WO2023089766A1 - 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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WO2023089766A1
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spin
orbit torque
layer
metal
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陽平 塩川
優剛 石谷
幸祐 濱中
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Tdk株式会社
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/10—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration
    • H01L27/105—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration including field-effect components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device

Definitions

  • the present invention relates to magnetization rotation elements, magnetoresistive elements, and magnetic memories.
  • a giant magnetoresistive (GMR) element consisting of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a non-magnetic layer, and a tunnel magnetoresistive (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as a non-magnetic layer are magnetoresistive known as an effect element.
  • GMR giant magnetoresistive
  • TMR tunnel magnetoresistive
  • Magnetoresistive elements can be applied to magnetic sensors, high-frequency components, magnetic heads, and nonvolatile random access memories (MRAM).
  • An MRAM is a memory element in which magnetoresistive elements are integrated.
  • the MRAM reads and writes data by utilizing the characteristic that the resistance of the magnetoresistive element changes when the directions of magnetization of two ferromagnetic layers sandwiching a nonmagnetic layer in the magnetoresistive element change.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic layer is controlled using, for example, a magnetic field generated by an electric current. Further, for example, the magnetization direction of the ferromagnetic layer is controlled using spin transfer torque (STT) generated by applying a current in the stacking direction of the magnetoresistive effect element.
  • STT spin transfer torque
  • SOT spin-orbit torque
  • SOT is induced by a spin current caused by spin-orbit interaction or by the Rashba effect at the interface of dissimilar materials.
  • a current for inducing SOT in the magnetoresistive element flows in a direction intersecting the lamination direction of the magnetoresistive element. In other words, there is no need to pass a current in the lamination direction of the magnetoresistive effect element, and a longer life of the magnetoresistive effect element is expected.
  • a magnetoresistive element using SOT writes data by passing a current along the spin-orbit torque wiring.
  • a rotating magnetization element, a magnetoresistive effect element, and a magnetic memory that require a small amount of current for writing data and consume little power.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a rotating magnetization element, a magnetoresistive effect element, and a magnetic memory that can reduce power consumption.
  • the present invention provides the following means.
  • a magnetization rotation element includes a spin-orbit torque wire, a first ferromagnetic layer, and a wire.
  • a first ferromagnetic layer is connected to the spin-orbit torque wire.
  • a wire is connected to the spin-orbit torque wire at a position different from the first ferromagnetic layer.
  • the spin orbit torque wire and the wire each contain nitrogen.
  • the spin orbit torque wire and the wire have different nitrogen contents.
  • the wiring may include a first wiring and a second wiring.
  • the first wiring and the second wiring are connected to the spin orbit torque wiring at positions sandwiching the first ferromagnetic layer when viewed from the lamination direction.
  • the spin-orbit torque wiring may have a higher nitrogen content than the wiring.
  • the nitrogen content of the wiring may be 30 atm % or more.
  • the spin-orbit torque wiring may have a lower nitrogen content than the wiring.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wiring may be 30 atm % or more.
  • the nitrogen content of the wiring may be 50 at % or less.
  • a first surface of the spin-orbit torque wiring in contact with the wiring may have a higher nitrogen content than a second surface opposite to the first surface.
  • the wiring may have a smaller resistivity than the spin orbit torque wiring.
  • the spin-orbit torque wiring may contain a first metal, the wiring may contain a second metal, and the first metal and the second metal may be different.
  • the first metal is selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Cu, Mo, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt and Au.
  • the second metal is selected from the group consisting of Ti, Cr, Cu, Mo, Ru, Ta and W.
  • the spin-orbit torque wiring may contain a first metal, the wiring may contain a second metal, and the first metal and the second metal may be the same.
  • the magnetization rotating element according to the above aspect may further include a first insulating layer surrounding the spin-orbit torque wiring and containing nitrogen.
  • the magnetization rotating element according to the above aspect may further include a second insulating layer surrounding the wiring and containing nitrogen.
  • the magnetization rotation element according to the above aspect may further include an intermediate layer between the spin orbit torque wiring and the wiring.
  • the intermediate layer has a higher nitrogen content than the spin orbit torque wire and the wire.
  • the first ferromagnetic layer may contain nitrogen.
  • a magnetoresistive element includes the magnetization rotating element according to the above aspect, a second ferromagnetic layer, and a nonmagnetic layer.
  • the nonmagnetic layer is sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer.
  • a magnetic memory according to a third aspect includes a plurality of magnetoresistive elements according to the above aspect.
  • the rotating magnetization element, the magnetoresistive effect element, and the magnetic memory according to the present invention can reduce power consumption.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a magnetic memory according to a first embodiment;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a characteristic portion of a magnetic memory according to a first embodiment;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a first embodiment;
  • FIG. 1 is a plan view of a magnetoresistive element according to a first embodiment;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a first modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a second modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a third modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a fourth modified example;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a magnetization rotating element according to a second embodiment;
  • the x direction is, for example, the longitudinal direction of the spin orbit torque wiring 20 .
  • the z-direction is a direction orthogonal to the x-direction and the y-direction.
  • the z-direction is an example of a stacking direction in which each layer is stacked.
  • the +z direction may be expressed as “up” and the ⁇ z direction as “down”. Up and down do not necessarily match the direction in which gravity is applied.
  • connection means, for example, that the dimension in the x-direction is larger than the minimum dimension among the dimensions in the x-direction, y-direction, and z-direction. The same is true when extending in other directions.
  • connection used in this specification is not limited to physical connection. For example, “connection” includes not only the case where two layers are physically in contact with each other, but also the case where two layers are connected to each other with another layer interposed therebetween.
  • connection in this specification also includes electrical connection.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a magnetic memory 200 according to the first embodiment.
  • the magnetic memory 200 includes a plurality of magnetoresistive effect elements 100, a plurality of write wirings WL, a plurality of common wirings CL, a plurality of read wirings RL, a plurality of first switching elements Sw1, and a plurality of second switching elements. Sw2 and a plurality of third switching elements Sw3.
  • the magnetoresistive elements 100 are arranged in an array.
  • Each write wiring WL electrically connects a power supply and one or more magnetoresistive elements 100 .
  • Each common line CL is a line that is used both when writing data and when reading data.
  • Each common line CL 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 for each of the plurality of magnetoresistive effect elements 100 or may be provided across the plurality of magnetoresistive effect elements 100 .
  • Each read wiring RL electrically connects the power supply and one or more magnetoresistive elements 100 .
  • a power source is connected to the magnetic memory 200 during use.
  • Each magnetoresistive element 100 is connected to each of the first switching element Sw1, the second switching element Sw2, and the third switching element Sw3.
  • the first switching element Sw1 is connected between the magnetoresistive element 100 and the write wiring WL.
  • the second switching element Sw2 is connected between the magnetoresistive element 100 and the common line CL.
  • the third switching element Sw3 is connected to the read wiring RL extending over the plurality of magnetoresistive elements 100 .
  • a write current flows between the write wiring WL connected to the predetermined magnetoresistive effect element 100 and the common wiring CL. Data is written to the predetermined magnetoresistive element 100 by the flow of the write current.
  • a read current flows between the common line CL connected to the predetermined magnetoresistive effect element 100 and the read line RL. Data is read from a predetermined magnetoresistive element 100 by flowing a read current.
  • 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 using a phase change of a crystal layer such as an Ovonic Threshold Switch (OTS: Ovonic Threshold Switch), or a metal-insulator transition switch. (MIT) devices that use band structure changes, devices that use breakdown voltages such as Zener diodes and avalanche diodes, and devices that change conductivity with changes in atomic positions.
  • OTS Ovonic Threshold Switch
  • MIT metal-insulator transition switch.
  • the magnetoresistive effect elements 100 connected to the same read wiring RL share the third switching element Sw3.
  • the third switching element Sw3 may be provided in each magnetoresistive element 100 .
  • each magnetoresistance effect element 100 may be provided with a third switching element Sw3, and the magnetoresistance effect elements 100 connected to the same wiring may share the first switching element Sw1 or the second switching element Sw2.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a characteristic portion of the magnetic memory 200 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross section of the magnetoresistive element 100 taken along the xz plane passing through the center of the y-direction width of the spin-orbit torque wiring 20, which will be described later.
  • the first switching element Sw1 and the second switching element Sw2 shown in FIG. 2 are transistors Tr.
  • the third switching element Sw3 is electrically connected to the readout line RL, and is located at a different position in the x direction in FIG. 2, for example.
  • the transistor Tr is, for example, a field effect transistor, and has a gate electrode G, a gate insulating film GI, and a source S and a drain D formed on a substrate Sub.
  • Source S and drain D are defined by the direction of current flow and are the same region. The positional relationship between the source S and the drain D may be reversed.
  • the substrate Sub is, for example, a semiconductor substrate.
  • the transistor Tr and the magnetoresistive element 100 are electrically connected through the via wiring V, the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • a via wiring V connects the transistor Tr and the write wiring WL or the common wiring CL.
  • the via wiring V extends, for example, in the z direction.
  • the read wiring RL is connected to the laminate 10 via the electrode E.
  • the via wiring V and the electrode E contain a conductive material.
  • the via wiring V and the first wiring 31 may be integrated.
  • the via wiring V and the second wiring 32 may be integrated. That is, the first wiring 31 may be part of the via wiring V, and the second wiring 32 may be part of the via wiring V.
  • the periphery of the magnetoresistive element 100 and the transistor Tr is covered with an insulating layer In.
  • the insulating layer In is an insulating layer that insulates between wirings of the multilayer wiring and between elements.
  • the insulating layer In is made of, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbonitride (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 element 100.
  • FIG. FIG. 3 is a cross section of the magnetoresistive element 100 taken along the xz plane passing through the center of the y-direction width of the spin-orbit torque wiring 20 .
  • FIG. 4 is a plan view of the magnetoresistive element 100 as seen from the z direction.
  • the magnetoresistive element 100 includes, for example, a laminate 10, a spin-orbit torque wiring 20, a first wiring 31, and a second wiring 32.
  • the laminate 10 has a first ferromagnetic layer 1 , a second ferromagnetic layer 2 and a nonmagnetic layer 3 .
  • the periphery of the magnetoresistive element 100 is covered with a first insulating layer 91, a second insulating layer 92, and a third insulating layer 93, for example.
  • the first insulating layer 91, the second insulating layer 92 and the third insulating layer 93 are part of the insulating layer In described above.
  • the magnetoresistive element 100 is a magnetic element that utilizes spin-orbit torque (SOT), and is sometimes referred to as a spin-orbit torque-type magnetoresistive element, a spin-injection-type magnetoresistive element, or a spin-current magnetoresistive element. .
  • SOT spin-orbit torque
  • the magnetoresistive element 100 is an element that records and saves data.
  • the magnetoresistive element 100 records data using the z-direction resistance of the laminate 10 .
  • the z-direction resistance of the stack 10 changes by applying a write current along the spin-orbit torque wiring 20 and injecting spins from the spin-orbit torque wiring 20 into the stack 10 .
  • the z-direction resistance value of the laminate 10 can be read by applying a read current to the laminate 10 in the z-direction.
  • the first wiring 31 and the second wiring 32 are connected to the spin orbit torque wiring 20 at positions sandwiching the first ferromagnetic layer 1 when viewed from the z direction.
  • Another layer may be provided between the first wiring 31 and the spin orbit torque wiring 20 and between the second wiring 32 and the spin orbit torque wiring 20 .
  • the first wiring 31 and the second wiring 32 are, for example, conductors that electrically connect the switching element and the magnetoresistive effect element 100 . Both the first wiring 31 and the second wiring 32 have conductivity.
  • Both the first wiring 31 and the second wiring 32 contain a metal (hereinafter referred to as a second metal).
  • the second metal is one selected from the group consisting of Ti, Cr, Cu, Mo, Ru, Ta and W, for example.
  • the first wiring 31 and the second wiring 32 mainly contain, for example, a second metal.
  • Mainly containing means that the ratio of the metal element contained in the wiring is 50 atm % or more of the element contained in the wiring.
  • At least one of the first wiring 31 and the second wiring 32 contains nitrogen. Both the first wiring 31 and the second wiring 32 may contain nitrogen.
  • at least one of the first wiring 31 and the second wiring 32 may be metal nitride of the second metal.
  • Metal nitrides are not limited to those in which metal and nitrogen are combined, but also include those in which nitrogen has entered the crystal lattice of metal. When at least one of the first wiring 31 and the second wiring 32 contains nitrogen, diffusion of nitrogen from the spin orbit torque wiring 20 can be suppressed.
  • the spin-orbit torque wire 20 has, for example, a length in the x-direction that is longer than that in the y-direction when viewed from the z-direction, and extends in the x-direction.
  • a write current flows in the x-direction along the spin-orbit torque wiring 20 between the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the spin-orbit torque wiring 20 is connected to each of the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the spin-orbit torque wiring 20 generates a spin current by the spin Hall effect when current flows, and injects spins into the first ferromagnetic layer 1 .
  • the spin-orbit torque wiring 20 applies, 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 of current flow based on spin-orbit interaction when a current is passed.
  • the spin Hall effect is similar to the normal Hall effect in that a moving (moving) charge (electron) can bend its moving (moving) direction.
  • the direction of motion of charged particles moving in a magnetic field is bent by the Lorentz force.
  • the direction of spin movement can be bent simply by the movement of electrons (just the flow of current) without the presence of a magnetic field.
  • the first spins oriented in one direction and the second spins oriented in the opposite direction to the first spins form spin holes in a direction orthogonal to the direction in which the current flows. bent by the effect.
  • the first spin oriented in the ⁇ y direction is bent from the x direction, which is the traveling direction, to the +z direction
  • the second spin, which is oriented in the +y direction is bent from the traveling direction x direction to the ⁇ z direction.
  • the number of electrons of the first spin and the number of electrons of the second spin generated by the spin Hall effect are equal. That is, the number of first spin electrons in the +z direction is equal to the number of second spin electrons in the -z direction.
  • the first spins and the second spins flow in a direction that eliminates the uneven distribution of spins. In the movement of the first spin and the second spin in the z-direction, the electric charge flows cancel each other, so the amount of current becomes zero.
  • a spin current without an electric current is specifically called a pure spin current.
  • the spin current J S J ⁇ ⁇ J ⁇ is defined.
  • the spin current J S occurs in the z-direction.
  • a first spin is injected into the first ferromagnetic layer 1 from the spin-orbit torque wire 20 .
  • the spin-orbit torque wiring 20 includes, for example, metal (hereinafter referred to as first metal).
  • the first metal is, for example, one selected from the group consisting of Ti, Cr, Mn, Cu, Mo, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, and Au.
  • Mainly containing means that the ratio of the metal element contained in the spin orbit torque wiring 20 is 50 atm % or more of the element contained in the spin orbit torque wiring 20 .
  • the first metal included in the spin-orbit torque wiring 20 may be the same as or different from the second metal included in the first wiring 31 or the second wiring 32 . If the first metal and the second metal are the same, material procurement costs are reduced. When the first metal and the second metal are different, the metal species can be selected according to the functions required for each layer.
  • the spin-orbit torque wiring 20 contains nitrogen.
  • the nitrogen serves as a spin diffusion factor and promotes spin scattering. Spins scattered within the spin-orbit torque wire 20 are injected into the first ferromagnetic layer 1 . That is, when the spin-orbit torque wire 20 contains nitrogen, the efficiency of spin injection into the first ferromagnetic layer 1 increases.
  • the spin-orbit torque wiring 20 may be a metal nitride of the first metal.
  • Metal nitrides are not limited to those in which metal and nitrogen are combined, but also include those in which nitrogen has entered the crystal lattice of metal.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wiring 20 is different from the nitrogen content of at least one of the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the nitrogen content of the spin orbit torque wire 20 is, for example, different from the nitrogen content of the first wire 31 and the nitrogen content of the second wire 32 .
  • the nitrogen content in each wiring is obtained by the following procedure.
  • the nitrogen content can be measured, for example, by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) using a transmission electron microscope (TEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), or the like.
  • EDS composition mapping or EELS composition mapping is performed with an electron beam diameter of 1 nm or less for the spin orbit torque wiring 20 thinned to 20 nm or less in the Y direction, the nitrogen content of each wiring can be obtained. can.
  • the thickness of the flake is thicker than 20 nm, the composition information of the depth is superimposed, so that each wiring may not be layered but may be measured as non-uniform distribution.
  • each wiring may not be layered but may be measured as non-uniform distribution. Since the boundary between the spin-orbit torque wiring, the first wiring, and the second wiring is a finite electron linearity, the nitrogen distribution may appear continuous.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wiring 20 is greater than the nitrogen content of at least one of the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the nitrogen content of the spin orbit torque wire 20 is greater than the nitrogen content of the first wire 31 than the nitrogen content of the second wire 32 .
  • the nitrogen content of the first wiring 31 and the second wiring 32 is high, the resistance of the first wiring 31 and the second wiring 32 increases.
  • the wiring resistance of the first wiring 31 and the second wiring 32 is small, the power loss between the magnetoresistive effect elements 100 can be reduced, and the power consumption of the magnetic memory 200 can be reduced.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wiring 20 may be less than the nitrogen content of at least one of the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the nitrogen content of the spin orbit torque wire 20 is less than the nitrogen content of the first wire 31 than the nitrogen content of the second wire 32 . In this case, diffusion of nitrogen from the spin-orbit torque wiring 20 to the first wiring 31 or the second wiring 32 can be further suppressed.
  • the amount of nitrogen contained in the spin-orbit torque wiring 20 is large, the efficiency of spin injection into the first ferromagnetic layer 1 is increased, and the power consumption of the single magnetoresistive element 100 is reduced.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wiring 20 is, for example, 30 atm % or more.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wire 20 is, for example, 50 atm % or less.
  • the nitrogen content of each of the first wiring 31 and the second wiring 32 is, for example, 30 atm % or more.
  • the nitrogen content of each of the first wiring 31 and the second wiring 32 is, for example, 50 atm % or less.
  • the metal nitride is stabilized, as can be confirmed in the phase diagram. Further, when the spin-orbit torque wiring 20 contains sufficient nitrogen, the spin diffusion efficiency increases. In addition, if the first wiring 31 or the second wiring 32 contains sufficient nitrogen, diffusion of nitrogen from the spin orbit torque wiring 20 can be suppressed. Also, since the amount of nitrogen contained in the first wiring 31 or the second wiring 32 is not too large, an increase in wiring resistance can be suppressed.
  • the resistivity of the spin-orbit torque wiring 20 is, for example, 1 m ⁇ cm or more. Moreover, the resistivity of the spin-orbit torque wiring 20 is, for example, 10 m ⁇ cm or less.
  • a high voltage can be applied to the spin-orbit torque wire 20 if the resistivity of the spin-orbit torque wire 20 is high.
  • spins can be efficiently supplied from the spin-orbit torque wiring 20 to the first ferromagnetic layer 1 .
  • the spin-orbit torque wiring 20 has a certain level of conductivity or more, a current path can be secured along the spin-orbit torque wiring 20, and a spin current associated with the spin Hall effect can be efficiently generated.
  • the resistivity of the first wire 31 and the second wire 32 is preferably lower than the resistivity of the spin orbit torque wire 20 .
  • the thickness of the spin-orbit torque wiring 20 is, for example, 4 nm or more.
  • the thickness of the spin-orbit torque wiring 20 may be, for example, 20 nm or less.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wiring 20 may be constant within the layer or may vary.
  • the first surface 20a of the spin-orbit torque wiring 20 in contact with the first wiring 31 or the second wiring 32 may have a higher nitrogen content than the second surface 20b.
  • the second surface 20b is a surface of the spin-orbit torque wire 20 that faces the first surface 20a.
  • the nitrogen content of the spin-orbit torque wire 20 may gradually decrease from the first surface 20a to the second surface 20b. Since the nitrogen content of the first surface 20a is high, diffusion of nitrogen from the spin-orbit torque wiring 20 to the first wiring 31 or the second wiring 32 can be further suppressed.
  • the spin-orbit torque wiring 20 may contain a magnetic metal or a topological insulator.
  • a topological insulator is a material whose interior is an insulator or a high resistance material, but whose surface has a spin-polarized metallic state.
  • the laminate 10 is connected to the spin-orbit torque wiring 20 .
  • the laminate 10 is laminated to, for example, a spin-orbit torque wire 20 . Between the laminate 10 and the spin-orbit torque wire 20, there may be other layers.
  • the z-direction resistance of the laminate 10 changes as spins are injected from the spin-orbit torque wiring 20 to the laminate 10 (first ferromagnetic layer 1).
  • the laminate 10 is sandwiched between the spin-orbit torque wire 20 and the electrode E (see FIG. 2) in the z-direction.
  • the laminate 10 is a columnar body.
  • the planar view shape of the laminate 10 in the z-direction is, for example, circular, elliptical, or quadrangular.
  • the side surface of the laminate 10 is, for example, inclined with respect to the z direction.
  • the laminate 10 has, for example, a first ferromagnetic layer 1, a second ferromagnetic layer 2, and a nonmagnetic layer 3.
  • the first ferromagnetic layer 1 is, for example, in contact with the spin-orbit torque wiring 20 and laminated on the spin-orbit torque wiring 20 .
  • Spins are injected into the first ferromagnetic layer 1 from the spin-orbit torque wiring 20 .
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 receives a spin-orbit torque (SOT) due to the injected spins and changes its orientation direction.
  • SOT spin-orbit torque
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 sandwich the nonmagnetic layer 3 in the z direction.
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 each have magnetization.
  • the orientation direction of the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 is less likely to change 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 laminate 10 shown in FIG. 3 has the magnetization fixed layer on the side away from the substrate Sub, and is called a top-pin structure.
  • the laminated body 10 changes its resistance value according to the difference in the relative angle of magnetization between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 sandwiching the nonmagnetic layer 3 .
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 contain 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 one or more of these metals, and at least one or more of these metals and B, C, and N It is an alloy or the like containing the element of Ferromagnets are, for example, Co--Fe, Co--Fe--B, Ni--Fe, Co--Ho alloys, Sm--Fe alloys, Fe--Pt alloys, Co--Pt alloys and CoCrPt alloys.
  • the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 may contain a Heusler alloy.
  • Heusler alloys include intermetallic compounds with chemical compositions of XYZ or X2YZ .
  • X is a Co, Fe, Ni or Cu group transition metal element or noble metal element on the periodic table
  • Y is a Mn, V, Cr or Ti group transition metal or X element species
  • Z is a group III It is a typical element of group V from .
  • Heusler alloys are, 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. Heusler alloys have high spin polarization.
  • the first ferromagnetic layer 1 may contain nitrogen. When the first ferromagnetic layer 1 contains nitrogen, diffusion of nitrogen from the spin-orbit torque wire 20 to the first ferromagnetic layer 1 can be suppressed.
  • the non-magnetic layer 3 contains a non-magnetic material.
  • the non-magnetic layer 3 is an insulator (a tunnel barrier layer)
  • its material can be Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 or the like, for example.
  • materials in which part of Al, Si, and Mg are replaced with Zn, Be, etc. can also be used.
  • MgO and MgAl 2 O 4 are materials capable of realizing coherent tunneling, and thus spins can be efficiently injected.
  • the non-magnetic layer 3 is made of metal, its material can be Cu, Au, Ag, or the like.
  • the non-magnetic layer 3 is a semiconductor, its material can be Si, Ge, CuInSe2 , CuGaSe2 , Cu(In, Ga) Se2, or the like.
  • the laminate 10 may have layers other than the first ferromagnetic layer 1, the second ferromagnetic layer 2, and the nonmagnetic layer 3.
  • an underlayer may be provided between the spin-orbit torque wire 20 and the first ferromagnetic layer 1 .
  • the underlayer enhances the crystallinity of each layer forming the laminate 10 .
  • the uppermost surface of the laminate 10 may have a cap layer.
  • a ferromagnetic layer may be provided 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).
  • a synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching a non-magnetic layer. Due to the antiferromagnetic coupling between the second ferromagnetic layer 2 and the ferromagnetic layer, the coercive force of the second ferromagnetic layer 2 becomes larger than when the ferromagnetic layer is not provided.
  • the ferromagnetic layer is, for example, IrMn, PtMn, or the like.
  • the spacer layer contains at least one selected from the group consisting of Ru, Ir and Rh, for example.
  • the first insulating layer 91 is on the same layer as the spin orbit torque wiring 20 .
  • the first insulating layer 91 extends, for example, in the xy plane.
  • the first insulating layer 91 surrounds the spin-orbit torque wire 20 when viewed from above in the z-direction.
  • the first insulating layer 91 contacts, for example, the spin-orbit torque wiring 20 .
  • the first insulating layer 91 contains nitrogen, for example. When the first insulating layer 91 contains nitrogen, diffusion of nitrogen from the spin-orbit torque wiring 20 can be suppressed.
  • the first insulating layer 91 includes, for example, the same material as the insulating layer In described above, such as silicon nitride (SiN x ), silicon carbonitride (SiCN), silicon oxynitride (SiON), and aluminum nitride (AlN). be. Silicon nitride (SiN x ) and aluminum nitride (AlN) also have excellent thermal conductivity.
  • the second insulating layer 92 is on the same layer as the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the second insulating layer 92 extends, for example, in the xy plane.
  • the second insulating layer 92 surrounds the first wiring 31 and the second wiring 32 when viewed from above in the z direction.
  • the second insulating layer 92 contacts, for example, the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the second insulating layer 92 contains nitrogen, for example.
  • the second insulating layer 92 contains, for example, the same material as the first insulating layer 91 .
  • the third insulating layer 93 is on the same layer as the laminate 10.
  • the third insulating layer 93 extends, for example, in the xy plane.
  • the third insulating layer 93 surrounds the laminate 10 when viewed from above in the z direction.
  • the third insulating layer 93 is in contact with the laminate 10, for example.
  • the third insulating layer 93 contains, for example, the same material as the first insulating layer 91 or the second insulating layer 92 .
  • the magnetoresistive element 100 is formed by laminating each layer and 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 deposition method, or the like can be used for stacking each layer.
  • Each layer can be processed using photolithography or the like.
  • a source S and a drain D are formed by doping impurities at predetermined positions on the substrate Sub.
  • a gate insulating film GI and a gate electrode G are formed between the source S and the drain D.
  • the source S, the drain D, the gate insulating film GI, and the gate electrode G become the transistor Tr.
  • a commercially available semiconductor circuit board on which a transistor Tr is formed may be used as the substrate Sub.
  • an insulating layer In is formed to cover the transistor Tr.
  • the via wiring V, the first wiring 31 and the second wiring 32 are formed.
  • the write wiring WL and the common wiring CL are formed by laminating insulating layers In to a predetermined thickness, forming grooves in the insulating layers In, and filling the grooves with a conductor.
  • a layer that will become the spin orbit torque wiring 20 is formed on one surface of the insulating layer In, the first wiring 31 and the second wiring 32 .
  • the first wiring 31, the second wiring 32, and the spin-orbit torque wiring 20 contain nitrogen by performing sputtering using a metal nitride target.
  • a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, a ferromagnetic layer, and a hard mask layer are laminated in this order on the layer that will become the spin-orbit torque wiring 20 .
  • the hard mask layer is processed into a predetermined shape.
  • the predetermined shape is, for example, the outer shape of the spin orbit torque wire 20 .
  • the layer to be the spin-orbit torque wiring 20, the ferromagnetic layer, the non-magnetic layer, and the ferromagnetic layer are processed into a predetermined shape at once through a hard mask layer.
  • the hard mask layer forms the outline of the laminate 10 .
  • an unnecessary portion in the x direction of the laminate formed on the spin-orbit torque wiring 20 is removed through the hard mask layer.
  • the layered body 10 is processed into a predetermined shape to be the layered body 10 .
  • the hard mask layer becomes the electrode E.
  • an insulating layer In is buried around the laminate 10 and the spin-orbit torque wiring 20 to obtain the magnetoresistive element 100 .
  • the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment can increase the efficiency of spin injection into the first ferromagnetic layer 1 by including nitrogen in the spin-orbit torque wiring 20 .
  • at least one of the first wiring 31 and the second wiring 32 contains nitrogen, diffusion of nitrogen from the spin orbit torque wiring 20 can be suppressed during annealing or the like.
  • magnetoresistive element 100 An example of the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment has been described above, but additions, omissions, substitutions, and other modifications of the configuration are possible without departing from the gist of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element 101 according to a first modified example.
  • FIG. 5 is an xz cross section passing through the center of the spin orbit torque wire 20 in the y direction.
  • the same components as in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • a magnetoresistive element 101 according to the first modification has an intermediate layer 41 between the spin-orbit torque wiring 20 and the first wiring 31, and an intermediate layer 41 between the spin-orbit torque wiring 20 and the second wiring 32. 42.
  • the intermediate layers 41 and 42 contain nitrogen.
  • the intermediate layers 41 and 42 are, for example, metal nitride.
  • the intermediate layer 41 and the intermediate layer 42 have a higher nitrogen content than the spin orbit torque wire 20 , the first wire 31 and the second wire 32 .
  • the intermediate layer 41 suppresses diffusion of nitrogen from the spin-orbit torque wiring 20 to the first wiring 31 .
  • the intermediate layer 42 suppresses nitrogen diffusion from the spin-orbit torque wire 20 to the second wire 32 .
  • the thickness of each of the intermediate layers 41 and 42 is, for example, equal to or less than the thickness of the spin-orbit torque wiring 20 .
  • the thickness of the intermediate layer 41 and the intermediate layer 42 is thin, the current loss in the intermediate layer 41 or the intermediate layer 42 becomes small.
  • the intermediate layer 41 and the intermediate layer 42 may not be a completely continuous layer, and may be, for example, a continuous film having a plurality of openings or a layer containing a plurality of constituent elements scattered like islands.
  • the magnetoresistive element 101 according to the first modification can obtain the same effect as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element 102 according to a second modification.
  • FIG. 6 is an xz cross section passing through the center of the spin orbit torque wire 20 in the y direction.
  • the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the laminate 10 shown in FIG. 6 has a bottom-pinned structure in which the magnetization fixed layer (second ferromagnetic layer 2) is near the substrate Sub.
  • the magnetization fixed layer is located on the substrate Sub side, the magnetization stability of the magnetization fixed layer is enhanced, and the MR ratio of the magnetoresistance effect element 102 is increased.
  • a spin-orbit torque wire 20 is, for example, on the stack 10 .
  • the first wiring 31 and the second wiring 32 are on the spin orbit torque wiring 20 .
  • the magnetoresistance effect element 102 according to the second modification differs only in the positional relationship of each component, and the same effects as those of the magnetoresistance effect element 100 according to the first embodiment are obtained.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element 103 according to a third modification.
  • FIG. 7 is an xz cross section passing through the center of the spin orbit torque wire 20 in the y direction.
  • the same components as those in FIG. 3 are given the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the magnetoresistive element 103 shown in FIG. 7 has the laminate 10 laminated on the first surface 20a of the spin orbit torque wiring 20 to which the first wiring 31 is connected. That is, the laminate 10, the first wiring 31 and the second wiring 32 are connected to the same surface (first surface 20a) of the spin orbit torque wiring 20. As shown in FIG.
  • the magnetoresistance effect element 103 according to the third modification differs only in the positional relationship of each component, and the same effects as those of the magnetoresistance effect element 100 according to the first embodiment are obtained.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element 104 according to a fourth modification.
  • FIG. 8 is an xz section passing through the center of the spin orbit torque wire 20 in the y direction.
  • the same components as in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the magnetoresistive element 104 shown in FIG. 8 further includes a third wiring 33 .
  • a third wire 33 extends along the spin orbit torque wire 20 .
  • the third wiring 33 contacts the spin orbit torque wiring 20 .
  • the third wiring 33 contains nitrogen.
  • the nitrogen content of the third wire 33 is different than the nitrogen content of the spin orbit torque wire 20 .
  • the nitrogen content of the third wire 33 may be greater or less than the nitrogen content of the spin orbit torque wire.
  • the third wiring 33 contains metal.
  • the metal contained in the third wiring 33 is the same as the second metal.
  • the third wiring 33 mainly contains, for example, the second metal.
  • the third wiring 33 may be, for example, a metal nitride of the second metal.
  • the first wiring 31 and the second wiring 32 may not contain nitrogen.
  • the magnetoresistance effect element 104 according to the fourth modification can obtain the same effect as the magnetoresistance effect element 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the magnetization rotating element 110 according to the second embodiment.
  • the magnetization rotating element 110 is replaced with the magnetoresistive effect element 100 according to the first embodiment.
  • the magnetization rotation element 110 makes light incident on the first ferromagnetic layer 1 and evaluates the light reflected by the first ferromagnetic layer 1 .
  • the magnetization rotation element 110 can be used, for example, as an optical element such as an image display device that utilizes the difference in the polarization state of light.
  • the magnetization rotating element 110 can be used alone as an anisotropic magnetic sensor, an optical element using the magnetic Faraday effect, or the like.
  • the spin-orbit torque wiring 20, the first wiring 31, and the second wiring 32 of the magnetization rotating element 110 contain nitrogen.
  • the magnetization rotation element 110 according to the second embodiment is the same as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment, except that the nonmagnetic layer 3 and the second ferromagnetic layer 2 are removed from the magnetoresistive element 100. 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続された第１強磁性層と、前記第１強磁性層と異なる位置で前記スピン軌道トルク配線に接続された配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線と前記配線とはそれぞれ、窒素を含有し、前記スピン軌道トルク配線と前記配線とは窒素含有量が異なる。

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。
　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（例えば、特許文献１）。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。
特開２０１７－２１６２８６号公報
　ＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線に沿って電流を流すことで、データを書き込む。データ書き込みに要する電流量が少なく、消費電力の小さい、磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリが求められている。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、消費電力を小さくできる、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、第１強磁性層と、配線と、を備える。第１強磁性層は、前記スピン軌道トルク配線に接続されている。配線は、前記第１強磁性層と異なる位置で前記スピン軌道トルク配線に接続されている。前記スピン軌道トルク配線と前記配線とはそれぞれ、窒素を含有する。前記スピン軌道トルク配線と前記配線とは窒素含有量が異なる。
（２）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記配線は、第１配線と第２配線とを有してもよい。前記第１配線と前記第２配線とは、積層方向から見て、前記第１強磁性層を挟む位置で前記スピン軌道トルク配線に接続されている。
（３）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記配線より窒素含有量が多くてもよい。
（４）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記配線の窒素含有量は、３０ａｔｍ％以上でもよい。
（５）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記配線より窒素含有量が少なくてもよい。
（６）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線の窒素含有量は、３０ａｔｍ％以上でもよい。
（７）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記配線の窒素含有量は、５０ａｔ％以下でもよい。
（８）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記配線と接する第１面は、前記第１面と反対の第２面より窒素含有量が多くてもよい。
（９）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記配線は、前記スピン軌道トルク配線より抵抗率が小さくてもよい。
（１０）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、第１金属を含み、前記配線は、第２金属を含み、前記第１金属と前記第２金属とが異なってもよい。前記第１金属は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される何れかである。前記第２金属は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗからなる群から選択される何れかである。
（１１）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、第１金属を含み、前記配線は、第２金属を含み、前記第１金属と前記第２金属とが同じでもよい。
（１２）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の周囲を囲み、窒素を含む第１絶縁層をさらに備えてもよい。
（１３）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記配線の周囲を囲み、窒素を含む第２絶縁層をさらに備えてもよい。
（１４）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と前記配線との間に中間層をさらに備えてもよい。前記中間層は、前記スピン軌道トルク配線及び前記配線よりの窒素含有量が多い。
（１５）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１強磁性層が窒素を含んでもよい。
（１６）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、第２強磁性層と、非磁性層と、を備える。前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれている。
（１７）第３の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかる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、消費電力を低減できる。
第１実施形態にかかる磁気メモリの回路図である。 第１実施形態にかかる磁気メモリ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、スピン軌道トルク配線２０の長手方向である。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。また本明細書での「接続」は電気的な接続も含む。
「第１実施形態」
　図１は、第１実施形態にかかる磁気メモリ２００の構成図である。磁気メモリ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。磁気メモリ２００は、例えば、磁気抵抗効果素子１００がアレイ状に配列されている。
　それぞれの書き込み配線ＷＬ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。それぞれの共通配線ＣＬ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。それぞれの共通配線ＣＬ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。それぞれの読出し配線ＲＬ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、使用時に磁気メモリ２００に接続される。
　それぞれの磁気抵抗効果素子１００は、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のそれぞれに接続されている。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。
　所定の第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。所定の第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に示す磁気メモリ２００は、同じ読出し配線ＲＬ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に設けられていてもよい。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メモリ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ｘ方向の異なる位置にある。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。ソースＳとドレインＤは、電流の流れ方向によって既定されるものであり、これらは同一の領域である。ソースＳとドレインＤの位置関係は、反転していてもよい。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配線３１及び第２配線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は、導電性を有する材料を含む。ビア配線Ｖと第１配線３１とは一体化していてもよい。またビア配線Ｖと第２配線３２とは一体化していてもよい。すなわち、第１配線３１はビア配線Ｖの一部でもよく、第２配線３２はビア配線Ｖの一部でもよい。
　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配線３１と第２配線３２とを備える。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。磁気抵抗効果素子１００の周囲は、例えば、第１絶縁層９１、第２絶縁層９２、第３絶縁層９３で覆われている。第１絶縁層９１、第２絶縁層９２及び第３絶縁層９３は、上述の絶縁層Ｉｎの一部である。
　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。
　磁気抵抗効果素子１００は、データを記録、保存する素子である。磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０のｚ方向の抵抗値でデータを記録する。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線２０に沿って書き込み電流を印加し、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。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、積層体１０のｚ方向に読出し電流を印加することで読み出すことができる。
　第１配線３１と第２配線３２とは、ｚ方向から見て、第１強磁性層１を挟む位置でスピン軌道トルク配線２０に接続されている。第１配線３１とスピン軌道トルク配線２０との間、第２配線３２とスピン軌道トルク配線２０との間には、他の層を有していてもよい。
　第１配線３１及び第２配線３２は、例えば、スイッチング素子と磁気抵抗効果素子１００とを電気的に繋ぐ導体である。第１配線３１及び第２配線３２はいずれも、導電性を有する。
　第１配線３１と第２配線３２は、いずれも金属（以下、第２金属と称する）を含む。第２金属は、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗからなる群から選択される何れかである。第１配線３１と第２配線３２は、例えば、第２金属を主として含む。主として含むとは、配線に含まれる上記の金属元素の割合が、配線に含まれる元素の５０ａｔｍ％以上であることを意味する。
　第１配線３１と第２配線３２とのうち少なくとも一方は、窒素を含む。第１配線３１と第２配線３２とはいずれも、窒素を含んでもよい。例えば、第１配線３１と第２配線３２とのうち少なくとも一方は、第２金属の金属窒化物でもよい。金属窒化物は、金属と窒素とが化合しているものに限られず、金属の結晶格子中に窒素が侵入したものも含む。第１配線３１と第２配線３２とのうち少なくとも一方が窒素を含むと、スピン軌道トルク配線２０からの窒素拡散を抑制できる。
　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。書き込み電流は、第１配線３１と第２配線３２との間を、スピン軌道トルク配線２０に沿ってｘ方向に流れる。スピン軌道トルク配線２０は、第１配線３１と第２配線３２とのそれぞれに接続されている。
　スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、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スピンは、進行方向であるｘ方向から＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンは、進行方向であるｘ方向から－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、例えば、金属（以下、第１金属と称する）を含む。第１金属は、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される何れかである。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１金属を主として含む。主として含むとは、スピン軌道トルク配線２０に含まれる上記の金属元素の割合が、スピン軌道トルク配線２０に含まれる元素の５０ａｔｍ％以上であることを意味する。
　スピン軌道トルク配線２０に含まれる第１金属は、第１配線３１又は第２配線３２に含まれる第２金属と、同じでも異なってもよい。第１金属と第２金属が同じ場合、材料の調達コストが下がる。第１金属と第２金属が異なる場合、それぞれの層に求められる機能に合わせて金属種を選択できる。
　スピン軌道トルク配線２０は、窒素を含む。スピン軌道トルク配線２０が窒素を含むと、窒素がスピンの拡散因子となり、スピンの散乱を促す。スピン軌道トルク配線２０内で散乱されたスピンは、第１強磁性層１に注入される。すなわち、スピン軌道トルク配線２０が窒素を含むと、第１強磁性層１へのスピンの注入効率が高まる。
　スピン軌道トルク配線２０は、第１金属の金属窒化物でもよい。金属窒化物は、金属と窒素とが化合しているものに限られず、金属の結晶格子中に窒素が侵入したものも含む。
　スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、第１配線３１と第２配線３２とのうち少なくとも一方の窒素含有量と異なる。スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、例えば、第１配線３１の窒素含有量とも、第２配線３２の窒素含有量とも異なる。
　各配線における窒素含有量は、以下の手順で求められる。窒素含有量は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いたエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）等で測定できる。例えば、Ｙ方向に２０ｎｍ以下まで薄片化したスピン軌道トルク配線２０に対して、直径１ｎｍ以下の電子線径で、ＥＤＳ組成マッピング又はＥＥＬＳ組成マッピングを行うと、各配線の窒素含有量を求めることができる。薄片の厚みが２０ｎｍより厚い場合は、奥行きの組成情報が重畳されるため、各配線が層状ではなく、不均一な分布として測定される場合がある。また電子線径が直径１ｎｍより大きい場合も、隣接する元素のエネルギーが重畳されるため、各配線が層状ではなく、不均一な分布として測定される場合がある。スピン軌道トルク配線と第１配線、第２配線の境界は有限の電子線形であるため、窒素分布は連続的に見えることがある。
　例えば、スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、第１配線３１と第２配線３２とのうち少なくとも一方の窒素含有量より多い。例えば、スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、第１配線３１の窒素含有量よりも、第２配線３２の窒素含有量よりも多い。第１配線３１及び第２配線３２の窒素含有量が多いと、第１配線３１及び第２配線３２の抵抗が高くなる。第１配線３１及び第２配線３２の配線抵抗が小さいと、磁気抵抗効果素子１００の間における電力ロスを低減でき、磁気メモリ２００の消費電力が小さくなる。
　また例えば、スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、第１配線３１と第２配線３２とのうち少なくとも一方の窒素含有量より少なくてもよい。例えば、スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、第１配線３１の窒素含有量よりも、第２配線３２の窒素含有量よりも少ない。この場合、スピン軌道トルク配線２０から第１配線３１又は第２配線３２への窒素拡散をより抑制できる。スピン軌道トルク配線２０内に含有される窒素量が多いと、第１強磁性層１へのスピン注入効率が高まり、単独の磁気抵抗効果素子１００の消費電力が小さくなる。
　スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、例えば、３０ａｔｍ％以上である。スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、例えば、５０ａｔｍ％以下である。第１配線３１及び第２配線３２のそれぞれの窒素含有量は、例えば、３０ａｔｍ％以上である。第１配線３１及び第２配線３２のそれぞれの窒素含有量は、例えば、５０ａｔｍ％以下である。
　窒素含有量が上記範囲であれば、相図でも確認できるように、金属窒化物が安定化する。またスピン軌道トルク配線２０に窒素が十分含まれると、スピンの拡散効率が高まる。また第１配線３１又は第２配線３２に窒素が十分含まれると、スピン軌道トルク配線２０からの窒素拡散を抑制できる。また第１配線３１又は第２配線３２に含まれる窒素が多すぎないことで、配線抵抗の増加を抑制できる。
　スピン軌道トルク配線２０の抵抗率は、例えば、１ｍΩ・ｃｍ以上である。またスピン軌道トルク配線２０の抵抗率は、例えば、１０ｍΩ・ｃｍ以下である。スピン軌道トルク配線２０の抵抗率が高いと、スピン軌道トルク配線２０に高電圧を印加できる。スピン軌道トルク配線２０の電位が高くなると、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に効率的にスピンを供給できる。またスピン軌道トルク配線２０が一定以上の導電性を有することで、スピン軌道トルク配線２０に沿って流れる電流経路を確保でき、スピンホール効果に伴うスピン流を効率的に生み出すことができる。第１配線３１及び第２配線３２の抵抗率は、好ましくは、スピン軌道トルク配線２０の抵抗率より低い。
　スピン軌道トルク配線２０の厚みは、例えば、４ｎｍ以上である。スピン軌道トルク配線２０の厚みは、例えば、２０ｎｍ以下でもよい。
　スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、層内で一定でもよいし、ばらついていてもよい。例えば、スピン軌道トルク配線２０の第１配線３１又は第２配線３２と接する第１面２０ａは、第２面２０ｂより窒素含有量が多くてもよい。第２面２０ｂは、スピン軌道トルク配線２０において、第１面２０ａと対向する面である。例えば、スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量は、第１面２０ａから第２面２０ｂに向かって、徐々に小さくなってもよい。第１面２０ａの窒素含有量が多いことで、スピン軌道トルク配線２０から第１配線３１又は第２配線３２への窒素拡散をより抑制できる。
　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。
　積層体１０は、スピン軌道トルク配線２０に接続されている。積層体１０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０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（第１強磁性層１）にスピンが注入されることで変化する。
　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。
　第１強磁性層１は、窒素を含んでもよい。第１強磁性層１が窒素を含むと、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１への窒素拡散を抑制できる。
　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設けてもよい。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。
　第１絶縁層９１は、スピン軌道トルク配線２０と同じ階層にある。第１絶縁層９１は、例えば、ｘｙ面内に広がる。第１絶縁層９１は、ｚ方向から平面視した際に、スピン軌道トルク配線２０の周囲を囲む。第１絶縁層９１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と接する。第１絶縁層９１は、例えば、窒素を含む。第１絶縁層９１が窒素を含むと、スピン軌道トルク配線２０からの窒素拡散を抑制できる。第１絶縁層９１は、例えば、上述の絶縁層Ｉｎと同様の材料を含み、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。窒化シリコン（ＳｉＮｘ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、熱伝導性にも優れる。
　第２絶縁層９２は、第１配線３１及び第２配線３２と同じ階層にある。第２絶縁層９２は、例えば、ｘｙ面内に広がる。第２絶縁層９２は、ｚ方向から平面視した際に、第１配線３１及び第２配線３２の周囲を囲む。第２絶縁層９２は、例えば、第１配線３１及び第２配線３２と接する。第２絶縁層９２は、例えば、窒素を含む。第２絶縁層９２は、例えば、第１絶縁層９１と同様の材料を含む。
　第３絶縁層９３は、積層体１０と同じ階層にある。第３絶縁層９３は、例えば、ｘｙ面内に広がる。第３絶縁層９３は、ｚ方向から平面視した際に、積層体１０の周囲を囲む。第３絶縁層９３は、例えば、積層体１０と接する。第３絶縁層９３は、例えば、第１絶縁層９１又は第２絶縁層９２と同様の材料を含む。
　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。基板Ｓｕｂは、トランジスタＴｒが形成された市販の半導体回路基板を用いてもよい。
　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配線３１及び第２配線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配線３１及び第２配線３２の一面に、スピン軌道トルク配線２０となる層を成膜する。第１配線３１、第２配線３２及びスピン軌道トルク配線２０は、金属窒化物のターゲットを用いたスパッタリングを行うことで、窒素を含む。
　次いで、スピン軌道トルク配線２０となる層に、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、スピン軌道トルク配線２０となる層、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。
　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、スピン軌道トルク配線２０が窒素を含むことで、第１強磁性層１へのスピン注入効率を高めることができる。また第１配線３１と第２配線３２とのうち少なくとも一方が窒素を含むことで、アニール処理等の際に、窒素がスピン軌道トルク配線２０から拡散することを抑制できる。
　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。
（第１変形例）
　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２０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。
　第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０１は、スピン軌道トルク配線２０と第１配線３１との間に中間層４１を有し、スピン軌道トルク配線２０と第２配線３２との間に中間層４２を有する。
　中間層４１及び中間層４２は、窒素を含む。中間層４１及び中間層４２は、例えば、金属窒化物である。中間層４１及び中間層４２は、スピン軌道トルク配線２０、第１配線３１及び第２配線３２よりの窒素含有量が多い。中間層４１は、スピン軌道トルク配線２０から第１配線３１への窒素拡散を抑制する。中間層４２は、スピン軌道トルク配線２０から第２配線３２への窒素拡散を抑制する。
　中間層４１と中間層４２のそれぞれの厚みは、例えば、スピン軌道トルク配線２０の厚み以下である。中間層４１及び中間層４２の厚みが薄いと、中間層４１又は中間層４２での電流ロスが小さくなる。
　中間層４１及び中間層４２は、完全な連続する層となっていなくてもよく、例えば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もよい。
　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。
（第２変形例）
　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２０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。
　図６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。磁化固定層が基板Ｓｕｂ側にあると、磁化固定層の磁化の安定性が高まり、磁気抵抗効果素子１０２のＭＲ比が高くなる。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、積層体１０上にある。第１配線３１及び第２配線３２は、スピン軌道トルク配線２０上にある。
　第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０２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。
（第３変形例）
　図７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７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７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７に示す磁気抵抗効果素子１０３は、第１配線３１が接続されるスピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａに積層体１０が積層されている。すなわち、積層体１０、第１配線３１及び第２配線３２がスピン軌道トルク配線２０の同じ面（第１面２０ａ）に接続されている。
　第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０３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。
（第４変形例）
　図８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８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８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８に示す磁気抵抗効果素子１０４は、第３配線３３をさらに備える。第３配線３３は、スピン軌道トルク配線２０に沿って広がる。第３配線３３は、スピン軌道トルク配線２０に接する。
　第３配線３３は、窒素を含む。第３配線３３の窒素含有量は、スピン軌道トルク配線２０の窒素含有量と異なる。第３配線３３の窒素含有量は、スピン軌道トルク配線の窒素含有量より多くても、少なくてもよい。
　第３配線３３は、金属を含む。第３配線３３に含まれる金属は、第２金属と同様である。第３配線３３は、例えば、第２金属を主として含む。第３配線３３は、例えば、第２金属の金属窒化物でもよい。
　第４変形例において、第１配線３１及び第２配線３２は、窒素を含まなくてもよい。
　第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０４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。
「第２実施形態」
　図９は、第２実施形態に係る磁化回転素子１１０の断面図である。図９において、磁化回転素子１１０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１１０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１１０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１１０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１１０のスピン軌道トルク配線２０、第１配線３１及び第２配線３２は、窒素を含む。
　第２実施形態に係る磁化回転素子１１０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及び変形例に適用してもよい。
１…第１強磁性層、２…第２強磁性層、３…非磁性層、１０…積層体、２０…スピン軌道トルク配線、３１…第１配線、３２…第２配線、４１，４２…中間層、９１…第１絶縁層、９２…第２絶縁層、９３…第３絶縁層、１００，１０１，１０２，１０３，１０４…磁気抵抗効果素子、１１０…磁化回転素子、２００…磁気メモリ、ＣＬ…共通配線、ＲＬ…読出し配線、ＷＬ…書き込み配線、Ｉｎ…絶縁層

Claims (17)

  1. 　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続された第１強磁性層と、
    　前記第１強磁性層と異なる位置で前記スピン軌道トルク配線に接続された配線と、を備え、
    　前記スピン軌道トルク配線と前記配線とはそれぞれ、窒素を含有し、
    　前記スピン軌道トルク配線と前記配線とは窒素含有量が異なる、磁化回転素子。
  2. 　前記配線は、第１配線と第２配線とを有し、
    　前記第１配線と前記第２配線とは、積層方向から見て、前記第１強磁性層を挟む位置で前記スピン軌道トルク配線に接続されている、請求項１に記載の磁化回転素子。
  3. 　前記スピン軌道トルク配線は、前記配線より窒素含有量が多い、請求項１又は２に記載の磁化回転素子。
  4. 　前記配線の窒素含有量は、３０ａｔｍ％以上である、請求項３に記載の磁化回転素子。
  5. 　前記スピン軌道トルク配線は、前記配線より窒素含有量が少ない、請求項１又は２に記載の磁化回転素子。
  6. 　前記スピン軌道トルク配線の窒素含有量は、３０ａｔｍ％以上である、請求項５に記載の磁化回転素子。
  7. 　前記配線の窒素含有量は、５０ａｔ％以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  8. 　前記スピン軌道トルク配線の前記配線と接する第１面は、前記第１面と反対の第２面より窒素含有量が多い、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  9. 　前記配線は、前記スピン軌道トルク配線より抵抗率が小さい、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は、第１金属を含み、
    　前記配線は、第２金属を含み、
    　前記第１金属と前記第２金属とは異なり、
    　前記第１金属は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される何れかであり、
    　前記第２金属は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗからなる群から選択される何れかである、請求項１～９のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  11. 　前記スピン軌道トルク配線は、第１金属を含み、
    　前記配線は、第２金属を含み、
    　前記第１金属と前記第２金属とが同じである、請求項１～９のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  12. 　前記スピン軌道トルク配線の周囲を囲む第１絶縁層をさらに備え、
    　前記第１絶縁層が窒素を含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  13. 　前記配線の周囲を囲む第２絶縁層をさらに備え、
    　前記第２絶縁層が窒素を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  14. 　前記スピン軌道トルク配線と前記配線との間に中間層をさらに備え、
    　前記中間層は、前記スピン軌道トルク配線及び前記配線よりの窒素含有量が多い、請求項１～１３のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  15. 　前記第１強磁性層が窒素を含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
  16. 　請求項１～１５のいずれか一項に記載の磁化回転素子と、
    　第２強磁性層と、
    　非磁性層と、を備え、
    　前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれている、磁気抵抗効果素子。
  17. 　請求項１６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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