JP2019047110A - スピン流磁化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】集積度の低下を招くことを防ぎ、容易に磁化反転を実現できるスピン流磁化反転素子を提供することを目的とする。【解決手段】このスピン流磁化反転素子は、第１方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する第２方向に配置された第１強磁性層と、前記第１強磁性層の前記第１方向に離間配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を前記第１強磁性層に印加する第１磁場印加層と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、スピン流磁化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子に関する。
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）素子が磁気抵抗効果素子として知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高く、磁気抵抗（ＭＲ）比が大きい。そのため、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）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。
ＭＲＡＭは、絶縁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ＴＭＲ素子の素子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。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。
ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転はエネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるための反転電流密度が高い。 ＴＭＲ素子の長寿命化の観点からはこの反転電流密度は低いことが望ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
そこで近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。このメカニズムはまだ十分には明らかになっていないが、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、磁化反転が生じると考えられている。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
一方で、ＳＯＴを用いた磁化反転には、外部磁場を印加することで、磁化反転する磁化の対称性を乱す必要があると言われている（例えば、非特許文献２）。外部磁場を印加するためには外部磁場の発生源が必要である。外部磁場の発生源を外部に別途設けることは、スピン流磁化反転素子を含む集積回路の集積度の低下につながる。そのため、外部磁場を印加せずにＳＯＴを用いた磁化反転を可能とする手法も研究されている。
例えば、非特許文献３には、磁化反転する強磁性体と結合する酸化膜の酸素量を変更することで、磁化の強度の対称性が崩れることが記載されている。磁化の強度の対称性が崩れると、磁化回転しやすくなり、無磁場下であってもＳＯＴを用いた磁化反転が可能となる。
I.M.Miron,K.Garello,G.Gaudin,P.-J.Zermatten,M.V.Costache,S.Auffret,S.Bandiera,B.Rodmacq,A.Schuhl,and P.Gambardella,Nature,476,189(2011).
S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
Guoqiang Yu, et al., Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2014.94.
しかしながら、非特許文献３に記載された方法では、酸素量の制御が難しいという問題がある。特に、薄膜プロセスで一度に作製されるそれぞれの素子において、同様の酸素量の傾斜をそれぞれの素子で形成することは、量産において困難である。また、磁気抵抗効果素子の面内方向において磁気異方性の大きさが異なると、意図しない外力（外部磁場、熱等）が加わった際、磁気異方性の小さい部分の磁化が反転する場合がある。意図しない磁化の反転は、データのノイズとなり、データの長期保存を阻害する。特に磁気抵抗効果素子の強磁性体の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、磁気異方性の小さい部分の磁化反転が、その他の部分の磁化反転も誘発し、データを書き換えてしまうおそれがある。
また、磁化反転する磁化の対称性を乱すための構造として、素子を形成した回路の内部に配線を形成し、この配線から磁化反転を補助する磁場を発生する構造を採用することが考えられる。しかし、配線を利用して磁化反転を補助する構造を採用すると、配線で消費する電力が大きくなり、配線を形成するために回路の集積度が低下する問題がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、消費電力の増大を引き起こすことなく磁化反転を誘起できる構成のスピン流磁化反転素子であって、集積度の低下を招くことがないスピン流磁化反転素子を提供することを目的とする。
また本発明は、上述の優れたスピン流磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子と磁気メモリ、高周波磁気素子の提供を目的とする。
また本発明は、上述の優れたスピン流磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子と磁気メモリ、高周波磁気素子の提供を目的とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、電流等を流さなくても定常的に磁場を発生する磁場印加手段を素子内部に組み込むことで、集積性の低下を招くことなく、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用して容易に磁化反転を起こすことができることを見出した。
すなわち、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。
すなわち、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の態様にかかるスピン流磁化反転素子は、第１方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する第２方向に配置された第１強磁性層と、前記第１強磁性層の前記第１方向に離間配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を前記第１強磁性層に印加する第１磁場印加層とを備える。
（２）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記第１強磁性層の磁化容易軸が前記第２方向であってもよい。
（３）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記第１磁場印加層の磁化容易軸が前記第１方向であり、前記第１磁場印加層が発生する磁場は少なくとも前記第１方向の成分を有してもよい。
（４）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記スピン軌道トルク配線と前記第１磁場印加層とが接していてもよい。
（５）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記第１強磁性層と前記第１磁場印加層との距離が、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長以下であってもよい。
（６）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記第２方向に沿って延在する第１面に対して前記第１方向から投影した前記第１磁場印加層の面積が、前記第１面に対して前記第１方向から投影した前記第１強磁性層の面積より大きくてもよい。
（７）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記第１強磁性層を前記第１磁場印加層と挟み、少なくとも前記第１方向の成分を有する磁場を発生する第２磁場印加層をさらに備えてもよい。
（８）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記スピン軌道トルク配線における前記第１強磁性層を挟む少なくとも２点から前記第２方向にそれぞれ延在するビア配線をさらに備えてもよい。
（９）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記スピン軌道トルク配線及び前記第１強磁性層を前記第２方向に挟む磁気シールド層をさらに備えてもよい。
（１０）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン流磁化反転素子と、前記第１強磁性層において前記スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面に積層された非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える。
（１１）第３の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。
（１２）上記態様にかかる磁気メモリは、複数の前記スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子が配列した素子部と、前記素子部の外周に位置し、前記素子部の中央部と周縁部における磁場を均一化する磁場印加部と、をさらに備えてもよい。
（１３）第４の態様にかかる高周波磁気素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える。
上述した態様にかかるスピン流磁化反転素子によれば、消費電力を上げることなく磁化反転できるとともに、集積度の低下を引き起こすこともないスピン流磁化反転素子を提供できる。また、このような優れたスピン流磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、高周波磁気素子を提供できる。
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。
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。 第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２と、第１磁場印加層３と、ビア配線４とを有する。図１に示すスピン流磁化反転素子１０は、帯状のスピン軌道トルク配線２の上面中央部に、スピン軌道トルク配線２と同じ幅の平面視長方形状の第１強磁性層１が積層されている。また第１磁場印加層３は、第１強磁性層１と平面視同等幅、同等長さで、第１強磁性層１及びスピン軌道トルク配線２と離間して配置している。
以下、スピン軌道トルク配線２が延在する第１の方向をｘ方向、第１強磁性層１の積層方向（第２の方向）をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向と規定して説明する。
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。 第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２と、第１磁場印加層３と、ビア配線４とを有する。図１に示すスピン流磁化反転素子１０は、帯状のスピン軌道トルク配線２の上面中央部に、スピン軌道トルク配線２と同じ幅の平面視長方形状の第１強磁性層１が積層されている。また第１磁場印加層３は、第１強磁性層１と平面視同等幅、同等長さで、第１強磁性層１及びスピン軌道トルク配線２と離間して配置している。
以下、スピン軌道トルク配線２が延在する第１の方向をｘ方向、第１強磁性層１の積層方向（第２の方向）をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向と規定して説明する。
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１はその磁化の向きが相対的に変化することで機能する。
第１強磁性層１の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。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を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅを例示できる。
第１強磁性層１はその磁化の向きが相対的に変化することで機能する。
第１強磁性層１の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。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を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅを例示できる。
第１強磁性層１は磁化容易軸がｚ方向であり、第１強磁性層１の磁化Ｍ１はｚ方向に配向している。ここで磁化Ｍ１の配向方向は、完全にｚ方向と一致している場合に限られるものではなく、効果を奏する範囲でｚ方向からずれていてもよい。磁化Ｍ１がｚ方向した垂直磁化膜は、同一面積（ｘｙ面）内に多くの磁化を持つことができ、集積性に優れる。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、キャップ層などの他の層を介し接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、キャップ層などの他の層を介し接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線２中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流を生成しやすい材料で構成される部分と純スピン流を生成しにくい材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。スピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。スピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２のｘ方向の両端に電位差を与えるとｘ方向に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、ｙ方向に配向した第１スピンＳ１と−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。従って、スピン軌道トルク配線２の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。従って、スピン軌道トルク配線２の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
ここで、第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２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。図１においては、純スピン流としてＪＳが図中のｚ方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
図１において、スピン軌道トルク配線２の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性層１にスピンが注入される。
図１において、スピン軌道トルク配線２の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性層１にスピンが注入される。
スピン軌道トルク配線の材料としては、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及び、それらの金属を少なくとも１つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなるものとすることができる。また、タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合に、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きくなり、効率的にスピン流を発生できる。
スピン軌道トルク配線２は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線２は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
この場合、非磁性の重金属は最外殻に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ことが好ましい。かかる非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。スピン軌道トルク配線２は、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だけからなってもよい。
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流ＪＳが発生しやすい。特に、非磁性の重金属としてＩｒを用いると、スピンホール効果が大きい。さらに、Ｉｒと第１強磁性層１の界面において従来材料よりも大きな垂直磁気異方性を第１強磁性層１に付加することができる。
また、スピン軌道トルク配線２は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、又は、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線２に流す電流に対するスピン流生成効率を高くなる。スピン軌道トルク配線２は、反強磁性金属だけからなっていてもよい。
スピン軌道相互作用はスピン軌道トルク配線材料の物質の固有の内場によって生じる。そのため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱されるため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。
したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線における純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線における純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
また、スピン軌道トルク配線２は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線２は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、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。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで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。これがトポロジカル絶縁体であり、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することができる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらの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。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらの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。
＜第１磁場印加層＞
第１磁場印加層３は図１のｘ方向への成分を有する磁場を第１強磁性層１に印加するために設けられている。第１磁場印加層３は、第１強磁性層１のｘ方向に離間配置されている。すなわち第１強磁性層１から見て（第１強磁性層１を基準に）ｘ方向に第１強磁性層１と第１磁場印加層３とは、離間して配置されている。第１強磁性層１と第１磁場印加層３との距離は、第１磁場印加層３が発生する磁場により第１強磁性層１の磁化Ｍ１が揺らがない程度に近接していることが好ましい。
第１磁場印加層３は図１のｘ方向への成分を有する磁場を第１強磁性層１に印加するために設けられている。第１磁場印加層３は、第１強磁性層１のｘ方向に離間配置されている。すなわち第１強磁性層１から見て（第１強磁性層１を基準に）ｘ方向に第１強磁性層１と第１磁場印加層３とは、離間して配置されている。第１強磁性層１と第１磁場印加層３との距離は、第１磁場印加層３が発生する磁場により第１強磁性層１の磁化Ｍ１が揺らがない程度に近接していることが好ましい。
第１磁場印加層３は、保磁力の高い強磁性体からなる。図１において第１磁場印加層３の磁化Ｍ３は、ｘｙ面内方向のｘ方向に配向している。ここで磁化Ｍ３の配向方向は、完全にｘ方向と一致している場合に限られるものではなく、効果を奏する範囲でｘ方向からずれていてもよい。第１磁場印加層３には、例えばＣｏＣｒＰｔ、Ｆｅ-Ｃｏ合金、ホイスラー合金、フェライト酸化物等を用いることができる。
第１磁場印加層３のｘ方向の長さは、ｙ方向の長さ（幅）及びｚ方向の長さ（厚み）より長いことが好ましい。第１磁場印加層３の磁化Ｍ３は、第１磁場印加層３の長軸方向に配向しやすい。第１磁場印加層３がｘ方向に延在していると、磁化Ｍ３が安定的にｘ方向に配向し、第１強磁性層１に印加する磁場のｘ成分を多くできる。
＜ビア配線＞
ビア配線４は、スピン軌道トルク配線２における第１強磁性層１を挟む位置に設けられている。ビア配線４はｚ方向に延在し、半導体素子等との接続を担う。図１に示すビア配線４は、スピン軌道トルク配線２から第１磁場印加層３と反対方向（−ｚ方向）に延在しているが、第１磁場印加層３の存在する方向（ｚ方向）に延在してもよい。
ビア配線４は、スピン軌道トルク配線２における第１強磁性層１を挟む位置に設けられている。ビア配線４はｚ方向に延在し、半導体素子等との接続を担う。図１に示すビア配線４は、スピン軌道トルク配線２から第１磁場印加層３と反対方向（−ｚ方向）に延在しているが、第１磁場印加層３の存在する方向（ｚ方向）に延在してもよい。
ビア配線４には、導電性に優れる材料を用いることができる。例えば、銅、アルミニウム、銀等をビア配線４として用いることができる。スピン流磁化反転素子１０を単独で用いる場合は、ビア配線４は無くてもよい。
またスピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２と第１磁場印加層３とビア配線４以外の構成要素を有していてもよい。例えば、実際の素子において第１磁場印加層３は、スピン軌道トルク配線２のｚ方向の位置に浮かんでいるのではなく、層間絶縁膜を介して積層される。層間絶縁膜には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。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（ＣｒＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等が用いられる。
またこの他、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
本実施形態は、必ずしも上記構成に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
本実施形態は、必ずしも上記構成に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
（スピン流磁化反転素子の原理）
次いで、スピン流磁化反転素子１０の原理について説明すると共に、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を第１磁場印加層３から発生する磁場及びスピン軌道トルク配線２から注入されるスピンにより磁化反転させることが可能である理由について説明する。
次いで、スピン流磁化反転素子１０の原理について説明すると共に、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を第１磁場印加層３から発生する磁場及びスピン軌道トルク配線２から注入されるスピンにより磁化反転させることが可能である理由について説明する。
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２に電流Ｉを印加すると、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とがスピンホール効果によって曲げられる。その結果、純スピン流Ｊｓがｚ方向に生じる。
スピン軌道トルク配線２のｚ方向には、第１強磁性層１が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線２から第１強磁性層１にスピンが注入される。注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化Ｍ１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。
第１強磁性層１に注入される第１スピンＳ１はｙ方向に配向しているため、磁化Ｍ１にｙ方向のトルク（スピン軌道トルク）を与え、磁化Ｍ１をｙ方向に向かって９０°回転させる。９０°回転した磁化Ｍ１がｚ方向に戻るか、−ｚ方向に向く（磁化反転する）かは、第１磁場印加層３が無く第１強磁性層１に磁場が印加されていない状態では、確率的に決まる。つまり、磁化反転するか否かが確率によって決定され、素子として安定的に機能しない。これに対し、第１強磁性層１からの磁場が第１磁場印加層３に印加されると、スピン軌道トルクにより９０゜回転した磁化Ｍ１の反転確率が非対称となる。その結果、スピン軌道トルクにより９０°回転した磁化Ｍ１を安定的かつ少ないエネルギーで磁化反転させることができる。
上述のように、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０によれば、素子内部に第１磁場印加層３を備えるため、素子外部から磁場を印加しなくても、容易に磁化反転を行うことができる。また第１磁場印加層３は、一定方向の磁場を第１強磁性層１に印加し続けるため、磁場を発生させるための配線等が不要である。従って、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０は、集積性に優れ、かつ、磁化反転を安定的かつ容易に行うことができる。
上述の第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０は、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、高周波部品、磁気センサなどへの適用が可能である。例えば、磁気異方性センサや、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として用いることができる。
「第２実施形態」
図２に示す第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１は、第１磁場印加層３とスピン軌道トルク配線２とが接している点が、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子１０と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図２に示す第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１は、第１磁場印加層３とスピン軌道トルク配線２とが接している点が、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子１０と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
重金属を含むスピン軌道トルク配線２は電気抵抗が高い。第１磁場印加層３が金属の場合、抵抗の低い金属からなる第１磁場印加層３をスピン軌道トルク配線２に接続すると、電流Ｉによる発熱を抑制できる。
またスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン流磁化反転素子１１の磁化反転は、注入されるスピンの量に依存する。スピンの量は、電流Ｉの電流密度によって決まる。電流Ｉの電流密度は、電流Ｉを、第１強磁性層１の直下におけるスピン軌道トルク配線２を電流の流れ方向に直交する面で切断した面の面積で割ったものである。第１磁場印加層３を流れた電流Ｉは、第１強磁性層１の直下においてスピン軌道トルク配線２に集約される。第１磁場印加層３をスピン軌道トルク配線２と接続することで、電流密度が小さくなることもない。
また電流Ｉが第１磁場印加層３内を流れることで、電流Ｉがスピン偏極する。スピン偏極した電流Ｉが第１強磁性層１に注入されると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を与える。すなわち、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）をアシストするスピントランスファートルク（ＳＴＴ）が第１強磁性層１の磁化Ｍ１に重畳して加わり、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させるのに必要な反転電流密度が小さくなる。
第１強磁性層１と第１磁場印加層３との距離は、スピン軌道トルク配線２のスピン拡散長以下であることが好ましい。当該関係を満たすと、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を第１強磁性層１へ効率的に加えることができる。
また図３は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の変形例を模式的に示す斜視図である。図３に示すスピン流磁化反転素子１２は、ビア配線４の一方が第１磁場印加層３を介してスピン軌道トルク配線２に接続されている。
図３に示すスピン流磁化反転素子１２の場合、電流が第１磁場印加層３を通過する際にスピン偏極する。スピン偏極した電流Ｉ’が流れると、スピンホール効果により第１スピンＳ１’と第２スピンＳ２’が生じる。第１スピンＳ１’及び第２スピンＳ２’は、スピンホール効果によるスピンの方向（ｙ方向）と第１磁場印加層３を通過することで偏極したスピンの方向（ｘ方向）との合成ベクトル方向に配向する。第１スピンＳ１’及び第２スピンＳ２’はｘｙ面内のいずれの方向に配向しても、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の配向方向（ｚ方向）とは直交関係を維持する。そのため、注入されるスピンの向きと、第１磁場印加層３により第１強磁性層１に印加する磁場の向きの関係は変わらない。一方で、第１強磁性層１の磁化Ｍ１には、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）をアシストするスピントランスファートルク（ＳＴＴ）が重畳して加わるため、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させるのに必要な反転電流密度を小さくできる。
上述のように、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１，１２によれば、電流Ｉによる発熱を抑制できる。また不要な層間絶縁膜を設ける必要が無く、素子が簡素化し、製造が容易になる。その他の作用効果については第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同様の効果を得ることができる。
「第３実施形態」
図４に示す第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、第１磁場印加層３をｙｚ面で切断した断面積が第１強磁性層１をｙｚ面で切断した断面積より大きい点が第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１と異なる。その他の構成は、第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子１１と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図４に示す第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、第１磁場印加層３をｙｚ面で切断した断面積が第１強磁性層１をｙｚ面で切断した断面積より大きい点が第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１と異なる。その他の構成は、第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子１１と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図４（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１３ａは、第１磁場印加層３ａのｙ方向の幅が第１強磁性層１のｙ方向の幅と等しく、ｚ方向の高さが第１強磁性層１のｚ方向の高さより高い。また図４（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１３ｂは、第１磁場印加層３ｂのｙ方向の幅が第１強磁性層１のｙ方向の幅より広く、ｚ方向の高さは第１強磁性層１のｚ方向の高さと等しい。さらに図４（ｃ）に示すスピン流磁化反転素子１３ｃは、第１磁場印加層３ｃのｙ方向の幅が第１強磁性層１のｙ方向の幅より高く、ｚ方向の高さが第１強磁性層１のｚ方向の高さより高い。
図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すいずれの場合においても、ｘ方向から見て第１磁場印加層３ａ、３ｂ、３ｃが第１強磁性層１と重畳しているため、第１強磁性層１に均一なｘ方向の磁場を印加することができる。第１強磁性層１に印加される磁場が均一になると、第１強磁性層１中の一部の磁化のみが反転するということが抑制され、磁化反転の安定性が高まる。
またこれらの中でも、図４（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１３ａは素子の集積性に優れる。スピン流磁化反転素子を集積した磁気メモリでは、複数のスピン流磁化反転素子がｘｙ面内に配列する。第１強磁性層１のｘｙ面における面積が大きいと、隣接するスピン流磁化反転素子の間隔を広げる必要がある。図４（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１３ａは、ｚ方向の高さを高めることでその断面積を大きくしている。ｚ方向の高さは集積性には影響しない。
上述のように、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃによれば、第１強磁性層１に印加する磁場を均一化することができ、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の反転確率が高まる。その他の作用効果については第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同様の効果を得ることができる。
「第４実施形態」
図５に示す第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１４は、第１磁場印加層３ｄの形状が第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１と異なる。その他の構成は、第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子１１と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図５に示す第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１４は、第１磁場印加層３ｄの形状が第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１と異なる。その他の構成は、第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子１１と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１４は、第１磁場印加層３ｄの第１強磁性層１側の面が傾斜面を形成している。第１磁場印加層３ｄのｙｚ面における断面積は、第１強磁性層１に向かって徐々に小さくなっている。そのため、磁束密度が第１磁場印加層３ｄの第１強磁性層１側の端部３ｄａに向かって高まる。磁束密度が高くなると磁場強度が強くなるため、少ない材料でより強いｘ方向の磁場を生み出すことができる。
なお、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１４と第１強磁性層１のｙｚ面における面積を比較する場合は、ｙｚ方向に沿って延在する第１面Ｔに投影した第１強磁性層１の投影面Ｔ１と第１磁場印加層３ｄの投影面Ｔ３とを比較する。図５は、投影面Ｔ３の面積と投影面Ｔ１の面積を同一としているが、投影面Ｓ３の面積が投影面Ｔ１の面積より大きければ、第１強磁性層１に印加される磁場が均一化する。また互いの投影面Ｔ１、Ｔ３で面積を比較するため、第１強磁性層１の側面が傾斜していてもよい。
上述のように、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１４によれば、第１磁場印加層３ｄの磁束密度を高めることで、第１強磁性層１に印加される磁場強度を高めることができる。その他の作用効果については第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同様の効果を得ることができる。
「第５実施形態」
図６は第５実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１５は、第２磁場印加層５を備える点が、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１と異なる。その他の構成は、第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子１１と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図６は第５実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１５は、第２磁場印加層５を備える点が、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１と異なる。その他の構成は、第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子１１と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
第２磁場印加層５は、第１磁場印加層３と同等の材料からなり、幅と長さ、厚さについて第１磁場印加層３と同等に形成されている。第２磁場印加層５は、第１強磁性層１を第１磁場印加層３と挟む位置に設置される。第２磁場印加層５の磁化Ｍ５の向きは、ｘ方向に配向している。第２磁場印加層５の磁化Ｍ５は、ｘ方向の成分を有していればよく、第１磁場印加層３の磁化Ｍ３の向きと同一であることが好ましい。第１強磁性層１と第２磁場印加層５との距離は、スピン軌道トルク配線２のスピン拡散長以下であることが好ましい。
第５実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１５は、第１強磁性層１をｘ方向に挟むように第１磁場印加層３と第２磁場印加層５を有するので、第１強磁性層１をｘ方向に通過する磁場の向きを均一に揃えることができる。
これによって第１強磁性層１に生じている磁化の対称性を乱す効果を第１強磁性層１の全ての位置で均等に生じさせることができ、第１強磁性層１の全ての位置で磁化反転の安定性を高めることができる。その他の作用効果については第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同様の効果を得ることができる。
これによって第１強磁性層１に生じている磁化の対称性を乱す効果を第１強磁性層１の全ての位置で均等に生じさせることができ、第１強磁性層１の全ての位置で磁化反転の安定性を高めることができる。その他の作用効果については第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同様の効果を得ることができる。
「第６実施形態」
図７は第６実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１６は、スピン軌道トルク配線２及び第１強磁性層１をｚ方向に挟む磁気シールド層６を備える点が、第５実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１５と異なる。その他の構成は、第５実施形態に係るスピン流磁化反転素子１５と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
図７は第６実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１６は、スピン軌道トルク配線２及び第１強磁性層１をｚ方向に挟む磁気シールド層６を備える点が、第５実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１５と異なる。その他の構成は、第５実施形態に係るスピン流磁化反転素子１５と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
磁気シールド層６は、スピン軌道トルク配線２及び第１強磁性層１をｚ方向に挟むように配設されている。磁気シールド層６は、スピン流磁化反転素子１６内部に不要な磁場が侵入することを防ぎ、ノイズの発生を低減する。
磁気シールド層６には、磁気遮断性の高い公知の材料を用いることができる。例えば、Ｎｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、ＦｅＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金との軟磁性体材料を用いることができる。
磁気シールド層６を設けることで、外部磁場の影響を受け難く、外部磁場によってスピン流の反転に影響を受けない安定性に優れたスピン流磁化反転素子１６を提供できる。換言すると、スピン流磁化反転素子１６は、第１強磁性層１に必要なｘ方向の磁場を素子内部で印加しており、外部から磁場を印加するための機構が不要である。その他の作用効果については第１実施形態の構造で得られる作用効果と同等である。
「第７実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図８は、第７実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７の斜視図を模式的に示した図である。図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７は、第５実施形態のスピン流磁化反転素子１５を用いている。図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７は、第１強磁性層１の上（ｚ方向：スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面）に積層された非磁性層７と、非磁性層７の上（ｚ方向）に積層された第２強磁性層８とを備える。また、第２強磁性層８上には、電極層９が設けられている。その他の構成は第５実施形態のスピン流磁化反転素子１５と同等であり、説明を省く。
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図８は、第７実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７の斜視図を模式的に示した図である。図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７は、第５実施形態のスピン流磁化反転素子１５を用いている。図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７は、第１強磁性層１の上（ｚ方向：スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面）に積層された非磁性層７と、非磁性層７の上（ｚ方向）に積層された第２強磁性層８とを備える。また、第２強磁性層８上には、電極層９が設けられている。その他の構成は第５実施形態のスピン流磁化反転素子１５と同等であり、説明を省く。
第１強磁性層１と非磁性層７と第２強磁性層８とが積層された積層体（機能部）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部は、第２強磁性層８の磁化Ｍ８が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層８の保磁力を第１強磁性層１の保磁力よりも大きくする。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層８の磁化Ｍ８を反強磁性層との交換結合によって固定する。
また機能部において、非磁性層７が絶縁体からなる場合は、機能部はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、機能部が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
機能部の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性層８の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第２強磁性層８は固定層や参照層、第１強磁性層１は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第２強磁性層８の材料には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。これらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
また、より高い出力を得るためには第２強磁性層８の材料にＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、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族の遷移金属またはＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
第２強磁性層８の第１強磁性層１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層８と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第２強磁性層８の漏れ磁場を第１強磁性層１に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
非磁性層７には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層７が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３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。さらに、ＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇがＺｎに置換された材料や、ＡｌがＧａやＩｎ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は他の層との格子整合性が高い。
例えば、非磁性層７が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３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。さらに、ＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇがＺｎに置換された材料や、ＡｌがＧａやＩｎ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は他の層との格子整合性が高い。
機能部は、その他の層を有していてもよい。例えば、第１強磁性層１の非磁性層７と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第２強磁性層８の非磁性層７と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。
スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。
また、この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２から伝播するスピンを第１強磁性層１に十分伝えることができる。
また、この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２から伝播するスピンを第１強磁性層１に十分伝えることができる。
電極層９は、導電性の高い公知の材料を用いることができ、例えばアルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
第７実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線２に沿って電流を流すことで第１強磁性層１の磁化Ｍ１の磁化の向きを制御できる（書込み動作）。また電極層９とビア配線４との間に電流を流すことで、磁化Ｍ１と磁化Ｍ８の相対角の違いに伴う機能部の抵抗値の違いを測定できる（読み出し動作）。すなわち、データの記録及び読み出しを行うことができる記録素子として用いることができる。その他の作用効果については第１実施形態と同等の効果を得ることができる。
図９は図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７を製造する一例工程の概要を示す工程説明図である。
ビア配線４が形成された基板２０の表面をＣＭＰ研磨（chemical mechanical polishing）により平坦化する。そして図９（ａ）に示すように、平坦化された基板上にスピン軌道トルク配線の基となる層２１を積層する。そして層２１を、フォトリソグラフィー等の技術により必要な形状に加工しスピン軌道トルク配線２を得る。そしてスピン軌道トルク配線２を囲むように絶縁層を形成する。絶縁層には、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ等を用いることができる。絶縁層を形成した後は、ＣＭＰ研磨等を用いて表面を平坦化する。
次いで図９（ｂ）に示すように、スピン軌道トルク配線２及び絶縁層上に、第１強磁性層の基となる層２２と非磁性層の基となる層２３と第２強磁性層の基となる層２４を積層する。そしてこれらの積層体を、フォトリソグラフィー等の技術を用いて加工し、第１強磁性層１、非磁性層７、第２強磁性層８を作製する（図９（ｃ））。
次いで、図９（ｄ）に示すように、マスク等を用いて、所定の位置に第１磁場印加層３及び第２磁場印加層５を積層する。そして図９（ｅ）に示すように、これらを覆うように絶縁層２５を形成する。そして絶縁層２５及び第２強磁性層８上に電極層９を積層することで、図７に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７を作製することができる。
「第８実施形態」
＜磁気メモリ＞
図１０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７（図８参照）を備える磁気メモリ３０の平面図である。図１０に示す磁気メモリ３０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７が３×３のマトリックス配置をしている。図１０は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７の数及び配置は任意である。
＜磁気メモリ＞
図１０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７（図８参照）を備える磁気メモリ３０の平面図である。図１０に示す磁気メモリ３０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７が３×３のマトリックス配置をしている。図１０は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７の数及び配置は任意である。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、１本のソースラインＳＬ１〜３、１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。
電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びソースラインＳＬ１〜３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７のスピン軌道トルク配線２に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜３及びソースラインＳＬ１〜３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３、ソースラインＳＬ１〜３、及びリードラインＲＬ１〜３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。
また図１１は、第８実施形態に係る磁気メモリの要部を示した斜視図である。図１１では、簡単のため磁気メモリ３０を構成する配線等を略して図示している。図１１に示すように磁気メモリ３０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７が配列した素子部３１と、素子部３１の外周に位置する磁場印加部３２とを有してもよい。なお、図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７のｚ方向には磁気シールド層６を設けている。
図１１に示す磁場印加部３２は、第１磁場発生源３２ａと第２磁場発生源３２ｂが一つのペアとして、複数配列している。第１磁場発生源３２ａと第２磁場発生源３２ｂとは、第１磁場印加層３及び第２磁場印加層５にそれぞれ対応する。磁場印加部３２に第１磁場発生源３２ａ及び第２磁場発生源３２ｂを設けると、中央に位置するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７Ａを基準とした周囲の磁気状態と、端部に位置するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７Ｂを基準とした周囲の磁気状態と、が等しくなる。そのため、磁気メモリ３０内においてそれぞれのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７に印加される磁場が均一となり、反転電流密度及び反転確率の素子間のバラツキを低減できる。
さらに図１２は、第８実施形態にかかる磁気メモリの別の例をｘ方向に沿って切断した断面図である。図１２に示すように、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７は、第１磁場印加層３及び第２磁場印加層５の他に、ｚ方向の異なる位置にその他の磁場印加層３５、３６、３７、３８を有してもよい。これらの磁場印加層３５、３６、３７、３８は、第１磁場印加層３と同様の構成とすることができる。これらの磁場印加層３５、３６、３７、３８を有すると、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７の機能部に加わる磁場がよりｘ方向に配向する。
「第９実施形態」
＜高周波磁気素子＞
図１３は、第９実施形態にかかる高周波磁気素子の断面模式図である。図９に示す高周波磁気素子４０は、図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７と、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７に接続された直流電源４１とを備える。
＜高周波磁気素子＞
図１３は、第９実施形態にかかる高周波磁気素子の断面模式図である。図９に示す高周波磁気素子４０は、図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７と、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１７に接続された直流電源４１とを備える。
高周波磁気素子４０の入力端子４２から高周波電流が入力される。高周波電流は、高周波磁場を生み出す。またスピン軌道トルク配線２に高周波電流が流れると、純スピン流が誘起され、第１強磁性層１にスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、高周波磁場及び注入されるスピンにより振動する。
第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、入力端子４２から入力される高周波電流の周波数が強磁性共鳴周波数の場合に、強磁性共鳴する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が強磁性共鳴すると、磁気抵抗効果の機能部の抵抗値変化は大きくなる。この抵抗値変化は、直流電源４１により直流電流又は直流電圧を印加することで、出力端子４３から読み出される。
つまり、入力端子４２から入力される信号の周波数が第１強磁性層１の磁化Ｍ１の強磁性共鳴周波数の際には、出力端子４３から出力される抵抗値変化は大きくなり、それ以外の周波数の際には、出力端子４３から出力される抵抗値変化は小さくなる。この抵抗値変化の大小を利用して、高周波磁気素子は高周波フィルタとして機能する。
また第１磁場印加層３により第１強磁性層１に磁場を印加することで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が振動しやすくなる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が振動しやすくなれば、抵抗値変化量が大きくなり、出力端子４３から出力される信号強度が大きくなる。
１：第１強磁性層
２：スピン軌道トルク配線
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：第１磁場印加層
４：ビア配線
５：第２磁場印加層
６：磁気シールド層
７：非磁性層
８：第２強磁性層
９：電極層
１０、１１、１２、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４、１５、１６：スピン流磁化反転素子
１７、１７Ａ、１７Ｂ：スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
２０：基板
２１、２２、２３、２４：層
３０：磁気メモリ
３１：素子部
３２：磁場印加部
３２ａ：第１磁場発生源
３２ｂ：第２磁場発生源
３５、３６、３７、３８：磁場印加層
４０：高周波磁気素子
４１：直流電源
４２：入力端子
４３：出力端子
Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５、Ｍ８：磁化
２：スピン軌道トルク配線
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：第１磁場印加層
４：ビア配線
５：第２磁場印加層
６：磁気シールド層
７：非磁性層
８：第２強磁性層
９：電極層
１０、１１、１２、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４、１５、１６：スピン流磁化反転素子
１７、１７Ａ、１７Ｂ：スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
２０：基板
２１、２２、２３、２４：層
３０：磁気メモリ
３１：素子部
３２：磁場印加部
３２ａ：第１磁場発生源
３２ｂ：第２磁場発生源
３５、３６、３７、３８：磁場印加層
４０：高周波磁気素子
４１：直流電源
４２：入力端子
４３：出力端子
Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５、Ｍ８：磁化
Claims (13)
- 第１方向に延在するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する第２方向に配置された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の前記第１方向に離間配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を前記第１強磁性層に印加する第１磁場印加層と、を備える、スピン流磁化反転素子。 - 前記第１強磁性層の磁化容易軸が前記第２方向である、請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記第１磁場印加層の磁化容易軸が前記第１方向であり、前記第１磁場印加層が発生する磁場は少なくとも前記第１方向の成分を有する、請求項１又は２に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線と前記第１磁場印加層とが接している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記第１強磁性層と前記第１磁場印加層との距離が、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長以下である、請求項４に記載のスピン流磁化回転素子。
- 前記第２方向に沿って延在する第１面に対して前記第１方向から投影した前記第１磁場印加層の面積が、前記第１面に対して前記第１方向から投影した前記第１強磁性層の面積より大きい、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記第１強磁性層を前記第１磁場印加層と挟み、少なくとも前記第１方向の成分を有する磁場を発生する第２磁場印加層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線における前記第１強磁性層を挟む少なくとも２点から前記第２方向にそれぞれ延在するビア配線をさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線及び前記第１強磁性層を前記第２方向に挟む磁気シールド層をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、
前記第１強磁性層において前記スピン軌道トルク配線と接する面と反対側の面に積層された非磁性層と、
前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。 - 請求項１０に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
- 複数の前記スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子が配列した素子部と、前記素子部の外周に位置し、前記素子部の中央部と周縁部における磁場を均一化する磁場印加部とをさらに備える、請求項１１に記載の磁気メモリ。
- 請求項１０に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える、高周波磁気素子。
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