WO2024004125A1 - 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

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WO2024004125A1
WO2024004125A1 PCT/JP2022/026189 JP2022026189W WO2024004125A1 WO 2024004125 A1 WO2024004125 A1 WO 2024004125A1 JP 2022026189 W JP2022026189 W JP 2022026189W WO 2024004125 A1 WO2024004125 A1 WO 2024004125A1
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layer
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orbit torque
conductive layer
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優剛 石谷
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Tdk株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a magnetization rotating element, a magnetoresistive element, and a magnetic memory.
  • GMR giant magnetoresistive
  • TMR tunnel magnetoresistive
  • MRAM nonvolatile random access memories
  • MRAM is a memory element in which magnetoresistive elements are integrated. MRAM reads and writes data using the property that when the mutual magnetization directions of two ferromagnetic layers sandwiching a nonmagnetic layer in the magnetoresistive element change, the resistance of the magnetoresistive element changes.
  • the direction of magnetization of the ferromagnetic layer is controlled using, for example, a magnetic field generated by an electric current.
  • the direction of magnetization of the ferromagnetic layer is controlled using spin transfer torque (STT) generated by passing a current in the lamination direction of the magnetoresistive element.
  • STT spin transfer torque
  • SOT spin-orbit torque
  • a current for inducing SOT in the magnetoresistive element flows in a direction intersecting the stacking direction of the magnetoresistive element. That is, there is no need to flow a current in the lamination direction of the magnetoresistive element, and it is expected that the life of the magnetoresistive element will be extended.
  • a magnetoresistive element using spin-orbit torque the magnetization of the ferromagnetic layer is reversed when the current density of the write current flowing through the spin-orbit torque wiring exceeds a predetermined value.
  • the current density of the write current at which the magnetization of the ferromagnetic layer is reversed is called the reversal current density.
  • the thickness of the spin-orbit torque interconnect is often reduced.
  • a write current to the spin-orbit torque wiring is supplied via the via wiring. When the spin orbit torque wiring is thin, it is difficult to secure sufficient electrical contact between the via wiring and the spin orbit torque wiring.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetization rotating element, a magnetoresistive effect element, and a magnetic memory that can ensure sufficient electrical contact between the via wiring and the spin-orbit torque wiring. .
  • the present invention provides the following means to solve the above problems.
  • the magnetization rotating element includes a spin-orbit torque wiring, a first ferromagnetic layer, a first columnar body, a second columnar body, and a first conductive layer.
  • the first ferromagnetic layer faces at least a portion of the spin-orbit torque wiring.
  • the first conductive layer is in contact with the spin-orbit torque wiring at a position that does not overlap with the first ferromagnetic layer when viewed from the stacking direction.
  • the first columnar body passes through the spin-orbit torque wiring.
  • the first columnar body is in contact with the spin-orbit torque wiring and the first conductive layer.
  • the second columnar body contacts the spin-orbit torque wiring at a position where the first ferromagnetic layer is sandwiched between the second columnar body and the first columnar body when viewed from the stacking direction.
  • a part of the side wall of the first columnar body may be in contact with the first conductive layer over the entire circumference.
  • the first end of the first columnar body in the stacking direction may be in contact with the first conductive layer.
  • the magnetization rotating element according to the above aspect may further include a coating layer.
  • the covering layer covers a surface of the first conductive layer other than a surface in contact with the spin-orbit torque wiring.
  • the coating layer may have a lower etching rate than the first conductive layer in ion milling under the same conditions.
  • the coating layer may have a lower etching rate than the first conductive layer in reactive ion etching under the same conditions.
  • the thickness of the first conductive layer may be 5% or more of the height of a perpendicular line drawn from the second end of the first columnar body to the spin-orbit torque wiring.
  • the second end is an end of the first columnar body on a side far from the first conductive layer in the stacking direction.
  • the thickness of the first conductive layer may be 300% or less of the height of a perpendicular line drawn from the second end of the first columnar body to the spin-orbit torque wiring. .
  • the first conductive layer and the second columnar body may be in contact with the same surface of the spin-orbit torque wiring.
  • the first conductive layer and the second columnar body may have the same main component among their constituent elements.
  • the magnetization rotating element according to the above aspect may further include a second conductive layer.
  • the second conductive layer is in contact with the spin-orbit torque wiring.
  • the second columnar body may penetrate the spin-orbit torque wiring and be in contact with the spin-orbit torque wiring and the second conductive layer.
  • the magnetoresistive element according to the second aspect may include at least the magnetization rotating element according to the above aspect, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic layer.
  • the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer of the magnetization rotating element sandwich the nonmagnetic layer.
  • a magnetic memory according to a third aspect includes the magnetoresistive element according to the above aspect.
  • the magnetization rotating element, magnetoresistive element, and magnetic memory according to the present disclosure can sufficiently ensure electrical contact between the via wiring and the spin-orbit torque wiring.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a magnetic memory according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a characteristic portion of the magnetic memory according to the 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. 3 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of a magnetoresistive element according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a magnetic memory according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a characteristic portion of the magnetic memory according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of a magnetoresistive element according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element according to a fifth embodiment. It is a sectional view of the magnetization rotation element concerning a 6th embodiment.
  • the x direction is, for example, the longitudinal direction of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the z direction is a direction perpendicular to the x direction and the y direction.
  • the z direction is an example of a lamination direction in which each layer is laminated.
  • the +z direction may be expressed as "up” and the -z direction as "down". Up and down do not necessarily correspond to the direction in which gravity is applied.
  • connection means, for example, that the dimension in the x direction is larger than the smallest dimension among the dimensions in the x direction, y direction, and z direction. The same applies when extending in other directions.
  • connection is not limited to a case where a physical connection is made.
  • connection is not limited to the case where two layers are physically in contact with each other, but also includes the case where two layers are connected with another layer in between.
  • connection in this specification also includes electrical connection.
  • “facing” refers to a relationship in which two layers face each other, and the two layers may be in contact with each other, or may face each other with another layer in between.
  • 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 elements 100, a plurality of write wirings WL, a plurality of common wirings CL, a plurality of readout 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.
  • magnetoresistive elements 100 are arranged in a matrix.
  • Each write wiring WL electrically connects a power source and one or more magnetoresistive elements 100.
  • Each common wiring CL is a wiring used both when writing and reading data.
  • Each common wiring 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 elements 100 or may be provided across the plurality of magnetoresistive elements 100.
  • Each readout wiring RL electrically connects a power source and one or more magnetoresistive elements 100.
  • a power source is connected to the magnetic memory 200 in use.
  • Each magnetoresistive element 100 is electrically 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 wiring CL.
  • the third switching element Sw3 is connected to the readout wiring RL extending over the plurality of magnetoresistive elements 100.
  • a write current flows between the write wiring WL connected to the predetermined magnetoresistive element 100 and the common wiring CL. Data is written into a predetermined magnetoresistive element 100 by the flow of the write current.
  • a read current flows between the common wiring CL connected to the predetermined magnetoresistive element 100 and the read wiring RL. Data is read from a predetermined magnetoresistive element 100 by the read current flowing.
  • 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 that utilizes a phase change in a crystal layer such as an Ovonic Threshold Switch (OTS), or a metal-insulator transition element.
  • OTS Ovonic Threshold Switch
  • These are elements that utilize changes in band structure, such as (MIT) switches, elements that utilize breakdown voltage, such as Zener diodes and avalanche diodes, and elements whose conductivity changes with changes in atomic position.
  • the magnetoresistive elements 100 connected to the same readout wiring RL share the third switching element Sw3.
  • the third switching element Sw3 may be provided in each magnetoresistive element 100.
  • each magnetoresistive element 100 may be provided with a third switching element Sw3, and the first switching element Sw1 or the second switching element Sw2 may be shared by the magnetoresistive elements 100 connected to the same wiring.
  • 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 an xz plane passing through the center of the width in the y direction of a 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 wiring RL, and is located at a different position in the y direction of FIG. 2, for example.
  • the transistor Tr is, for example, a field effect transistor, and includes a gate electrode G, a gate insulating film GI, and a source S and a drain D formed on a substrate Sub.
  • the 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 via the via wiring W1 and the in-plane wiring W2. Further, the transistor Tr and the write wiring WL or the common wiring CL are connected by a via wiring W1.
  • the via wiring W1 extends in the z direction.
  • the via wiring W1 may be formed by stacking a plurality of columnar bodies.
  • the in-plane wiring W2 extends in any direction within the xy plane.
  • the via wiring W1 and the in-plane wiring W2 include a conductive material.
  • the magnetoresistive element 100 and the transistor Tr are surrounded by an insulating layer 90.
  • the insulating layer 90 is an insulating layer that insulates between wires of multilayer wiring and between elements.
  • the insulating layer 90 is made of, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbonitride (SiCN), silicon oxynitride (SiON), or aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), zirconium oxide (ZrO x ), magnesium oxide (MgO), aluminum nitride (AlN), etc.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 100.
  • FIG. 3 is a cross section of the magnetoresistive element 100 taken along an 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 element 100 viewed from the z direction.
  • the magnetoresistive element 100 includes, for example, a stacked body 10, a spin-orbit torque wiring 20, a first columnar body 30, a second columnar body 40, and a first conductive layer 50.
  • the periphery of the magnetoresistive element 100 is covered with insulating layers 91, 92, 93, and 94.
  • the insulating layers 91, 92, 93, and 94 are part of the insulating layer 90 and are stacked.
  • Each of the insulating layers 91, 92, 93, and 94 is an interlayer insulating film layered in a layered manner.
  • the magnetoresistive element 100 is a magnetic element that utilizes spin-orbit torque (SOT), and is sometimes referred to as a spin-orbit-torque magnetoresistive element, a spin-injection magnetoresistive element, or a spin-current magnetoresistive element. .
  • SOT spin-orbit torque
  • the magnetoresistive element 100 is an element that records and stores data.
  • the magnetoresistive element 100 records data based on the resistance value of the stacked body 10 in the z direction.
  • the resistance value of the stacked body 10 in the z direction changes by applying a write current along the spin-orbit torque wiring 20 and injecting spin into the stacked body 10 from the spin-orbit torque wiring 20.
  • the resistance value of the laminate 10 in the z direction can be read by applying a read current to the laminate 10 in the z direction.
  • the stacked body 10 is connected to the spin-orbit torque wiring 20.
  • the stacked body 10 is stacked on the spin-orbit torque wiring 20.
  • the laminate 10 is a columnar body.
  • the planar shape of the laminate 10 in the z direction is, for example, circular, elliptical, or square.
  • the side surface of the laminate 10 is inclined with respect to the z direction.
  • the laminate 10 includes, for example, a first ferromagnetic layer 1, a second ferromagnetic layer 2, a nonmagnetic layer 3, an underlayer 4, a cap layer 5, and a mask layer 6.
  • the resistance value of the laminate 10 changes depending on the difference in the relative angle of magnetization between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2 that sandwich the nonmagnetic layer 3 therebetween.
  • the first ferromagnetic layer 1 faces the spin-orbit torque wiring 20, for example.
  • the first ferromagnetic layer 1 may be in direct contact with the spin-orbit torque wiring 20 or may be in indirect contact with the underlayer 4 .
  • the first ferromagnetic layer 1 is stacked on the spin-orbit torque wiring 20, for example.
  • the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is subjected to spin-orbit torque (SOT) due to the injected spin, and the orientation direction changes.
  • SOT spin-orbit torque
  • the first ferromagnetic layer 1 is called a magnetization free layer.
  • the first ferromagnetic layer 1 includes 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, or a combination of these metals and at least one of B, C, and N. These are alloys containing the elements.
  • Examples of the ferromagnetic material include Co--Fe, Co--Fe-B, Ni--Fe, Co--Ho alloy, Sm--Fe alloy, Fe--Pt alloy, Co--Pt alloy, and CoCrPt alloy.
  • the first ferromagnetic layer 1 may include a Heusler alloy.
  • Heusler alloys include intermetallic compounds with a chemical composition of XYZ or X 2 YZ.
  • X is Co, Fe, Ni, or a transition metal element of the Cu group or a noble metal element on the periodic table;
  • Y is a transition metal element of the Mn, V, Cr, or Ti group, or an element species of X;
  • Z is a group III element. It is a typical element of group V.
  • Examples of the Heusler alloy include 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 polarizability.
  • the second ferromagnetic layer 2 faces the first ferromagnetic layer 1 with the nonmagnetic layer 3 in between.
  • the second ferromagnetic layer 2 includes a ferromagnetic material.
  • the orientation direction of the magnetization of the second ferromagnetic layer 2 is less likely to change than that of the first ferromagnetic layer 1 when a predetermined external force is applied.
  • the second ferromagnetic layer 2 is called a magnetization fixed layer or a magnetization reference layer.
  • the stacked body 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 same material as the material constituting the first ferromagnetic layer 1 is used.
  • the second ferromagnetic layer 2 may have a synthetic antiferromagnetic structure (SAF structure).
  • a synthetic antiferromagnetic structure consists of two magnetic layers sandwiching a nonmagnetic layer.
  • the second ferromagnetic layer 2 may include two magnetic layers and a spacer layer sandwiched between them. Antiferromagnetic coupling between the two ferromagnetic layers increases the coercive force of the second ferromagnetic layer 2.
  • the ferromagnetic layer is, for example, IrMn, PtMn, or the like.
  • the spacer layer includes, for example, at least one selected from the group consisting of Ru, Ir, and Rh.
  • Nonmagnetic layer 3 is sandwiched between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2.
  • Nonmagnetic layer 3 includes a nonmagnetic material.
  • the nonmagnetic layer 3 is an insulator (when it is a tunnel barrier layer)
  • examples of its material include Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, and MgAl 2 O 4 .
  • materials in which a part of Al, Si, and Mg is replaced with Zn, Be, etc. can also be used.
  • MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize coherent tunneling, and therefore can efficiently inject spins.
  • the nonmagnetic layer 3 is made of metal, Cu, Au, Ag, etc. can be used as the material.
  • the nonmagnetic layer 3 is a semiconductor, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu(In, Ga)Se 2 or the like can be used as the material.
  • the underlayer 4 is, for example, between the first ferromagnetic layer 1 and the spin-orbit torque wiring 20.
  • the base layer 4 may be omitted.
  • the base layer 4 includes, for example, a buffer layer and a seed layer.
  • the buffer layer is a layer that alleviates lattice mismatch between different crystals.
  • the seed layer increases the crystallinity of the layer stacked on the seed layer.
  • the seed layer is formed on the buffer layer.
  • the buffer layer is, for example, Ta (single substance), TaN (tantalum nitride), CuN (copper nitride), TiN (titanium nitride), or NiAl (nickel aluminum).
  • the seed layer is, for example, Pt, Ru, Zr, NiCr alloy, NiFeCr.
  • the cap layer 5 is on the second ferromagnetic layer 2.
  • the cap layer 5 strengthens the perpendicular magnetic anisotropy of the second ferromagnetic layer 2.
  • the cap layer 5 is made of, for example, magnesium oxide, W, Ta, Mo, or the like.
  • the thickness of the cap layer 5 is, for example, 0.5 nm or more and 5.0 nm or less.
  • a mask layer 6 is on top of the cap layer 5.
  • the mask layer 6 is part of a hard mask used when processing the laminate 10 during manufacturing.
  • Mask layer 6 also functions as an electrode.
  • Mask layer 6 includes, for example, Al, Cu, Ta, Ti, Zr, NiCr, nitride (eg, TiN, TaN, SiN), and oxide (eg, SiO 2 ).
  • the laminate 10 may have layers other than the first ferromagnetic layer 1, the second ferromagnetic layer 2, the nonmagnetic layer 3, the underlayer 4, the cap layer 5, and the mask layer 6.
  • the spin-orbit torque wiring 20 has a longer length in the x direction than the length in the y direction when viewed from the z direction, and extends in the x direction.
  • the write current flows between the first columnar body 30 and the second columnar body 40 in the x direction along the spin orbit torque wiring 20.
  • the spin-orbit torque wiring 20 generates a spin current by the spin Hall effect when a current flows, and injects spin into the first ferromagnetic layer 1.
  • the spin-orbit torque wiring 20 provides, for example, a spin-orbit torque (SOT) to the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 that is sufficient to reverse the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 .
  • SOT spin-orbit torque
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which when a current flows, a spin current is induced in a direction perpendicular to the direction of current flow based on spin-orbit interaction.
  • the spin Hall effect is similar to the normal Hall effect in that moving (moving) charges (electrons) can bend the direction of their movement (moving).
  • moving (moving) charges electrosprays
  • electrosprays the direction of their movement
  • the direction of motion of charged particles moving in a magnetic field is bent by the Lorentz force.
  • the direction of spin movement is bent simply by the movement of electrons (current flow) even in the absence of a magnetic field.
  • a first spin polarized in one direction and a second spin polarized in the opposite direction to the first spin move in a direction perpendicular to the direction in which the current flows. It is bent by the spin Hall effect.
  • a first spin polarized in the -y direction is bent from the x direction, which is the traveling direction, in the +z direction
  • a second spin, polarized in the +y direction is bent from the x direction, which is the traveling direction, in the -z direction. It will be done.
  • the number of first spin electrons and the number of second spin electrons produced by the spin Hall effect are equal. That is, the number of electrons in the first spin going in the +z direction is equal to the number of electrons in the second spin going in the -z direction.
  • the first spin and the second spin flow in a direction that eliminates the uneven distribution of spins. When the first spin and the second spin move in the z direction, the flow of charges cancels each other out, so the amount of current becomes zero. Spin current without electric current is particularly called pure spin current.
  • J S J ⁇ ⁇ J ⁇ is defined.
  • a spin current J S occurs in the z direction.
  • the first spin is injected into the first ferromagnetic layer 1 from the spin-orbit torque wiring 20 .
  • the spin-orbit torque wiring 20 is made of a metal, alloy, intermetallic compound, metal boride, metal carbide, metal silicide, metal phosphide, or metal nitride that has the function of generating a spin current by the spin Hall effect when a write current flows. Contains any of the following:
  • the spin-orbit torque wiring 20 includes, for example, one selected from the group consisting of heavy metals having an atomic number of 39 or more, metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and topological insulators.
  • the spin-orbit torque wiring 20 includes, for example, a nonmagnetic heavy metal as a main component.
  • Heavy metal means a metal having a specific gravity greater than or equal to yttrium (Y).
  • the non-magnetic heavy metal is, for example, a non-magnetic metal having a large atomic number of 39 or more and having d electrons or f electrons in the outermost shell.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is made of, for example, Hf, Ta, and W. Nonmagnetic heavy metals have stronger spin-orbit interactions than other metals. The spin Hall effect is caused by spin-orbit interaction, and spins tend to be unevenly distributed within the spin-orbit torque wiring 20, making it easier to generate spin current JS .
  • the spin-orbit torque wiring 20 may also contain a magnetic metal.
  • the magnetic metal is a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal.
  • a trace amount of magnetic metal contained in a nonmagnetic material becomes a spin scattering factor.
  • the trace amount is, for example, 3% or less of the total molar ratio of the elements constituting the spin-orbit torque wiring 20.
  • the spin-orbit torque wiring 20 may include a topological insulator.
  • a topological insulator is a material whose interior is an insulator or a high-resistance material, but whose surface has a spin-polarized metallic state. Topological insulators generate an internal magnetic field due to spin-orbit interaction. In topological insulators, new topological phases emerge due to spin-orbit interactions even in the absence of an external magnetic field. Topological insulators can generate pure spin currents with high efficiency due to strong spin-orbit interactions and inversion symmetry breaking at the edges.
  • Topological insulators include, for example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , Bi 1-x Sb x , (Bi 1-x Sb x ) 2 Te 3 , etc. Topological insulators can generate spin currents with high efficiency.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is not limited to a single layer, but may be a laminate of multiple layers.
  • the spin-orbit torque wiring 20 may include, for example, a plurality of heavy metal layers and an insertion layer sandwiched therebetween.
  • the electrical resistivity of the spin-orbit torque wiring 20 is, for example, 1 m ⁇ cm or more. Further, the electrical 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 wiring 20.
  • spin can be efficiently supplied from the spin-orbit torque wiring 20 to the first ferromagnetic layer 1. Further, since the spin-orbit torque wiring 20 has conductivity above a certain level, a current path flowing along the spin-orbit torque wiring 20 can be ensured, and a spin current due to the spin Hall effect can be efficiently generated.
  • 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 first columnar body 30 is a part of the via wiring W1.
  • the first columnar body 30 is a columnar body that is closest to the spin-orbit torque interconnection 20 among the via interconnections W1.
  • the columnar body is, for example, a cylinder, an elliptical cylinder, or a prismatic cylinder.
  • a range of the via wiring W1 in which the peripheral length continuously changes or is constant is defined as one columnar body.
  • the columnar body is formed by filling an opening formed in one process during manufacture with a conductor.
  • the first columnar body 30 penetrates the spin-orbit torque wiring 20.
  • the first columnar body 30 is in contact with the spin-orbit torque wiring 20 and the first conductive layer 50 .
  • the first columnar body 30 has, for example, a first region 31.
  • the first region 31 is a portion of the first columnar body 30 that protrudes from the first surface 20A of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the first surface 20A is a surface of the spin-orbit torque wiring 20 that is in contact with the first conductive layer 50.
  • the first region 31 is surrounded by the first conductive layer 50.
  • the side wall of the first columnar body 30 is in contact with the first conductive layer 50 over the entire circumference.
  • the first end 30A of the first columnar body 30 is in contact with the first conductive layer 50.
  • the first end 30A is the end closer to the first conductive layer 50 in the z direction.
  • the first columnar body 30 includes a conductive substance.
  • the first columnar body 30 is made of, for example, aluminum, copper, silver, or the like.
  • the second columnar body 40 is a part of the via wiring W1.
  • the second columnar body 40 is the columnar body that is closest to the spin-orbit torque wiring 20 in the via wiring W1 that is different from the via wiring W1 that includes the first columnar body 30.
  • the second columnar body 40 contacts the spin-orbit torque wiring 20 at a position where the first ferromagnetic layer 1 is sandwiched between the first columnar body 30 and the first columnar body 30 when viewed from the z direction.
  • the first columnar body 30 and the second columnar body 40 are connected to different positions of the spin-orbit torque wiring 20 in the x direction, respectively.
  • the second columnar body 40 contacts the first surface 20A, which the first conductive layer 50 contacts.
  • the center point of the first columnar body 30 in the z direction and the center point of the second columnar body 40 in the z direction are in a positional relationship across the reference plane on which the spin orbit torque wiring 20 spreads in the z direction.
  • the second columnar body 40 may be in contact with the second surface 20B that faces the first surface 20A.
  • the second columnar body 40 includes a conductive substance.
  • the second columnar body 40 is made of, for example, aluminum, copper, silver, or the like.
  • the thickness t 40 of the second columnar body 40 matches the thickness t 50 of the first conductive layer 50, for example.
  • the first conductive layer 50 is in contact with the spin-orbit torque wiring 20.
  • the first conductive layer 50 is in contact with the spin-orbit torque wiring 20 at a position that does not overlap with the first ferromagnetic layer 1 when viewed from the z direction.
  • the first conductive layer 50 overlaps the first columnar body 30 when viewed from the z direction.
  • the width W 50y of the first conductive layer 50 in the y direction is, for example, wider than the width W 20y of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
  • the width W 50y of the first conductive layer 50 in the y direction is, for example, wider than the width W 30y of the first columnar body 30 in the y direction.
  • the width W 20y of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction is, for example, wider than the width W 30y of the first columnar body 30 in the y direction.
  • the width W 30y of the first columnar body 30 in the y direction is, for example, the width of the first columnar body 30 in the y direction at a surface in contact with the second surface 20B of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the width W 50x of the first conductive layer 50 in the x direction is wider than the width W 30x of the first columnar body 30 in the x direction.
  • the width W 30x of the first columnar body 30 in the x direction is the width of the first columnar body 30 in the x direction at the surface in contact with the second surface 20B of the spin-orbit torque wiring 20.
  • widths W 50x and W 50y of the first conductive layer 50 are sufficiently wide, even if the position of the opening is shifted during manufacturing the first columnar body 30, the electric current between the first columnar body 30 and the first conductive layer 50 will be sufficient continuity can be ensured.
  • the film thickness t 50 of the first conductive layer 50 is, for example, 5% or more of the height L1 of a perpendicular line drawn from the second end 30B of the first columnar body 30 to the second surface 20B of the spin-orbit torque wiring 20. Further, the film thickness t 50 of the first conductive layer 50 is, for example, 300% or less of the height L1 of a perpendicular line drawn from the second end 30B of the first columnar body 30 to the second surface 20B of the spin-orbit torque wiring 20. .
  • the first columnar body 30 is manufactured by filling an opening formed in the insulating layer 94 with a conductor.
  • the height L1 of the perpendicular line drawn from the second end 30B to the second surface 20B matches the depth of the opening. If the film thickness t 50 of the first conductive layer 50 is within the above range, it is possible to prevent the opening from penetrating the first conductive layer 50 when the opening is formed.
  • the second end 30B is the end of the first columnar body 30 opposite to the first end 30A.
  • the second end 30B is the end of the first columnar body 30 on the side far from the first conductive layer 50 in the z direction.
  • the second surface 20B is a surface facing the first surface 20A that is in contact with the first conductive layer 50.
  • the thickness t50 of the first conductive layer 50 is, for example, 5% or more of the height t10 of the stacked body 10.
  • the thickness t50 of the first conductive layer 50 is, for example, 300% or less of the height t10 of the stacked body 10.
  • the film thickness t 50 of the first conductive layer 50 may substantially match the height L1 of a perpendicular line drawn from the second end 30B to the second surface 20B.
  • the first conductive layer 50 includes a conductive substance.
  • the first conductive layer 50 is, for example, aluminum, copper, silver, or the like.
  • the first conductive layer 50 may be made of the same material as the spin-orbit torque wiring 20.
  • the portion of the spin-orbit torque wiring 20 that protrudes from the surface where the first surface 20A spreads at the position overlapping the stacked body 10 in the z direction is the first conductive layer. This becomes layer 50.
  • the first conductive layer 50 and the second columnar body 40 may have the same main component among the constituent elements. good.
  • the main component is an element that accounts for 80% or more of these components.
  • the magnetoresistive element 100 is formed by a process of laminating each layer and a process of processing a part of each layer into a predetermined shape.
  • the lamination of each layer can be performed using a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an electron beam evaporation method (EB evaporation method), an atomic laser deposition method, or the like.
  • CVD chemical vapor deposition
  • EB evaporation method electron beam evaporation method
  • atomic laser deposition method or the like.
  • Each layer can be processed using photolithography or the like.
  • an insulating layer 92 is formed on the insulating layer 91. Then, an opening is formed at a predetermined position in the insulating layer 92. Next, a conductive layer is formed, and the inside of the opening is filled with a conductor. The conductor filled in the opening becomes the first conductive layer 50 and the second columnar body 40. Next, the upper surfaces of the insulating layer 92, the first conductive layer 50, and the second columnar body 40 are polished by chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a layer that will become the spin-orbit torque wiring 20 and a layer that will become the laminate 10 are formed on one surface of the insulating layer 92, the first conductive layer 50, and the second columnar body 40.
  • the spin-orbit torque wiring 20 is obtained by processing each laminated layer into a predetermined shape. Then, the periphery of each layer after processing is covered with an insulating layer 93.
  • the laminate 10 is obtained by processing each layer and the insulating layer 93 that will become the laminate 10 into a predetermined shape. Then, the periphery of the stacked body 10 is covered with an insulating layer 94.
  • each layer that will become the laminate 10 is processed into the shape of the laminate 10, the periphery is covered with an insulating layer 94, and then the insulating layer 94 and the layers that will become the spin-orbit torque wiring 20 are shaped into the shape of the spin-orbit torque wiring 20. It may be processed and the surrounding area may be covered with an insulating layer 93.
  • an opening is formed in the insulating layer 94 at a position overlapping the first conductive layer 50 when viewed from the z direction.
  • the opening is formed from the upper surface of the insulating layer 94 to the first conductive layer 50.
  • the first columnar body 30 is then obtained by filling the opening with a conductor.
  • the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment can ensure sufficient electrical contact between the first columnar body 30 and the spin-orbit torque wiring 20.
  • the first columnar body 30 and the spin-orbit torque wiring 20 are in contact with each other on the side surface of the first columnar body 30. Since the spin orbit torque wiring 20 is thin, in this case, it is difficult to secure a sufficient contact point between the first columnar body 30 and the spin orbit torque wiring 20. If there are few contact points between the first columnar body 30 and the spin-orbit torque wiring 20, a write current cannot be stably supplied to the spin-orbit torque wiring 20, and the reproducibility of magnetization reversal of the first ferromagnetic layer 1 decreases. That is, the reliability of the magnetoresistive element 100 decreases.
  • the magnetoresistive element 100 since the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment includes the first conductive layer 50, a write current can also be caused to flow through the spin-orbit torque wiring 20 via the first conductive layer 50. By ensuring a sufficient current path for the write current to reach the spin-orbit torque wiring 20, magnetization reversal of the first ferromagnetic layer 1 can be stabilized.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 101 according to the second embodiment.
  • the magnetoresistive element 101 according to the second embodiment differs from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in that it further includes a coating layer 51.
  • the same components as those of the magnetoresistive element 100 are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the covering layer 51 covers the surface of the first conductive layer 50 other than the surface in contact with the first surface 20A of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the covering layer 51 is, for example, an oxide or a nitride. It is preferable that the covering layer 51 has electrical conductivity.
  • the coating layer 51 may have a lower etching rate than the first conductive layer 50 in ion milling under the same conditions. That is, the covering layer 51 may be less likely to be etched than the first conductive layer 50, for example, in ion milling under the same conditions. When the covering layer 51 is difficult to be etched by ion milling, the covering layer 51 functions as a stopper when forming an opening that will become the first columnar body 30 .
  • the covering layer 51 may have a lower etching rate than the first conductive layer 50, for example, in reactive ion etching under the same conditions. That is, the covering layer 51 may be less likely to be etched than the first conductive layer 50 in reactive ion etching under the same conditions, for example.
  • the covering layer 51 functions as a stopper when forming an opening that will become the first columnar body 30 .
  • the covering layer 51 is made of, for example, Ti--N, Ta--N, Si--N, Si--O, MgO, Ta, Ru, or the like.
  • Si—O may be a compound of Si and O, and the composition ratio thereof is not limited.
  • SiO 2 , Si 3 O 4 , and those whose stoichiometric compositions are deviated are also included in Si—O.
  • Ti--N, Ta--N, and Si--N are made of, for example, Ti--N, Ta--N, Si--N, Si--O, MgO, Ta, Ru, or the like.
  • Si—O may be a compound of Si and O, and the composition ratio thereof is not limited.
  • SiO 2 , Si 3 O 4 , and those whose stoichiometric compositions are deviated are also included in Si—O.
  • Ti--N, Ta--N, and Si--N are also included in Si—O.
  • the magnetoresistive element 101 according to the second embodiment has the same effects as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Further, in the magnetoresistive element 101 according to the second embodiment, the opening that becomes the first columnar body 30 can be stably manufactured.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment.
  • the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment differs from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in that it further includes a second conductive layer 60.
  • the same components as the magnetoresistive element 100 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the second columnar body 40 penetrates the spin orbit torque wiring 20.
  • the second columnar body 40 is in contact with the spin-orbit torque wiring 20 and the second conductive layer 60.
  • the second columnar body 40 has, for example, a first region 41.
  • the first region 41 is a portion of the second columnar body 40 that protrudes from the spin-orbit torque wiring 20 toward the second conductive layer 60 side.
  • the first region 41 is surrounded by the second conductive layer 60.
  • the side wall of the second columnar body 40 is in contact with the second conductive layer 60 over the entire circumference.
  • the first end 40A of the second columnar body 40 is in contact with the second conductive layer 60.
  • the first end 40A is the end closer to the second conductive layer 60 in the z direction.
  • the second conductive layer 60 is in contact with the spin-orbit torque wiring 20.
  • the second conductive layer 60 contacts the spin-orbit torque wiring 20 at a position that does not overlap with the first ferromagnetic layer 1, for example, when viewed from the z direction.
  • the second conductive layer 60 overlaps the second columnar body 40 when viewed from the z direction.
  • the width W 60y of the second conductive layer 60 in the y direction is wider than the width W 20y of the spin-orbit torque wiring 20 in the y direction.
  • the width W 60y of the second conductive layer 60 in the y direction is wider than the width W 40y of the second columnar body 40 in the y direction.
  • the width W 60x of the second conductive layer 60 in the x direction is wider than the width W 40x of the second columnar body 40 in the x direction.
  • the second conductive layer 60 includes a conductive substance.
  • the second conductive layer 60 is made of, for example, aluminum, copper, silver, or the like.
  • the second conductive layer 60 may be made of the same material as the spin-orbit torque interconnect 20.
  • the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment has the same effects as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment. Furthermore, the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment can also ensure sufficient electrical contact between the second columnar body 40 and the spin-orbit torque wiring 20.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 103 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a plan view of the magnetoresistive element 103 according to the fourth embodiment.
  • the magnetoresistive element 103 according to the fourth embodiment is different from the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment in the positional relationship of the first columnar body 30 with respect to the spin-orbit torque wiring 20 and the first conductive layer 50.
  • the same components as those of the magnetoresistive element 100 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the first columnar body 30 penetrates the spin-orbit torque wiring 20.
  • the first columnar body 30 is in contact with the spin-orbit torque wiring 20 and the first conductive layer 50 .
  • a part of the first columnar body 30 protrudes in the x direction from the end of the spin orbit torque wiring 20 in the x direction when viewed from the z direction.
  • a part of the side wall of the first region 31 of the first columnar body 30 is in contact with the first conductive layer 50 . Further, a portion of the first end 30A of the first columnar body 30 is in contact with the first conductive layer 50.
  • the magnetoresistive element 103 according to the fourth embodiment has the same effects as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 104 according to the fifth embodiment.
  • the magnetoresistive element 104 according to the fifth embodiment is different from the magnetoresistive element 102 according to the third embodiment in the direction in which the second columnar bodies 40 extend.
  • the same components as those of the magnetoresistive element 102 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the second columnar body 40 penetrates the spin orbit torque wiring 20.
  • the second columnar body 40 is in contact with the spin-orbit torque wiring 20 and the second conductive layer 60.
  • the second columnar body 40 extends in the same direction as the first columnar body 30 with reference to the plane where the spin-orbit torque wiring 20 extends.
  • the middle point of the second columnar body 40 in the z direction and the middle point of the first columnar body 30 in the z direction are both on the same side with respect to the plane where the spin-orbit torque wiring 20 spreads.
  • the second conductive layer 60 contacts the same first surface 20A as the first conductive layer 50 of the spin-orbit torque wiring 20.
  • the height of the second columnar body 40 substantially matches the height of the first columnar body 30, for example.
  • the thickness t 60 of the second conductive layer 60 substantially matches the thickness t 50 of the first conductive layer 50 .
  • the magnetoresistive element 104 according to the fifth embodiment has the same effects as the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the magnetization rotating element 110 according to the sixth embodiment.
  • the magnetization rotating element 110 is replaced with the magnetoresistive element 100 according to the first embodiment.
  • the magnetization rotating element 110 differs from the magnetoresistive element 100 in that it does not have the second ferromagnetic layer 2 and the nonmagnetic layer 3.
  • 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 rotating element 110 can be used, for example, as an optical element such as an image display device that utilizes a 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, etc.
  • the magnetization rotating element 110 according to the sixth 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.
  • SYMBOLS 1 First ferromagnetic layer, 2...Second ferromagnetic layer, 3...Nonmagnetic layer, 4...Underlayer, 5...Cap layer, 6...Mask layer, 10...Laminated body, 20...Spin-orbit torque wiring, 20A ...first surface, 20B...second surface, 30...first columnar body, 30A, 40A...first end, 30B, 40B...second end, 31, 41...first region, 40...second columnar body, 50 ...First conductive layer, 51... Covering layer, 60... Second conductive layer, 90, 91, 92, 93, 94... Insulating layer, 100, 101, 102, 103, 104... Magnetoresistive effect element, 110... Magnetization rotation Element, 200...magnetic memory

Landscapes

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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、第１強磁性層と、第１柱状体と、第２柱状体と、第１導電層と、を備える。前記第１強磁性層は、前記スピン軌道トルク配線の少なくとも一部と対向する。前記第１導電層は、積層方向から見て、前記第１強磁性層と重ならない位置で、前記スピン軌道トルク配線に接する。第１柱状体は、前記スピン軌道トルク配線を貫通し、前記スピン軌道トルク配線及び前記第１導電層と接する。前記第２柱状体は、前記積層方向から見て、前記第１柱状体と共に前記第１強磁性層を挟む位置で、前記スピン軌道トルク配線と接する。

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
　スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いた磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線を流れる書き込み電流の電流密度が所定値以上になると、強磁性層の磁化が反転する。強磁性層の磁化が反転する書き込み電流の電流密度を反転電流密度という。十分な反転電流密度を得るために、スピン軌道トルク配線の厚みを薄くすることが多い。スピン軌道トルク配線への書き込み電流は、ビア配線を介して、供給される。厚みの薄いスピン軌道トルク配線は、ビア配線とスピン軌道トルク配線との電気的な接点を十分確保しにくい。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ビア配線とスピン軌道トルク配線との電気的な接点を十分確保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、第１柱状体と、第２柱状体と、第１導電層と、を備える。前記第１強磁性層は、前記スピン軌道トルク配線の少なくとも一部と対向する。前記第１導電層は、積層方向から見て、前記第１強磁性層と重ならない位置で、前記スピン軌道トルク配線に接する。第１柱状体は、前記スピン軌道トルク配線を貫通する。第１柱状体は、前記スピン軌道トルク配線及び前記第１導電層と接する。前記第２柱状体は、前記積層方向から見て、前記第１柱状体と共に前記第１強磁性層を挟む位置で、前記スピン軌道トルク配線と接する。
（２）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１柱状体の側壁の一部は、全周に亘って前記第１導電層と接してもよい。
（３）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１柱状体の前記積層方向の第１端は、前記第１導電層と接してもよい。
（４）上記態様にかかる磁化回転素子は、被覆層をさらに備えてもよい。前記被覆層は、前記第１導電層の前記スピン軌道トルク配線と接する面以外の面を被覆する。
（５）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記被覆層は、同条件のイオンミリングにおいて、前記第１導電層よりもエッチングレートが低くてもよい。
（６）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記被覆層は、同条件の反応性イオンエッチングにおいて、前記第１導電層よりもエッチングレートが低くてもよい。
（７）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１導電層の膜厚は、前記第１柱状体の第２端から前記スピン軌道トルク配線に下した垂線の高さの５％以上でもよい。前記第２端は、積層方向において、前記第１柱状体の前記第１導電層から遠い側の端部である。
（８）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１導電層の膜厚は、前記第１柱状体の第２端から前記スピン軌道トルク配線に下した垂線の高さの３００％以下でもよい。
（９）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１導電層と前記第２柱状体とは、前記スピン軌道トルク配線の同じ面に接してもよい。前記第１導電層と前記第２柱状体とは、構成元素のうちの主成分が同じでもよい。
（１０）上記態様にかかる磁化回転素子は、第２導電層をさらに備えてもよい。前記第２導電層は、前記スピン軌道トルク配線と接する。第２柱状体は、前記スピン軌道トルク配線を貫通し、前記スピン軌道トルク配線及び前記第２導電層と接してもよい。
（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、非磁性層と、第２強磁性層と、を少なくとも備えてもよい。前記磁化回転素子の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、前記非磁性層を挟む。
（１２）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含む。
　本開示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、ビア配線とスピン軌道トルク配線との電気的な接点を十分確保できる。
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２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第６実施形態にかか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。また本明細書で「面する」とは、二つの層が向き合う関係にあることを言い、二つの層は接していてもよいし、間の他の層を挟んで向かい合っていてもよい。
「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が行列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のそれぞれと電気的に接続されている。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ｙ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Ｗ１、面内配線Ｗ２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Ｗ１で接続されている。ビア配線Ｗ１は、例えば、ｚ方向に延びる。ビア配線Ｗ１は、複数の柱状体が積層されたものでもよい。面内配線Ｗ２はｘｙ面内のいずれかの方向に延びる。ビア配線Ｗ１及び面内配線Ｗ２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９０で覆われている。絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、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柱状体３０と第２柱状体４０と第１導電層５０とを備える。磁気抵抗効果素子１００の周囲は、絶縁層９１、９２、９３、９４で覆われている。絶縁層９１、９２、９３、９４は、絶縁層９０の一部であり、積層されている。絶縁層９１、９２、９３、９４はそれぞれ、階層状に積層された層間絶縁膜である。
　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。
　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と下地層４とキャップ層５とマスク層６とを備える。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は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と面する。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０と直接接してもよいし、下地層４を介して間接的に接してもよい。第１強磁性層１は、例えば、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は磁化自由層と言われる。
　第１強磁性層１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２強磁性層２は、非磁性層３を挟んで、第１強磁性層１と対向する。第２強磁性層２は、強磁性体を含む。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２強磁性層２は、磁化固定層、磁化参照層と言われる。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。
　第２強磁性層２を構成する材料として、第１強磁性層１を構成する材料と同様のものが用いられる。
　第２強磁性層２は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）でもよい。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は、二つの磁性層とこれらに挟まれるスペーサ層とを有してもよい。二つの強磁性層が反強磁性カップリングすることで、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。
　非磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２とに挟まれる。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。
　下地層４は、例えば、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２０との間にある。下地層４は、無くてもよい。
　下地層４は、例えば、バッファ層とシード層とを含む。バッファ層は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。シード層は、シード層上に積層される層の結晶性を高める。シード層は、例えば、バッファ層上に形成される。
　バッファ層は、例えば、Ｔａ（単体）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＣｕＮ（窒化銅）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＮｉＡｌ（ニッケルアルミニウム）である。シード層は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅＣｒである。
　キャップ層５は、第２強磁性層２上にある。キャップ層５は、例えば、第２強磁性層２の垂直磁気異方性を強める。キャップ層５は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。キャップ層５の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。
　マスク層６は、キャップ層５上にある。マスク層６は、製造時に積層体１０を加工する際に用いられるハードマスクの一部である。マスク層６は、電極としても機能する。マスク層６は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ、窒化物（例えばＴｉＮ、ＴａＮ、ＳｉＮ）、酸化物（例えばＳｉＯ２）を含む。
　積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２、非磁性層３、下地層４、キャップ層５及びマスク層６以外の層を有してもよい。
　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方向の長さより長く、ｘ方向に延びる。書き込み電流は、第１柱状体３０と第２柱状体４０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、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、一方向に偏極した第１スピンと、第１スピンと反対方向に偏極した第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方向に偏極した第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方向に偏極した第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、書き込み電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物、金属窒化物のいずれかを含む。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、原子番号が３９以上の重金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、トポロジカル絶縁体からなる群から選択される何れかを含む。
　スピン軌道トルク配線２０は、例えば、主成分として非磁性の重金属を含む。重金属は、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、例えば、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属である。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗからなる。非磁性の重金属は、その他の金属よりスピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、スピン軌道トルク配線２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。
　スピン軌道トルク配線２０は、この他に、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、スピン軌道トルク配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
　スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
　トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１－ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
　スピン軌道トルク配線２０は、単層に限られず、複数の層の積層体でもよい。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、複数の重金属層と、これらに挟まれる挿入層と、を有してもよい。
　スピン軌道トルク配線２０の電気抵抗率は、例えば、１ｍΩ・ｃｍ以上である。またスピン軌道トルク配線２０の電気抵抗率は、例えば、１０ｍΩ・ｃｍ以下である。スピン軌道トルク配線２０の電気抵抗率が高いと、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。
　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。
　第１柱状体３０は、ビア配線Ｗ１の一部である。第１柱状体３０は、一つのビア配線Ｗ１のうち最もスピン軌道トルク配線２０の近くにある柱状体である。柱状体は、例えば、円柱、楕円柱、角柱である。ビア配線Ｗ１のうち周囲長が連続的に変化する又は一定である範囲を一つの柱状体とする。柱状体は、製造時に一回の加工で形成される開口内を導電体で充填したものである。
　第１柱状体３０は、スピン軌道トルク配線２０を貫通する。第１柱状体３０は、スピン軌道トルク配線２０及び第１導電層５０と接する。
　第１柱状体３０は、例えば、第１領域３１を有する。第１領域３１は、第１柱状体３０のうちスピン軌道トルク配線２０の第１面２０Ａから突出する部分である。第１面２０Ａは、スピン軌道トルク配線２０の第１導電層５０と接する面である。
　第１領域３１は、第１導電層５０に囲まれる。第１領域３１において、第１柱状体３０の側壁は、全周に亘って第１導電層５０と接する。また第１柱状体３０の第１端３０Ａは、第１導電層５０と接する。第１端３０Ａは、ｚ方向において、第１導電層５０に近い側の端部である。
　第１柱状体３０は、導電性を有する物質を含む。第１柱状体３０は、例えば、アルミニウム、銅、銀等である。
　第２柱状体４０は、ビア配線Ｗ１の一部である。第２柱状体４０は、第１柱状体３０を含むビア配線Ｗ１と異なるビア配線Ｗ１において、最もスピン軌道トルク配線２０の近くにある柱状体である。
　第２柱状体４０は、ｚ方向から見て、第１柱状体３０と共に第１強磁性層１を挟む位置で、スピン軌道トルク配線２０と接する。第１柱状体３０と第２柱状体４０とは、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の異なる位置に、それぞれ接続されている。ｚ方向から見て、ｘ方向において、第１柱状体３０と第２柱状体４０との間に積層体がある。
　第２柱状体４０は、例えば、第１導電層５０が接する第１面２０Ａに接する。例えば、第１柱状体３０のｚ方向の中心点と第２柱状体４０のｚ方向の中心点とは、ｚ方向において、スピン軌道トルク配線２０が広がる基準面を挟む位置関係にある。第２柱状体４０は、第１面２０Ａと対向する第２面２０Ｂに接してもよい。
　第２柱状体４０は、導電性を有する物質を含む。第２柱状体４０は、例えば、アルミニウム、銅、銀等である。
　第２柱状体４０の膜厚ｔ４０は、例えば、第１導電層５０の膜厚ｔ５０と一致する。
　第１導電層５０は、スピン軌道トルク配線２０に接する。第１導電層５０は、例えば、ｚ方向から見て、第１強磁性層１と重ならない位置で、スピン軌道トルク配線２０に接する。第１導電層５０は、例えば、ｚ方向から見て、第１柱状体３０と重なる。
　第１導電層５０のｙ方向の幅Ｗ５０ｙは、例えば、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅Ｗ２０ｙより広い。第１導電層５０のｙ方向の幅Ｗ５０ｙは、例えば、第１柱状体３０のｙ方向の幅Ｗ３０ｙより広い。スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅Ｗ２０ｙは、例えば、第１柱状体３０のｙ方向の幅Ｗ３０ｙより広い。第１柱状体３０のｙ方向の幅Ｗ３０ｙは、例えば、スピン軌道トルク配線２０の第２面２０Ｂと接する面における第１柱状体３０のｙ方向の幅である。
　第１導電層５０のｘ方向の幅Ｗ５０ｘは、第１柱状体３０のｘ方向の幅Ｗ３０ｘより広い。第１柱状体３０のｘ方向の幅Ｗ３０ｘは、スピン軌道トルク配線２０の第２面２０Ｂと接する面における第１柱状体３０のｘ方向の幅である。
　第１導電層５０の幅Ｗ５０ｘ、Ｗ５０ｙが十分広いと、第１柱状体３０を作製時に、開口の形成位置がずれた場合でも、第１柱状体３０と第１導電層５０との電気的な導通を十分確保できる。
　第１導電層５０の膜厚ｔ５０は、例えば、第１柱状体３０の第２端３０Ｂからスピン軌道トルク配線２０の第２面２０Ｂに下した垂線の高さＬ１の５％以上である。また第１導電層５０の膜厚ｔ５０は、例えば、第１柱状体３０の第２端３０Ｂからスピン軌道トルク配線２０の第２面２０Ｂに下した垂線の高さＬ１の３００％以下である。第１柱状体３０は、絶縁層９４に作製した開口内を導電体で充填することで作製される。第２端３０Ｂから第２面２０Ｂに下した垂線の高さＬ１は、開口の深さと一致する。第１導電層５０の膜厚ｔ５０が上記範囲であれば、開口の作製時に、開口が第１導電層５０を貫通してしまうことを抑制できる。
　第２端３０Ｂは、第１柱状体３０の第１端３０Ａと反対側の端部である。第２端３０Ｂは、ｚ方向において、第１柱状体３０の第１導電層５０から遠い側の端部である。第２面２０Ｂは、第１導電層５０と接する第１面２０Ａと対向する面である。
　第１導電層５０の膜厚ｔ５０は、例えば、積層体１０の高さｔ１０の５％以上である。第１導電層５０の膜厚ｔ５０は、例えば、積層体１０の高さｔ１０の３００％以下である。第１導電層５０の膜厚ｔ５０は、第２端３０Ｂから第２面２０Ｂに下した垂線の高さＬ１と略一致する場合がある。
　第１導電層５０は、導電性を有する物質を含む。第１導電層５０は、例えば、アルミニウム、銅、銀等である。
　第１導電層５０は、スピン軌道トルク配線２０と同じ材料からなってもよい。第１導電層５０とスピン軌道トルク配線２０とが同じ材料からなる場合、ｚ方向に積層体１０と重なる位置におけるスピン軌道トルク配線２０の第１面２０Ａが広がる面から突出する部分が第１導電層５０となる。
　また第１導電層５０と第２柱状体４０とがスピン軌道トルク配線２０の同じ面に接する場合、第１導電層５０と第２柱状体４０とは、構成元素のうちの主成分が同じでもよい。主成分とは、これらの構成のうちの８０％以上を占める元素である。
　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。
　まず絶縁層９１上に、絶縁層９２を成膜する。そして、絶縁層９２の所定の位置に開口を形成する。次いで、導電層を成膜し、開口内を導電体で充填する。開口内に充填された導電体は、第１導電層５０と第２柱状体４０となる。次いで、絶縁層９２、第１導電層５０、第２柱状体４０の上面を、化学機械研磨（ＣＭＰ）で研磨する。
　次いで、絶縁層９２、第１導電層５０及び第２柱状体４０の一面に、スピン軌道トルク配線２０となる層及び積層体１０となる各層を成膜する。まず積層した各層を所定の形状に加工することで、スピン軌道トルク配線２０が得られる。そして、加工後の各層の周囲を絶縁層９３で覆う。次いで、積層体１０となる各層及び絶縁層９３を所定の形状に加工することで、積層体１０が得られる。そして、積層体１０の周囲を絶縁層９４で覆う。
　なお、スピン軌道トルク配線２０の加工と積層体１０の加工の順番は逆転させてもよい。例えば、まず積層体１０となる各層を積層体１０の形状に加工し、周囲を絶縁層９４で覆い、その後、絶縁層９４とスピン軌道トルク配線２０となる層をスピン軌道トルク配線２０の形状に加工し、周囲を絶縁層９３で覆ってもよい。
　次いで、絶縁層９４のｚ方向から見て第１導電層５０と重なる位置に開口を形成する。開口は、絶縁層９４の上面から第１導電層５０に至るまで作製する。そして、開口内を導電体で充填することで、第１柱状体３０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１柱状体３０とスピン軌道トルク配線２０との電気的な接点を十分確保できる。
　第１導電層５０がない場合、第１柱状体３０とスピン軌道トルク配線２０とは、第１柱状体３０の側面で接する。スピン軌道トルク配線２０は厚みが薄いため、この場合、第１柱状体３０とスピン軌道トルク配線２０との接点を十分確保することが難しい。第１柱状体３０とスピン軌道トルク配線２０との接点が少ないと、スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流を安定的に供給できず、第１強磁性層１の磁化反転の再現性が低下する。すなわち、磁気抵抗効果素子１００の信頼性が低下する。
　これに対し、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、第１導電層５０を有することで、第１導電層５０を介してスピン軌道トルク配線２０に書き込み電流を流すこともできる。スピン軌道トルク配線２０に至る書き込み電流の電流経路を十分確保できることで、第１強磁性層１の磁化反転を安定化させることができる。
「第２実施形態」
　図５は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１は、被覆層５１をさらに備える点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１において、磁気抵抗効果素子１００と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　被覆層５１は、第１導電層５０のスピン軌道トルク配線２０の第１面２０Ａと接する面以外の面を被覆する。被覆層５１は、例えば、酸化物又は窒化物である。被覆層５１は、導電性を有することが好ましい。
　被覆層５１は、例えば、同条件のイオンミリングにおいて、第１導電層５０よりもエッチングレートが低くてもよい。すなわち、被覆層５１は、例えば、同条件のイオンミリングにおいて、第１導電層５０よりもエッチングされにくくてもよい。被覆層５１がイオンミリングでエッチングされにくいと、被覆層５１が第１柱状体３０となる開口を形成する際のストッパーとして機能する。
　また被覆層５１は、例えば、同条件の反応性イオンエッチングにおいて、第１導電層５０よりもエッチングレートが低くてもよい。すなわち、被覆層５１は、例えば、同条件の反応性イオンエッチングにおいて、第１導電層５０よりもエッチングされにくくてもよい。被覆層５１が反応性イオンエッチングでエッチングされにくいと、被覆層５１が第１柱状体３０となる開口を形成する際のストッパーとして機能する。
　被覆層５１は、例えば、Ｔｉ－Ｎ、Ｔａ－Ｎ、Ｓｉ－Ｎ、Ｓｉ－Ｏ、ＭｇＯ、Ｔａ、Ｒｕ等である。ここで、Ｓｉ－Ｏは、ＳｉとＯの化合物であればよく、それぞれの組成比は問わない。例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｏ４、これらの化学量論組成からずれたものもＳｉ－Ｏに含まれる。Ｔｉ－Ｎ、Ｔａ－Ｎ、Ｓｉ－Ｎについても同様である。
　第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。また第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１は、第１柱状体３０となる開口を安定して作製できる。
「第３実施形態」
　図６は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図７は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の平面図である。第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、第２導電層６０をさらに備える点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２において、磁気抵抗効果素子１００と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　第２柱状体４０は、スピン軌道トルク配線２０を貫通する。第２柱状体４０は、スピン軌道トルク配線２０及び第２導電層６０と接する。
　第２柱状体４０は、例えば、第１領域４１を有する。第１領域４１は、第２柱状体４０のうちスピン軌道トルク配線２０から第２導電層６０側に向かって突出する部分である。
　第１領域４１は、第２導電層６０に囲まれる。第１領域４１において、第２柱状体４０の側壁は、全周に亘って第２導電層６０と接する。また第２柱状体４０の第１端４０Ａは、第２導電層６０と接する。第１端４０Ａは、ｚ方向において、第２導電層６０に近い側の端部である。
　第２導電層６０は、スピン軌道トルク配線２０に接する。第２導電層６０は、例えば、ｚ方向から見て、第１強磁性層１と重ならない位置で、スピン軌道トルク配線２０に接する。第２導電層６０は、例えば、ｚ方向から見て、第２柱状体４０と重なる。
　第２導電層６０のｙ方向の幅Ｗ６０ｙは、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅Ｗ２０ｙより広い。第２導電層６０のｙ方向の幅Ｗ６０ｙは、第２柱状体４０のｙ方向の幅Ｗ４０ｙより広い。第２導電層６０のｘ方向の幅Ｗ６０ｘは、第２柱状体４０のｘ方向の幅Ｗ４０ｘより広い。
　第２導電層６０は、導電性を有する物質を含む。第２導電層６０は、例えば、アルミニウム、銅、銀等である。第２導電層６０は、スピン軌道トルク配線２０と同じ材料からなってもよい。
　第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。また第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、第２柱状体４０とスピン軌道トルク配線２０との電気的な接点も十分確保できる。
「第４実施形態」
　図８は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３の断面図である。図９は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３の平面図である。第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、第１柱状体３０のスピン軌道トルク配線２０及び第１導電層５０に対する位置関係が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３において、磁気抵抗効果素子１００と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　第１柱状体３０は、スピン軌道トルク配線２０を貫通する。第１柱状体３０は、スピン軌道トルク配線２０及び第１導電層５０と接する。
　第１柱状体３０の一部は、ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の端部からｘ方向に突出する。第１柱状体３０の第１領域３１は、側壁の一部が第１導電層５０と接する。また第１柱状体３０の第１端３０Ａは、一部が第１導電層５０と接する。
　第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。
「第５実施形態」
　図１０は、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４の断面図である。第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４は、第２柱状体４０が延びる方向が、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２と異なる。第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４において、磁気抵抗効果素子１０２と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省く。
　第２柱状体４０は、スピン軌道トルク配線２０を貫通する。第２柱状体４０は、スピン軌道トルク配線２０及び第２導電層６０と接する。第２柱状体４０は、スピン軌道トルク配線２０が広がる面を基準に、第１柱状体３０と同じ方向に延びる。第２柱状体４０のｚ方向の中点と第１柱状体３０のｚ方向の中点はいずれも、スピン軌道トルク配線２０が広がる面に対して同じ側にある。
　第２導電層６０は、スピン軌道トルク配線２０の第１導電層５０が接する面と同じ第１面２０Ａに接する。
　第２柱状体４０の高さは、例えば、第１柱状体３０の高さと略一致する。第２導電層６０の膜厚ｔ６０は、第１導電層５０の膜厚ｔ５０と略一致する。
　第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を奏する。
「第６実施形態」
　図１１は、第６実施形態に係る磁化回転素子１１０の断面図である。図１１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、第２強磁性層２、非磁性層３を有さない点が、磁気抵抗効果素子１００と異なる。
　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。
　第６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、いくつかの実施形態を例示して、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態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、４…下地層、５…キャップ層、６…マスク層、１０…積層体、２０…スピン軌道トルク配線、２０Ａ…第１面、２０Ｂ…第２面、３０…第１柱状体、３０Ａ，４０Ａ…第１端、３０Ｂ，４０Ｂ…第２端、３１，４１…第１領域、４０…第２柱状体、５０…第１導電層、５１…被覆層、６０…第２導電層、９０，９１，９２，９３，９４…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

Claims (12)

  1. 　スピン軌道トルク配線と、第１強磁性層と、第１柱状体と、第２柱状体と、第１導電層と、を備え、
    　前記第１強磁性層は、前記スピン軌道トルク配線の少なくとも一部と対向し、
    　前記第１導電層は、積層方向から見て、前記第１強磁性層と重ならない位置で、前記スピン軌道トルク配線に接し、
    　第１柱状体は、前記スピン軌道トルク配線を貫通し、前記スピン軌道トルク配線及び前記第１導電層と接し、
    　前記第２柱状体は、前記積層方向から見て、前記第１柱状体と共に前記第１強磁性層を挟む位置で、前記スピン軌道トルク配線と接する、磁化回転素子。
  2. 　前記第１柱状体の側壁の一部は、全周に亘って前記第１導電層と接する、請求項１に記載の磁化回転素子。
  3. 　前記第１柱状体の前記積層方向の第１端は、前記第１導電層と接する、請求項１に記載の磁化回転素子。
  4. 　被覆層をさらに備え、
    　前記被覆層は、前記第１導電層の前記スピン軌道トルク配線と接する面以外の面を被覆する、請求項１に記載の磁化回転素子。
  5. 　前記被覆層は、同条件のイオンミリングにおいて、前記第１導電層よりもエッチングレートが低い、請求項４に記載の磁化回転素子。
  6. 　前記被覆層は、同条件の反応性イオンエッチングにおいて、前記第１導電層よりもエッチングレートが低い、請求項４に記載の磁化回転素子。
  7. 　前記第１導電層の膜厚は、前記第１柱状体の第２端から前記スピン軌道トルク配線に下した垂線の高さの５％以上であり、
    　前記第２端は、積層方向において、前記第１柱状体の前記第１導電層から遠い側の端部である、請求項１に記載の磁化回転素子。
  8. 　前記第１導電層の膜厚は、前記第１柱状体の第２端から前記スピン軌道トルク配線に下した垂線の高さの３００％以下であり、
    　前記第２端は、積層方向において、前記第１柱状体の前記第１導電層から遠い側の端部である、請求項１に記載の磁化回転素子。
  9. 　前記第１導電層と前記第２柱状体とは、前記スピン軌道トルク配線の同じ面に接し、
    　前記第１導電層と前記第２柱状体とは、構成元素のうちの主成分が同じである、請求項１に記載の磁化回転素子。
  10. 　第２導電層をさらに備え、
    　前記第２導電層は、前記スピン軌道トルク配線と接し、
    　第２柱状体は、前記スピン軌道トルク配線を貫通し、前記スピン軌道トルク配線及び前記第２導電層と接する、請求項１に記載の磁化回転素子。
  11. 　請求項１に記載の磁化回転素子と、非磁性層と、第２強磁性層と、を少なくとも備え、
    　前記磁化回転素子の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、前記非磁性層を挟む、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含む、磁気メモリ。
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