JP2019047120A - 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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】純スピン流を効率的に発生させ、反転電流密度を低減させることが可能な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を提供する。
【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、前記第１方向と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含む。
【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、ＳＴＴとは異なったメカニズムで磁化反転を行う、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、ＳＯＴにより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。
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).
しかしながら、現状の素子構造でのＳＯＴによる反転電流密度は、ＳＴＴによる反転電流密度と同程度であることが、非特許文献１で報告されている。純スピン流を生み出す電流の流れは、磁気抵抗効果素子にダメージを与えないが、駆動効率の観点から、反転電流密度の低減が求められている。反転電流密度の低減のために、純スピン流をより効率的に発生させる必要がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、純スピン流を効率的に発生させ、反転電流密度を低減させることが可能な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、前記第１方向と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含む。
（２）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記希ガス元素のモル比が、前記スピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比の０．００５％以上２．００％以下であってもよい。
（３）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、前記複数の層の界面及び表面のうちいずれかの面において前記希ガス元素の濃度が最も高い構成でもよい。
（４）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、前記複数の層の界面のうち最も第１強磁性層側の第１界面における前記希ガス元素の濃度は、前記スピン軌道トルク配線において前記第１界面より前記第１強磁性層に近い部分における前記希ガス元素の濃度より高く、前記第２方向において、前記第１界面と前記第１強磁性層との距離が、前記第１強磁性層と前記第１界面との間を構成する材料のスピン拡散長よりも短くてもよい。
（５）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、前記複数の層のうち前記希ガス元素を最も高濃度に含む高濃度層と前記第１強磁性層との間に、前記スピン軌道トルク配線を構成する別の層を有してもよい。
（６）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子の前記第２方向において、前記第１強磁性層と前記高濃度層との距離が、前記第１強磁性層と前記高濃度層との間を構成する材料のスピン拡散長よりも短くてもよい。
（７）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記高濃度層の前記第１強磁性層と反対側に、前記スピン軌道トルク配線を構成する別の層を有してもよい。
（８）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、前記複数の層のうち前記希ガス元素を最も高濃度に含む高濃度層が、前記第１強磁性層に最も近い位置にあってもよい。
（９）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、前記複数の層のうち任意の２層において、前記第１強磁性層側に位置する第１層のスピン抵抗は、前記第１強磁性層から離れた位置の第２層のスピン抵抗より小さくてもよい。
（１０）第２の態様にかかるスピン軌道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、第２の態様にかかるスピン軌道型磁気抵抗効果素子を複数備える。
（１２）第４の態様にかかる高周波磁気素子は、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を備える。
純スピン流を効率的に発生させ、反転電流密度を低減させることが可能な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を提供できる。
第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子の断面模式図である。 第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子の断面模式図である。 第３実施形態に係るスピン流磁化反転素子の断面模式図である。 第４実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 第５実施形態に係る磁気メモリを模式的に示した図である。 第６実施形態にかかる高周波磁気素子の断面模式図である。 実施例１のスピン軌道トルク配線の組成を、ＥＤＳを用いて分析した結果である。 実施例１〜３におけるスピン流磁化反転素子の反転電流密度を求めた結果である。 実施例２のスピン軌道トルク配線の組成を、ＥＤＳを用いて分析した結果である。
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。
「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断面図である。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とを有する。
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Ｍ１の向きが変化することで機能する。図１では、第１強磁性層１を磁化Ｍ１がｚ方向に配向した垂直磁化膜としたが、ｘｙ面内方向に配向した面内磁化膜としてもよい。
第１強磁性層１には、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。
また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉ等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。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ, Ｃｏ２ＦｅＧa,Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ, Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
＜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、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。
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。
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。
スピン軌道トルク配線２は、電流が流れる際のスピンホール効果によって純スピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成され、結晶構造を有する。
スピン軌道トルク配線２の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。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を意味する。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。
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。
またスピン軌道トルク配線２は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含む。希ガス元素は、結晶格子内に侵入し、結晶格子を歪め、結晶構造の不規則性を誘起する。結晶構造が不規則になると、スピン軌道トルク配線２の空間反転対称性が崩れる。空間反転対称性の崩れは、スピン軌道トルク配線２内に内場を生み出す。この内場は、スピンホール効果を促進する。また希ガス元素は、その他の元素と比較して原子半径が大きいため、電流の流れを阻害する散乱因子となる。電流は電子の流れであり、電子はスピンを伝導する。そのため電流の散乱因子はスピンの散乱因子である。つまり希ガス元素は、スピンのｘ方向への流れを阻害し、スピンホール効果を促進する。
スピンホール効果が促進されると、第１強磁性層１に注入されるスピンの量が増加する。第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化Ｍ１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。すなわち、スピン軌道トルク配線２は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含むことで、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化Ｍ１に効率的に与えることができる。
希ガス元素のモル比は、スピン軌道トルク配線２を構成する元素の総モル比の０．００５％以上２．００％以下であることが好ましく、１．００％以上２．００以下であることがより好ましい。希ガス元素のモル比は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）にて断面観察後、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いて求めることができる。ＥＤＳにより測定されたスペクトルからそれぞれの元素に起因する波長を分離し、それぞれの波長におけるピーク強度から各元素のモル比を算出する。
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、あるいは、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の散乱因子となる。すなわち、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の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線２の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
一方で、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、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総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の主構成は、トポロジカル絶縁体でもよい。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。この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,（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。
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以外の構成要素を有していてもよい。例えば、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。また第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２との間に、他の層を有してもよい。第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２との間の他の層の厚みは、他の層を構成する材料のスピン拡散長以下であることが好ましい。
上述のように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０は希ガス元素を含むため、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化Ｍ１に効率的に与えることができる。すなわち、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させるために必要な反転電流密度を低減することができる。
＜製造方法＞
スピン流磁化反転素子１０の製造方法の一例について説明する。まず基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線の基となる層を積層する。積層方法は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の方法を用いることができる。
次いで、スピン軌道トルク配線の基となる層に対して、希ガス元素を打ち込む。希ガス元素は、例えば、逆スパッタリング法を用いて打ち込むことができる。逆スパッタリング法は、通常ターゲット側に打ち込むイオンを、電位を逆にして被成膜体側に打ち込む方法である。
次いで、希ガス元素を含むスピン軌道トルク配線の基となる層を、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、スピン軌道トルク配線に加工する。そして、スピン軌道トルク配線の周囲を囲むように、絶縁層を被覆する。絶縁層には、酸化膜、窒化膜等を用いることができる。
次いで、絶縁層とスピン軌道トルク配線の表面を、ＣＭＰ研磨（chemical mechanical polishing）により平坦化する。そして、平坦化された表面に第１強磁性層の基となる層を積層する。最後に、フォトリソグラフィー等の技術を用い、第１強磁性層の基となる層を加工することで、スピン流磁化反転素子が得られる。
「第２実施形態」
図２は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１の断面模式図である。第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１は、スピン軌道トルク配線２がｚ方向に積層された複数の層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄからなる点が、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実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０と同一であり、同一の構成には同一の符号を付す。
図２に示すスピン軌道トルク配線２は、ｚ方向に複数の層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを有する。図２では、ｚ方向に４層として図示しているが、積層する層数はこれより少なくても多くてもよい。複数の層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの界面には、界面ラシュバ効果によりスピン蓄積（上向きスピン又は下向きスピンの一方が多く存在している状態）が生じる。また層２Ａ、２Ｄの表面にも、界面ラシュバ効果によりスピン蓄積が生じる。スピン蓄積は純スピン流を生じさせる。
界面ラシュバ効果の詳細なメカニズムについては明らかでないが、以下のように考えられる。異種材料間の界面（複数の層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの界面、及び、層２Ａ，２Ｄの表面を含む）においては、空間反転対称性が破れていて、面直方向にポテンシャル勾配が存在しているとみなされる。このような面直方向にポテンシャル勾配がある界面に沿って電流が流れる場合、つまり電子が２次元の面内を運動する場合、電子の運動方向と垂直且つ面内の方向において有効磁場がスピンに作用して、その有効磁場の方向にスピンの向きが揃う。これにより、界面にスピン蓄積が形成される。そして、このスピン蓄積は、面外に拡散するスピン流を生じさせる。
スピン軌道トルク配線２を構成する各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、同一組成でも異なる組成でもよい。また希ガス濃度は、各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄで同一でも異なっていてもよい。以下、希ガス濃度の高い部分が異なるいくつかの例について具体的に説明する。
第１の例は、スピン軌道トルク配線２を構成する各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤ及び表面２Ａ１、２Ｄ１の希ガス濃度が高い場合である。界面ラシュバ効果は、各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤ及び表面２Ａ１、２Ｄ１で生じるため、界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤ及び表面２Ａ１、２Ｄ１の希ガス濃度が高いとその効果を大きく発現できる。界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤ及び表面２Ａ１、２Ｄ１は、すべての面の希ガス濃度がその他の部分より高い必要はない。界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤ及び表面２Ａ１、２Ｄ１のうちいずれかの面における希ガス濃度がその他の部分より高ければ、界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤ又は表面２Ａ１、２Ｄ１の希ガス濃度がその他の部分より高くない場合より、界面ラシュバ効果を大きく発現できる。また界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤ及び表面２Ａ１、２Ｄ１の希ガス濃度は、各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを積層する毎に希ガス元素を打ち込むことで高くできる。
第１の例の場合、少なくとも界面２ＡＢ，２ＢＣ，２ＣＤのうち最も第１強磁性層１側の界面（第１界面）２ＣＤと第１強磁性層１とのｚ方向の距離は、第１強磁性層１と界面（第１界面）２ＣＤとの間を構成する材料のスピン拡散長よりも短いことが好ましい。当該構成とすることで、界面（第１界面）２ＣＤで発生したスピン流を効率的に第１強磁性層１に到達させることができる。
また第２の例は、各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのうち希ガス元素を最も高濃度に含む高濃度層（例えば層２Ｃ）と第１強磁性層１との間に、別の層２Ｄを有する場合である。各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの希ガス元素の濃度差は、希ガス元素を打ち込む時間、強度、温度を調整することで自由に設定できる。
高濃度に希ガス元素を含む層２Ｃは、結晶構造が歪んでいる可能性が高い。層２Ｃと第１強磁性層１との間に、結晶構造の歪みの少ない別の層２Ｄを設けると、層２Ｄが第１強磁性層１と高濃度に希ガス元素を含む層２Ｃとの間の格子不整合を緩和する。層２Ｃと第１強磁性層１との間に層２Ｄを設けることで、第１強磁性層１の結晶性を高め、第１強磁性層１の磁気特性を高めることができる。
第２の例の場合、高濃度に希ガス元素を含む層２Ｃと第１強磁性層１とのｚ方向の距離は、第１強磁性層１と層２Ｃとの間を構成する層２Ｄのスピン拡散長よりも短いことが好ましい。当該構成とすることで、層２Ｃで発生したスピン流を効率的に第１強磁性層１に到達させることができる。
また第２の例の場合、図２に示すように、高濃度に希ガス元素を含む層２Ｃの第１強磁性層１と反対側に、別の層２Ａ、２Ｂを有することが好ましい。スピン軌道トルク配線２は、一般に基板上に積層される。高濃度に希ガス元素を含む層２Ｃは結晶構造が歪んでいる可能性が高く、基板と格子不整合が生じる場合がある。この場合、基板とスピン軌道トルク配線２との密着性が低下する。高濃度に希ガス元素を含む層２Ｃと基板との間に別の層２Ａ、２Ｂを設けると、格子不整合を緩和でき、基板との密着性を高めることができる。
また第３の例は、各層２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのうち希ガス元素を最も高濃度に含む高濃度層（層２Ｄ）が第１強磁性層１に最も近い位置にある場合である。高濃度に希ガス元素を含む層２Ｄは、スピン流の発生効率が高い。そのため、この層２Ｄを第１強磁性層１と最も近い位置に設けることで、多くのスピンを効率的に第１強磁性層１に注入できる。
上述の第１の例から第３の例は、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の一例であり、これらの例を組み合わせてもよい。
上述のように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１によれば、界面ラシュバ効果によりスピン流を多く生み出すことができる。そのため、多くのスピンを第１強磁性層１に注入することができ、少ない電流密度でも第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させることができる。また高濃度に希ガス元素を含む部分の位置を変えることで、求められる性能に応じたスピン流磁化反転素子を得ることができる。
「第３実施形態」
図３は、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１２の断面模式図である。第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１２は、スピン軌道トルク配線２がｚ方向に積層された複数の層２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈからなり、各層２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈのスピン抵抗が制御されている点が、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実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０と同一であり、同一の構成には同一の符号を付す。
第３実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２は、複数の層２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈのうち任意の２層において、第１強磁性層１側に位置する第１層のスピン抵抗が、第１強磁性層１から離れた位置の第２層のスピン抵抗より小さい。すなわち、層２Ｈ、層２Ｇ、層２Ｆ、層２Ｅの順にスピン抵抗が低い。なお図３では、ｚ方向に４層として図示しているが、積層する層数はこれより少なくても多くてもよい。
スピン抵抗は、スピン流の流れやすさ（スピン緩和のし難さ）を定量的に示す量である。スピン抵抗Ｒｓは以下の式（１）で定義される。式（１）において、λは材料のスピン拡散長、ρは材料の電気抵抗率、Ａは材料の断面積である。非磁性体では、断面積Ａが等しい場合、式（１）のうち、スピン抵抗率であるρλの値によってスピン抵抗の大きさが決まる。
Figure 2019047120
スピン抵抗が異なる物質の界面では、スピン流の反射（戻り）が生じる。すなわちスピン抵抗の小さい材料からスピン抵抗の大きい材料へはスピン流の一部しか注入されない。上述のように、第３実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２は、層２Ｈ、層２Ｇ、層２Ｆ、層２Ｅの順にスピン抵抗が低い。そのため、各層２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈで発生したスピン流が反射されることなく、効率的に第１強磁性層１に伝えることができる。
「第４実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図４は、第４実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０の断面を模式的に示した図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０は、スピン流磁化反転素子１０と、非磁性層５と、第２強磁性層６とを備える。図４では、スピン流磁化反転素子として、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０を用いたが、第２実施形態及び第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１１，１２を用いてもよい。第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同等の構成については、説明を省く。
第１強磁性層１と非磁性層５と第２強磁性層６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６の磁化Ｍ６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６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６の磁化Ｍ６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５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６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６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６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６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６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６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６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５には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層５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、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５が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
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５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６の非磁性層５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。
第４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、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層６の磁化Ｍ６の相対角の違いにより生じる機能部の抵抗値変化を用いてデータの記録、読出しを行うことができる。第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０においても、スピン軌道トルク配線２において効率的に純スピン流を生み出すことができるため、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させるために必要な反転電流密度を低減することができる。
「第５実施形態」
＜磁気メモリ＞
図５は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０（図４参照）を備える磁気メモリ３０の平面図である。図４は、図５におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０を切断した断面図に対応する。図５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２０が３×３のマトリックス配置をしている。図５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２０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２０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２０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２０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２０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。
「第６実施形態」
＜高周波磁気素子＞
図６は、第６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６に示す高周波磁気素子４０は、図４に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０と、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０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電極４４を介して印加することで、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。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
（実施例１）
実施例１として、スピン軌道トルク配線がＡｒ元素を含むスピン流磁化反転素子を作製した。まずルテニウム（Ｒｕ）とタンタル（Ｔａ）を含むターゲットを準備し、このターゲットを用いて基板上にスピン軌道トルク配線の基となる層を５ｎｍ積層した。
次いで、ターゲットと被成膜体の電位を逆にし、被成膜体にＡｒイオンを打ち込んだ（逆スパッタした）。この際の印加電圧とＡｒ流量の条件は、（８０Ｗ、４０ｓｃｃｍ）、（１００Ｗ、６０ｓｃｃｍ）、（１００Ｗ、８０ｓｃｃｍ）、（１２０Ｗ、１００ｓｃｃｍ）、（１２０Ｗ、１５０ｓｃｃｍ）とした。Ａｒイオンの打ち込みによるミリングレートを１０ｎｍ／ｈ以下とし、各条件と打ち込み時間を１０秒から６００秒の間で調整することでＡｒイオンの打ち込み量を調整した。
そしてＡｒイオンを打ち込んだ後の層の組成を、ＥＤＳを用いて分析した。図７は、その結果を示す。そして図７に示すスペクトルのピーク強度から各元素のモル比を求めた。その結果、スピン軌道トルク配線の基となる層の組成は、Ａｒが１．６０ａｔ％（誤差±０．０７ａｔ％）、Ｒｕが９４．２１ａｔ％（誤差±１．２０ａｔ％）、Ｔａが４．１９ａｔ％（誤差±０．１０ａｔ％）であった。
ついで、このスピン軌道トルク配線の基となる層をスピン軌道トルク配線の形状にフォトリソグラフィーにより加工した。そして周囲をＳｉＮｘで被覆し、表面をＣＭＰ研磨した後、第１強磁性層を積層した。
そして第１強磁性層の磁化を反転するのに必要な反転電流密度を求めた。また同様の実験をＡｒのモル比を変えながら行い、その結果を図８に示す。図８において横軸は希ガス元素のモル比であり、縦軸は希ガス元素を含まない場合を１として規格化した反転電流密度である。
（実施例２）
実施例２では、希ガス元素をＫｒ元素に変えた点のみが実施例１と異なる。図９は、実施例２のスピン軌道トルク配線の組成を、ＥＤＳを用いて分析した結果である。スピン軌道トルク配線の組成は、Ｋｒが０．３７ａｔ％（誤差±０．０６ａｔ％）、Ｒｕが９５．７９ａｔ％（誤差±１．２０ａｔ％）、Ｔａが３．８５ａｔ％（誤差±０．１０ａｔ％）であった。また実施例２においても、Ｋｒのモル比を変えながら、第１強磁性層の磁化を反転するのに必要な反転電流密度を求めた。その結果を図８に示す。
（実施例３）
実施例３では、希ガス元素をＸｅ元素に変えた点のみが実施例１と異なる。そして実施例３においても、Ｘｅのモル比を変えながら、第１強磁性層の磁化を反転するのに必要な反転電流密度を求めた。その結果を図８に示す。
図８に示すように、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのいずれにおいても、希ガス元素が添加されることで第１強磁性層の反転電流密度が低減した。
１：第１強磁性層
２：スピン軌道トルク配線
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈ：層
２ＡＢ、２ＢＣ、２ＣＤ：界面
２Ａ１、２Ｄ１：表面
５：非磁性層
６：第２強磁性層
１０、１１、１２：スピン流磁化反転素子
２０：スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３０：磁気メモリ
４０：高周波磁気素子
４１：直流電源
４２：入力端子
４３：出力端子
４４：電極
Ｍ１、Ｍ６：磁化

Claims (12)

  1. 第１方向に延在するスピン軌道トルク配線と、
    前記第１方向と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、
    前記スピン軌道トルク配線が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含む、スピン流磁化反転素子。
  2. 前記希ガス元素のモル比が、前記スピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比の０．００５％以上２．００％以下である、請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
  3. 前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、
    前記複数の層の界面及び表面のうちいずれかの面において前記希ガス元素の濃度が最も高い、請求項１又は２に記載のスピン流磁化反転素子。
  4. 前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、
    前記複数の層の界面のうち最も第１強磁性層側の第１界面における前記希ガス元素の濃度は、前記スピン軌道トルク配線において前記第１界面より前記第１強磁性層に近い部分における前記希ガス元素の濃度より高く、
    前記第２方向において、前記第１界面と前記第１強磁性層との距離が、前記第１強磁性層と前記第１界面との間を構成する材料のスピン拡散長よりも短い、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。
  5. 前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、
    前記複数の層のうち前記希ガス元素を最も高濃度に含む高濃度層と前記第１強磁性層との間に、前記スピン軌道トルク配線を構成する別の層を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
  6. 前記第２方向において、前記第１強磁性層と前記高濃度層との距離が、前記第１強磁性層と前記高濃度層との間を構成する材料のスピン拡散長よりも短い、請求項５に記載のスピン流磁化反転素子。
  7. 前記高濃度層の前記第１強磁性層と反対側に、前記スピン軌道トルク配線を構成する別の層を有する、請求項５又は６に記載のスピン流磁化反転素子。
  8. 前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、
    前記複数の層のうち前記希ガス元素を最も高濃度に含む高濃度層が、前記第１強磁性層に最も近い位置にある、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
  9. 前記スピン軌道トルク配線が前記第２方向に積層された複数の層からなり、
    前記複数の層のうち任意の２層において、前記第１強磁性層側に位置する第１層のスピン抵抗は、前記第１強磁性層から離れた位置の第２層のスピン抵抗より小さい、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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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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