特許 6973679 磁性素子、磁気メモリ、リザボア素子、認識機及び磁性素子の製造方法

(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】6973679

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】磁性素子、磁気メモリ、リザボア素子、認識機及び磁性素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20211118BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20211118BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20211118BHJP

   G06N 3/063 20060101ALI20211118BHJP

   G06N 3/04 20060101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/82 Z

   H01L27/105 447

   G06N3/063

   G06N3/04 145

【請求項の数】17

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2021-504842(P2021-504842)

(86)(22)【出願日】2019年4月8日

(86)【国際出願番号】JP2019015281

(87)【国際公開番号】WO2020208674

(87)【国際公開日】20201015

【審査請求日】2021年1月28日

【早期審査対象出願】

(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】佐々木 智生

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−１１２３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−０９８４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１８／２１２２０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１８−０７４１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６３３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０９３００２９５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０３５２７０２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｇ０６Ｎ ３／０６３

Ｇ０６Ｎ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スピン軌道トルクを利用して磁化回転を行う磁性素子であって、
第１強磁性層と、
第１方向において前記第１強磁性層と面する第１配線と、を備え、
前記第１配線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る機能を有するスピン軌道トルク配線であって、前記第１方向と異なる第２方向に延びる配線部と、前記第１方向から見て前記第２方向と交差する第３方向の幅が前記配線部より広い拡幅部と、を有し、前記拡幅部は前記第１方向において前記第１強磁性層と前記配線部との間に配置するものであり、
前記配線部の前記第３方向の中心位置と、前記第１強磁性層の前記第３方向の中心位置と、が異なり、
前記第１方向から見て、前記拡幅部の前記配線部と重畳しない第１領域に面するキャップ層をさらに有し、
前記キャップ層は、前記拡幅部を構成する元素を含む酸化物、窒化物、硫化物、フッ化物のいずれかを含む、磁性素子。

【請求項2】

スピン軌道トルクを利用して磁化回転を行う磁性素子であって、
第１強磁性層と、
第１方向において前記第１強磁性層と面する第１配線と、を備え、
前記第１配線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る機能を有するスピン軌道トルク配線であって、前記第１方向と異なる第２方向に延びる配線部と、前記第１方向から見て前記第２方向と交差する第３方向の幅が前記配線部より広い拡幅部と、を有し、前記拡幅部は前記第１方向において前記第１強磁性層と前記配線部との間に配置するものであり、
前記配線部の前記第３方向の中心位置と、前記第１強磁性層の前記第３方向の中心位置と、が異なり、
前記拡幅部のスピン抵抗は、前記配線部のスピン抵抗以下である、磁性素子。

【請求項3】

スピン軌道トルクを利用して磁化回転を行う磁性素子であって、
第１強磁性層と、
第１方向において前記第１強磁性層と面する第１配線と、を備え、
前記第１配線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る機能を有するスピン軌道トルク配線であって、前記第１方向と異なる第２方向に延びる配線部と、前記第１方向から見て前記第２方向と交差する第３方向の幅が前記配線部より広い拡幅部と、を有し、前記拡幅部は前記第１方向において前記第１強磁性層と前記配線部との間に配置するものであり、
前記配線部の前記第３方向の中心位置と、前記第１強磁性層の前記第３方向の中心位置と、が異なり、
前記拡幅部は、前記配線部と重畳しない第１領域と、前記配線部と重畳する第２領域と、を含み、
前記第２領域の厚みは、前記第１領域の厚みより薄い、磁性素子。

【請求項4】

スピン軌道トルクを利用して磁化回転を行う磁性素子であって、
第１強磁性層と、
第１方向において前記第１強磁性層と面する第１配線と、を備え、
前記第１配線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る機能を有するスピン軌道トルク配線であって、前記第１方向と異なる第２方向に延びる配線部と、前記第１方向から見て前記第２方向と交差する第３方向の幅が前記配線部より広い拡幅部と、を有し、前記拡幅部は前記第１方向において前記第１強磁性層と前記配線部との間に配置するものであり、
前記配線部の前記第３方向の中心位置と、前記第１強磁性層の前記第３方向の中心位置と、が異なり、
前記配線部は、前記第１方向から見て、前記第２方向に離間された第１部分と第２部分とを有する、磁性素子。

【請求項5】

前記第１方向から見て、前記拡幅部の前記配線部と重畳しない第１領域に面するキャップ層をさらに有し、
前記キャップ層は、前記拡幅部を構成する元素を含む酸化物、窒化物、硫化物、フッ化物のいずれかを含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の磁性素子。

【請求項6】

前記拡幅部のスピン抵抗は、前記配線部のスピン抵抗以下である、請求項１、３及び４のいずれか一項に記載の磁性素子。

【請求項7】

前記拡幅部は、前記配線部と重畳しない第１領域と、前記配線部と重畳する第２領域と、を含み、
前記第２領域の厚みは、前記第１領域の厚みより薄い、請求項１、２及び４のいずれか一項に記載の磁性素子。

【請求項8】

前記配線部は、前記第１方向から見て、前記第２方向に離間された第１部分と第２部分とを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁性素子。

【請求項9】

前記第１強磁性層を前記第２方向と前記第３方向とのうち少なくとも一方に挟む第１磁性体と第２磁性体とをさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁性素子。

【請求項10】

前記第１配線は、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を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁性素子。

【請求項11】

前記第１強磁性層の前記第１配線と反対側に位置する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁性素子。

【請求項12】

複数の請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁性素子と、
複数の前記磁性素子のそれぞれを接続する配線と、を備える、磁気メモリ。

【請求項13】

スピン軌道トルクを利用して磁化回転を行う磁性素子であって、第１強磁性層と、第１方向において前記第１強磁性層と面する第１配線と、を備え、前記第１配線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る機能を有するスピン軌道トルク配線であって、前記第１方向と異なる第２方向に延びる配線部と、前記第１方向から見て前記第２方向と交差する第３方向の幅が前記配線部より広い拡幅部と、を有し、前記拡幅部は前記第１方向において前記第１強磁性層と前記配線部との間に配置するものであり、前記配線部の前記第３方向の中心位置と、前記第１強磁性層の前記第３方向の中心位置と、が異なる、磁性素子を複数備え、
前記複数の磁性素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える、リザボア素子。

【請求項14】

複数の請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁性素子と、
前記複数の磁性素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える、リザボア素子。

【請求項15】

請求項１３又は１４に記載のリザボア素子と、前記リザボア素子にデータを入力する複数のセンサと、を備える、認識機。

【請求項16】

請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁性素子を製造する方法であって、
強磁性層、非磁性層、前記第１強磁性層の基となる強磁性層、前記第１配線の前記拡幅部の基となる層を順に積層し、積層膜を積層する工程と、
前記積層膜の一部に溶解可能なマスク層を形成する工程と、
前記マスク層を介して前記積層膜を加工し、磁気抵抗効果素子及び前記拡幅部を形成する工程と、
前記マスク層、前記拡幅部及び前記磁気抵抗効果素子の周囲に絶縁層を形成する工程と、
前記マスク層を除去して前記拡幅部を露出し、前記マスク層が除去された部分の一部に、前記第１配線の前記配線部の基になる導電層を形成する工程と、を有する、磁性素子の製造方法。

【請求項17】

前記マスク層は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、レジストからなる群から選択されるいずれかである、請求項１６に記載の磁性素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁性素子、磁気メモリ、リザボア素子、認識機及び磁性素子の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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）への応用が期待されている。

【0003】

磁気抵抗効果素子は、非磁性層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きの変化を素子の抵抗変化として出力する。磁気抵抗効果素子は、強磁性層の磁化の向きを制御して、データを記録する。磁化の向きを制御する方法として、電流が生み出す磁場を利用する方式、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流した際に生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式が知られている。ＳＴＴを利用する方式は、非磁性層を貫通する方向に電位差を与える必要があり、非磁性層にダメージを与える場合がある。

【0004】

近年、磁化の向きを制御する新たな方式としてスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用する方式が検討されている（例えば、特許文献１）。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強磁性層内に誘起される。強磁性層内の磁化にＳＯＴが作用することで、磁化が反転する。スピン流及びラシュバ効果は、強磁性層の積層方向と交差する方向に電流が流れると生じる。ＳＯＴを利用する方式は、非磁性層及び強磁性層の積層方向に大きな書き込み電流を流すことを避けられ、非磁性層等へのダメージを抑制できる。

【0005】

一方で、ＳＯＴを用いた書き込み方式は、素子の構成によっては、外部磁場により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１）。例えば、強磁性層の磁化が強磁性層の積層方向（ｚ方向）に配向する場合は、配線が延びる方向（ｘ方向）への磁場の印加が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７−２１６２８６号公報

【非特許文献】

【0007】

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

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

外部磁場の発生源を別途設けると、素子サイズの大型化や製造プロセスの複雑化を招く。素子構成によっては、外部磁場を印加せずに磁化反転を行うことができるが、反転電流密度が大きくなると言う問題がある。

【0009】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁化反転を容易に行うことができる磁性素子、磁気メモリ、リザボア素子、認識機及び磁性素子の製造方法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】

【0010】

本開示は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0011】

（１）第１の態様に係る磁性素子は、第１強磁性層と、第１方向において前記第１強磁性層と面する第１配線と、を備え、前記第１配線は、前記第１方向と異なる第２方向に延びる配線部と、前記第１方向から見て前記第２方向と交差する第３方向の幅が前記配線部より広い拡幅部と、を有し、前記配線部の前記第３方向の中心位置と、前記第１強磁性層の前記第３方向の中心位置と、が異なる。

【0012】

（２）上記態様に係る磁性素子は、前記第１方向から見て、前記拡幅部の前記配線部と重畳しない第１領域に面するキャップ層をさらに有し、前記キャップ層は、前記拡幅部を構成する元素を含む酸化物、窒化物、硫化物、フッ化物のいずれかであってもよい。

【0013】

（３）上記態様に係る磁性素子において、前記拡幅部のスピン抵抗は、前記配線部のスピン抵抗以下であってもよい。

【0014】

（４）上記態様に係る磁性素子において、前記拡幅部は、前記配線部と重畳しない第１領域と重畳する第２領域とを含み、前記第２領域の厚みは、前記第１領域の厚みより薄くてもよい。

【0015】

（５）上記態様に係る磁性素子において、前記配線部は、前記第１方向から見て、前記第２方向に離間された第１部分と第２部分とを有してもよい。

【0016】

（６）上記態様に係る磁性素子において、前記第１強磁性層を前記第２方向と前記第３方向とのうち少なくとも一方に挟む第１磁性体と第２磁性体とをさらに備えてもよい。

【0017】

（７）上記態様に係る磁性素子において、前記第１配線は、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を含んでもよい。

【0018】

（８）上記態様に係る磁性素子は、前記第１強磁性層の前記第１配線と反対側に位置する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、をさらに備えてもよい。

【0019】

（９）第２の態様に係る磁気メモリは、上記態様に係る磁性素子と、複数の前記磁性素子のそれぞれを接続する配線と、を備える。

【0020】

（１０）第３の態様に係るリザボア素子は、上記態様に係る磁性素子と、前記複数の磁性素子の前記第１強磁性層を繋ぐスピン伝導層と、を備える。

【0021】

（１１）第４の態様に係る認識機は、上記態様に係るリザボア素子と、前記リザボア素子にデータを入力する複数のセンサと、を備える。

【0022】

（１２）第４の態様に係る磁性素子の製造方法は、積層膜の一部に溶解可能なマスク層を形成する工程と、前記マスク層を介して積層膜を加工し、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記マスク層及び前記磁気抵抗効果素子の周囲に絶縁層を形成する工程と、前記マスク層を除去し、前記マスク層が除去された部分の一部に導電層を形成する工程と、を備える。

【0023】

（１３）第３の態様に係る磁性素子の製造方法において、前記マスク層は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、レジストからなる群から選択される何れかであってもよい。

【発明の効果】

【0024】

上記態様にかかる磁性素子、磁気メモリ、リザボア素子及び認識機によれば、磁性層の磁化を容易に反転できる。また上記態様に係る磁性素子の製造方法によれば、磁性層の磁化を容易に反転できる磁性素子を工業的に容易に作製できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】第１実施形態にかかる磁性素子の斜視図である。

【図2】第１実施形態にかかる磁性素子の断面図である。

【図3】第１実施形態にかかる磁性素子の平面図である。

【図4】第１実施形態にかかる磁性素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図5】第１実施形態にかかる磁性素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図6】第１実施形態にかかる磁性素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図7】第１実施形態にかかる磁性素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図8】第１実施形態にかかる磁性素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図9】第１変形例にかかる磁性素子の断面図である。

【図10】第２変形例にかかる磁性素子の斜視図である。

【図11】第３変形例にかかる磁性素子の断面図である。

【図12】第４変形例にかかる磁性素子の断面図である。

【図13】第２実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。

【図14】第２実施形態にかかる磁気記録アレイの要部の断面図である。

【図15】第３実施形態にかかるニューロモルフィック素子の概念図である。

【図16】第３実施形態にかかるリザボア素子の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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。

【0027】

まず方向について定義する。＋ｘ方向は、後述する第１配線２０が延びる一方向である。−ｘ方向は、＋ｘ方向と反対の方向である。＋ｘ方向と−ｘ方向を区別しない場合は、単に「ｘ方向」と称する。ｘ方向は、第２方向の一例である。＋ｙ方向は、ｘ方向と直交する一方向である。−ｙ方向は、＋ｙ方向と反対の方向である。＋ｙ方向と−ｙ方向を区別しない場合は、単に「ｙ方向」と称する。ｙ方向は、第３方向の一例である。＋ｚ方向は、後述する磁気抵抗効果素子１０の各層が積層されている方向である。−ｚ方向は、＋ｚ方向と反対の方向である。＋ｚ方向と−ｚ方向を区別しない場合は、単に「ｚ方向」と称する。ｚ方向は、第１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。

【0028】

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。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ず、電気的に接続される場合も含む。本明細書で「面する」とは、２つの部材が互いに接する場合に限定されず、２つの部材の間に別の部材が存在する場合も含む。

【0029】

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁性素子１００の斜視図である。図２は、第１実施形態にかかる磁性素子１００の断面図である。図２は、磁性素子１００を磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で切断した断面図である。図３は、第１実施形態にかかる磁性素子１００の平面図である。

【0030】

磁性素子１００は、例えば、磁気抵抗効果素子１０と第１配線２０と第１磁性体３１と第２磁性体３２と絶縁層４１、４２、４３を有する。磁性素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用して磁化回転を行う素子であり、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化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。磁性素子１００は、磁化の配向方向に応じて情報を記憶する記憶素子として機能する場合もある。

【0031】

磁気抵抗効果素子１０は、第１配線２０と面する。磁気抵抗効果素子１０は、例えば、ｚ方向からの平面視が円形の柱状体である。磁気抵抗効果素子１０のｚ方向からの平面視形状は円形に問わず、例えば楕円形、矩形等でもよい。磁気抵抗効果素子１０の外周長又は直径は、例えば、第１配線２０から離れるに従い大きくなる。磁気抵抗効果素子１０の側面１０ｓは、例えば、ｚ方向に対してｘ方向又はｙ方向に傾斜する。

【0032】

磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、第１配線２０に面する。第２強磁性層２は、例えば、後述する電極６０に面する（図１４参照）。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。

【0033】

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。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１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１の磁化と第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及び第２強磁性層２の磁化は、例えば、ｚ方向又はｘｙ面内のいずれかの方向に配向する。

【0034】

第１強磁性層１及び第２強磁性層２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。

【0035】

第１強磁性層１及び第２強磁性層２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Ｘ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。

【0036】

磁気抵抗効果素子１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。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と反強磁性層とが反強磁性カップリングするとことで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、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。

【0037】

磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。

【0038】

第１配線２０は、ｘ方向に延びる。第１配線２０は、例えば、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向より長い。第１配線２０は、磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１に面する。第１配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。

【0039】

第１配線２０は、電流Ｉ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、金属燐化物のいずれかを含む。第１配線２０は、スピン軌道トルク配線と言われる場合がある。

【0040】

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。

【0041】

第１配線２０は、電流Ｉ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。第１配線２０に電流Ｉが流れると、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とが、それぞれ電流Ｉの流れ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方向に配向した第１スピンＳ１が−ｚ方向に曲げられ、−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２が＋ｚ方向に曲げられる。

【0042】

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Ｓ１の電子数と第２スピンＳ２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Ｓ１の電子数と＋ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数とは等しい。第１スピンＳ１と第２スピンＳ２は、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２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。

【0043】

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Ｊ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、ｚ方向に生じる。第１スピンＳ１は、第１配線２０に面する第１強磁性層１に注入される。第１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ＳＯＴを第１強磁性層１の磁化に与える。

【0044】

第１配線２０は、配線部２１と拡幅部２２とを有する。配線部２１は、第１配線２０の一部である。配線部２１は、ｘ方向に延びる。配線部２１は、例えば、二つのビア配線Ｃｗ（図１４参照）を接続する。配線部２１のｙ方向の側面は、例えば、ｚ方向に対して傾斜する。

【0045】

拡幅部２２は、例えば、ｚ方向において、配線部２１と第１強磁性層１との間に位置する。拡幅部２２は、ｚ方向から見て、ｙ方向の幅ｗ２２が配線部２１の幅ｗ２１より広い。配線部２１のｙ方向の幅ｗ２１は、ｘ方向の位置によらず略一定である。拡幅部２２は、ｚ方向からの平面視で、ｙ方向に突出している。拡幅部２２は、例えば、磁気抵抗効果素子１０とｚ方向に重なる位置にある。拡幅部２２は、ｚ方向からの平面視で、配線部２１と重畳しない第１領域２２Ａと、配線部２１と重畳する第２領域２２Ｂと、を有する。配線部２１は、第２領域２２Ｂに面する。

【0046】

配線部２１のｙ方向の中心位置２１ｃは、第１強磁性層１のｙ方向の中心位置１ｃと異なる。中心位置２１ｃ、１ｃは、ｚ方向からの平面視における幅の中心である。また配線部２１の重心と第１強磁性層１の重心とは、ｙ方向に異なる位置にある。第１配線２０は、ｙ方向に非対称である。第１配線２０の厚みは、ｙ方向の位置によって異なる。第１配線２０の厚みは、第１領域２２Ａと第２領域２２Ｂとのｙ方向の境界位置で、大きく変化する。第１配線２０の＋ｚ方向の第１面は、第１領域２２Ａと第２領域２２Ｂとのｙ方向の境界位置に段差（変曲点）を有する。

【0047】

第１配線２０の主成分は、非磁性の重金属であることが好ましい。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、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。第１配線２０は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗである。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、第１配線２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすくなる。

【0048】

第１配線２０は、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、第１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。

【0049】

第１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。

【0050】

トポロジカル絶縁体は、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。

【0051】

配線部２１と拡幅部２２とは、異なる材料を含んでもよい。拡幅部２２のスピン抵抗は、例えば、配線部２１のスピン抵抗以下である。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、Ｒｓ＝ρλ／Ａで定義される。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、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。

【0052】

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。拡幅部２２のスピン抵抗が配線部２１のスピン抵抗より小さいと、第１強磁性層１にスピンを効率的に供給できる。

【0053】

また例えば、配線部２１と拡幅部２２とは、スピンホール角の極性が異なる。「スピンホール角」は、スピンホール効果の強さの指標の一つであり、第１配線２０に沿って流す電流に対して発生するスピン流の変換効率を示す。スピンホール角の極性が異なると、第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２のｚ方向における移動方向が反対となる。スピンホール角の極性の異なる物質を接触させることで、第１強磁性層１へスピンを注入する効率を高めることができる。

【0054】

第１磁性体３１及び第２磁性体３２は、第１強磁性層１をｘ方向とｙ方向とのうち少なくとも一方に挟む位置にある。第１磁性体３１及び第２磁性体３２は、磁性体を含む。第１磁性体３１及び第２磁性体３２は、例えば永久磁石であり、例えばＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｈｏ−Ｆｅ、Ｓｍ−Ｆｅの合金又はフェライト等の強磁性酸化物である。第１磁性体３１と第２磁性体３２との間には、磁場が生じる。第１磁性体３１及び第２磁性体３２がｘ方向に第１強磁性層１を挟む場合、第１磁性体３１及び第２磁性体３２は第１強磁性層１のｘ方向に磁場を印加する。第１磁性体３１及び第２磁性体３２がｙ方向に第１強磁性層１を挟む場合、第１磁性体３１及び第２磁性体３２第１強磁性層１のｙ方向に磁場を印加する。

【0055】

第１磁性体３１及び第２磁性体３２は、第１強磁性層１に磁場を印加する磁場印加機構の一例である。磁場印加機構は、第１強磁性層１に磁場を印加できればよく、第１磁性体３１及び第２磁性体３２に限られない。例えば、磁場印加機構は、印加磁場強度を可変制御できる電磁石型、ストリップライン型でもよい。また第１強磁性層１には、磁場に変えて電場を印加してもよい。

【0056】

絶縁層４１，４２，４３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４１，４２，４３は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、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（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

【0057】

次いで、磁性素子１００の製造方法について説明する。磁性素子１００の製造方法は、積層膜の一部に溶解可能なマスク層を形成する工程と、マスク層を介して積層膜を加工し、磁気抵抗効果素子を形成する工程と、マスク層及び磁気抵抗効果素子の周囲に絶縁層を形成する工程と、マスク層を除去し、マスク層が除去された部分の一部に導電層を形成する工程と、を有する。

【0058】

まず図４に示すように、強磁性層８０、非磁性層８１、強磁性層８２、導電層８３を順に積層し、積層体を積層する。各層の成膜は、例えばスパッタリング法、化学気相成長法等が用いられる。強磁性層８０は第２強磁性層２の基となる層であり、非磁性層８１は非磁性層３の基となる層であり、強磁性層８２は第１強磁性層１の基となる層であり、導電層８３は第１配線２０の拡幅部２２の基となる層である。各層の材料は、形成後の膜の材料と同様である。

【0059】

次いで、積層体の一部に、第１マスク８４と第２マスク８５とを順に積層する。各層の成膜は、例えばスパッタリング法、化学気相成長法等が用いられる。第１マスク８４は、薬液に溶解可能である。第１マスク８４は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、レジストである。第２マスク８５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ＳｉＯ_２）である。

【0060】

次いで、図５に示すように、第１マスク８４及び第２マスク８５を介して積層体を加工する。積層体は、例えば、イオンミリング等で加工する。第２マスク８５は、例えば、積層体の加工と同時に除去される。第２マスク８５の一部は、残存してもよい。第２マスク８５が残存する場合は、残存した第２マスク８５は、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去される。積層体は加工により磁気抵抗効果素子１０となる。第１マスク８４及び第２マスク８５を用いることで、磁気抵抗効果素子１０のｘｙ面内のサイズが微細化する。磁気抵抗効果素子１０及び拡幅部２２は、ｚ方向からの平面視で、例えば、円形、楕円形に加工される。

【0061】

次いで、図５に示すように、磁気抵抗効果素子１０、拡幅部２２及び第１マスク８４の周囲に、絶縁層４１、磁性層３０、絶縁層４２を順に積層する。磁性層３０は、第１磁性体３１及び第２磁性体３２となる。第１磁性体３１及び第２磁性体３２は、絶縁層４１により磁気抵抗効果素子１０と電気的に絶縁される。

【0062】

次いで、図６に示すように、第１マスク８４を溶解し除去する。第１マスク８４は、第１マスク８４の材料に応じて薬液を選択する。第１マスク８４が除去されることで、絶縁層４１及び拡幅部２２により囲まれる凹部が形成される。

【0063】

次いで、図６に示すように、凹部の一部が露出するように、レジスト８６を形成する。次いで、レジスト８６を介して導電膜を形成する。レジスト８６が形成されていない部分に成膜された導電膜は、配線部２１となる。配線部２１のｚ方向の表面は、例えば、レジスト８６によるシャドー効果により傾斜する。そして、レジスト８６を除去した後に、絶縁層４３で配線部２１を覆うことで、図２に示す磁性素子１００が得られる。

【0064】

また図７に示すように、第１マスク８４を溶解し凹部を形成した後、ｚ方向に対して傾斜した斜め方向からスパッタリングをし、凹部に導電膜２１１を形成してもよい。斜め方向からスパッタリングすることで、凹部の一部に導電膜２１１が形成される。

【0065】

次いで、図８に示すように、導電膜２１１と重なる位置にｘ方向に延びる導電膜２１２を積層する。導電膜２１１，２１２は、第１配線２０の配線部２１となる。そして、絶縁層４３で配線部２１を覆うことで、図２に示す磁性素子１００が得られる。

【0066】

次いで、磁性素子１００の機能について説明する。磁性素子１００は、第１強磁性層１の磁化を容易に反転できる。また磁性素子１００は、外部磁場を印加しなくても（無磁場環境下でも）、安定的に磁化反転を行うことができる。

【0067】

磁性素子１００は、配線部２１のｙ方向の中心位置と第１強磁性層１のｙ方向の中心位置とが異なるため、第１強磁性層１に注入されるスピンの強度のｙ方向の対称性が崩れている。第１強磁性層１に注入されるスピンの強度のｙ方向の対称性が崩れていると、第１強磁性層１の磁化に磁化反転のきっかけを与えることができ、磁化反転が容易になる。その結果、無磁場下でも磁化反転が可能になる。

【0068】

第１配線２０に電流Ｉを印加すると、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の磁化にスピン軌道トルクを与え、磁化反転が生じる。

【0069】

第１配線２０から第１強磁性層１に注入されるスピンの向きはｙ方向に配向している。第１強磁性層１の磁化の向きがｙ方向に向いていない場合、注入されるスピンの向きと第１強磁性層１の磁化の向きが直交する。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る。スピン軌道トルクは、第１強磁性層１の磁化を初期状態から９０°傾けるように作用する。

【0070】

第１強磁性層１に注入されるスピンの強度がｙ方向のいずれの位置でも同じ場合、磁化が９０°傾いた状態から反転する確率と、初期状態に戻る確率は、理論的にはそれぞれ５０％となる。

【0071】

これに対し、第１強磁性層１のｙ方向の各位置で第１強磁性層１に注入されるスピンの強度が異なる場合、第１強磁性層１の磁化が受けるスピン軌道トルクの大きさはｙ方向の各位置で異なる。すなわち、磁化が受ける力のバランスがｙ方向に乱れる。

【0072】

磁化は、歳差運動を起こしながら磁化反転する。磁化の歳差運動は、スピン軌道トルクの影響を受けて増幅される。第１強磁性層１のｙ方向の各位置で磁化が受けるスピン軌道トルクの大きさが異なると歳差運動が乱される。歳差運動が乱れると、磁化が９０°傾いた状態から反転する確率と、元の状態に戻る確率とのバランスが乱れる。その結果、磁化は一方の状態を選択しやすくなり、磁化反転が安定化する。

【0073】

磁化が受けるｙ方向の力のバランスは、外部磁場の印加により乱すこともできるが、磁性素子１００は構造的にｙ方向の力のバランスを乱している。

【0074】

また第１配線２０を流れる電流Ｉは、配線部２１から拡幅部２２に至る際に、急激にｙ方向に広がる。その結果、拡幅部２２において電流はｙ方向の成分も有する。電流がｙ方向に流れると、第１強磁性層１にｘ方向に配向したスピンが注入される。その結果、第１強磁性層１の磁化が受けるスピン軌道トルクのバランスがｘｙ面内でより乱され、第１強磁性層１の磁化反転がより容易になる。

【0075】

以上、第１実施形態にかかる磁性素子１００の一例について詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

【0076】

（第１変形例）
図９は、第１変形例にかかる磁性素子１０１の断面図である。図９は、磁性素子１０１を磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で切断した断面図である。第１変形例にかかる磁性素子１０１は、キャップ層５０を有する点が、図２に示す磁性素子１００と異なる。その他の構成は、磁性素子１００と同様であり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。

【0077】

キャップ層５０は、拡幅部２２の一部に面する。キャップ層５０は、第１領域２２Ａの第１面２２Ａａに面する。一方で、キャップ層５０は、第２領域２２Ｂの第１面２２Ｂａに、面していない。第１領域２２Ａは、ｚ方向から見て、拡幅部２２の配線部２１と重ならない部分であり、第２領域２２Ｂは拡幅部２２の配線部２１と重なる部分である。第１面２２Ａａ，２２Ｂａは、拡幅部２２の磁気抵抗効果素子１０から遠い側の面である。

【0078】

キャップ層５０は、拡幅部２２を構成する元素を含む酸化物、窒化物、硫化物、フッ化物のいずれかを含む。キャップ層５０は、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｗ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２である。キャップ層５０は、例えば、拡幅部２２の一部が自然酸化したものでもよい。

【0079】

また第１領域２２Ａから第１強磁性層１に注入されるスピンの量は、第２領域２２Ｂから第１強磁性層１に注入されるスピンの量より少ない。第２領域２２Ｂは、配線部２１と接し多くの電流が流れるためである。キャップ層５０は、第１領域２２Ａの間に界面を形成し、この界面によるラシュバ効果によって、第１領域２２Ａのスピン流を増大させるという効果を持つ。また、キャップ層５０は絶縁体であることが好ましく、ラシュバ効果によって発生したスピン流がキャップ層５０に流入しにくく、主に第１領域２２Ａのスピン流を増大させるという効果を持つ。相対的にスピンを注入しにくい第１領域２２Ａからのスピンの供給量を増やすことで、第１強磁性層１の磁化反転を容易に行うことができる。

【0080】

またキャップ層は、配線部２１の＋ｚ方向の表面に形成されてもよい。この場合、第１領域２２Ａに面するキャップ層５０と、配線部２１に面するキャップ層のｚ方向の高さ位置が異なる。第１領域２２Ａに面するキャップ層５０は、配線部２１に面するキャップ層より第１強磁性層１に近い位置にある。キャップ層は、界面の効果により結晶歪みを解消するため、キャップ層と他の層との距離が近いほど、結晶性を高める効果が高い。

【0081】

（第２変形例）
図１０は、第２変形例にかかる磁性素子１０２の斜視図である。第２変形例にかかる磁性素子１０２は、配線部２３がｘ方向に離間された２つの部分からなる点が、図１に示す磁性素子１００と異なる。その他の構成は、磁性素子１００と同様であり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。

【0082】

磁性素子１０２は、磁気抵抗効果素子１０と第１配線２６とを備える。第１配線２６は、拡幅部２２と配線部２３とを有する。配線部２３は、ｘ方向に延びる。配線部２３は、第１部分２３１と第２部分２３２とを有する。第１部分２３１と第２部分２３２とは、ｚ方向から見て、拡幅部２２と重なる位置でｘ方向に互いに離間している。配線部２３は、第１部分２３１と第２部分２３２とに分断されているともいえる。第１部分２３１及び第２部分２３２は、拡幅部２２と接続されている。

【0083】

第１配線２６をｘ方向に流れる電流は、第１部分２３１、拡幅部２２、第２部分２３２の順、又は、第２部分２３２、拡幅部２２、第１部分２３１の順に流れる。拡幅部２２のｚ方向の厚みは、例えば、第１部分２３１及び第２部分２３２の厚みより薄い。拡幅部２２における電流密度は、第１部分２３１及び第２部分２３２における電流密度より大きい。第１強磁性層１に面する位置で、第１部分２３１と第２部分２３２とが離間することで、拡幅部２２に流れる電流の電流密度を高めることができる。第１強磁性層１の磁化は、所定の電流密度を超えた時点で、十分なトルクが与えられ、磁化反転する。拡幅部２２の電流密度を高めることで、第１強磁性層１の磁化反転を容易に行うことができる。

【0084】

（第３変形例）
図１１は、第３変形例にかかる磁性素子１０３の断面図である。図１１は、磁性素子１０３を磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で切断した断面図である。第３変形例にかかる磁性素子１０３は、拡幅部２５と配線部２４との位置関係が、図２に示す磁性素子１００と異なる。その他の構成は、磁性素子１００と同様であり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。

【0085】

磁性素子１０３は、磁気抵抗効果素子１０と第１配線２７とを備える。第１配線２７は、配線部２４と拡幅部２５とを有する。配線部２４は、ｘ方向に延びる。拡幅部２５は、ｚ方向から見て、配線部２４よりｙ方向に突出している。拡幅部２５は、ｚ方向に配線部２４と重畳しない第１領域２５Ａと、ｚ方向に配線部２４と重畳する第２領域２５Ｂを含む。第１領域２５Ａの第１面２５Ａａは、第２領域２５Ｂの第１面２５Ｂａより＋ｚ方向に位置する。第２領域２５Ｂの厚みｈ２は、第１領域２５Ａの厚みｈ１より薄い。拡幅部２５は、第１領域２５Ａと第２領域２５Ｂとの境界に段差を有する。段差は、例えば、図６における配線部２１を積層する前に、拡幅部２２の表面酸化膜を除去する際に形成される。

【0086】

配線部２４は、第２領域２５Ｂに面する。配線部２４と第１強磁性層１との距離（第２領域２５Ｂの厚みｈ２）が近づくほど、配線部２４から第１強磁性層１に供給されるスピンの量が増加する。

【0087】

（第４変形例）
図１２は、第４変形例にかかる磁性素子１０４の断面図である。第４変形例にかかる磁性素子１０４は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点が、図１に示す磁性素子１００と異なる。その他の構成は、磁性素子１００と同様であり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。

【0088】

磁性素子１０４は、単独で、異方性磁気センサ、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利用できる。

【0089】

第４変形例にかかる磁性素子１０４は、非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、磁性素子１００と同様に、データの書き込み効率を高めることができる。

【0090】

第１実施形態にかかる磁性素子について、いくつかの例を示し、具体的に説明した。これらの例は磁性素子の一例であり、磁性素子はこれらの例に限定されるものではない。例えば、第１変形例から第４変形例の特徴的な構成を組み合わせてもよい。

【0091】

「第２実施形態」
第１実施形態にかかる磁性素子１００、１０１、１０２、１０３、１０４は、例えば、磁気記録アレイとして用いることができる。図１３は、第２実施形態にかかる磁気記録アレイ３００の構成図である。

【0092】

磁気記録アレイ３００は、複数の磁性素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ３００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。

【0093】

書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁性素子１００とを電気的に接続する。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎ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。共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁性素子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Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の磁性素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁性素子１００に亘って設けられてもよい。読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁性素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ３００に接続される。

【0094】

図１３に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、複数の磁性素子１００のそれぞれに接続されている。第１スイッチング素子１１０は、磁性素子１００のそれぞれと書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁性素子１００のそれぞれと共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁性素子１００のそれぞれと読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に接続されている。

【0095】

第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁性素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁性素子１００に接続された共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。

【0096】

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０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１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０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。

【0097】

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁性素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。

【0098】

図１４は、磁気記録アレイ３００を構成する半導体装置２００の断面図である。図１４は、磁性素子１００を後述する第１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。半導体装置２００は、磁性素子１００と、磁性素子１００に接続された複数のスイッチング素子（第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０）とを有する。第３スイッチング素子１３０は、図１４に示す断面上には存在せず、例えば紙面奥行き方向（−ｙ方向）に位置する。第３スイッチング素子１３０は、ｙ方向に延びる電極６０と電気的に接続される。電極６０は導体であり、例えばＣｕ、Ａｌである。

【0099】

図１４に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、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領域Ｓ及びドレイン領域Ｄと、を有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

【0100】

トランジスタＴｒのそれぞれと磁性素子１００との間は、複数のビア配線Ｃｗを介して、電気的に接続されている。ビア配線Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。ビア配線Ｃｗは、ｚ方向に延びる。

【0101】

磁性素子１００とトランジスタＴｒとは、ビア配線Ｃｗを除いて、絶縁層４０によって電気的に分離されている。絶縁層４０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４１、４２、４３は、絶縁層４０の一部である。

【0102】

第２実施形態にかかる磁気記録アレイ３００は、第１実施形態にかかる磁性素子１００を含む。それぞれの磁性素子１００は磁化反転しやすく、反転電流密度を小さくできる。その結果、磁気記録アレイ３００の消費電力を低減できる。磁性素子１００は、例えば、変形例にかかる他の磁性素子としてもよい。

【0103】

「第３実施形態」
第１実施形態にかかる磁性素子１００、１０１、１０２、１０３、１０４は、例えば、リザボア素子として用いることができる。リザボア素子は、ニューロモルフィック素子の一つであるリザボアコンピュータに用いられる素子である。ニューロモルフィック素子は、ニューラルネットワークにより人間の脳を模倣した素子である。ニューロモルフィック素子は、例えば、認識機として用いられる。認識機は、例えば、入力された画像を認識（画像認識）して分類する。

【0104】

図１５は、第３実施形態にかかるニューロモルフィック素子５００の概念図である。ニューロモルフィック素子５００は、入力部４０１とリザボア素子４００と出力部４０２とを有する。入力部４０１及び出力部４０２は、リザボア素子４００に接続されている。

【0105】

ニューロモルフィック素子５００は、入力部４０１から入力された信号を、リザボア素子４００で圧縮し、出力部４０２で圧縮された信号に重み付け（学習）を行い、外部に信号を出力する。

【0106】

入力部４０１は、外部から入力された信号をリザボア素子４００に伝える。入力部４０１は、例えば、複数のセンサを含む。複数のセンサは、ニューロモルフィック素子５００の外部の情報を感知し、リザボア素子４００に情報を信号として入力する。信号は、外部の情報の変化を経時的に連続してリザボア素子４００に入力してもよいし、所定のタイムドメインで分割してリザボア素子４００に入力してもよい。

【0107】

リザボア素子４００は、複数のチップＣｐを有する。複数のチップＣｐは、相互作用する。リザボア素子４００に入力される信号は、多数の情報をもつ。信号がもつ多数の情報は、複数のチップＣｐが相互作用することで、必要な情報に圧縮される。圧縮された信号は、出力部４０２に伝わる。リザボア素子４００は、学習をしない。すなわち、複数のチップＣｐはそれぞれ相互作用するだけであり、複数のチップＣｐの間を伝達する信号に重み付けは行わない。

【0108】

出力部４０２は、リザボア素子４００のチップＣｐから信号を受け取る。出力部４０２は、学習する。出力部４０２は、各チップＣｐからの信号ごとに、学習により重み付けをする。出力部４０２は、例えば、不揮発性メモリを含む。不揮発性メモリは、例えば、磁気抵抗効果素子である。出力部４０２は、ニューロモルフィック素子５００の外部に信号を出力する。

【0109】

ニューロモルフィック素子５００は、リザボア素子４００でデータを圧縮し、出力部４０２でデータに重み付けをすることで、問題の正答率を高める。

【0110】

またニューロモルフィック素子５００は、消費電力に優れる。ニューロモルフィック素子５００において学習は、出力部４０２のみで行われる。学習は、各チップＣｐから伝わる信号の重みを調整することである。信号の重みは、信号の重要度に応じて決定される。信号の重みを随時調整すると、チップＣｐ間の回路がアクティブになる。アクティブな回路が多いほど、ニューロモルフィック素子５００の消費電力は大きくなる。ニューロモルフィック素子５００は、最終段階の出力部４０２のみ学習すればよく、消費電力に優れる。

【0111】

図１６は、第３実施形態にかかるリザボア素子の斜視図である。リザボア素子４００は、ビア配線Ｃｗと第１配線２０と第１強磁性層１とスピン伝導層４１０とを備える。

【0112】

スピン伝導層４１０は、例えば、複数の第１強磁性層１の間を繋ぐ。スピン伝導層４１０は、例えば、非磁性の導電体からなる。スピン伝導層４１０は、第１強磁性層１から染みだしたスピン流を伝播する。

【0113】

スピン伝導層４１０は、例えば、金属又は半導体である。スピン伝導層４１０に用いられる金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選択されるいずれかの元素を含む金属又は合金である。スピン伝導層４１０に用いられる半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃからなる群から選択されるいずれかの元素の単体又は合金である。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ化合物、ＧａＡｓ、グラフェン等が挙げられる。

【0114】

第１配線２０に電流Ｉが流れると、第１強磁性層１にスピンが注入され、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルクが加わる。第１配線２０に高周波電流を印加すると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが変化し、第１強磁性層１の磁化は振動する。

【0115】

スピン流は、第１強磁性層１からスピン伝導層４１０に至る。第１強磁性層１の磁化は振動しているため、スピン伝導層４１０を流れるスピン流も磁化に対応して振動する。第１強磁性層１とスピン伝導層４１０との界面に蓄積されたスピンは、スピン流としてスピン伝導層４１０内を伝播する。

【0116】

二つの第１強磁性層１の磁化がそれぞれ生み出すスピン流は、スピン伝導層４１０内で合流し、干渉する。スピン流の干渉は、それぞれの第１強磁性層１の磁化の振動に影響を及ぼし、二つの第１強磁性層１の磁化の振動が共振する。二つの磁化の振動の位相は、同期する又は半波長（π）ずれる。

【0117】

第１配線２０への電流Ｉの印加が止まると、第１強磁性層１磁化の振動は止まる。共振後の第１強磁性層１の磁化は、平行又は反平行となる。２つの振動の位相が同期した場合、二つの磁化の向きが揃い平行となる。２つの振動の位相が半波長（π）ずれた場合は、２つの磁化の向きが逆向きになり、反平行となる。

【0118】

２つの第１強磁性層１の磁化が平行な場合は、リザボア素子４００の抵抗値は反平行な場合より小さくなる。リザボア素子４００は、例えば、リザボア素子４００の抵抗値が大きい場合（２つの磁化が反平行な場合）に“１”、小さい場合（２つの磁化が平行な場合）に“０”の情報を出力する。

【0119】

第１配線２０に入力される電流Ｉは、様々な情報を有する。例えば、電流Ｉの周波数、電流密度、電流量等である。一方で、リザボア素子４００は、抵抗値として、“１”、 “０”の情報を出力する。すなわち、第１実施形態にかかるリザボア素子４００は、複数の第１強磁性層１の磁化の振動をスピン流に変換して、スピン伝導層４１０内で干渉することで、情報を圧縮する。第１強磁性層１は、図１５におけるチップＣｐに対応する。

【0120】

第３実施形態にかかるニューロモルフィック素子５００は、第１実施形態にかかる磁性素子１００を含む。それぞれの磁性素子１００は磁化反転しやすく、反転電流密度を小さくできる。その結果、ニューロモルフィック素子５００の消費電力を低減できる。磁性素子１００は、例えば、変形例にかかる他の磁性素子としてもよい。

【符号の説明】

【0121】

１ 第１強磁性層
１ｃ、２１ｃ 中心位置
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
１０ 磁気抵抗効果素子
２０、２６、２７ 第１配線
２１、２３、２４ 配線部
２２、２５ 拡幅部
２２Ａ、２５Ａ 第１領域
２２Ｂ、２５Ｂ 第２領域
３１ 第１強磁性体
３２ 第２強磁性体
４０、４１、４２、４３ 絶縁層
５０ キャップ層
６０ 電極
８０、８２ 強磁性層
８１ 非磁性層
８３ 導電層
８４ 第１マスク
８５ 第２マスク
８６ レジスト
１００、１０１、１０２、１０３、１０４ 磁性素子
１１０ 第１スイッチング素子
１２０ 第２スイッチング素子
１３０ 第３スイッチング素子
２００ 半導体装置
２１１、２１２ 導電膜
２３１ 第1部分
２３２ 第２部分
３００ 磁気記録アレイ
４００ リザボア素子
４０１ 入力部
４０２ 出力部
４１０ スピン伝導層
５００ ニューロモルフィック素子
ｗ２１、ｗ２２ 幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】