy metals have stronger spin-orbit interaction than other metals. Therefore, it is preferable that the first layer 21 contains a heavy metal of a non-magnetic layer.
  • Heavy metal means a metal having a specific density of yttrium (Y) or higher.
  • 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 first layer 21 includes, for example, any one or more of Au, Bi, Hf, Ir, Mo, Pd, Pt, Rh, Ru, Ta, and W.
  • the main element (first element) of the first layer 21 is preferably, for example, any of these elements.
  • the second layer 22 contains, for example, any one or more of Ag, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, Hf, Ir, Mo, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, and Ta.
  • the main element (second element) of the second layer 22 is, for example, one of these elements.
  • the second layer 22 may be a simple substance metal, an alloy, an intermetallic compound, or a nitride.
  • the third layer 23 contains, for example, any one or more of Au, Bi, Hf, Ir, Mo, Pd, Pt, Rh, Ru, Ta, W, Ag, Al, Cu, Ge, and Si.
  • the main element (third element) of the third layer 23 is, for example, one of these elements.
  • the third layer 23 may be a simple substance metal, an alloy, an intermetallic compound, or a nitride.
  • the third layer 23 is farther from the first ferromagnetic layer 1 as compared with the first layer 21 and the second layer 22, and a part of the spin generated in the third layer 23 is in the first ferromagnetic layer 1. It is spread all the way. Therefore, it is preferable that the third layer 23 has a function other than the function of generating a large number of spins.
  • the third layer 23 preferably contains a light metal.
  • the third layer 23 contains, for example, any one or more of Ag, Al, Cu, Ge, and Si.
  • the main element (third element) of the third layer 23 is preferably, for example, one of these elements.
  • the first element, the second element, and the third element are not arbitrarily selected from the above elements, and the linear expansion coefficient of the second element is the linear expansion coefficient of the first element and the linear expansion coefficient of the third element. It is selected to be between and.
  • Examples thereof include a combination in which the second element is Ta and the third element is Cu, the first element is W, the second element is Hf, and the third element is Cu.
  • the side surface 20s of the spin-orbit torque wiring 20 is inclined with respect to the z direction, for example. Therefore, the perimeter of the first layer 21 is shorter than the perimeter of the second layer 22 and the third layer 23, and the perimeter of the second layer 22 is shorter than the perimeter of the third layer 23.
  • the perimeter is the perimeter of the upper surface far from the substrate Sub of each layer.
  • the linear expansion coefficient of each layer satisfies the relationship of "linear expansion coefficient of the third layer 23"> “linear expansion coefficient of the second layer 22"> “linear expansion coefficient of the first layer 21"
  • the linear expansion coefficient of each layer The difference between can be reduced.
  • the film thickness of the second layer 22 is thinner than, for example, the film thickness of the first layer 21 and the third layer 23. It is possible to suppress the spin generated in the third layer 23 from being diffused in the second layer 22.
  • the film thickness of the first layer 21 is thicker than, for example, the film thickness of the third layer. Since the first layer 21 is in contact with the first ferromagnetic layer 1, the thicker the layer, the higher the spin injection efficiency into the first ferromagnetic layer 1.
  • Each layer constituting the spin-orbit torque wiring 20 may also contain a magnetic metal or a topological insulator.
  • a topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistance substance, but a metallic state in which spin polarization occurs on the surface thereof.
  • Each of the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 is an example of the conductive layer.
  • Each of the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 is made of a material having excellent conductivity.
  • the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 are, for example, Al, Cu, W, and Cr.
  • 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 a source S and a 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 a transistor Tr.
  • the insulating layer In is formed so as to cover the transistor Tr. Further, by forming an opening in the insulating layer In and filling the opening with a conductor, the via wiring V, the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32 are formed.
  • the write wiring WL and the common wiring CL are formed by laminating the insulating layer In to a predetermined thickness, forming a groove in the insulating layer In, and filling the groove with a conductor.
  • the metal layer, the ferromagnetic layer, the non-magnetic layer, the ferromagnetic layer, and the hard mask layer are laminated in order on one surface of the insulating layer In, the first conductive layer 31 and the second conductive layer 32.
  • the hard mask layer is processed into a predetermined shape.
  • the predetermined shape is, for example, the outer shape of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the metal layer, the ferromagnetic layer, the non-magnetic layer, and the ferromagnetic layer are processed into a predetermined shape at once via the hard mask layer.
  • the metal layer is processed into a predetermined shape to form a spin-orbit torque wiring 20.
  • the hard mask layer has the outer shape of the laminated body 10.
  • the unnecessary portion in the x direction of the laminate formed on the spin-orbit torque wiring 20 is removed via the hard mask layer.
  • the laminated body 10 is processed into a predetermined shape to become the laminated body 10.
  • the hard mask layer serves as an electrode E.
  • the periphery of the laminated body 10 and the spin-orbit torque wiring 20 is filled with the insulating layer In to obtain the magnetoresistive element 100.
  • the linear expansion coefficient of the material constituting the second layer 22 is the linear expansion coefficient of the material constituting the first layer 21 and the linear expansion coefficient of the material constituting the third layer 23.
  • the thermal stress generated in the spin track torque wiring 20 can be relaxed.
  • the magnetoresistive effect element 100 can suppress the generation of peeling and cracks between layers due to the heat generated during writing, and can prevent the spin-orbit torque wiring 20 from deteriorating.
  • magnetoresistive sensor 100 Although an example of the magnetoresistive sensor 100 according to the first embodiment has been shown above, it is possible to add, omit, replace, and otherwise change the configuration within a range that does not deviate from the gist of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the magnetoresistive effect element 101 according to the first modification.
  • FIG. 5 is an xz cross section passing through the center of the spin-orbit torque wiring 26 in the y direction.
  • the same components as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the spin-orbit torque wiring 26 has a first layer 21, a second layer 22, a third layer 23, a fourth layer 24, and a fifth layer 25.
  • the fourth layer 24 is between the third layer 23 and the fifth layer 25.
  • FIG. 5 an example in which the fourth layer 24 and the fifth layer 25 are each one layer is shown, but each may have a plurality of layers.
  • the 4th layer 24 and the 5th layer 25 are alternately laminated in the order of the 4th layer 24 and the 5th layer 25 from the side closer to the 3rd layer 23.
  • the fourth layer 24 contains the same material as the second layer 22.
  • the fourth layer 24 is made of, for example, the same material as the second layer 22.
  • the fifth layer 25 contains the same material as the first layer 21 or the third layer 23.
  • the fifth layer 25 is made of, for example, the same material as the first layer 21 or the third layer 23.
  • the magnetoresistive sensor 101 according to the first modification has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Further, as the number of layers constituting the spin-orbit torque wiring 25 increases, the current is distributed to each layer, so that the amount of current flowing through each layer becomes smaller. Therefore, heat generation in each layer can be suppressed, and the generation of thermal stress can be suppressed. Further, by increasing the number of interfaces of different substances in the spin-orbit torque wiring 25, the Rashba effect is amplified and the magnetization reversal efficiency of the first ferromagnetic layer 1 can be increased.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetoresistive effect element 102 according to the second modification.
  • FIG. 6 is an xz cross section passing through the center of the spin-orbit torque wiring 27 in the y direction.
  • the same components as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the spin-orbit torque wiring 27 has a first layer 21, a second layer 22A, and a third layer 23.
  • the second layer 22A according to the first embodiment is not a uniform continuous film but a continuous film having a plurality of openings or a layer including a plurality of components scattered in an island shape. Is different.
  • the second layer 22A shown in FIG. 7 is an example of a continuous membrane having a plurality of open APs.
  • the second layer 22A shown in FIG. 8 is an example of a layer including a plurality of component ELs scattered in an island shape. If the film thickness of the second layer 22A is thin, it may not be a uniform continuous film.
  • the material of the first layer 21 or the third layer 23 is filled between the opening AP and the component EL.
  • the magnetoresistive effect element 102 according to the second modification can obtain the same effect as the magnetoresistive effect element 100 according to the first embodiment. Further, the stress generated in the in-plane direction between the opening AP and the component EL is relaxed. As a result, deterioration of the spin-orbit torque wiring 26 can be prevented.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the magnetoresistive effect element 103 according to the third modification.
  • FIG. 9 is an xz cross section passing through the center of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
  • the same components as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the magnetoresistive sensor 103 is different from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in that it has an intermediate layer 40.
  • the intermediate layer 40 is located between the first conductive layer 31 and the spin-orbit torque wiring 20 and between the second conductive layer 32 and the spin-orbit torque wiring 20.
  • the intermediate layer 40 may be located only between the first conductive layer 31 and the spin-orbit torque wiring 20 and between the second conductive layer 32 and the spin-orbit torque wiring 20.
  • the coefficient of linear expansion of the material constituting the intermediate layer 40 is, for example, between the coefficient of linear expansion of the third layer 23 and the first conductive layer 31 or the second conductive layer 32.
  • the linear expansion coefficient of the material constituting the fourth layer 40 is, for example, the linear expansion coefficient of the first layer 21 and the first conductive layer 31 or the second conductive layer 32. Is between.
  • the magnetoresistive sensor 103 according to the third modification has the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Further, the intermediate layer 40 can alleviate the thermal stress difference between the first conductive layer 31 or the second conductive layer 32 and the spin-orbit torque wiring 20, and can suppress peeling and the like at these interfaces.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the magnetoresistive effect element 104 according to the fourth modification.
  • FIG. 10 is an xz cross section passing through the center of the spin-orbit torque wiring 28 in the y direction.
  • the same components as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the laminate 10 shown in FIG. 10 has a bottom pin structure in which the magnetization fixing layer (second ferromagnetic layer 2) is near the substrate Sub.
  • the spin-orbit torque wiring 28 is laminated in the order of the first layer 21, the second layer 22, and the third layer 23 in order from the side closer to the substrate Sub.
  • the spin-orbit torque wiring 28 is, for example, on the laminated body 10.
  • the side surface 28s of the spin-orbit torque wiring 28 is inclined with respect to the z direction, for example. Therefore, the perimeter of the first layer 21 is longer than the perimeter of the second layer 22 and the third layer 23, and the perimeter of the second layer 22 is longer than the perimeter of the third layer 23. In this case, the length of the first layer 21 in the x direction is longer than the length of the third layer 23 in the x direction. Therefore, when the linear expansion coefficient of each layer satisfies the relationship of "linear expansion coefficient of the first layer 21"> "linear expansion coefficient of the second layer 22"> "linear expansion coefficient of the third layer 23", the line of each layer is satisfied. The difference in expansion coefficient can be reduced.
  • the magnetoresistive sensor 104 according to the fourth modification is different only in the positional relationship of each configuration, and the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment can be obtained. Further, since the side wall 28s is inclined with respect to the z direction, the surface area of the spin-orbit torque wiring 28 is increased, and the heat dissipation is improved.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the magnetization rotating element 105 according to the second embodiment.
  • the magnetization rotating element 105 is replaced with the magnetoresistive effect element 100 according to the first embodiment.
  • the magnetizing rotating element 105 incidents light on the first ferromagnetic layer 1 and evaluates the light reflected by the first ferromagnetic layer 1.
  • the magnetization rotating element 105 can be used, for example, as an optical element such as an image display device that utilizes a difference in the deflection state of light.
  • the magnetization rotating element 105 can be used alone as an anisotropic magnetic sensor, an optical element utilizing the magnetic Faraday effect, and the like.
  • the spin-orbit torque wiring 20 of the magnetizing rotating element 105 has a first layer 21, a second layer 22, and a third layer 23.
  • the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment is used. A similar effect can be obtained.

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Abstract

この磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に接する第１強磁性層と、を備え、前記配線は、前記第１強磁性層に近い側から順に、第１層と、第２層と、第３層と、を有し、前記第２層を構成する材料の線膨張係数は、前記第１層を構成する材料の線膨張係数と前記第３層を構成する材料の線膨張係数との間である。

Description

磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
　本発明は、磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。本願は、２０２０年１１月１６日に、国際段階に出願されたＰＣＴ／ＪＰ２０２０／０４２６０２に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　強磁性層と非磁性層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。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。
　特許文献１には、スピン軌道トルクを利用した磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線を積層膜とし積層界面を増やすことで、強磁性層の磁化反転が容易になることが記載されている。
特許第６４２６３３０号公報
　スピン軌道トルク配線は、書き込み電流を印加することで発熱しやすい。スピン軌道トルク配線が発熱すると、スピン軌道トルク配線に熱応力が加わる。スピン軌道トルク配線が複数の層からなる場合、各層の膨張率の違いによりスピン軌道トルク配線に歪が生じる場合がある。歪は、クラックや積層膜の層間の剥離の原因となる。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、歪によるスピン軌道トルク配線の劣化を抑制できる磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。
　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の態様にかかる磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に接する第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層に近い側から順に、第１層と、第２層と、第３層と、を有し、前記第２層を構成する材料の線膨張係数は、前記第１層を構成する材料の線膨張係数と前記第３層を構成する材料の線膨張係数との間である。
（２）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１層は、主元素として第１元素を含み、前記第２層は、主元素として前記第１元素と異なる第２元素を含み、前記第３層は、主元素として前記第１元素及び前記第２元素と異なる第３元素を含み、前記第２元素の線膨張係数は、前記第１元素の線膨張係数と前記第３元素の線膨張係数との間であってもよい。
（３）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１層は、主元素として第１元素を含み、前記第２層は、主元素として前記第１元素と異なる第２元素を含み、前記第３層は、主元素として前記第１元素及び前記第２元素と異なる第３元素を含み、前記第１元素及び前記第３元素は、Ａｕ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉのいずれか一つであり、前記第２元素は、Ａｇ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａのいずれか一つであってもよい。
（４）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１元素は、Ａｕ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗのいずれか一つであり、前記第２元素は、Ａｇ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａのいずれか一つであり、前記第３元素は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉのいずれか一つであってもよい。
（５）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１層の周囲長は、前記第２層及び前記第３層の周囲長より短く、前記第２層の周囲長は、前記第３層の周囲長より短くてもよい。
（６）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１層の周囲長は、前記第２層及び前記第３層の周囲長より長く、前記第２層の周囲長は、前記第３層の周囲長より長くてもよい。
（７）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記第２層と同じ材料を含む第４層と、前記第１層又は第３層と同じ材料を含む第５層と、をさらに備えてもよい。前記第４層は、前記第５層と前記第３層との間にある。
（８）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第２層の膜厚は、前記第１層及び前記第３層の膜厚より薄くてもよい。
（９）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第２層は、複数の開口を有する連続膜又は島状に点在する複数の構成要素を含む層であってもよい。
（１０）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記スピン軌道トルク配線に接する中間層と、前記中間層を介して前記スピン軌道トルク配線と接続される導電層と、をさらに備え、前記中間層を構成する材料の線膨張係数は、前記中間層に接する層の線膨張係数と前記導電層の線膨張係数との間であってもよい。
（１１）第２の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる磁化回転素子と、前記磁化回転素子の前記第１強磁性層に接する非磁性層と、前記第１強磁性層と共に前記非磁性層を間に挟む第２強磁性層と、を備える。
（１２）第３の態様にかかる磁気メモリは上記の磁気抵抗効果素子を複数備える。
　本発明にかかる磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリは、歪によるスピン軌道トルク配線の劣化を抑制できる。
第１実施形態にかかる磁気アレイの回路図である。 第１実施形態にかかる磁気アレイの特徴部分の断面図である。 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平面図である。 第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２変形例にかかる第２層の平面図の一例である。 第２変形例にかかる第２層の平面図の別の例である。 第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２実施形態に係る磁化回転素子の断面図である。
　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、例えば、第１導電層３１から第２導電層３２へ向かう方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、各層が積層される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。
「第１実施形態」
　図１は、第１実施形態にかかる磁気アレイ２００の構成図である。磁気アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線ＷＬと、複数の共通配線ＣＬと、複数の読出し配線ＲＬと、複数の第１スイッチング素子Ｓｗ１と、複数の第２スイッチング素子Ｓｗ２と、複数の第３スイッチング素子Ｓｗ３と、を備える。磁気アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。
　書き込み配線ＷＬはそれぞれ、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ＣＬはそれぞれ、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ＣＬはそれぞれ、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ＣＬ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。読出し配線ＲＬはそれぞれ、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、使用時に磁気アレイ２００に接続される。
　それぞれの磁気抵抗効果素子１００はそれぞれ、第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２、第３スイッチング素子Ｓｗ３に接続されている。第１スイッチング素子Ｓｗ１は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線ＷＬとの間に接続されている。第２スイッチング素子Ｓｗ２は、磁気抵抗効果素子１００のと共通配線ＣＬとの間に接続されている。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘る読出し配線ＲＬに接続されている。
　第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２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ＷＬと共通配線ＣＬとの間に書き込み電流が流れる。書き込み電流が流れることで、所定の磁気抵抗効果素子１００にデータが書き込まれる。第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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ＣＬと読出し配線ＲＬとの間に読み出し電流が流れる。読出し電流が流れることで、所定の磁気抵抗効果素子１００からデータが読み出される。
　第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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。
　図１に示す磁気アレイ２００は、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００が第３スイッチング素子Ｓｗ３を共用している。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に設けてもよい。またそれぞれの磁気抵抗効果素子１００に第３スイッチング素子Ｓｗ３を設け、第１スイッチング素子Ｓｗ１又は第２スイッチング素子Ｓｗ２を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。
　図２は、第１実施形態に係る磁気アレイ２００の特徴部分の断面図である。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Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、読出し配線ＲＬ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、ビア配線Ｖ、第１導電層３１及び第２導電層３２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ＷＬ又は共通配線ＣＬとは、ビア配線Ｖで接続されている。ビア配線Ｖは、例えば、ｚ方向に延びる。読出し配線ＲＬは、電極Ｅを介して積層体１０に接続されている。ビア配線Ｖ、電極Ｅ、第１導電層３１及び第２導電層３２は、導電性を有する材料を含む。
　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Ｉｎで覆われている。絶縁層Ｉｎ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Ｉｎ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）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。
　図３は、磁気抵抗効果素子１００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、磁気抵抗効果素子１００をｚ方向から見た平面図である。
　磁気抵抗効果素子１００は、例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０と第１導電層３１と第２導電層３２とを備える。積層体１０は、スピン軌道トルク配線２０と電気的に接している。積層体１０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と物理的に接している。積層体１０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の上又は上方に積層されている。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。第１導電層３１及び第２導電層３２は、スピン軌道トルク配線２０に接続されている。第１導電層３１、第２導電層３２のそれぞれとスピン軌道トルク配線２０との間に、他の層を有していてもよい。第１導電層３１と第２導電層３２とは、ｚ方向から見て、積層体１０を挟む位置にある。
　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、ｚ方向に、スピン軌道トルク配線２０と電極Ｅ（図２参照）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の側面１０ｓは、例えば、ｚ方向に対して傾斜する。
　積層体１０は、例えば、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。図３に示す積層体１０は、磁化固定層が基板Ｓｕｂから離れた側にあり、トップピン構造と呼ばれる。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。
　非磁性層３は、非磁性体を含む。非磁性層３が絶縁体の場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３が金属の場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３が半導体の場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等を用いることができる。
　積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１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。また例えば、積層体１０の最上面にキャップ層を有してもよい。
　また積層体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強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、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と強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、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。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。
　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。書き込み電流は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向に流れる。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、第１強磁性層１に近い側から順に、第１層２１と、第２層２２と、第３層２３と、を有する。第２層２２は、第１層２１と第３層２３との間にある。第１層２１は、第３層２３より第１強磁性層１の近くにある。第１層２１、第２層２２、第３層２３はそれぞれ、構成する材料又は組成が異なる。
　第２層２２を構成する材料の線膨張係数は、第１層２１を構成する材料の線膨張係数と第３層２３を構成する材料の線膨張係数との間である。例えば、第２層２２を構成する材料の線膨張係数は、第１層２１を構成する材料の線膨張係数より大きく、第３層２３を構成する材料の線膨張係数より小さい。この場合、第３層２３を構成する材料の線膨張係数と第２層２２を構成する材料の線膨張係数の差は、第３層２３を構成する材料の線膨張係数と第１層２１を構成する材料の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましく、第２層２２を構成する材料の線膨張係数と第１層２１を構成する材料の線膨張係数の差は、第３層２３を構成する材料の線膨張係数と第１層２１を構成する材料の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましい。また例えば、第２層２２を構成する材料の線膨張係数は、第１層２１を構成する材料の線膨張係数より小さく、第３層２３を構成する材料の線膨張係数より大きい。この場合、第１層２１を構成する材料の線膨張係数と第２層２２を構成する材料の線膨張係数の差は、第１層２１を構成する材料の線膨張係数と第３層２３を構成する材料の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましく、第２層２２を構成する材料の線膨張係数と第３層２３を構成する材料の線膨張係数の差は、第１層２１を構成する材料の線膨張係数と第３層２３を構成する材料の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましい。当該構成を満たすことで、第２層２２が第１層２１及び第３層に加わる熱応力を緩和する。第２層２２は、応力緩和層である。
　線膨張係数は、温度の上昇に対応して長さが変化する割合であり、α＝１／ΔＴ×ΔＬ／Ｌで表される。αは線膨張係数であり、ΔＴは温度変化であり、ΔＬは長さ変化量であり、Ｌは長さである。線膨張係数は、使用温度域における線膨張係数であり、算出の基準となる長さＬは使用温度域における長さである。使用温度域とは、磁気抵抗効果素子１００が最も使用される頻度が高い温度であり、常温で駆動させる場合は通常２５℃である。線膨張係数には厚みのパラメータがないため、各層を構成する材料を各層と同条件で測定可能な程度に厚めに成膜し、成膜された膜を評価することで求めることができる。
　また各層を構成する主元素が特定の元素の場合は、主元素の線膨張係数を各層の線膨張係数とみなしてもよい。主元素は、各層を構成する元素のうち組成比が最も多い元素である。各層を構成する元素のうち主元素が占める割合が５０％以上の場合に、主元素の線膨張係数をおおよその各層の線膨張係数とみなすことができる。以下の表に、一部の元素の線膨張係数を示す。
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　例えば、第１層２１が主元素として第１元素を含み、第２層が主元素として第２元素を含み、第３層が主元素として第３元素を含む場合、第２元素の線膨張係数は、第１元素の線膨張係数と第３元素の線膨張係数との間であることが好ましい。例えば、第２元素の線膨張係数は、第１元素の線膨張係数より大きく、第３元素の線膨張係数より小さいことが好ましい。この場合、第３元素の線膨張係数と第２元素の線膨張係数の差は、第３元素の線膨張係数と第１元素の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましく、第２元素の線膨張係数と第１元素の線膨張係数の差は、第３元素の線膨張係数と第１元素の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましい。また例えば、第２元素の線膨張係数は、第１元素の線膨張係数より小さく、第３元素の線膨張係数より大きいことが好ましい。この場合、第１元素の線膨張係数と第２元素の線膨張係数の差は、第１元素の線膨張係数と第３元素の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましく、第２元素の線膨張係数と第３元素の線膨張係数の差は、第１元素の線膨張係数と第３元素の線膨張係数の差の７０％以下であることが好ましい。
　第１層２１は、例えば、Ａｕ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉのいずれか一つ以上を含む。第１層２１の主元素（第１元素）は、例えば、これらの元素のうちのいずれかである。第１層２１は、単体金属でも、合金でも、金属間化合物でも、窒化物でもよい。
　第１層２１は、第２層２２及び第３層２３と比較して第１強磁性層１の近くにあり、第１層２１で生じたスピンは第１強磁性層１に至るまでに拡散しにくい。したがって、第１層２１は、多くのスピンを第１強磁性層１に注入できる材料であることが好ましい。
　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。したがって、第１層２１は、非磁性層の重金属を含むことが好ましい。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。第１層２１は、例えば、Ａｕ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗのいずれか一つ以上を含む。第１層２１の主元素（第１元素）は、例えば、これらの元素のうちのいずれかであることが好ましい。
　第２層２２は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａのいずれか一つ以上を含む。第２層２２の主元素（第２元素）は、例えば、これらの元素のうちのいずれかである。第２層２２は、単体金属でも、合金でも、金属間化合物でも、窒化物でもよい。
　第３層２３は、例えば、Ａｕ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉのいずれか一つ以上を含む。第３層２３の主元素（第３元素）は、例えば、これらの元素のうちのいずれかである。第３層２３は、単体金属でも、合金でも、金属間化合物でも、窒化物でもよい。
　第３層２３は、第１層２１及び第２層２２と比較して第１強磁性層１から遠くにあり、第３層２３で生じたスピンの一部は、第１強磁性層１に至るまでに拡散される。したがって、第３層２３は、多くのスピンを生み出すという機能以外の機能を有していることが好ましい。
　軽金属は、重金属と比較して電気伝導性に優れ、熱伝導性に優れる。したがって、第３層２３は、軽金属を含むことが好ましい。第３層２３は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉのいずれか一つ以上を含む。第３層２３の主元素（第３元素）は、例えば、これらの元素のうちのいずれかであることが好ましい。
　第１元素、第２元素及び第３元素は、上記の元素からそれぞれ任意に選択される訳ではなく、第２元素の線膨張係数が第１元素の線膨張係数と第３元素の線膨張係数との間となるように選択される。
　例えば、第１元素をＷ、第２元素をＩｒ、第３元素をＣｕとする組み合わせ、第１元素をＷ、第２元素をＰｔ、第３元素をＣｕとする組み合わせ、第１元素をＷ、第２元素をＴａ、第３元素をＣｕとする組み合わせ、第１元素をＷ、第２元素をＨｆ、第３元素をＣｕとする組み合わせとが挙げられる。
　スピン軌道トルク配線２０の側面２０ｓは、例えば、ｚ方向に対して傾斜する。そのため、第１層２１の周囲長は、第２層２２及び第３層２３の周囲長より短く、第２層２２の周囲長は、第３層２３の周囲長より短い。周囲長は、各層の基板Ｓｕｂから遠い上面の周囲長である。ｚ方向にｘ方向の幅が短くなると、第１導電層３１と第２導電層３２との間の電流の流れがスムーズになる。側壁２０ｓがｚ方向に対して傾斜することで、スピン軌道トルク配線２０の表面積が大きくなり、放熱性が向上する。
　また第１層２１のｘ方向の長さが第３層２３のｘ方向の長さより短い場合は、α＝１／ΔＴ×ΔＬ／Ｌの関係式より、第１層２１の線膨張係数は第３層２３の線膨張係数より大きくなる。各層の線膨張係数が、「第３層２３の線膨張係数」＞「第２層２２の線膨張係数」＞「第１層２１の線膨張係数」の関係を満たす場合、各層の線膨張係数の差を小さくできる。
　第２層２２の膜厚は、例えば、第１層２１及び第３層２３の膜厚より薄い。第３層２３で生じたスピンが第２層２２で拡散されることを抑制できる。
　また第１層２１の膜厚は、例えば、第３層の膜厚より厚い。第１層２１は、第１強磁性層１と接するため、当該層が厚いと、第１強磁性層１へのスピン注入効率が高まる。
　スピン軌道トルク配線２０を構成する各層は、この他に、磁性金属を含んでもよく、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。
　第１導電層３１及び第２導電層３２のそれぞれは、導電層の一例である。第１導電層３１及び第２導電層３２のそれぞれは、導電性に優れた材料からなる。第１導電層３１及び第２導電層３２は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｃｒである。
　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Ｉｎを形成する。また絶縁層Ｉｎに開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することでビア配線Ｖ、第１導電層３１及び第２導電層３２が形成される。書き込み配線ＷＬ、共通配線ＣＬは、絶縁層Ｉｎを所定の厚みまで積層した後、絶縁層Ｉｎ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Ｉｎ、第１導電層３１及び第２導電層３２の一面に、金属層、強磁性層、非磁性層、強磁性層、ハードマスク層を順に積層する。次いで、ハードマスク層を所定の形状に加工する。所定の形状は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の外形である。次いで、ハードマスク層を介して、金属層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を一度に所定の形状に加工する。金属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、ハードマスク層のｘ方向の不要部分を除去する。ハードマスク層は、積層体１０の外形となる。次いで、ハードマスク層を介して、スピン軌道トルク配線２０上に形成された積層体のｘ方向の不要部分を除去する。積層体１０は、所定の形状に加工され、積層体１０となる。ハードマスク層は、電極Ｅとなる。次いで、積層体１０、スピン軌道トルク配線２０の周囲を絶縁層Ｉｎで埋め、磁気抵抗効果素子１００が得られる。
　第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、第２層２２を構成する材料の線膨張係数が、第１層２１を構成する材料の線膨張係数と第３層２３を構成する材料の線膨張係数との間であることで、スピン軌道トルク配線２０に生じる熱応力を緩和できる。その結果、磁気抵抗効果素子１００は、書き込み時に発生する熱により層間の剥離やクラック等が生じることを抑制でき、スピン軌道トルク配線２０の劣化を防ぐことができる。
　以上、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の一例を示したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
　図５は、第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。図５は、スピン軌道トルク配線２６のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図５において、図３と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　スピン軌道トルク配線２６は、第１層２１と第２層２２と第３層２３と第４層２４と第５層２５とを有する。第４層２４は、第３層２３と第５層２５との間にある。図５では、第４層２４と第５層２５がそれぞれ１層ずつの例を示したが、それぞれ複数層あってもよい。第４層２４及び第５層２５が複数層ある場合、第３層２３に近い側から第４層２４、第５層２５の順に、第４層２４と第５層２５とが交互に積層される。
　第４層２４は、第２層２２と同じ材料を含む。第４層２４は、例えば、第２層２２と同じ材料からなる。第５層２５は、第１層２１又は第３層２３と同じ材料を含む。第５層２５は、例えば、第１層２１又は第３層２３と同じ材料からなる。
　第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。またスピン軌道トルク配線２５を構成する層数が多くなると、電流が各層に分流することで、それぞれの層を流れる電流量が小さくなる。そのため、各層での発熱が抑えられ、熱応力の発生を抑制できる。またスピン軌道トルク配線２５の中に異種物質の界面が増えることで、ラシュバ効果が増幅され、第１強磁性層１の磁化の反転効率を高めることができる。
　図６は、第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図６は、スピン軌道トルク配線２７のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図６において、図３と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　スピン軌道トルク配線２７は、第１層２１と第２層２２Ａと第３層２３とを有する。第２層２２Ａは、一様な連続膜ではなく、複数の開口を有する連続膜又は島状に点在する複数の構成要素を含む層である点が、第１実施形態にかかる第２層２２と異なる。
　図７及び図８は、第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０２の平面図である。図７に示す第２層２２Ａは、複数の開口ＡＰを有する連続膜の例である。図８に示す第２層２２Ａは、島状に点在する複数の構成要素ＥＬを含む層の例である。第２層２２Ａの膜厚が薄い場合は、一様な連続膜とならない場合もある。開口ＡＰ、構成要素ＥＬの間は、第１層２１又は第３層２３の材料が充填される。
　第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また開口ＡＰ、構成要素ＥＬの間で、面内方向に生じる応力が緩和される。その結果、スピン軌道トルク配線２６の劣化を防ぐことができる。
　図９は、第３変形例に係る磁気抵抗効果素子１０３の断面図である。図９は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図９において、図３と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　磁気抵抗効果素子１０３は、中間層４０を有する点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と異なる。中間層４０は、第１導電層３１とスピン軌道トルク配線２０との間、及び、第２導電層３２とスピン軌道トルク配線２０との間にそれぞれある。中間層４０は、第１導電層３１とスピン軌道トルク配線２０との間と、第２導電層３２とスピン軌道トルク配線２０との間とのうちの一方のみにあってもよい。
　中間層４０を構成する材料の線膨張係数は、例えば、第３層２３の線膨張係数と第１導電層３１又は第２導電層３２との間である。第４層４０が第１層２１と接する場合は、第４層４０を構成する材料の線膨張係数は、例えば、第１層２１の線膨張係数と第１導電層３１又は第２導電層３２との間である。
　第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０３は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また中間層４０が第１導電層３１又は第２導電層３２とスピン軌道トルク配線２０との間の熱応力差を緩和し、これらの界面での剥離等を抑制できる。
　図１０は、第４変形例に係る磁気抵抗効果素子１０４の断面図である。図１０は、スピン軌道トルク配線２８のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図１０において、図３と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　図１０に示す積層体１０は、磁化固定層（第２強磁性層２）が基板Ｓｕｂの近くにあるボトムピン構造である。スピン軌道トルク配線２８は、基板Ｓｕｂに近い側から順に、第１層２１、第２層２２、第３層２３の順に積層されている。
　スピン軌道トルク配線２８は、例えば、積層体１０上にある。スピン軌道トルク配線２８の側面２８ｓは、例えば、ｚ方向に対して傾斜する。そのため、第１層２１の周囲長は、第２層２２及び第３層２３の周囲長より長く、第２層２２の周囲長は、第３層２３の周囲長より長い。この場合、また第１層２１のｘ方向の長さが第３層２３のｘ方向の長さより長くなる。したがって、各層の線膨張係数が、「第１層２１の線膨張係数」＞「第２層２２の線膨張係数」＞「第３層２３の線膨張係数」の関係を満たす場合、各層の線膨張係数の差を小さくできる。
　第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０４は、各構成の位置関係が異なるだけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また側壁２８ｓがｚ方向に対して傾斜することで、スピン軌道トルク配線２８の表面積が大きくなり、放熱性が向上する。
「第２実施形態」
　図１１は、第２実施形態に係る磁化回転素子１０５の断面図である。図１において、磁化回転素子１０５は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と置き換えられる。
　磁化回転素子１０５は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１０５は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。
　この他、磁化回転素子１０５は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。
　磁化回転素子１０５のスピン軌道トルク配線２０は、第１層２１、第２層２２及び第３層２３を有する。
　第２実施形態に係る磁化回転素子１０５は、磁気抵抗効果素子１００から非磁性層３及び第２強磁性層２が除かれているだけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。
　ここまで、第１実施形態、第２実施形態及び変形例を基に、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及び変形例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…積層体、２０，２６，２７，２８…スピン軌道トルク配線、２１…第１層、２２，２２Ａ…第２層、２３…第３層、２４…第４層、２５…第５層。３１…第１導電層、３２…第２導電層、４０…第４層、１００，１０１，１０２，１０３，１０４…磁気抵抗効果素子、１０５…磁化回転素子、２００…磁気アレイ、ＣＬ…共通配線、ＲＬ…読出し配線、ＷＬ…書き込み配線

Claims (12)

  1. 　スピン軌道トルク配線と、
    　前記スピン軌道トルク配線上に接する第１強磁性層と、を備え、
    　前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層に近い側から順に、第１層と、第２層と、第３層と、を有し、
    　前記第２層を構成する材料の線膨張係数は、前記第１層を構成する材料の線膨張係数と前記第３層を構成する材料の線膨張係数との間である、磁化回転素子。
  2. 　前記第１層は、主元素として第１元素を含み、
    　前記第２層は、主元素として前記第１元素と異なる第２元素を含み、
    　前記第３層は、主元素として前記第１元素及び前記第２元素と異なる第３元素を含み、
    　前記第２元素の線膨張係数は、前記第１元素の線膨張係数と前記第３元素の線膨張係数との間である、請求項１に記載の磁化回転素子。
  3. 　前記第１層は、主元素として第１元素を含み、
    　前記第２層は、主元素として前記第１元素と異なる第２元素を含み、
    　前記第３層は、主元素として前記第１元素及び前記第２元素と異なる第３元素を含み、
    　前記第１元素及び前記第３元素は、Ａｕ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉのいずれか一つであり、
    　前記第２元素は、Ａｇ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａのいずれか一つである、請求項１又は２に記載の磁化回転素子。
  4. 　前記第１元素は、Ａｕ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗのいずれか一つであり、
    　前記第２元素は、Ａｇ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａのいずれか一つであり、
    　前記第３元素は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｓｉのいずれか一つである、請求項３に記載の磁化回転素子。
  5. 　前記第１層の周囲長は、前記第２層及び前記第３層の周囲長より短く、
    　前記第２層の周囲長は、前記第３層の周囲長より短い、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  6. 　前記第１層の周囲長は、前記第２層及び前記第３層の周囲長より長く、
    　前記第２層の周囲長は、前記第３層の周囲長より長い、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  7. 　前記第２層と同じ材料を含む第４層と、
    　前記第１層又は第３層と同じ材料を含む第５層と、をさらに備え、
    　前記第４層は、前記第５層と前記第３層との間にある、請求項１～６に記載の磁化回転素子。
  8. 　前記第２層の膜厚は、前記第１層及び前記第３層の膜厚より薄い、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  9. 　前記第２層は、複数の開口を有する連続膜又は島状に点在する複数の構成要素を含む層である、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  10. 　前記スピン軌道トルク配線に接する中間層と、前記中間層を介して前記スピン軌道トルク配線と接続される導電層と、をさらに備え、
    　前記中間層を構成する材料の線膨張係数は、前記中間層に接する層の線膨張係数と前記導電層の線膨張係数との間である、請求項１～９のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  11. 　請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁化回転素子と、
    　前記磁化回転素子の前記第１強磁性層に接する非磁性層と、
    　前記第１強磁性層と共に前記非磁性層を間に挟む第２強磁性層と、を備える、磁気抵抗効果素子。
  12. 　請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。
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