特許 6856087 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】6856087

(24)【登録日】2021年3月22日

(45)【発行日】2021年4月7日

(54)【発明の名称】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 20060101AFI20210329BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20210329BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20210329BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20210329BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20210329BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

   H01L43/10

   H01L27/105 447

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-96629(P2019-96629)

(22)【出願日】2019年5月23日

(62)【分割の表示】特願2019-511788(P2019-511788)の分割

【原出願日】2018年10月30日

(65)【公開番号】特開2019-165244(P2019-165244A)

(43)【公開日】2019年9月26日

【審査請求日】2019年5月23日

(31)【優先権主張番号】特願2018-29737(P2018-29737)

(32)【優先日】2018年2月22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】中田 勝之

(72)【発明者】

【氏名】塩川 陽平

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１７／２１３２６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１９／００３５４４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１７／０９０７３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１７−０５９６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１２２０７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０２０７０１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／０３５１０８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０３３８２７６７（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／００７７３９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 土屋朋生，化学量論組成のＭｎ２ＶＡｌ／Ｆｅ積層膜における交換磁気異方性の熱処理温度依存性，日本金属学会講演概要集 ２０１６年（第１５９回）秋期講演大会，公益社団法人日本金属学会，２０１６年 ９月 ７日，ｐ．３７８

【文献】 土屋朋生，Ｎｉ２ＭｎＡｌ／Ｘ（Ｘ：Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｏ２ＭｎＳｉ）積層膜における交換磁気異方性，日本金属学会講演概要集 ２０１５年（第１５７回）秋期講演大会，公益社団法人日本金属学会，２０１５年 ９月 ２日，ｐ．Ｓ４・２１

【文献】 間渕博，Ａｌ−Ｔｉ−Ｘ３元系Ｌ１２型金属間化合物の開発，日本金属学会会報，１９９１年，第３０巻第１号，ｐ．２４〜３０

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電層と、
前記導電層に積層された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の前記導電層と反対側の位置で、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記導電層は、化学量論組成においてＸＹＺで表現される化合物を含み、
前記Ｘ、前記Ｙ、前記Ｚはそれぞれ異なる元素であり、
前記導電層の主骨格は、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造である、磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

導電層と、
前記導電層に積層された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の前記導電層と反対側の位置で、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記導電層は、化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される化合物を含み、
前記Ｘ、前記Ｙ、前記Ｚはそれぞれ異なる元素であり、
前記導電層の主骨格は、
前記化合物がＸ_２ＹＺの場合、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、
前記化合物がＸＹＺの場合、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、
前記第１強磁性層は、化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される強磁性体を含み、
前記Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選択される１種以上の元素であり、
前記Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｆｅ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種以上の元素であり、
前記Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｐｂ及びＢｉからなる群から選択される１種以上の元素である、磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記第１強磁性層は、化学量論組成においてＣｏ_２ＹＺで表現される強磁性体を含み、
前記Ｙは、Ｍｎ、Ｆｅの少なくとも一方であり、
前記Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＧｅからなる群から選択される１種以上の元素である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

導電層と、
前記導電層に積層された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の前記導電層と反対側の位置で、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記導電層は、化学量論組成においてＸ_２ＹＺで表現される化合物を含み、
前記Ｘ、前記Ｙ、前記Ｚはそれぞれ異なる元素であり、
前記導電層の主骨格は、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、
前記化合物において、Ｘ元素、Ｙ元素及びＺ元素の最外殻電子数を足した値が２４を満たす、磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。

【請求項6】

導電層と、
前記導電層に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記導電層は、化学量論組成においてＸＹＺで表現される化合物を含み、
前記導電層の主骨格は、
前記化合物がＸＹＺの場合、Ｃ１_ｂ構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造である、磁化回転素子。

【請求項7】

導電層と、
前記導電層に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記導電層は、化学量論組成においてＸ_２ＹＺで表現される化合物を含み、
前記化合物において、Ｘ元素、Ｙ元素及びＺ元素の最外殻電子数を足した値が２４を満たす、磁化回転素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。

【0005】

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）。スピン軌道トルク（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す。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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】S. Fukami, T. Anekawa, C. Zhang and H. Ohno, Nature Nano Tech. (2016). DOI:10.1038/NNANO.2016.29.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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といわれている。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、スピン流をより効率的に発生させる必要がある。

【0008】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スピン流を効率的に発生できるスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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。

【0010】

（１）第１の態様にかかる磁化回転素子は、導電層と、前記導電層に積層された第１強磁性層と、を備え、前記導電層は、化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される化合物を含み、前記導電層の主骨格は、
前記化合物がＸ_２ＹＺの場合、Ｌ２_１構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、前記化合物がＸＹＺの場合、Ｃ１_ｂ構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造である。
（２）第２の態様にかかる磁化回転素子は、導電層と、前記導電層に積層された第１強磁性層と、を備え、前記導電層は、化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される化合物を含み、前記Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ及びＰｔからなる群から選択される１種以上の元素であり、Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種以上の前記Ｘと異なる元素であり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＢｉからなる群から選択される１種以上の元素である。

【0011】

（３）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記導電層の主骨格は、前記化合物がＸ_２ＹＺの場合、Ｌ２_１構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、前記化合物がＸＹＺの場合、Ｃ１_ｂ構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であってもよい。

【0012】

（４）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記導電層の主骨格は、前記化合物がＸ_２ＹＺの場合、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、前記化合物がＸＹＺの場合、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であってもよい。

【0013】

（５）上記態様にかかる磁化回転素子における前記化合物において、Ｘ元素、Ｙ元素及びＺ元素の最外殻電子数を足した値が、前記化合物の組成がＸＹＺの場合は２１以下であり、前記化合物の組成がＸ_２ＹＺの場合は２７以下であってもよい。

【0014】

（６）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記導電層が反強磁性体であってもよい。

【0015】

（７）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記化合物におけるＸ元素、Ｙ元素またはＺ元素が、周期表における第５周期以上の元素を含んでもよい。

【0016】

（８）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記化合物が化学量論組成においてＸＹＺで表記されてもよい。

【0017】

（９）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１強磁性層は、化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される強磁性体を含み、前記Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選択される１種以上の元素であり、前記Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｆｅ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種以上の元素であり、前記Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｐｂ及びＢｉからなる群から選択される１種以上の元素であってもよい。

【0018】

（１０）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１強磁性層は、化学量論組成においてＣｏ_２ＹＺで表現される強磁性体を含み、前記Ｙは、Ｍｎ、Ｆｅの少なくとも一方であり、前記Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＧｅからなる群から選択される１種以上の元素であってもよい。

【0019】

（１１）第３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、前記第１強磁性層の前記導電層と反対側の位置で、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備える。

【0020】

（１２）第４の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を複数備える。

【発明の効果】

【0021】

スピン流を効率的に発生できるスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。

【図2A】スピン軌道トルク配線の主骨格をなす結晶構造の模式図である。

【図2B】スピン軌道トルク配線の主骨格をなす結晶構造の模式図である。

【図2C】スピン軌道トルク配線の主骨格をなす結晶構造の模式図である。

【図2D】スピン軌道トルク配線の主骨格をなす結晶構造の模式図である。

【図2E】スピン軌道トルク配線の主骨格をなす結晶構造の模式図である。

【図2F】スピン軌道トルク配線の主骨格をなす結晶構造の模式図である。

【図3】第２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。

【図4】第３実施形態に係る磁気メモリを模式的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回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軌道トルク型磁化回転素子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が延びる第１の方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２が存在する面内で第１の方向と直交する方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する方向をｚ方向と規定して説明する。図１においてｚ方向は、第１強磁性層１の積層方向及びスピン軌道トルク配線２の厚み方向と一致する。

【0025】

＜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、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流を生成する。スピンホール効果とは、配線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スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。

【0026】

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。

【0027】

スピン軌道トルク配線２が非磁性体（強磁性体ではない材料）の場合、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。つまり、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。この場合、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。

【0028】

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、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。

【0029】

本実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２は、化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される化合物を含む。組成式において、Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ，Ｒｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ及びＰｔからなる群から選択される１種以上の元素であり、Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種以上のＸと異なる元素であり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｓｒ及びＢｉからなる群から選択される１種以上の元素である。

【0030】

ここで「化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される」とは、化合物が化学量論組成である場合に限られず、非化学量論組成でもよいことを意味する。すなわち、組成式がＸＹＺの場合、Ｘ元素とＹ元素とＺ元素の比が厳密に１：１：１である必要はなく、組成式がＸ_２ＹＺの場合、Ｘ元素とＹ元素とＺ元素の比が厳密に２：１：１である必要はない。

【0031】

この化合物は、広義のホイスラー合金である。強磁性体のホイスラー合金は室温で１００％のスピン分極率を達成する可能性が高い材料として検討されている。ＸＹＺで表記される強磁性のホイスラー合金はハーフホイスラー合金として知られ、Ｘ_２ＹＺで表記される強磁性のホイスラー合金はフルホイスラー合金として知られている。本明細書における「広義のホイスラー合金」とは、ＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで示されるｂｃｃ構造を基本とした典型的な金属間化合物を意味する。すなわち、「広義のホイスラー合金」は非磁性体でも、強磁性体でも、反強磁性体でもよい。

【0032】

スピン軌道トルク配線２が上記化合物を含むと、スピン軌道トルク配線２においてスピンホール効果が強く生じ、スピン軌道トルク配線２から第１強磁性層１中に注入されるスピン量が増える。注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルクを与え、磁化回転（磁化反転）を起こす。

【0033】

スピン軌道トルク配線２でスピン流を効率的に生み出す（スピンホール効果が強く働く）と、第１強磁性層１に注入されスピン量が増える。スピン流は、スピン軌道トルク配線２の構成に伴う内因性の理由と、スピン軌道トルク配線２に外から加えることができる外因性の理由とによって生じる。

【0034】

内因性の理由として、スピン軌道トルク配線２を構成する材料による影響、結晶構造等の対称性の崩れにより生じる内場による影響等がある。スピン軌道トルク配線２を構成する材料としてスピン軌道相互作用の強い材料を用いると、スピン流が効率的に発生する。スピン軌道トルク配線２を構成する結晶を反転対称性の崩れたものとすると、スピンホール効果を促す内場が生じ、スピン流が効率的に発生する。

【0035】

他方、外因性の理由として、スピン軌道トルク配線２内に含まれる散乱因子による影響、積層界面の歪みによる影響、界面ラシュバ効果等がある。不純物等がスピンを散乱すると、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の生成効率が高まる。スピン軌道トルク配線２と他の層との積層界面がゆがむと、スピンホール効果を促す内場が生じ、スピン流が効率的に発生する。また積層界面が異種材料により構成されていると、界面ラシュバ効果によりスピン流が効率的に発生する。

【0036】

図２Ａから図２Ｆは、ＸＹＺまたはＸ_２ＹＺの組成式で表される化合物が選択しやすい結晶構造を模式的に示した図である。図２Ａから図２Ｃは、Ｘ_２ＹＺの組成式で表される化合物が選択しやすい結晶構造であり、図２Ｄから図２Ｆは、ＸＹＺの組成式で表される化合物が選択しやすい結晶構造である。

【0037】

図２ＡはＬ２_１構造であり、図２ＤはＣ１_ｂ構造であり、Ｘ原子、Ｙ原子、Ｚ原子は所定のサイトに収まっている。Ｌ２_１構造の単位格子は４つの面心立方格子（ｆｃｃ）からなり、そのうちの１つのＸ原子を取り除いた構造がＣ１_ｂ構造である。

【0038】

図２ＢはＬ２_１構造由来のＢ２構造であり、図２ＥはＣ１_ｂ構造由来のＢ２構造である。これらの結晶構造では、Ｘ原子は所定のサイトに収まっているが、Ｙ原子とＺ原子との間で乱れが生じている。図２ＣはＬ２_１構造由来のＡ２構造であり、図２ＦはＣ１_ｂ構造由来のＡ２構造である。これらの結晶構造では、Ｘ原子とＹ原子とＺ原子との間で乱れが生じている。したがって、Ｘ_２ＹＺの組成式で表される化合物においてはＬ２_１構造＞Ｂ２構造＞Ａ２構造の順に、ＸＹＺの組成式で表される化合物においてはＣ１_ｂ構造＞Ｂ２構造＞Ａ２構造の順に結晶性が高い。

【0039】

スピン軌道トルク配線２の主骨格は、化合物がＸ_２ＹＺの場合、Ｌ２_１構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、化合物がＸＹＺの場合、Ｃ１_ｂ構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であることが好ましい。ここで「を含む構造」とは、例えばＬ２_１構造またはＣ１_ｂ構造の一部がＡ２構造またはＢ２構造になっている場合も含むことを意味する。

【0040】

図２Ａから図２Ｆは図示の関係上、Ｘ原子、Ｙ原子、Ｚ原子の大きさをほぼ同一として図示しているが、実際にはＸ原子、Ｙ原子、Ｚ原子の原子半径は異なる。Ｘ原子、Ｙ原子、Ｚ原子の電子雲の広がりまでを含めると、それぞれの原子が生み出すスピン相互作用の大きさは異なる。したがって、電流Ｉを流すことによってスピン軌道トルク配線２内を流れる電子（スピン）の立場から見ると、相互作用を受けるベクトルの向き、大きさが場所によって非対称になっている。

【0041】

またＸＹＺ、Ｘ_２ＹＺで表記される化合物は、３元系以上の化合物であり、結晶構造の乱れ（ディスオーダー）を生じやすい。Ｘ原子、Ｙ原子、Ｚ原子のそれぞれが互いに影響し、所定の位置へのマイグレーションを阻害するためである。実際に、強磁性のホイスラー合金は理論的には１００％のスピン分極率を達成できるといわれているが、１００％まで至らないのはこの結晶構造の乱れの影響といわれており、この化合物はディスオーダーが生じやすい化合物である。

【0042】

上述のように、スピン軌道トルク配線２内における対称性の崩れは、スピン流を生み出す内因性の原因の一つである。スピン軌道トルク配線２内における対称性の崩れは、スピンホール効果を促す内場を生み出し、スピン流の発生効率が高まる。したがって、スピン軌道トルク配線２が上記化合物を含むと、スピン軌道トルク配線２から第１強磁性層１中に拡散するスピン量が増え、第１強磁性層１の磁化に大きなスピン軌道トルクを与えることができる。

【0043】

結晶構造の非対称性をより促すためには、スピン軌道トルク配線２の主骨格は、化合物がＸ_２ＹＺの場合、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であり、化合物がＸＹＺの場合、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかを含む構造であることが好ましい。

【0044】

化合物におけるＸ元素、Ｙ元素またはＺ元素は、周期表における第５周期以上の元素を含むことが好ましく、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元素であることが好ましい。これを満たす化合物として、例えば、Ｆｅ_２ＴｉＳｎ、ＮｉＺｒＳｎ等が挙げられる。

【0045】

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かかわりなく、電流とは逆向きに動く。これに対して、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、スピン流が発生しやすい。

【0046】

スピン軌道トルク配線２を構成する化合物において、Ｘ元素、Ｙ元素及びＺ元素の最外殻電子数を足した値は、化合物の組成がＸＹＺの場合は２１以下であり、化合物の組成がＸ_２ＹＺの場合は２７以下であることが好ましい。またこの値は、化合物の組成がＸＹＺの場合は、１５以上２１以下であることがより好ましく、１６以上２０以下であることがさらに好ましく、１７以上１９以下であることが特に好ましく、１８であることが最も好ましい。またこの値は、化合物の組成がＸ_２ＹＺの場合は、２１以上２７以下であることがより好ましく、２２以上２６以下であることがさらに好ましく、２３以上２５以下であることが特に好ましく、２４であることが最も好ましい。

【0047】

化合物の組成がＸＹＺで最外殻電子数が１８を満たすものとしては、例えば、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｍｎ、Ｒｅ：Ｙ＝Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ：Ｚ＝Ｓｂ、Ｂｉ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｙ＝Ｍｎ、Ｒｅ：Ｚ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｙ＝Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ：Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｙ＝Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ：Ｚ＝Ｓｂ、Ｂｉ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｍｎ、Ｒｅ：Ｚ＝Ｍｇ、Ｓｒ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ：Ｚ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ：Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ：Ｚ＝Ｓｂ、Ｂｉ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ：Ｙ＝Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ：Ｚ＝Ｍｇ、Ｓｒ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ：Ｙ＝Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ：Ｚ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ：Ｙ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ：Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）、ＸＹＺ（Ｘ＝Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ：Ｙ＝Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ：Ｚ＝Ｓｂ、Ｂｉ）が挙げられる。また、これらの材料に、スピンホール効果を損なわない程度に少なくとも１種、もしくは２種以上の元素を加えても良い。尚、上述した組合せはＹＸＺでも良い。この場合、Ｂ２構造のときには、ＸとＺが不規則に配列される。

【0048】

化合物の組成がＸ_２ＹＺで最外殻電子数が２４を満たすものとしては、例えば、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｙ＝Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ：Ｚ＝Ｍｇ、Ｓｒ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｙ＝Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ：Ｚ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｙ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ：Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｙ＝Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ：Ｚ＝Ｓｂ、Ｂｉ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｚｎ：Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ：Ｚ＝Ｓｂ、Ｂｉ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ：Ｚ＝Ｍｇ、Ｓｒ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ：Ｙ＝Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ：Ｚ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｍｎ、Ｒｅ：Ｙ＝Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ：Ｚ＝Ｍｇ、Ｓｒ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｍｎ、Ｒｅ：Ｙ＝Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ：Ｚ＝Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｍｎ、Ｒｅ：Ｙ＝Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ：Ｚ＝Ｓｂ、Ｂｉ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ：Ｙ＝Ｚｎ：Ｚ＝Ｍｇ、Ｓｒ）、Ｘ_２ＹＺ（Ｘ＝Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ：Ｙ＝Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ：Ｚ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）、が挙げられる。また、これらの材料に、スピンホール効果を損なわない程度に少なくとも１種、もしくは２種以上の元素を加えても良い。

【0049】

化合物の組成がＸＹＺの場合はフントの規則によって求められる原子当たりの磁気モーメントの大きさは、最外殻電子数が２２で４μＢとなる。また化合物の組成がＸ_２ＹＺの場合はフントの規則によって求められる原子当たりの磁気モーメントの大きさは、最外殻電子数が２８で４μＢとなる。原子当たりの磁気モーメントの大きさが、４μＢを超えると強い強磁性を示すといわれている。一方で、化合物の組成がＸＹＺで最外殻電子数が１８の場合、化合物は完全非磁性体となり、化合物の組成がＸ_２ＹＺで最外殻電子数が２４の場合、化合物は完全非磁性体となる。最外殻電子数による磁性、非磁性の特定は、軌道相互作用まで含めた第１原理計算の結果とも概ね一致する。

【0050】

スピン軌道トルク配線２が非磁性体の場合、上述のように、第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とは等しく、電荷の正味の流れとしての電流はゼロとなる。すなわち、最外殻電子数が上記の範囲内であれば、スピン軌道トルク配線２内でスピン流に伴う意図しない電流の発生を抑制できる。また、最外殻電子数が上記の範囲内であれば、スピン軌道トルク配線２が強い磁性を示さない。すなわち、スピン軌道トルク配線２が生み出す磁場が、第１強磁性層１の磁化の向きに影響を及ぼすことを抑制できる。

【0051】

またスピン軌道トルク配線２は反強磁性体でもよい。例えば、Ｎｉ_２ＭｎＡｌ、Ｒｕ_２ＭｎＸ（Ｘ＝Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｓｉ）、Ｐｄ_２ＭｎＸ（Ｘ＝Ａｌ、Ｉｎ）、Ｉｒ_２ＭｎＸ（Ｘ＝Ａｌ、Ｇａ）、Ｐｔ_２ＭｎＸ（Ｘ＝Ａｌ、Ｇａ）、Ｍｎ_２ＶＸ（Ｘ＝Ａｌ、Ｓｉ）等が挙げられる。また、これらの材料に反強磁性特性を損なわない程度に少なくとも１種、もしくは２種以上の元素を加えても良い。

【0052】

スピン軌道トルク配線２が反強磁性体の場合、スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１との界面で交換磁気結合を誘起することができ、スピンホール効果を強めることができる。その結果、スピン流が効率的に発生する。

【0053】

化合物の組成は、スピン軌道トルク配線２において更なる強いスピンホール効果を誘起するためには、ＸＹＺであることが好ましく、スピン軌道トルク配線２における発熱を低減するためにはＸ_２ＹＺであることが好ましい。

【0054】

Ｌ２_１構造（Ｘ_２ＹＺ：図２Ａ）の単位格子の１つのＸ原子を取り除いた構造がＣ１_ｂ構造（ＸＹＺ：図２Ｄ）である。そのため、Ｃ１_ｂ構造はＬ２_１構造と比較して、空格子点を有する。空格子点を有するＣ１_ｂ構造は、空格子点を有さないＬ２_１構造より電子が移動しにくく、高比抵抗材料となる。高比抵抗材料はスピン軌道相互作用が強い材料であり、スピン流が効率的に発生する。また空格子点を有するＣ１_ｂ構造は、結晶構造の安定性が低い。結晶構造が安定化しないと、非対称な結晶構造になりやすくなる。非対称性の乱れに伴う内場は、スピンホール効果を促し、スピン流が効率的に発生する。

【0055】

スピン軌道トルク配線２は、主構成として上記化合物を有していれば、他の材料を同時に含んでいてもよい。

【0056】

例えば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。スピン軌道トルク配線２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。

【0057】

一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した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２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。

【0058】

また例えば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スピン流を高効率に生成できる。

【0059】

トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３，ＴｌＢｉＳｅ_２，Ｂｉ_２Ｔｅ_３，Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ,（Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３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。

【0060】

また例えばスピン軌道トルク配線２は、複数層の積層構造となっていてもよい。例えば、スピンホール効果を誘起しやすい組成式ＸＹＺで表記される第１層と、放熱性に優れる組成式Ｘ_２ＹＺで表記される第２層と、の積層構造としてもよい。この場合、スピンホール効果を誘起しやすい第１層を第１強磁性層１側に配置する。

【0061】

＜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。

【0062】

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。

【0063】

また第１強磁性層１には、強磁性のホイスラー合金を用いてもよい。具体的には、第１強磁性層は、化学量論組成においてＸＹＺまたはＸ_２ＹＺで表現される強磁性体であることが好ましい。ここでＸは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選択される１種以上の元素であり、Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｆｅ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選択される１種以上の元素であり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｐｂ及びＢｉからなる群から選択される１種以上の元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

【0064】

また第１強磁性層１は、化学量論組成においてＣｏ_２ＹＺで表現される強磁性体を含み、Ｙは、Ｍｎ、Ｆｅの少なくとも一方であり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＧｅからなる群から選択される１種以上の元素であることが好ましい。

【0065】

スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１との結晶構造が一致または類似すると、エピタキシャル成長により高品質な第１強磁性層１を作製できる。第１強磁性層１の結晶性が高まることで、高いスピン分極率を実現できる。

【0066】

上述のように、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０は、スピン軌道トルク配線２が広義のホイスラー合金であることで、スピン軌道トルク配線２内の対称性が崩れる。対称性の崩れは内場を誘起し、この内場によりスピンホール効果が強く働く。その結果、スピン分極が促され、第１強磁性層１に注入されるスピン量が増える。つまり本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子によれば、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を回転させるために必要な電流密度を低減することができる。

【0067】

本実施形態にかかる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。しかしながら、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。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。

【0068】

＜製造方法＞
スピン軌道トルク型磁化回転素子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。スピン軌道トルク配線は、Ｘ元素、Ｙ元素及びＺ元素を含む。そのため、それぞれの元素を含む母材を用いて、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、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法を用いることができる。

【0069】

次いで、スピン軌道トルク配線の基となる層をアニールする。化合物の組成がＸＹＺの場合は、アニール温度が高くなるに従い、Ａ２構造、Ｂ２構造、Ｃ１_ｂ構造となり、化合物の組成がＸ_２ＹＺの場合は、アニール温度が高くなるに従い、Ａ２構造、Ｂ２構造、Ｌ２_１構造となる。

【0070】

次いで、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２に加工する。そして、スピン軌道トルク配線２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。

【0071】

次いで、必要に応じて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、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０が得られる。

【0072】

「第２実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図３は、第２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の断面模式図である。図３に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０と、非磁性層５と、第２強磁性層６とを備える。第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１０と同等の構成については、説明を省く。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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、ＸＹＺまたは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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂなどが挙げられる。

【0078】

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。

【0079】

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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、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。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。さらに、非磁性層５が半導体からなる場合、その材料としてはＳｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２などを用いることができる。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

第２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２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を回転（反転）させるために必要な電流密度を低減できる。

【0083】

「第３実施形態」
＜磁気メモリ＞
図４は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０（図３参照）を備える磁気メモリ３０の平面図である。図３は、図４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４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４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。

【0084】

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〜ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１〜ＲＬ３が接続されている。

【0085】

電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３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〜ＲＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３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〜ＷＬ３、ビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１〜ＲＬ３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。

【0086】

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】

【0087】

（実施例１）
図３に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２０と同様の構成の素子を作製した。
スピン軌道トルク配線２の構成材料：Ｆｅ_２ＴｉＳｎ
スピン軌道トルク配線２の主骨格の結晶構造：Ｌ２_１
スピン軌道トルク配線２の断面積：膜厚５ｎｍ×線幅２５０ｎｍ
第１強磁性層１の構成：ＣｏＦｅ
第１強磁性層１の厚み：３ｎｍ
非磁性層５の構成材料：ＭｇＯ
非磁性層５の厚み：２ｎｍ
第２強磁性層６の構成：ＣｏＦｅ
第２強磁性層６の厚み：３ｎｍ
機能部の平面視形状：１００ｎｍ×２００ｎｍの短軸を第１方向とした楕円形
なお、熱安定性向上のために、第２強磁性層６の上部にＲｕ（０．４２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）を積層したシンセティック構造とした。

【0088】

そしてスピン軌道トルク配線２に５ｎｓｅｃのパルス幅の電流を印加し、第１強磁性層１の磁化を反転させるのに必要な電流密度（反転電流密度）を求めた。その結果、実施例１にかかる素子の反転電流密度は、９．２×１０７Ａ／ｃｍ２であった。

【0089】

（実施例２）
実施例２は、スピン軌道トルク配線２の主骨格の結晶構造をＢ２構造とした点が実施例１と異なる。スピン軌道トルク配線２の結晶構造は、作製時のアニール温度を変えることで変更できる。実施例２にかかる素子の反転電流密度は、８．４×１０７Ａ／ｃｍ２であった。

【0090】

（実施例３）
実施例３は、スピン軌道トルク配線２の主骨格の結晶構造をＡ２構造とした点が実施例１と異なる。スピン軌道トルク配線２の結晶構造は、作製時のアニール温度を変えることで変更できる。実施例３にかかる素子の反転電流密度は、７．６×１０７Ａ／ｃｍ２であった。

【0091】

（実施例４）
実施例４は、スピン軌道トルク配線２を構成する材料をＮｉＺｒＳｎとし、スピン軌道トルク配線２の主骨格の結晶構造をＣ１_ｂ構造とした点が実施例１と異なる。実施例４にかかる素子の反転電流密度は、６．９×１０７Ａ／ｃｍ２であった。

【0092】

（実施例５）
実施例５は、スピン軌道トルク配線２の主骨格の結晶構造をＢ２構造とした点が実施例４と異なる。スピン軌道トルク配線２の結晶構造は、作製時のアニール温度を変えることで変更できる。実施例５にかかる素子の反転電流密度は、６．０×１０７Ａ／ｃｍ２であった。

【0093】

（実施例６）
実施例６は、スピン軌道トルク配線２の主骨格の結晶構造をＡ２構造とした点が実施例４と異なる。スピン軌道トルク配線２の結晶構造は、作製時のアニール温度を変えることで変更できる。実施例３にかかる素子の反転電流密度は、５．２×１０７Ａ／ｃｍ２であった。

【0094】

（比較例１）
比較例１は、スピン軌道トルク配線２を構成する材料をタングステンにした点が、実施例１と異なる。比較例１にかかる素子の反転電流密度は、１．１×１０８Ａ／ｃｍ２であった。

【0095】

ＸＹＺで表現される化合物をスピン軌道トルク配線に用いた実施例１〜３及びＸ_２ＹＺで表現される化合物をスピン軌道トルク配線に用いた実施例４〜６はいずれも、比較例１よりも反転電流密度が低減した。上記の結果を以下の表１にまとめる。なお表１においてＳＯＴ配線とは、スピン軌道トルク配線を意味する。

【0096】

【表1】

【符号の説明】

【0097】

１ 第１強磁性層
２ スピン軌道トルク配線
５ 非磁性層
６ 第２強磁性層
１０ スピン軌道トルク型磁化回転素子
２０ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３０ 磁気メモリ
Ｍ１、Ｍ６ 磁化

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図3】

【図4】