特許 6607302 スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6607302

(24)【登録日】2019年11月1日

(45)【発行日】2019年11月20日

(54)【発明の名称】スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20191111BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20191111BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20191111BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20191111BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20191111BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/82 Z

   H01L27/105 447

   H01L43/08 Z

   H01L43/10

【請求項の数】19

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2018-229407(P2018-229407)

(22)【出願日】2018年12月6日

(62)【分割の表示】特願2018-546064(P2018-546064)の分割

【原出願日】2018年1月26日

(65)【公開番号】特開2019-68086(P2019-68086A)

(43)【公開日】2019年4月25日

【審査請求日】2018年12月6日

(31)【優先権主張番号】特願2017-34757(P2017-34757)

(32)【優先日】2017年2月27日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100169694

【弁理士】

【氏名又は名称】荻野 彰広

(72)【発明者】

【氏名】塩川 陽平

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 智生

【審査官】 上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−４５１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１５９０１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／０２１４６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／１７４２４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１１５５１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１３−５３６５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−８６４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 YANG, Tim et al.，Layer thickness dependence of spin orbit torques and fields in Pt/Co/AlO trilayer structures，Japanese Journal of Applied Physics，２０１５年 ３月 ５日，Vol. 54，pp. 04DM05-1−04DM05-6，<DOI: http://dx.doi.org/10.7567/JJAP.54.04DM05>

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９，２７／１０５，

２９／８２，４３／０８，４３／１０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、
前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、その一面上に前記第１強磁性金属層が位置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強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第１方向に交互に積層された構造であり、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第１強磁性金属層に最近接し、
前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の２倍以下であることを特徴とするスピン流磁化回転素子。

【請求項2】

磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、
前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、その一面上に前記第１強磁性金属層が位置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強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第１方向に交互に積層された構造であり、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第１強磁性金属層に最近接し、
前記界面スピン生成層のうち、前記第１強磁性金属層に最も近い位置にある前記界面スピン生成層の厚さが、他の前記界面スピン生成層の厚さより薄いことを特徴とするスピン流磁化回転素子。

【請求項3】

磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、
前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、その一面上に前記第１強磁性金属層が位置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強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第１方向に交互に積層された構造であり、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第１強磁性金属層に最近接し、
前記スピン伝導層が、前記界面スピン生成層を挟んで異なる材料で構成されており、
前記第１強磁性金属層に近い前記スピン伝導層のスピン抵抗率が、前記第１強磁性金属層から遠い前記スピン伝導層のスピン抵抗率より小さいことを特徴とするスピン流磁化回転素子。

【請求項4】

磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、
前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、その一面上に前記第１強磁性金属層が位置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強磁性金属層と反対側の位置に下地層と、を備え、
前記下地層は酸化物または金属を有し、
前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第１方向に交互に積層された構造である共に、前記界面スピン生成層を２層以上含み、
前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第１強磁性金属層に最近接することを特徴とするスピン流磁化回転素子。

【請求項5】

前記酸化物は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項6】

前記金属は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項7】

前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の２倍以下であることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項8】

前記スピン軌道トルク配線が、前記界面スピン生成層を２層以上含むことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項9】

前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の２倍以下であることを特徴とする請求項８に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項10】

前記界面スピン生成層のうち、前記第１強磁性金属層に最も近い位置にある前記界面スピン生成層の厚さが、他の前記界面スピン生成層の厚さより薄いことを特徴とする請求項３に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項11】

前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の２倍以下であることを特徴とする請求項１０に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項12】

前記スピン軌道トルク配線が、前記界面スピン生成層を２層以上含むことを特徴とする請求項１０に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項13】

前記界面スピン生成層の厚さが前記界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の２倍以下であることを特徴とする請求項１２に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項14】

前記スピン伝導層がＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、ＧａＡｓ、及びＧｅのうち少なくともいずれか一種の元素を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項15】

前記界面スピン生成層がＭｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、又はＢｉのいずれかの元素を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項16】

前記スピン伝導層の厚さが、前記スピン伝導層の有するスピン拡散長以下の厚さであることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項17】

前記スピン軌道トルク配線の厚さが、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子。

【請求項18】

請求項１から１７のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転素子と、
磁化の向きが固定されている第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性体層とを備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。

【請求項19】

請求項１８に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えていることを特徴とする磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スピン流磁化回転素子、特にスピン流磁化反転素子に関し、また、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリにも関する。

【背景技術】

【0002】

強磁性層と非磁性層との多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子及び非磁性層として絶縁層（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いものの、磁気抵抗（ＭＲ）比はＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。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磁気抵抗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。

【0003】

ＭＲＡＭでは、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、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。

【0004】

そこで近年、ＳＴＴとは異なったメカニズムで反転電流を低減する手段としてスピンホール効果により生成された純スピン流を利用した磁化反転方式に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。スピンホール効果によって生じた純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴにより磁化反転を起こす。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、反転電流密度の小さな磁気抵抗効果素子の実現が期待されている。

【0005】

非特許文献２によると、ＳＯＴ方式による反転電流密度はＳＴＴ方式による反転電流密度と同程度であると報告されている。しかしながら、現在ＳＯＴ方式で報告されている反転電流密度は、高集積化や低消費エネルギー化を実現するためには不十分であり、改善の余地がある。

【0006】

また、ＳＯＴ方式の磁気抵抗効果素子のスピン軌道トルク配線（ＳＯＴを誘起して純スピン流を生じさせる配線）に用いられている材料として、非特許文献２で用いられているようなＴａをはじめとする重金属材料が挙げられる。こうした重金属材料は電気抵抗率が高いため、薄膜や細線にした場合、消費電力が高いことも問題となる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】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）．

【非特許文献2】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ， Ｔ．Ａｎｅｋａｗａ， Ｃ．Ｚｈａｎｇ，ａｎｄ Ｈ．Ｏｈｎｏ， Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＮＡＮＯ．２０１６．２９．

【非特許文献3】Ｊ．Ｓｉｎｏｖａ， Ｓ．Ｏ．Ｖａｌｅｎｚｕｅｌａ， Ｊ．Ｗｕｎｄｅｒｌｉｃｈ， Ｃ．Ｈ．Ｂａｃｋ， Ｔ．Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈ， Ｒｅｖｉｅｗｓ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｈｙｓｉｃ， ８７， １２１３ （２０１５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、従来技術よりもＳＯＴ方式による磁化回転又は磁化反転の電流密度を低減し、更には消費電力も低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、ＳＯＴを発現させる原因として考えられている種々の原理のうち、異種材料の界面において生じる界面ラシュバ効果に特に着目し、界面ラシュバ効果を効率的に利用するために界面数を増やすと共に、低抵抗の材料を用いる構成を着想するに至った。
そこで、本発明は、上記問題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0010】

（１）本発明の一態様に係るスピン流磁化回転素子は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、その一面上に前記第１強磁性金属層が位置するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が前記第１方向に交互に積層された構造であり、前記スピン軌道トルク配線において、前記スピン伝導層のうち一つが前記第１強磁性金属層に最近接する。また、本発明の一態様に係るスピン流磁化回転素子は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層と、第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、第１強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、スピン軌道トルク配線は、スピン伝導層と界面スピン生成層が第１方向に交互に積層された構造であり、スピン伝導層のうち一つが第１強磁性金属層と接合されてもよい。

【0011】

（２）上記（１）に係るスピン流磁化回転素子において、界面スピン生成層の厚さが界面スピン生成層を構成する原子の原子半径の２倍以下であってもよい。

【0012】

（３）上記（１）又は（２）に係るスピン流磁化回転素子において、スピン伝導層はＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、ＧａＡｓ、Ｇｅの少なくともいずれか一種の元素を含む材料から構成されてもよい。

【0013】

（４）上記（１）から（３）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転素子において、界面スピン生成層はＭｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、又はＢｉのいずれかの元素を含む材料から構成されてもよい。

【0014】

（５）上記（１）から（４）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転素子において、スピン伝導層の厚さは、スピン伝導層の有するスピン拡散長以下の厚さであってもよい。

【0015】

（６）上記（１）から（５）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転素子において、スピン軌道トルク配線は、界面スピン生成層を２層以上含んでもよい。

【0016】

（７）上記（１）から（６）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転素子において、界面スピン生成層のうち、第１強磁性金属層に最も近い位置にある界面スピン生成層の厚さは、他の界面スピン生成層の厚さより薄くてもよい。

【0017】

（８）上記（１）から（７）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転素子において、スピン伝導層は、界面スピン生成層を挟んで異なる材料で構成されており、第１強磁性金属層に近いスピン伝導層のスピン抵抗率が、第１強磁性金属層から遠いスピン伝導層のスピン抵抗率より小さくてもよい。

【0018】

（９）上記（１）から（８）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転素子において、スピン軌道トルク配線の厚さが２０ｎｍ以下であってもよい。

【0019】

（１０）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（９）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転素子と、磁化の向きが固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性体層とを備える。

【0020】

（１１）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（１０）に係る磁気抵抗効果素子を複数備える。

【発明の効果】

【0021】

本発明のスピン流磁化回転素子によれば、界面ラシュバ効果を効率的に用いて純スピン流による磁化回転を生じさせるスピン流磁化回転素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】（ａ）本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子を説明するための模式図であり、スピン流磁化回転素子の平面図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子を説明するための模式図であり、（ａ）のスピン流磁化回転素子の断面図である。

【図2】（ａ）本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化回転素子を説明するための模式図であり、スピン流磁化回転素子の平面図である。（ｂ）本発明の他の実施形態に係るスピン流磁化回転素子を説明するための模式図であり、（ａ）のスピン流磁化回転素子の断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明について、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、本発明の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。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。

【0024】

（スピン流磁化回転素子）
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子の一例の模式図を示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。

【0025】

図１（ａ）、（ｂ）に示すスピン流磁化回転素子１０は、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１と、第１強磁性金属層の面直方向である第１方向に対して交差する第２の方向に延在し、第１強磁性金属層１に接合されるスピン軌道トルク配線２と、を備え、スピン軌道トルク配線２は、スピン伝導層３と界面スピン生成層４が第１方向に交互に積層された構造であり、スピン伝導層３のうち一つが第１強磁性金属層と接合される。

【0026】

以下、第１強磁性金属層１の面直方向もしくは第１強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２とが積層する方向（第１方向）をｚ方向、ｚ方向と垂直でスピン軌道トルク配線２と平行な方向（第２方向）をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向と直交する方向（第３方向）をｙ方向とする。なお、第１強磁性金属層１におけるスピン軌道トルク配線２と接合される面、又はスピン軌道トルク配線２と対向する面に垂直な方向を第１強磁性金属層１の面直方向とする。また、ｚ方向（第１方向）のうち、スピン軌道トルク配線２から第１強磁性金属層１に向かう方向をｚ方向上方といい、第１強磁性金属層１からスピン軌道トルク配線２に向かう方向をｚ方向下方という。

【0027】

図１（ａ）、（ｂ）を含めて以下では、スピン軌道トルク配線２が第１強磁性金属層１の面直方向である第１方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、第１方向に対して直交する方向に延在する構成について説明する。

【0028】

本実施形態のスピン流磁化回転素子１０すなわち、純スピン流によるＳＯＴ効果で強磁性金属層の磁化回転を行う素子は、純スピン流によるＳＯＴのみで強磁性金属層の磁化反転を行う磁気抵抗効果素子において用いることができ、この場合、特にスピン流磁化反転素子と言える。一方、本実施形態のスピン流磁化回転素子は、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において強磁性金属層の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできる。

【0029】

＜第１強磁性金属層＞
第１強磁性金属層１は、磁化方向が変化するように公知の強磁性材料を含む。第１強磁性金属層１の更なる詳細については、下記の磁気抵抗効果素子の応用における第１強磁性金属層１０１に関連して説明する。

【0030】

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２は、電流が流れると純スピン流が生成され、スピン軌道トルクを誘起するように構成される。本実施形態のスピン軌道トルク配線２は、スピン伝導層３と界面スピン生成層４とが第１方向に交互に積層された構造を有する。

【0031】

スピン伝導層３と界面スピン生成層４との間の界面には、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。スピン蓄積は純スピン流を生じさせる。

【0032】

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。異種材料間の界面においては、空間反転対称性が破れていて、面直方向（界面に垂直な方向）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、面外に拡散する純スピン流を生じさせる。

【0033】

図１（ａ）、（ｂ）において、スピン軌道トルク配線２の上面に強磁性体である第１強磁性金属層１を接触させると、界面で生じた純スピン流は、スピン軌道トルク配線２内を拡散して伝わり、遂には第１強磁性金属層１に到達し、第１強磁性金属層１中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性金属層１にスピンが注入される。

【0034】

本実施形態のスピン流磁化回転素子１０では、このようにスピン軌道トルク配線２に電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流がスピン軌道トルク配線２に接する第１強磁性金属層１に拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果によって第１強磁性金属層１の磁化回転が起きる。ＳＯＴ効果が十分に大きければ、第１強磁性金属層１の磁化は反転される。この場合、上記のように、本実施形態のスピン流磁化回転素子を、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。

【0035】

（スピン伝導層）
スピン伝導層３は、電気抵抗を下げるために電気抵抗率が小さく、且つ、スピン流を第１強磁性金属層１まで伝導するためにスピン拡散長（スピン蓄積が消失する距離）の長い材料から構成される。例えば、スピン伝導層３を構成する材料として、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、ＧａＡｓ、Ｇｅの少なくとも一種の元素を含む材料が挙げられる。スピン伝導層３の材料は、単体として用いてもよく、合金、化合物等として組み合わせて用いてもよい。

【0036】

スピン伝導層３の厚さは、好ましくは、そのスピン伝導層３の有するスピン拡散長以下の厚さにされる。これによって、スピン情報を失わずに、第１強磁性金属層１までスピン流を伝えることができる。スピン拡散長は特に用いられる材料に依存する。例えば、単体のＣｕ、Ａｇのスピン拡散長は、室温において１００ｎｍ以上に達することが知られている。非特許文献３を参照すると、単体のＣｕ結晶のスピン拡散長は室温で５００μｍにも達し、単体のＡｇ結晶のスピン拡散長は室温において７００μｍにも達すると報告されている。従って、スピン伝導層３の厚さを、十分にスピン拡散長以下に設定することができる。尚、非特許文献３に記載されているように、各種材料のスピン拡散長は当業者には既知であるか、推定可能なものであり、当業者であれば、本願の開示に基づき、各種材料を用いる場合において、スピン伝導層の厚さをスピン拡散長以下に設定することができる点に留意されたい。

【0037】

（界面スピン生成層）
界面スピン生成層４は、大きなスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を生じさせる材料から構成される。このような材料としては、非磁性の重金属、例えば、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔａ，Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、及びＢｉのうち少なくとも一種の元素を含む材料が挙げられ、界面スピン生成層４の材料は、単体として用いてもよく、合金、化合物等として組み合わせて用いてもよい。

【0038】

界面スピン生成層４を構成する材料（重金属）は、スピン伝導層３を構成する材料（配線材料）よりもスピン拡散長が短い。従って、界面スピン生成層４の厚さは、スピン流がスピン情報を失わずに界面スピン生成層４を通り抜けて第１強磁性金属層１に到達するために薄くされる。

【0039】

特に、界面スピン生成層４の厚さは、その界面スピン生成層４を構成する原子の原子半径の２倍以下の厚さにされる。ここで、原子半径とは、当業者に一般的に認識されているように、単体の結晶中での最小原子間距離の半分のことを意味する。

【0040】

そうすると、原子半径の２倍以下の厚さとは、原子半径のちょうど２倍の厚さに対応する単原子層の厚さの場合と、単原子層の厚さよりも薄い厚さの場合とを含む。ここで、単原子層の厚さよりも薄い厚さとは、その層には欠陥があり、つまりは穴が開いており、層全体の平均厚さとしては原子半径の２倍よりも薄くなるということを意味する。このような穴が開いた界面スピン生成層４では、穴を介してスピン流が伝導し易くなり、且つ、発生し易くなる。言い換えると、界面スピン生成層４は、完全な層を構成していなくてもよく、スピン伝導層３内に含まれる層、例えばスピン伝導層３内にドープされた層となり得る。このような極薄の界面スピン生成層４の場合、界面スピン生成層４は、上記元素単体からなる。

【0041】

純スピン流が界面スピン生成層４を通り抜けるようにするためには、界面スピン生成層４の厚さを薄くした構造だけではなく、他の構造も考えられる。例えば、界面スピン生成層４の代替構造として、細線（ストリップ）を並べた構造や、メッシュ状の構造や、機械的に穿孔をあけた構造が考えられる。このような構造においても、純スピン流が界面スピン生成層４を効果的に通り抜けることができる。特に、界面スピン生成層４に機械的に穿孔をあける場合には、穿孔の位置分布を制御することができ、つまりは、界面スピン生成層４を通り抜けるスピン流の流れを制御することができるので好ましい。

【0042】

図１（ａ）、（ｂ）では、３層のスピン伝導層３と２層の界面スピン生成層４とを交互に積層することによって、５層構造（図面下から順に、スピン伝導層３、界面スピン生成層４、スピン伝導層３、界面スピン生成層４、スピン伝導層３）を形成しており、第１方向（ｚ方向）において最上層に位置するスピン伝導層３が第１強磁性金属層１に接合している。このような５層構造、又はこれ以上の層数の構造（例えば７層構造）においては、界面スピン生成層４が２層以上存在しており、界面数を効果的に増やし、スピン蓄積、つまりはスピン流を増大させているため、少ない電流で磁化回転（磁化反転）を実現することができる。

【0043】

しかしながら、本発明は上記のような５層構造に限られるものではなく、最上層に位置するスピン伝導層３のうち一つ（第１方向（ｚ方向）において最上層に位置するスピン伝導層３）が第１強磁性金属層１に接合されている限りにおいて、交互に積層されるスピン伝導層３の数と界面スピン生成層４の数とは変更可能である。すなわち、スピン軌道トルク配線２は、少なくとも一つのスピン伝導層３と、少なくとも一つの界面スピン生成層４とを備え、スピン伝導層３のうち一つが第１強磁性金属層１に接合されていれば（又は最近接していれば）良い。例えば、図２Ａ、２Ｂに示す本発明の他の実施形態では、二つのスピン伝導層３と一つの界面スピン生成層４とを交互に積層することによって、３層構造（図面下から順に、スピン伝導層３、界面スピン生成層４、スピン伝導層３）を形成している。そして、スピン伝導層３の一方（第１方向（ｚ方向）において最上層に位置するスピン伝導層３）が第１強磁性金属層１に接合される。

【0044】

また、スピン伝導層３と界面スピン生成層４の積層構造において、複数のスピン伝導層３が全て同じ厚さを有さなくてもよく、同様に、複数の界面スピン生成層４が全て同じ厚さを有さなくてもよい。言い換えると、複数のスピン伝導層３が異なる厚さを有してもよく、複数の界面スピン生成層４が異なる厚さを有してもよい。例えば、界面スピン生成層４が複数存在している場合、第１強磁性金属層１に最も近い位置にある界面スピン生成層４（つまり、複数の界面スピン生成層４のうち、第１方向（ｚ方向）において最上部に位置する界面スピン生成層４）の厚さを、他の界面スピン生成層４の厚さよりも薄くすることが好ましい構成となり得る。ここで、複数の界面スピン生成層４の厚さが全て原子半径の２倍以下という場合において、一つの界面スピン生成層４の厚さが他の界面スピン生成層４の厚さよりも薄いとは、一つの界面スピン生成層４がより多くの欠陥（穴）を有することを意味する。これによって、下層に位置する他の界面スピン生成層４とスピン伝導層３との界面において生じた純スピン流が、最上層に位置する界面スピン生成層４を通り抜けて、その上のスピン伝導層３を伝導し、第１強磁性金属層１にまで到達することが促進される。

【0045】

更に、複数のスピン伝導層３が全て同じ材料から構成されなくてもよく、同様に、複数の界面スピン生成層４が全て同じ材料から構成されなくてもよい。言い換えると、複数のスピン伝導層３が異なる材料で構成されてもよく、複数の界面スピン生成層４が異なる材料で構成されてもよい。例えば、一つの界面スピン生成層４を挟む二つのスピン伝導層３を異なる材料で構成することができる。この場合、第１強磁性金属層１に近い方のスピン伝導層３（第１方向（ｚ方向）に沿って上方に位置するスピン伝導層）のスピン抵抗率（スピン流の流れ難さ）を、第１強磁性金属層１に遠い方のスピン伝導層３（第１方向（ｚ方向）に沿って下方に位置するスピン伝導層）のスピン抵抗率よりも小さくするように材料を選択する。例えば、ＣｕはＡｇよりも高いスピン抵抗率を有するため、第１強磁性金属層１に近い方のスピン伝導層３をＡｇで構成し、第１強磁性金属層１に遠い方のスピン伝導層３をＣｕで構成する。これによって、下方に位置するスピン伝導層３と界面スピン生成層４との界面で生じた純スピン流が、スピン抵抗率の高い材料によって反射されて、上方の第１強磁性金属層１に向かう。

【0046】

好ましくは、各スピン伝導層３の厚さ及び各界面スピン生成層４の厚さは、これらの層の積層体であるスピン軌道トルク配線２の厚さが２０ｎｍ以下になるように設定される。スピン軌道トルク配線２の厚さが２０ｎｍを超えて厚くなり過ぎると、スピン軌道トルク配線２とその上に積層される第１強磁性金属層１との間の界面ラフネスが大きくなるため、磁気抵抗効果が安定しなくなる可能性がある。スピン軌道トルク配線２の厚さは１ｎｍ以上が好ましく、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下がより好ましいが、これに限定されない。

【0047】

スピン流磁化回転素子１０は、スピン軌道トルク配線２の第１強磁性金属層１に接合する面の反対側の面に接合する絶縁層を、さらに備えることができる。この構成では、磁気抵抗効果素子やその他の用途に適用する場合に、スピン軌道トルク配線２に流す電流が第１強磁性金属層１に接合する面の反対側の面から漏れることが防止され、より電流集中効果を高めることができる。

【0048】

上述した実施形態ではスピン軌道トルク配線は、第１強磁性金属層に直接接続された場合を説明したが、後述のように、第１強磁性金属層とスピン軌道トルク配線との間に、キャップ層のような他の層を介在させてもよい。すなわち、スピン軌道トルク配線の一面上に第１強磁性金属層が位置し、スピン軌道トルク配線において、スピン伝導層のうち一つが第１強磁性金属層に最近接する構成としてもよい。キャップ層の更なる詳細については、下記の磁気抵抗効果素子の応用におけるキャップ層１０４に関連して説明する。

【0049】

本実施形態のスピン流磁化回転素子は後述するように磁気抵抗効果素子に適用することができる。用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、上記のスピン流磁化回転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができるし、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印加する磁場をＳＯＴに置き換えてもよい。

【0050】

（磁気抵抗効果素子）
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、本発明の上記実施形態に係るスピン流磁化回転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える。

【0051】

図３は、本発明のスピン流磁化回転素子の応用例であり、また、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。なお、図３においては、本発明のスピン流磁化回転素子の特徴部分は図示を省略している。

【0052】

図３に示す磁気抵抗効果素子１００は、本発明の上記実施形態に係るスピン流磁化回転素子（第１強磁性金属層１０１と、スピン軌道トルク配線１２０）と、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、第１強磁性金属層１０１及び第２強磁性金属層１０３に挟持された非磁性層１０２とを有する。第１強磁性金属層１０１は上記第１強磁性金属層１と同じ構成を有し、スピン軌道トルク配線１２０は上記スピン軌道トルク配線２と同じ構成を有する。また、図３に示す磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部１０５（第１強磁性金属層１０１、非磁性層１０２、及び第２強磁性金属層１０３）とスピン軌道トルク配線１２０とを有するということもできる。

【0053】

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線１２０を備えることで、純スピン流によるＳＯＴのみで磁気抵抗効果素子の磁化反転を行う構成（以下、「ＳＯＴのみ」構成ということがある）とすることもできるし、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において純スピン流によるＳＯＴを併用する構成とすることもできる。

【0054】

図３を含めて以下では、スピン軌道トルク配線１２０が磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、直交する方向に延在する構成の場合について説明する。
図３においては、磁気抵抗効果素子１００の積層方向に電流を流すための配線１３０と、その配線１３０を形成する基板１１０も示している。また、磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性金属層１０１とスピン軌道トルク配線１２０との間にキャップ層１０４を備える。

【0055】

＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部１０５は、磁化方向が固定された第２強磁性金属層１０３と、磁化方向が変化する第１強磁性金属層１０１と、第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１に挟持された非磁性層１０２とを有する。

【0056】

第２強磁性金属層１０３の磁化が一方向に固定され、第１強磁性金属層１０１の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部１０５は磁気抵抗効果素子として機能する。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強磁性金属層の保磁力は第１強磁性金属層の保磁力よりも大きく、また、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強磁性金属層では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。

【0057】

また、磁気抵抗効果素子部１０５は、非磁性層１０２が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子であり、非磁性層１０２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。

【0058】

本実施形態の磁気抵抗効果素子部１０５としては、公知の磁気抵抗効果素子部の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性金属層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。

【0059】

第２強磁性金属層１０３は固定層、ピン層、参照層等と呼ばれ、第１強磁性金属層１０１は自由層、フリー層、記憶層等と呼ばれる。

【0060】

第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。

【0061】

第２強磁性金属層１０３の材料には、公知のもの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。またこれらの金属と、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。

【0062】

また、より高い出力を得るためにはＣｏ_２ＦｅＳｉ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、Ｘ_２ＹＺ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族の遷移金属元素又は貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂなどが挙げられる。

【0063】

また、第２強磁性金属層１０３の第１強磁性金属層１０１に対する保磁力をより大きくするために、非磁性層１０２に接する面の反対側の面において第２強磁性金属層１０３と接する層（ピニング層）として、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料の層を設けてもよい。具体的には、第２強磁性金属層１０３と配線１３０との間にこのような層を設けてもよい。さらに、第２強磁性金属層１０３の漏れ磁場を第１強磁性金属層１０１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。

【0064】

さらに第２強磁性金属層１０３の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第２強磁性金属層１０３は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。

【0065】

第１強磁性金属層１０１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が挙げられる。

【0066】

第１強磁性金属層１０１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第１強磁性金属層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、第１強磁性金属層１０１と非磁性層１０２との界面で、第１強磁性金属層１０１に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第１強磁性金属層１０１の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層１０１の膜厚は薄い方が好ましい。なお、第１強磁性金属層の厚さは０．５ｎｍ以上とすることが好ましく、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下とすることがより好ましいが、これに限定されない。

【0067】

非磁性層１０２には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層１０２が絶縁体からなる場合（つまり、トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｍｇ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。また、非磁性層１０２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。

【0068】

また、第１強磁性金属層１０１の非磁性層１０２と反対側の面には、図３に示すようにキャップ層１０４が形成されていることが好ましい。キャップ層１０４は、第１強磁性金属層１０１からの元素の拡散を抑制することができる。またキャップ層１０４は、磁気抵抗効果素子部１０５の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層１０４を設けることで、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３及び第１強磁性金属層１０１の磁性を安定化し、磁気抵抗効果素子部１０５を低抵抗化することができる。

【0069】

キャップ層１０４には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。キャップ層１０４の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて、面心立方（ｆｃｃ）構造、六方最密充填（ｈｃｐ）構造又は体心立方（ｂｃｃ）構造から適宜設定することが好ましい。

【0070】

また、キャップ層１０４には、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、及び、Ａｌからなる群から選択されるいずれかを用いることが好ましい。詳細は後述するが、キャップ層１０４を介してスピン軌道トルク配線１２０と磁気抵抗効果素子部１０５が接続される場合、キャップ層１０４はスピン軌道トルク配線１２０から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。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。

【0071】

キャップ層１０４の厚みは、キャップ層１０４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。キャップ層１０４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１２０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子部１０５に十分伝えることができる。なお、スピン軌道トルク配線のスピンを第１強磁性金属層に注入できるのであれば、キャップ層１０４以外の層を第１強磁性金属層とスピン軌道トルク配線との間に介在させてもよい。このような層としては、厚さ０．５〜２．０ｎｍ程度のＡｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、及び、Ａｌが挙げられる。

【0072】

＜基板＞
基板１１０は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。

【0073】

基板１１０の磁気抵抗効果素子部１０５側の面には、下地層（図示略）が形成されていてもよい。下地層を設けると、基板１１０上に積層される第２強磁性金属層１０３を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。

【0074】

下地層は、絶縁性を有していることが好ましい。配線１３０等に流れる電流が散逸しないようにするためである。下地層には、種々のものを用いることができる。例えば１つの例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。

【0075】

他の例として、下地層にはＸＹＯ_３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＸはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＹはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。

【0076】

他の例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。

【0077】

他の例として、下地層には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。

【0078】

また、下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子部１０５の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。

【0079】

＜配線＞
配線１３０は、磁気抵抗効果素子部１０５の第２強磁性金属層１０３に電気的に接続され、図５においては、配線１３０とスピン軌道トルク配線１２０と電源（図示略）とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流が流される。

【0080】

配線１３０は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。

【0081】

上述した本実施形態では、磁気抵抗効果素子１００において、積層が後になり基板１１０から遠い側に配置される第１強磁性金属層１０１が磁化自由層とされ、積層が先であり基板１１０に近い側に配置される第２強磁性金属層１０３が磁化固定層（ピン層）とされている、いわゆるボトムピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子１００の構造は特に限定されるものではなく、いわゆるトップピン構造であってもよい。

【0082】

＜電源＞
磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に電流を流す第１電源１４０と、スピン軌道トルク配線１２０に電流を流す第２電源１５０とを更に備える。

【0083】

第１電源１４０は、配線１３０とスピン軌道トルク配線１２０とに接続される。第１電源１４０は磁気抵抗効果素子１００の積層方向に流れる電流を制御することができる。
第２電源１５０は、スピン軌道トルク配線１２０の両端に接続されている。第２電源１５０は、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に対して直交する方向に流れる電流である、スピン軌道トルク配線１２０に流れる電流を制御することができる。

【0084】

上述のように、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向に流れる電流はＳＴＴを誘起する。これに対して、スピン軌道トルク配線１２０に流れる電流はＳＯＴを誘起する。ＳＴＴ及びＳＯＴはいずれも第１強磁性金属層１０１の磁化反転に寄与する。

【0085】

このように、磁気抵抗効果素子部１０５の積層方向と、この積層方向に直行する方向に流れる電流量を２つの電源によって制御することで、ＳＯＴとＳＴＴが磁化反転に対して寄与する寄与率を自由に制御することができる。

【0086】

例えば、デバイスに大電流を流すことができない場合は磁化反転に対するエネルギー効率の高いＳＴＴが主となるように制御することができる。すなわち、第１電源１４０から流れる電流量を増やし、第２電源１５０から流れる電流量を少なくすることができる。
また、例えば薄いデバイスを作製する必要があり、非磁性層１０２の厚みを薄くせざるを得ない場合は、非磁性層１０２に流れる電流を少なくことが求められる。この場合は、第１電源１４０から流れる電流量を少なくし、第２電源１５０から流れる電流量を多くし、ＳＯＴの寄与率を高めることができる。

【0087】

第１電源１４０及び第２電源１５０は公知のものを用いることができる。

【0088】

上述のように、本発明のＳＴＴ方式及びＳＯＴ方式を併用する構成の場合の磁気抵抗効果素子によれば、ＳＴＴ及びＳＯＴの寄与率を、第１電源及び第２電源から供給される電流量により自由に制御することができる。そのため、デバイスに要求される性能に応じて、ＳＴＴとＳＯＴの寄与率を自由に制御することができ、より汎用性の高い磁気抵抗効果素子として機能することができる。

【0089】

（製造方法）
本発明の実施形態に係るスピン流磁化反転素子及びそれを備える磁気抵抗効果素子の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の成膜法を用いることができる。成膜法は、例えば、物理的気相成長（ＰＶＤ）法として、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、イオンプレーティング法、イオンビームデポジション法、スパッタリング法等を用いることができる。あるいは、化学的気相成長（ＣＶＤ）法として、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法等を用いることもできる。更に、原子半径の２倍以下の厚さという極薄の界面スピン生成層を形成するために、単原子層ドーピング法（デルタドーピング法）を用いることもできる。以下では、スピン軌道トルク型磁化反転素子を適用した磁気抵抗効果素子の製造方法の一例について説明することでスピン軌道トルク型磁化反転素子の製造方法の説明も兼ねる。

【0090】

まず、支持体となる基板上にスピン軌道トルク配線を作製する。例えばＭＢＥ法を用いて、スピン伝導層を成膜する。その上に、例えば低成膜レートに調整したスパッタリング法を用いて界面スピン生成層を形成する。その後、更にスピン伝導層を成膜するという工程を繰り返すことで、スピン伝導層と界面スピン生成層が交互に積層した積層体が得られる。次いで、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を所定の形状に加工する。

【0091】

そして、スピン軌道トルク配線以外の部分は、酸化膜等の絶縁膜で覆う。スピン軌道トルク配線及び絶縁膜の露出面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨することが好ましい。

【0092】

次いで、磁気抵抗効果素子を作製する。磁気抵抗効果素子を、例えばスパッタリング法を用いて作製する。磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子の場合、例えば、トンネルバリア層は第１強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のマグネシウム、アルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる金属薄膜をスパッタリングし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。

【0093】

得られた積層膜は、アニール処理することが好ましい。反応性スパッタで形成した層は、アモルファスであり結晶化する必要がある。例えば、強磁性金属層としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる場合は、Ｂの一部がアニール処理により抜けて結晶化する。

【0094】

アニール処理して製造された磁気抵抗効果素子は、アニール処理しないで製造された磁気抵抗効果素子と比較して、磁気抵抗比が向上する。アニール処理によって、非磁性層のトンネルバリア層の結晶サイズの均一性及び配向性が向上するためであると考えられる。

【0095】

アニール処理としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度で、５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。

【0096】

磁気抵抗効果素子を所定の形状にする方法としては、フォトリソグラフィー等の加工手段を利用できる。まず磁気抵抗効果素子を積層した後、磁気抵抗効果素子のスピン軌道トルク配線と反対側の面に、レジストを塗工する。そして、所定の部分のレジストを硬化し、不要部のレジストを除去する。レジストが硬化した部分は、磁気抵抗効果素子の保護膜となる。レジストが硬化した部分は、最終的に得られる磁気抵抗効果素子の形状と一致する。

【0097】

そして、保護膜が形成された面に、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の処理を施す。保護膜が形成されていない部分は除去され、所定の形状の磁気抵抗効果素子が得られる。

【0098】

本発明は、上記実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の構成及び製造方法に必ずしも限定されるものではなく、本発明の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。

【0099】

（磁気メモリ）
本発明の一実施形態に係る磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本発明の上記実施形態に係る磁気抵抗効果素子を複数備える。

【0100】

（磁化反転方法）
本発明の上記実施形態に係る磁気抵抗効果素子において磁化反転を行う場合、スピン軌道トルク配線に流す電流密度を１×１０^７Ａ／ｃｍ^２未満とすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線に流れる電流によって熱が生じる。熱が第２強磁性金属層に加わると、第２強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は１×１０^７Ａ／ｃｍ^２未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。

【0101】

磁化反転方法は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子において、ＳＴＴ方式及びＳＯＴ方式を併用する構成の場合、スピン軌道トルク配線の電源に電流を印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加してもよい。

【0102】

ＳＯＴ磁化反転工程とＳＴＴ磁化反転工程は、同時に行ってもよいし、ＳＯＴ磁化反転工程を事前に行った後にＳＴＴ磁化反転工程を加えて行ってもよい。第１電源１４０と第２電源１５０から電流を同時に供給してもよいし、第２電源１５０から電流を供給後に、加えて第１電源１４０から電流を供給してもよいが、ＳＯＴを利用した磁化反転のアシスト効果をより確実に得るためには、スピン軌道トルク配線の電源に電流が印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加することが好ましい。すなわち、第２電源１５０から電流を供給後に、加えて第１電源１４０から電流を供給することが好ましい。

【産業上の利用可能性】

【0103】

本発明のスピン流磁化回転素子によれば、磁化回転に必要な電流密度を低減し、更には消費電力も低減できる。

【符号の説明】

【0104】

１…第１強磁性金属層、２…スピン軌道トルク配線、３…スピン伝導層、４…界面スピン生成層、１０…スピン流磁化回転素子（スピン流磁化反転素子）、１００…磁気抵抗効果素子、１０１…第１強磁性金属層、１０２…非磁性層、１０３…第２強磁性金属層、１０４…キャップ層、１０５…磁気抵抗効果素子部、１１０…基板、１２０…スピン軌道トルク配線、１３０…配線、１４０…第１電源、１５０…第２電源

【図1】

【図2】

【図3】