特開2022-102900磁化制御デバイス、磁化制御デバイスの製造方法、及び磁気メモリ装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022102900
(43)【公開日】2022-07-07
(54)【発明の名称】磁化制御デバイス、磁化制御デバイスの製造方法、及び磁気メモリ装置
(51)【国際特許分類】
H01L 43/08 20060101AFI20220630BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20220630BHJP
H01L 21/8239 20060101ALI20220630BHJP
H01L 43/12 20060101ALI20220630BHJP
H01F 10/12 20060101ALI20220630BHJP
【ＦＩ】
H01L43/08 Z
H01L29/82 Z
H01L27/105 447
H01L43/12
H01F10/12
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020217944
(22)【出願日】2020-12-25
(71)【出願人】
【識別番号】399030060
【氏名又は名称】学校法人 関西大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】本多 周太
【テーマコード（参考）】
4M119
5E049
5F092
【Ｆターム（参考）】
4M119AA17
4M119BB01
4M119BB03
4M119CC05
4M119CC10
4M119DD22
4M119DD47
4M119EE03
4M119GG10
5E049AA01
5E049AA04
5E049AA07
5E049BA06
5E049CB01
5F092AA15
5F092AB08
5F092AC08
5F092AC12
5F092AC26
5F092AD25
5F092CA11
5F092EA01
5F092GA01
(57)【要約】
【課題】スピンの偏りを増大させて高速化、省エネルギー化することができる磁化制御デバイスを提供する。
【解決手段】磁化制御デバイス（１）は、非磁性金属（３）と、非磁性金属（３）の第１面（４）の一部に形成された第１の強磁性体（２）と、非磁性金属（３）の第１面（４）の反対側の第２面（５）の一部に形成されたスピン拡散領域（６）とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】磁化制御デバイス（１）は、非磁性金属（３）と、非磁性金属（３）の第１面（４）の一部に形成された第１の強磁性体（２）と、非磁性金属（３）の第１面（４）の反対側の第２面（５）の一部に形成されたスピン拡散領域（６）とを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
非磁性金属と、
前記非磁性金属の第１面の一部に形成された第１の強磁性体と、
前記非磁性金属の第１面の反対側の第２面の一部に形成されたスピン拡散領域と、
を備え、
前記非磁性金属に電流を流すことにより、第１方向スピンが前記第１面の側に蓄積され、
前記第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンが前記第２面の側に蓄積され、
前記第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、前記第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために前記第１の強磁性体に注入され、
前記第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、前記第２面から前記スピン拡散領域に移動することを特徴とする磁化制御デバイス。
前記非磁性金属の第１面の一部に形成された第１の強磁性体と、
前記非磁性金属の第１面の反対側の第２面の一部に形成されたスピン拡散領域と、
を備え、
前記非磁性金属に電流を流すことにより、第１方向スピンが前記第１面の側に蓄積され、
前記第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンが前記第２面の側に蓄積され、
前記第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、前記第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために前記第１の強磁性体に注入され、
前記第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、前記第２面から前記スピン拡散領域に移動することを特徴とする磁化制御デバイス。
【請求項2】
前記スピン拡散領域の少なくとも一部が、前記第１の強磁性体と対応する位置に配置されている請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項3】
前記スピン拡散領域は、前記非磁性金属の前記第２面から突出している請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項4】
前記スピン拡散領域が、複数の領域に分割されている請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項5】
前記第１の強磁性体から前記非磁性金属を見た上面視において、前記スピン拡散領域が、前記第１の強磁性体を包含する位置に形成されている請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項6】
前記スピン拡散領域が、前記非磁性金属と同じ材料により構成されている請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項7】
前記スピン拡散領域が、重金属、強磁性金属、ハーフメタル、及び、強磁性絶縁体のうちの少なくとも一つにより構成されている請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項8】
前記スピン拡散領域の厚さが、前記スピン拡散領域のスピン拡散長の１倍以上３倍以下である請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項9】
前記スピン拡散領域が、前記電流が流れる方向に交差する方向に沿って延伸する複数の領域に分割されている請求項４に記載の磁化制御デバイス。
【請求項10】
前記スピン拡散領域が基板上に形成され、
前記非磁性金属が、前記スピン拡散領域を覆うように前記基板上に形成され、
前記スピン拡散領域の側壁と前記非磁性金属とを絶縁する絶縁体をさらに備える請求項１に記載の磁化制御デバイス。
前記非磁性金属が、前記スピン拡散領域を覆うように前記基板上に形成され、
前記スピン拡散領域の側壁と前記非磁性金属とを絶縁する絶縁体をさらに備える請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項11】
前記非磁性金属が、第１方向に沿って延伸する第１配線と、前記第１方向に交差する第２方向に沿って延伸する第２配線とを含む請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項12】
前記非磁性金属の前記第１面又は第２面に設けられ、前記電流を流すための電極を有する補助強磁性体をさらに備える請求項１に記載の磁化制御デバイス。
【請求項13】
請求項１に記載の磁化制御デバイスの製造方法であって、
絶縁体基板にイオン化不純物又は強磁性金属をドーピングして前記スピン拡散領域を形成する工程と、
前記絶縁体基板及び前記スピン拡散領域の上に前記非磁性金属及び前記第１の強磁性体をこの順番にエッチングにより積層する工程と、
を包含することを特徴とする磁化制御デバイスの製造方法。
絶縁体基板にイオン化不純物又は強磁性金属をドーピングして前記スピン拡散領域を形成する工程と、
前記絶縁体基板及び前記スピン拡散領域の上に前記非磁性金属及び前記第１の強磁性体をこの順番にエッチングにより積層する工程と、
を包含することを特徴とする磁化制御デバイスの製造方法。
【請求項14】
請求項１に記載の磁化制御デバイスの製造方法であって、
基板に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に前記スピン拡散領域のための溝をエッチングにより形成する工程と、
前記スピン拡散領域を前記溝に形成する工程と、
前記絶縁層及び前記スピン拡散領域の上に前記非磁性金属及び前記第１の強磁性体をこの順番にエッチングにより積層する工程と、
を包含することを特徴とする磁化制御デバイスの製造方法。
基板に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層に前記スピン拡散領域のための溝をエッチングにより形成する工程と、
前記スピン拡散領域を前記溝に形成する工程と、
前記絶縁層及び前記スピン拡散領域の上に前記非磁性金属及び前記第１の強磁性体をこの順番にエッチングにより積層する工程と、
を包含することを特徴とする磁化制御デバイスの製造方法。
【請求項15】
非磁性金属と、
前記非磁性金属の第１面の一部に形成された第１の強磁性体と、
前記非磁性金属の第１面の反対側の第２面の一部に形成されたスピン拡散領域と、
前記第１の強磁性体の、前記非磁性金属と接する面の反対側の面に形成された絶縁体と、
前記絶縁体の、前記第１の強磁性体と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体と、
を備え、
前記非磁性金属に電流を流すことにより、第１方向スピンが前記第１面の側に蓄積され、
前記第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンが前記第２面の側に蓄積され、
前記第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、前記第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために前記第１の強磁性体に注入され、
前記第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、前記第２面から前記スピン拡散領域に移動することを特徴とする磁気メモリ装置。
前記非磁性金属の第１面の一部に形成された第１の強磁性体と、
前記非磁性金属の第１面の反対側の第２面の一部に形成されたスピン拡散領域と、
前記第１の強磁性体の、前記非磁性金属と接する面の反対側の面に形成された絶縁体と、
前記絶縁体の、前記第１の強磁性体と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体と、
を備え、
前記非磁性金属に電流を流すことにより、第１方向スピンが前記第１面の側に蓄積され、
前記第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンが前記第２面の側に蓄積され、
前記第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、前記第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために前記第１の強磁性体に注入され、
前記第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、前記第２面から前記スピン拡散領域に移動することを特徴とする磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スピン軌道トルク（Spin Orbit Torque：ＳＯＴ）磁化反転に基づく磁化制
御デバイス、磁化制御デバイスの製造方法、及び磁気メモリ装置に関する。
御デバイス、磁化制御デバイスの製造方法、及び磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
スピン軌道トルクにより磁化の向きを制御させる方法に基づく磁化制御デバイスが知られている（特許文献１）。この特許文献１に記載の磁化制御デバイスは、強磁性体と、強磁性体の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、強磁性体の一面に形成された非磁性金属と、非磁性金属のいずれかの面の、積層方向からの平面視において強磁性体の外側に形成された強磁性電極と、を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2018-195730号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述のようなスピン軌道トルク磁化反転に基づく磁化制御デバイスは、より少ない電流でより多量のスピンを強磁性体に注入して強磁性体の磁化の反転や制御を高速化、省エネルギー化するために、非磁性金属と強磁性体との界面に多量のスピンを溜めてスピンの偏り（スピン蓄積）を増大させることが求められる。
上記特許文献１は、スピン軌道トルクに加えて、強磁性電極から流れるスピン偏極電流により拡散する偏極スピンを利用することで、強磁性体の磁化の向きを容易に変えることができる構成を開示しているが、非磁性金属と強磁性体との界面に多量のスピンを溜めてスピンの偏りを増大させるスピン軌道トルクの構成についての知見は示されていない。
上記特許文献１は、スピン軌道トルクに加えて、強磁性電極から流れるスピン偏極電流により拡散する偏極スピンを利用することで、強磁性体の磁化の向きを容易に変えることができる構成を開示しているが、非磁性金属と強磁性体との界面に多量のスピンを溜めてスピンの偏りを増大させるスピン軌道トルクの構成についての知見は示されていない。
【0005】
本発明の一態様は、非磁性金属と強磁性体との界面のスピンの偏りを増大させて強磁性体の磁化反転および磁化の向きの制御を高速化、省エネルギー化することができる磁化制御デバイス、磁化制御デバイスの製造方法、及び磁気メモリ装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、非磁性金属と、前記非磁性金属の第１面の一部に形成された第１の強磁性体と、前記非磁性金属の第１面の反対側の第２面の一部に形成されたスピン拡散領域と、を備え、前記非磁性金属に電流を流すことにより、第１方向スピンが前記第１面の側に蓄積され、前記第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンが前記第２面の側に蓄積され、前記第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、前記第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために前記第１の強磁性体に注入され、前記第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、前記第２面から前記スピン拡散領域に移動することを特徴とする。
【0007】
この特徴によれば、非磁性金属を流れる電流の伝導電子に作用するスピン軌道相互作用により第１方向スピンが非磁性金属の第１面の側に蓄積される（スピンホール効果）。第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために第１の強磁性体に注入される。すると、第１の強磁性体から第１方向スピンと逆向きの第２方向スピンが非磁性金属へ戻ってくる。第１の強磁性体から戻ってくるスピンや、第１の強磁性体から戻ってくるスピンと同じ向きを向いたスピンを逆流スピンと呼ぶことに
する。
する。
【0008】
一方、第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンがスピン軌道相互作用により非磁性金属の第２面の側に蓄積され、第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、第２面からスピン拡散領域に移動する。これに伴い、逆流スピンが非磁性金属の第１面から第２面に移動するので、非磁性金属の第１面の第１方向スピンの割合を増加させることができる。この結果、第１の強磁性体へ注入されるスピンの偏りや第１方向スピンの量を増大させて、第１の強磁性体の磁化の反転や磁化の向きの制御を高速化、省エネルギー化することができる磁化制御デバイスを実現することができる。ここで、「磁化の向きの制御」とは、磁化の向きを一定方向に変更することも含まれる。
【0009】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域の少なくとも一部が、前記第１の強磁性体と対応する位置に配置されていることが好ましい。
【0010】
上記構成により、第２方向スピンがスピン拡散領域に移動する第２面の位置が第１の強磁性体と対応するので、第１の強磁性体から戻ってきた逆流スピンが非磁性金属の第１面から第２面側に移動しやすくなる。
【0011】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域は、前記非磁性金属の前記第２面から突出していることが好ましい。
【0012】
上記構成により、第２方向スピンがスピン拡散領域に移動しやすくなる。
【0013】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域が、複数の領域に分割されていることが好ましい。
【0014】
上記構成により、スピン拡散領域を流れる電流が減少するので、非磁性金属を流れる電流が増大し、第１の強磁性体へのスピン注入量が増大する。
【0015】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記第１の強磁性体から前記非磁性金属を見た上面視において、前記スピン拡散領域が、前記第１の強磁性体を包含する位置に形成されていることが好ましい。
【0016】
上記構成により、非磁性金属の第２面からスピン拡散領域に移動する第２方向スピンがより多くなるので、逆流スピンが非磁性金属の第１面から第２面側により移動しやすくなる。
【0017】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域が、前記非磁性金属と同じ材料により構成されていることが好ましい。
【0018】
上記構成により、スピン拡散領域が非磁性金属と同じ材料により構成されるので、第２方向スピンが非磁性金属の第２面からスピン拡散領域に移動しやすくなる。
【0019】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域が、重金属、強磁性金属、ハーフメタル、及び、強磁性絶縁体のうちの少なくとも一つにより構成されていることが好ましい。
【0020】
スピン拡散領域が、重金属、強磁性金属、ハーフメタル、及び、強磁性絶縁体のうちの少なくとも一つにより構成されていると、第２方向スピンが非磁性金属の第２面からスピン拡散領域に移動した後、スピンが拡散されやすくなる。もしくは、スピン拡散領域と非
磁性金属との界面でスピンが拡散される。
磁性金属との界面でスピンが拡散される。
【0021】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域の厚さが、前記スピン拡散領域のスピン拡散長の１倍以上３倍以下であることが好ましい。
【0022】
スピン拡散領域の厚さがスピン拡散領域のスピン拡散長の１倍以上３倍以下であると、第２方向スピンが非磁性金属の第２面からスピン拡散領域に移動した後、十分に拡散される。
【0023】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域が、前記電流が流れる方向に交差する方向に沿って延伸する複数の領域に分割されていることが好ましい。
【0024】
上記構成により、スピン拡散領域の分割された複数の領域を流れる電流が減少するので、非磁性金属を流れる電流が増大し、第１の強磁性体へのスピン注入量が増大する。
【0025】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記スピン拡散領域が基板上に形成され、前記非磁性金属が、前記スピン拡散領域を覆うように前記基板上に形成され、前記スピン拡散領域の側壁と前記非磁性金属とを絶縁する絶縁体をさらに備えることが好ましい。
【0026】
上記構成により、スピン拡散領域を基板の中に形成する必要が無く、磁化制御デバイスを容易に作成することができる。
【0027】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記非磁性金属が、第１方向に沿って延伸する第１配線と、前記第１方向に交差する第２方向に沿って延伸する第２配線とを含むことが好ましい。
【0028】
上記構成により、第１の強磁性体に注入されるスピンの偏極方向（第１方向スピンのスピンの向き）を磁化の反転・制御に適した向きに最適化することができる。
【0029】
本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記非磁性金属の前記第１面又は第２面に設けられ、前記電流を流すための電極を有する補助強磁性体をさらに備えることが好ましい。
【0030】
上記構成により、大きくスピン偏極した電流を第１の強磁性体の下側に効率良く生成することができる。
【0031】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁化制御デバイスの製造方法は、本発明の一態様に係る磁化制御デバイスの製造方法であって、絶縁層にイオン化不純物又は強磁性金属をドーピングして前記スピン拡散領域を形成する工程と、前記絶縁層及び前記スピン拡散領域の上に前記非磁性金属及び前記第１の強磁性体をこの順番にエッチングにより積層する工程と、を包含することを特徴とする。
【0032】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁化制御デバイスの製造方法は、本発明の一態様に係る磁化制御デバイスの製造方法であって、基板に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に前記スピン拡散領域のための溝をエッチングにより形成する工程と、前記スピン拡散領域を前記溝に形成する工程と、前記絶縁層及び前記スピン拡散領域の上に前記非磁性金属及び前記第１の強磁性体をこの順番にエッチングにより積層する工程と、を包含することを特徴とする。
【0033】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁気メモリ装置は、非磁性金属と
、前記非磁性金属の第１面の一部に形成された第１の強磁性体と、前記非磁性金属の第１面の反対側の第２面の一部に形成されたスピン拡散領域と、前記第１の強磁性体の、前記非磁性金属と接する面の反対側の面に形成された絶縁体と、前記絶縁体の、前記第１の強磁性体と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体と、を備え、前記非磁性金属に電流を流すことにより、第１方向スピンが前記第１面の側に蓄積され、前記第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンが前記第２面の側に蓄積され、前記第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、前記第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために前記第１の強磁性体に注入され、前記第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、前記第２面から前記スピン拡散領域に移動することを特徴とする。
、前記非磁性金属の第１面の一部に形成された第１の強磁性体と、前記非磁性金属の第１面の反対側の第２面の一部に形成されたスピン拡散領域と、前記第１の強磁性体の、前記非磁性金属と接する面の反対側の面に形成された絶縁体と、前記絶縁体の、前記第１の強磁性体と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体と、を備え、前記非磁性金属に電流を流すことにより、第１方向スピンが前記第１面の側に蓄積され、前記第１方向スピンと逆方向を向いた第２方向スピンが前記第２面の側に蓄積され、前記第１面の側に蓄積された第１方向スピンが、前記第１の強磁性体の磁化の向きを変更させるために前記第１の強磁性体に注入され、前記第２面の側に蓄積された第２方向スピンが、前記第２面から前記スピン拡散領域に移動することを特徴とする。
【発明の効果】
【0034】
本発明の一態様によれば、第１の強磁性体へ注入されるスピンの偏りや量を増大させて、第１の強磁性体の磁化の反転や制御を高速化、省エネルギー化することができる磁化制御デバイス、磁化制御デバイスの製造方法、及び磁気メモリ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】実施形態１に係る磁化制御デバイスの斜視図である。
【図2】実施形態１に係る磁化制御デバイスのスピンの動作を説明するための図である。
【図3】スピン拡散領域がない場合の磁気メモリ装置の斜視図である。
【図4】磁化制御デバイスの磁化反転動作を説明するための図である。
【図5】磁気メモリ装置のスピンの動作を説明するための図である。
【図6】実施形態１に係る磁化制御デバイスに設けられたスピン拡散領域を説明するための断面図である。
【図8】実施形態１に係る磁化制御デバイスに設けられた他のスピン拡散領域を説明するための断面図である。
【図9】実施形態１に係る磁化制御デバイスに設けられたさらに他のスピン拡散領域を説明するための断面図である。
【図10】実施形態１に係る磁化制御デバイスに設けられたさらに他のスピン拡散領域を説明するための断面図である。
【図11】実施形態１に係る磁化制御デバイスに設けられたスピン拡散領域の長さとスピン注入効率との間の関係を示すグラフである。
【図12】実施形態１に係る磁化制御デバイスのスピン拡散領域が複数の領域に分割された例を示す断面図である。
【図14】実施形態１に係る磁化制御デバイスのスピン拡散領域が複数の領域に分割された他の例を示す断面図である。
【図16】実施形態１に係る磁化制御デバイスのスピン拡散領域が複数の領域に分割されたさらに他の例を示す断面図である。
【図18】実施形態１の変形例に係る磁化制御デバイスの断面図である。
【図19】実施形態１に係る磁化制御デバイスの電流密度を示す断面図である。
【図20】実施形態１に係る磁化制御デバイスのスピン拡散領域が複数の領域に分割された他の例の電流密度を示す断面図である。
【図21】実施形態２に係る磁化制御デバイスの断面図である。
【図23】実施形態３に係る磁化制御デバイスの断面図である。
【図24】上記磁化制御デバイスの下面図である。
【図25】実施形態４に係る磁化制御デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図26】実施形態４に係る磁化制御デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図27】実施形態４に係る磁化制御デバイスの製造方法を示す断面図である。
【図28】実施形態４に係る磁化制御デバイスの他の製造方法を示す断面図である。
【図29】実施形態４に係る磁化制御デバイスの他の製造方法を示す断面図である。
【図30】実施形態４に係る磁化制御デバイスの他の製造方法を示す断面図である。
【図31】実施形態４に係る磁化制御デバイスの他の製造方法を示す断面図である。
【図32】実施形態５に係る磁気メモリ装置の模式図である。
【図33】実施形態５に係る磁気メモリの回路模式図である。
【図34】実施形態５に係るさらに他の磁気メモリの回路図である。
【図35】上記磁気メモリ装置のトンネル磁気抵抗素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0036】
〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
【0037】
（磁化制御デバイス１の構成）
図１は実施形態１に係る磁化制御デバイス１の斜視図である。図２は磁化制御デバイス１のスピンの動作を説明するための図である。図３はスピン拡散領域がない場合の磁気メモリ装置の斜視図である。図４は上記磁化制御デバイスの磁化反転動作を説明するための図である。図５は上記磁化制御デバイスのスピンの動作を説明するための図である。
図１は実施形態１に係る磁化制御デバイス１の斜視図である。図２は磁化制御デバイス１のスピンの動作を説明するための図である。図３はスピン拡散領域がない場合の磁気メモリ装置の斜視図である。図４は上記磁化制御デバイスの磁化反転動作を説明するための図である。図５は上記磁化制御デバイスのスピンの動作を説明するための図である。
【0038】
磁化制御デバイス１は、第１の強磁性体２と、Ｘ方向に沿って延伸して形成され、第１の強磁性体２側に形成された第１面４と第１面４の反対側に形成された第２面５とを有する非磁性金属３と、第２面５の一部に形成されたスピン拡散領域６とを備える。
【0039】
Ｘ方向に非磁性金属３を流れる電流の伝導電子に作用するスピン軌道相互作用により、第１方向スピン７が第１面４の側に図５に示すように蓄積される。同時に、第１方向スピン７と逆方向を向いた第２方向スピン８がスピン軌道相互作用により第２面５に蓄積される（スピンホール効果）。
【0040】
そして、第１面４に蓄積された第１方向スピン７が、図２及び図５に示すように、第１の強磁性体２の磁化を反転（制御）させるために第１の強磁性体２に注入される。また、第２面５に蓄積された第２方向スピン８が、図２に示すように、第２面５からスピン拡散領域６に移動する。
【0041】
スピン拡散領域６の少なくとも一部は、第１の強磁性体２と対応する位置に配置されていることが好ましい。図１及び図２に示す例では、スピン拡散領域６は、第１の強磁性体２に垂直なＺ方向から見て、Ｘ方向に沿って第１の強磁性体２と重畳し、Ｙ方向に沿って第１の強磁性体２を包含する位置に配置されている。
【0042】
スピン拡散領域６は、非磁性金属３の第２面５から突出していてもよい。
【0043】
スピン拡散領域６は、第１の強磁性体２と同じ材料により構成されていることが好ましい。また、スピン拡散領域６は、重金属、強磁性金属、ハーフメタル、及び、強磁性絶縁体のうちの少なくとも一つにより構成されていてもよい。
【0044】
スピン拡散領域６の厚さは、スピン拡散領域６のスピン拡散長の１倍以上３倍以下であることが好ましい。
【0045】
磁化制御デバイス１は、スピン軌道トルク磁化反転（磁化制御）を用いた磁気メモリ構造を有する。非磁性金属３の上に、スピン注入によって磁化の向きが制御させられる磁気フリーの第１の強磁性体２が積層されている。非磁性金属３としては、例えば重金属（heavy metal：ＨＭ）リードが用いられる。さらに、第１の強磁性体２の上に絶縁体１４、
第２の強磁性体１５がこの順で積層されていてもよい。なお、図１及び図２では、説明の容易化のため、絶縁体１４及び第２の強磁性体１５は省略して示している。非磁性金属３と、第１の強磁性体２と、スピン拡散領域６と、絶縁体１４と、第２の強磁性体１５と、で本願の磁気メモリ装置が構成される（図３２参照）。
第２の強磁性体１５がこの順で積層されていてもよい。なお、図１及び図２では、説明の容易化のため、絶縁体１４及び第２の強磁性体１５は省略して示している。非磁性金属３と、第１の強磁性体２と、スピン拡散領域６と、絶縁体１４と、第２の強磁性体１５と、で本願の磁気メモリ装置が構成される（図３２参照）。
【0046】
これらの第１の強磁性体２と絶縁体１４と第２の強磁性体１５とでトンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto Resistance：ＴＭＲ）素子１６を形成している。絶縁体１４は非磁性金
属でもよく、この場合は、上記第１の強磁性体２と、非磁性金属と、第２の強磁性体１５との３層で巨大磁気抵抗（Giant Magnetic Resistance:ＧＭＲ）素子となる。
属でもよく、この場合は、上記第１の強磁性体２と、非磁性金属と、第２の強磁性体１５との３層で巨大磁気抵抗（Giant Magnetic Resistance:ＧＭＲ）素子となる。
【0047】
図４に示すように、第１の強磁性体２の磁化の向きをＹ軸方向でプラス側かマイナス側へ変化させることで情報がトンネル磁気抵抗素子１６に記憶される。情報を読み出すときは、第１の強磁性体２と絶縁体１４と第２の強磁性体１５とに電流を流すことで情報がトンネル磁気抵抗素子１６から読み出される。一般的には第１の強磁性体２の磁化の向きと第２の強磁性体１５の磁化の向きとが同じ場合には、第１の強磁性体２と絶縁体１４と第２の強磁性体１５との電気抵抗が小さく、逆に、第１の強磁性体２の磁化の向きと第２の強磁性体１５の磁化の向きとが逆の場合には当該電気抵抗が大きくなる。第１の強磁性体２と第２の強磁性体１５との磁化の方向は平行もしくは反平行（互いに真逆の向き）であることが好ましい。なお、第１の強磁性体２と第２の強磁性体１５との磁化の方向は必ずしもＹ軸方向である必要はない。当該磁化の方向は、Ｘ軸やＺ軸の方向であってもよいし、Ｙ軸からＸ軸側へ４５度以内で傾いた方向でもよい。
【0048】
本実施形態に係る磁化制御デバイス１の重要な動作は情報の書き込みである。スピン軌道トルク磁化反転（磁化制御）による情報の書き込みにおいては、重金属リードの非磁性金属３を流れる電流を利用する。重金属リードの非磁性金属３に電流が流れると、図５に示すように、スピンホール効果によって、伝導電子がスピンの向きに依存して力Ｆを受ける。図５の例では、電子がＸ軸正の向きに流れている場合、＋Ｙ向きの第１方向スピン７（＋Ｙスピン）が非磁性金属３の＋Ｚ方向の第１面４に向かうようにカーブし、－Ｙ向きの第２方向スピン８（－Ｙスピン）が－Ｚ方向の第２面５に向かうようにカーブする。電子がカーブする向きは、非磁性金属３のスピン軌道相互作用の符号、スピンホール角の符号、及び、電子の流れる向きに応じて変化する。
【0049】
図５の例では、結果として非磁性金属３の第１面４に第１方向スピン７が溜まり、第２面５に第２方向スピン８が溜まる（スピン蓄積）。そして、第１の強磁性体２が存在するＸ軸方向に沿った位置では、非磁性金属３の第１面４に溜まった第１方向スピン７が第１の強磁性体２に注入される。次に、第１の強磁性体２に注入された第１方向スピン７がトルクとなり第１の強磁性体２の磁化の向きを変化させる。これがスピン軌道トルク磁化反転（磁化制御）である。
【0050】
第１の強磁性体２の直下にある電子において第１方向スピン７が占める割合が第２方向スピン８よりも多くなるほど、第１の強磁性体２に注入される第１方向スピン７の量も多くなり、第１の強磁性体２の磁化を効率良く反転（制御）させることができる。
【0051】
第１の強磁性体２の磁化を効率良く反転（制御）させるために、同一電力あたりで非磁性金属３から第１の強磁性体２へのスピン注入効率を上げることが好ましい。言い換える
と、非磁性金属３の第１面４におけるスピン蓄積量を増やすことが好ましい。スピン蓄積量は、非磁性金属３を流れる電流量と、スピンホール効果の大きさ（スピンホール角）とに強く依存するため、スピンホール効果の効率を上げるために、スピンホール角が大きな材料を非磁性金属３に使用することや、電流量を増やすために非磁性金属３の厚さを薄くすることや、電気抵抗率が小さな非磁性金属３を利用することが挙げられる。スピンホール角が大きな材料とは、一般的にはスピン軌道相互作用が大きな材料であり、それは原子番号が大きな材料である。
と、非磁性金属３の第１面４におけるスピン蓄積量を増やすことが好ましい。スピン蓄積量は、非磁性金属３を流れる電流量と、スピンホール効果の大きさ（スピンホール角）とに強く依存するため、スピンホール効果の効率を上げるために、スピンホール角が大きな材料を非磁性金属３に使用することや、電流量を増やすために非磁性金属３の厚さを薄くすることや、電気抵抗率が小さな非磁性金属３を利用することが挙げられる。スピンホール角が大きな材料とは、一般的にはスピン軌道相互作用が大きな材料であり、それは原子番号が大きな材料である。
【0052】
非磁性金属３から第１の強磁性体２に第１方向スピン７が注入されると同時に、第１の強磁性体２から第１方向スピン７と逆向きの第２方向スピン８が非磁性金属３へ戻ってくる。以下、この第２方向スピン８を「逆流スピン」と呼ぶことにする)。この結果、第１
の強磁性体２の直下の非磁性金属３の第１面４では、第１方向スピン７の割合が減少する。この逆流スピンによって非磁性金属３のスピン注入効率が減少することが、本発明者が新たに着目する問題点である。
の強磁性体２の直下の非磁性金属３の第１面４では、第１方向スピン７の割合が減少する。この逆流スピンによって非磁性金属３のスピン注入効率が減少することが、本発明者が新たに着目する問題点である。
【0053】
逆流スピンを非磁性金属３の第２面５側へ素早く移動させることができれば、非磁性金属３の第１面４での第１方向スピン７の割合の減少を抑えることができ、第１の強磁性体２へのスピンの注入効率が増加する。また、磁化制御デバイス１の駆動の省電力化のためには非磁性金属３を流れる電流値を下げるため、非磁性金属３を数ナノメートル程度に薄くする必要がある。しかしながら、非磁性金属３の第２面５側には第２方向スピン８が存在しているため、非磁性金属３の厚さ(Ｚ軸方向の長さ)が非磁性金属３内のスピン拡散長と同程度以下の場合、逆流スピンが第２面５側に移動しづらい。
【0054】
ここで，蓄積したスピンのz方向の流れは、
であらわすことができる。
は位置Ｚでの第１方向スピン７、第２方向スピン８の密度を表す。Ｄは物質に依存する拡散定数である。つまり、各スピンの量の空間変化が大きければ、スピンが流れる量も大きいことになる。
【数1】
であらわすことができる。
【数2】
は位置Ｚでの第１方向スピン７、第２方向スピン８の密度を表す。Ｄは物質に依存する拡散定数である。つまり、各スピンの量の空間変化が大きければ、スピンが流れる量も大きいことになる。
【0055】
図１及び図２に示すように、非磁性金属３の、第１の強磁性体２が設置された位置の逆側の第２面５にスピンが拡散されるスピン拡散領域６を確保することで、逆流スピン（第２方向スピン８）を－Ｚ向きへ移動させ、非磁性金属３の第１面４における第１方向スピン７の割合を増加させることが本発明者が提案する構造である。図１及び図２では絶縁体１４と第２の強磁性体１５の図示を省略している。スピン拡散領域６が存在する領域では非磁性金属３の第２面５に溜まっていた第２方向スピン８が－Ｚ向きに移動してスピン拡散領域６に拡散する。つまり、非磁性金属３の第１面４の逆流スピンが－Ｚ向きへ動く。また、Ｚ方向の電流はほとんど保存されるため、第１方向スピン７が＋Ｚ方向へ動く。この＋Ｚ方向に動く第１方向スピン７は、非磁性金属３やスピン拡散領域６、非磁性金属３とスピン拡散領域６との界面で第２方向スピン８が第１方向スピン７へとスピン散乱されたスピンも含んでいる。結果として、第１の強磁性体２の下側においても非磁性金属３の第１面４に溜まっている第１方向スピン７の割合が増加し、第１の強磁性体２へのスピン
注入効率が増加する。スピンはスピン拡散領域６と非磁性金属３との界面で拡散されてもよい。
注入効率が増加する。スピンはスピン拡散領域６と非磁性金属３との界面で拡散されてもよい。
【0056】
スピン拡散領域６の素材は，スピン拡散長が短い材料が理想的である。重金属のＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどや強磁性金属のＦｅ、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅ合金、ＦｅＮｉ合金、Ｆｅ系ホイスラー合金、Ｃｏ系ホイスラー合金、ハーフメタル材料のマグネタイトなどは、スピン拡散長が数ナノメートルであるため適している。酸化鉄のマグヘマイトなどの強磁性絶縁体材料でもよい。非磁性金属３と同じ材料でも良い。
【0057】
（スピン拡散領域６の形状）
図６は実施形態１に係る磁化制御デバイス１に設けられたスピン拡散領域６を説明するための断面図である。図７はスピン拡散領域６を説明するための下面図である。図８は他のスピン拡散領域６を説明するための断面図である。図９及び図１０はさらに他のスピン拡散領域６を説明するための断面図である。ただし、図７では絶縁体基板１０を省略している。
図６は実施形態１に係る磁化制御デバイス１に設けられたスピン拡散領域６を説明するための断面図である。図７はスピン拡散領域６を説明するための下面図である。図８は他のスピン拡散領域６を説明するための断面図である。図９及び図１０はさらに他のスピン拡散領域６を説明するための断面図である。ただし、図７では絶縁体基板１０を省略している。
【0058】
スピン拡散領域６は様々な形状を有し得る。基本となる構造を図６～図１０に示す。図６～図１０では第１の強磁性体２の上に積層される絶縁体１４と第２の強磁性体１５とは図示が省略されている。図６及び図７は最も基本となる構造を横から見た図（図６）と下から見た図（図７）である。電流は非磁性金属３をＸ軸方向に流れ、非磁性金属３から第１の強磁性体２へ第１方向スピン７（図２）が注入される。図６及び図７のこの基本構造では、非磁性金属３を挟んで、第１の強磁性体２の真下にスピン拡散領域６が絶縁体基板１０に埋め込まれるように設置されている。ただし、絶縁体基板１０は必須ではない。Ｚ軸方向から見ると、第１の強磁性体２とスピン拡散領域６は重なっている。スピン拡散領域６の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、スピン拡散領域６のスピン拡散長の３倍程度の長さが望ましい。スピン拡散領域６の厚さがスピン拡散長程度であっても効果はある。
【0059】
図８と図９とはスピン拡散領域６が非磁性金属３に接する面が、第１の強磁性体２が非磁性金属３に接する面よりも小さい場合と大きい場合とを示している。図８に示すように、スピン拡散領域６が非磁性金属３に接する面が、第１の強磁性体２が非磁性金属３に接する面よりも小さくてもよい。ただし、図９に示すように、スピン拡散領域６が非磁性金属３に接する面が、第１の強磁性体２が非磁性金属３に接する面よりも大きい場合は、スピン拡散領域６が第１の強磁性体２と重ならない長さがスピン拡散領域６のスピン拡散長以下であることが望ましい。図１０に示すように、スピン拡散領域６と絶縁体基板１０との界面は凸凹状であってもよい。ここで、絶縁体基板１０は必須ではない。
【0060】
スピン拡散領域６が非磁性金属３に接する面と第１の強磁性体２が非磁性金属３に接する面との重なり具合と、本実施形態の注入効率との間の関係は、第１の強磁性体２のＸ軸方向の長さ、非磁性金属３のＺ軸方向の長さ、及び、スピン拡散領域６のＺ軸方向の長さに依存する。
【0061】
（スピン拡散領域６の寸法と注入効率との間の関係）
図１１はスピン拡散領域６の長さとスピン注入効率との間の関係を示すグラフである。図６、図８、及び図９に示されるスピン拡散領域６の構造における第１の強磁性体２へのスピン注入効率の変化を近似計算した結果を図１１に示す。第１の強磁性体２のＸ軸方向の長さを５ｎｍとし、非磁性金属３の厚さとスピン拡散領域６の厚さとを１ｎｍとした。非磁性金属３と非磁性金属３中の伝導電子のスピン拡散長とを１ｎｍとした。スピン依存したドリフト拡散方程式とキルヒホッフの定理とによりスピン注入効率を算出した。スピン注入効率の増加比が１．０のときは，スピン拡散領域６の有無で第１の強磁性体２へのスピン注入量に変化がなく、１．０よりも大きいときはスピン拡散領域６によって第１の
強磁性体２へのスピン注入量が増加したことを示す。図１１に示すように、スピン拡散領域６のＸ軸方向の長さＸが０ｎｍから第１の強磁性体２の長さ５ｎｍと同じになるまでは注入量増加比が増加した。長さＸが第１の強磁性体２の長さと等しいとき注入量増加比が最大になり、長さＸが第１の強磁性体２の長さよりも長くなると注入量増加比は減少した。
図１１はスピン拡散領域６の長さとスピン注入効率との間の関係を示すグラフである。図６、図８、及び図９に示されるスピン拡散領域６の構造における第１の強磁性体２へのスピン注入効率の変化を近似計算した結果を図１１に示す。第１の強磁性体２のＸ軸方向の長さを５ｎｍとし、非磁性金属３の厚さとスピン拡散領域６の厚さとを１ｎｍとした。非磁性金属３と非磁性金属３中の伝導電子のスピン拡散長とを１ｎｍとした。スピン依存したドリフト拡散方程式とキルヒホッフの定理とによりスピン注入効率を算出した。スピン注入効率の増加比が１．０のときは，スピン拡散領域６の有無で第１の強磁性体２へのスピン注入量に変化がなく、１．０よりも大きいときはスピン拡散領域６によって第１の
強磁性体２へのスピン注入量が増加したことを示す。図１１に示すように、スピン拡散領域６のＸ軸方向の長さＸが０ｎｍから第１の強磁性体２の長さ５ｎｍと同じになるまでは注入量増加比が増加した。長さＸが第１の強磁性体２の長さと等しいとき注入量増加比が最大になり、長さＸが第１の強磁性体２の長さよりも長くなると注入量増加比は減少した。
【0062】
（複数の領域に分割されたスピン拡散領域）
図１２はスピン拡散領域６Ａが複数の領域に分割された例を示す断面図であり、図１３はその下面図である。図１４はスピン拡散領域６Ｂが複数の領域に分割された他の例を示す断面図であり、図１５はその下面図である。図１６はスピン拡散領域６Ｃが複数の領域に分割されたさらに他の例を示す断面図であり、図１７はその下面図である。ただし、図１３、図１５、図１７では絶縁体基板１０を省略している。
図１２はスピン拡散領域６Ａが複数の領域に分割された例を示す断面図であり、図１３はその下面図である。図１４はスピン拡散領域６Ｂが複数の領域に分割された他の例を示す断面図であり、図１５はその下面図である。図１６はスピン拡散領域６Ｃが複数の領域に分割されたさらに他の例を示す断面図であり、図１７はその下面図である。ただし、図１３、図１５、図１７では絶縁体基板１０を省略している。
【0063】
スピン拡散領域６Ａ・６Ｂ・６Ｃは図１２～図１７で示すように複数の領域で構成されている。特に、第１の強磁性体２のＸ軸方向の長さが非磁性金属３のスピン拡散長よりも３倍以上長い場合は、スピン拡散領域６Ａ・６Ｂ・６Ｃが複数領域から構成されていることが望ましい。ここで、絶縁体基板１０は必須ではない。
【0064】
図１２及び図１３は、スピン拡散領域６Ａが２つの領域１７Ａ・１７Ａに分割されている場合を示しており、図１４及び図１５は、スピン拡散領域６Ｂが１０個の領域１７Ｂで構成されている場合を示している。非磁性金属３に接しているスピン拡散領域６Ａの面積、スピン拡散領域６Ｂの面積は大きい程望ましい。スピン拡散領域６Ａ・６Ｂの面積が大きい程スピンが拡散される領域が増えるので望ましいが、面積が増えすぎると非磁性金属３を流れる電流が減少するため、スピン拡散領域６Ａ・６Ｂには材料によって最適な長さや厚さが存在する。スピン拡散領域６Ａ・６ＢをＸ軸方向に流れる電流が増加すると、非磁性金属３をＸ軸方向に流れる電流が減少し、第１の強磁性体２へのスピン注入量が減少するので好ましくない。
【0065】
【0066】
（実施形態１の変形例に係る磁化制御デバイス１Ａ）
図１８は実施形態１の変形例に係る磁化制御デバイス１Ａの断面図である。磁化制御デバイス１Ａは、スピン拡散領域６が絶縁体基板１０の表面上に形成される。そして、非磁性金属３が、スピン拡散領域６を覆うように絶縁体基板１０上に形成される。磁化制御デバイス１Ａは、スピン拡散領域６の側壁と非磁性金属３とを絶縁する絶縁体１７をさらに備える。
図１８は実施形態１の変形例に係る磁化制御デバイス１Ａの断面図である。磁化制御デバイス１Ａは、スピン拡散領域６が絶縁体基板１０の表面上に形成される。そして、非磁性金属３が、スピン拡散領域６を覆うように絶縁体基板１０上に形成される。磁化制御デバイス１Ａは、スピン拡散領域６の側壁と非磁性金属３とを絶縁する絶縁体１７をさらに備える。
【0067】
このように、絶縁体基板１０の表面上にスピン拡散領域６が設置されてもよい。スピン拡散領域６のＹ軸方向（電流が流れる方向に対して垂直な方向）の長さは、非磁性金属３と同じ長さであることが好ましい。この場合、非磁性金属３に沿って電流を流すためにスピン拡散領域６の左右（±Ｘ軸側）に絶縁体１７を設置する必要がある。
【0068】
（磁化制御デバイス１の電流密度）
図１９は実施形態１に係る磁化制御デバイス１の電流密度を示す断面図である。非磁性金属３とスピン拡散領域６とが同じ抵抗率を有しており、非磁性金属３の厚さとスピン拡散領域６の厚さを２ｎｍとし、スピン拡散領域６の長さを４ｎｍとして電流密度を計算した結果を図１９に示す。スピン拡散領域６からＸ方向に沿って離れた部分を流れる電流密度を１として電流密度比の空間分布をプロットした。灰色が濃いほど電流密度比が大きく
、灰色が薄いほど電流密度比が小さい。スピン拡散領域６が非磁性金属３と接触している部分では、非磁性金属３を流れる電流がスピン拡散領域６に回り込むため、非磁性金属３内での電流密度が減少している。非磁性金属３の第１面４における電流密度比をプロットした。この電流密度比は、図１９の曲線Ｃ１に示すように、最大で７３％まで減少した。しかしながら、非磁性金属３の第２面５に溜まった第２方向スピン８はスピン拡散領域６内へ移動するため、非磁性金属３の第１面４においてもスピン蓄積が増加する。スピン拡散領域６の抵抗値が大きく、その厚さや長さが小さいほど、この電流密度比の減少値は小さくなる。
図１９は実施形態１に係る磁化制御デバイス１の電流密度を示す断面図である。非磁性金属３とスピン拡散領域６とが同じ抵抗率を有しており、非磁性金属３の厚さとスピン拡散領域６の厚さを２ｎｍとし、スピン拡散領域６の長さを４ｎｍとして電流密度を計算した結果を図１９に示す。スピン拡散領域６からＸ方向に沿って離れた部分を流れる電流密度を１として電流密度比の空間分布をプロットした。灰色が濃いほど電流密度比が大きく
、灰色が薄いほど電流密度比が小さい。スピン拡散領域６が非磁性金属３と接触している部分では、非磁性金属３を流れる電流がスピン拡散領域６に回り込むため、非磁性金属３内での電流密度が減少している。非磁性金属３の第１面４における電流密度比をプロットした。この電流密度比は、図１９の曲線Ｃ１に示すように、最大で７３％まで減少した。しかしながら、非磁性金属３の第２面５に溜まった第２方向スピン８はスピン拡散領域６内へ移動するため、非磁性金属３の第１面４においてもスピン蓄積が増加する。スピン拡散領域６の抵抗値が大きく、その厚さや長さが小さいほど、この電流密度比の減少値は小さくなる。
【0069】
（スピン拡散領域が複数の領域に分割された磁化制御デバイスの電流密度）
図２０は磁化制御デバイスのスピン拡散領域が複数の領域に分割された他の例の電流密度を示す断面図である。Ｘ軸方向の長さが短い領域１７Ｂを複数設置したスピン拡散領域６Ｂを設けることで本実施形態の注入効率を保ちつつ、非磁性金属３の全体での電流密度の減少を抑えることができる。スピン拡散領域６Ｂの領域１７Ｂを１０個ストライプ状に設置した場合の電流密度値の計算結果が図２０に示されている。スピン拡散領域６Ｂ上の非磁性金属３においても、電流密度比は、図２０の曲線Ｃ２に示すように、２％程度しか減少していない。
図２０は磁化制御デバイスのスピン拡散領域が複数の領域に分割された他の例の電流密度を示す断面図である。Ｘ軸方向の長さが短い領域１７Ｂを複数設置したスピン拡散領域６Ｂを設けることで本実施形態の注入効率を保ちつつ、非磁性金属３の全体での電流密度の減少を抑えることができる。スピン拡散領域６Ｂの領域１７Ｂを１０個ストライプ状に設置した場合の電流密度値の計算結果が図２０に示されている。スピン拡散領域６Ｂ上の非磁性金属３においても、電流密度比は、図２０の曲線Ｃ２に示すように、２％程度しか減少していない。
【0070】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【0071】
【0072】
磁化制御デバイス１Ｂは、非磁性金属３の第１面４に設けられ、非磁性金属３に電流を流すための電極を有する補助強磁性体１３をさらに備える。スピン拡散領域６は、絶縁体基板１０に埋め込まれるように設置されている。ただし、絶縁体基板１０は必須ではない。
【0073】
スピン拡散領域６の設置は、すでに提案されているスピン軌道トルク磁化反転法（磁化制御方法）の拡張構造においても適用できる。図２１に示すように、第１の強磁性体２のそばに電極付きの補助強磁性体１３が設置されてもよい。補助強磁性体１３を介して非磁性金属３に電流を流すことで、大きくスピン偏極した電流を第１の強磁性体２の下側に効率良く生成することができる。
【0074】
この方法によっても、第１の強磁性体２の下側にスピン拡散領域６を設置することで、第１の強磁性体２へのスピン注入効率を向上させることができる。
【0075】
〔実施形態３〕
図２３は実施形態３に係る磁化制御デバイス１Ｃの断面図であり、図２４はその下面図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
図２３は実施形態３に係る磁化制御デバイス１Ｃの断面図であり、図２４はその下面図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【0076】
磁化制御デバイス１Ｃは、第１の強磁性体２と、非磁性金属３１（第１配線）と、非磁性金属３２（第２配線）と、スピン拡散領域６とを備える。非磁性金属３１（第１配線）は、Ｘ方向に沿って延伸している。非磁性金属３２（第２配線）は、Ｙ方向に沿って延伸している。
【0077】
このように、非磁性金属（配線）を設置し、第１の強磁性体２に注入されるスピンの偏極方向を最適化することができる。この方法によっても、非磁性金属の下側にスピン拡散領域６を設置することで、第１の強磁性体２へのスピン注入効率を向上させることができる。
【0078】
〔実施形態４〕
図２５～図２７は実施形態４に係る磁化制御デバイス１の製造方法を示す断面図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
図２５～図２７は実施形態４に係る磁化制御デバイス１の製造方法を示す断面図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【0079】
まず、図２５に示すように、絶縁体基板１０にイオン化不純物又は強磁性金属をドーピングする。そして、図２６に示すように、スピン拡散領域６を絶縁体基板１０に形成する。次に、図２７に示すように、絶縁体基板１０及びスピン拡散領域６の上に非磁性金属３及び第１の強磁性体２をこの順番にエッチングにより積層して磁化制御デバイス１を完成させる。
【0080】
このように、絶縁体基板１０（ＳｉＯ２などの絶縁体、半導体Ｓｉなどの真性半導体を含む）へ半導体ドーピング技術によりＡｓやＧａ、Ｐなどのイオン化不純物、もしくは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒなどの磁性元素を図２５に示すようにドープする。そして、該当箇所に伝導性を持たせることで図２６に示すようにスピン拡散領域６を形成する。スピン拡散領域６を作成した後は、エッチングにより非磁性金属３、第１の強磁性体２、絶縁体１４（図３）、第２の強磁性体１５（図３）の順番に積層する。
【0081】
【0082】
まず、図２８に示すように、基板に絶縁層を形成する。そして、図２９に示すように、絶縁層にスピン拡散領域６のための溝１９をエッチングにより形成する。次に、図３０に示すように、スピン拡散領域６を溝１９に形成する。その後、図３１に示すように、絶縁層及びスピン拡散領域６の上に非磁性金属３及び第１の強磁性体２をこの順番にエッチングにより積層する。
【0083】
このように、Ｓｉなどの基板上にＳｉＯ２などの絶縁層を図２８に示すように積層する。そして、該当箇所をエッチングしスピン拡散領域６が入る溝１９を図２９に示すように作成する。次に、溝１９の部分にスピン拡散領域６をメッキ法、スパッタ法、ＭＢＥ法などで図３０に示すように積層する。その後、図３１に示すように、非磁性金属３、第１の強磁性体２、絶縁体１４（図３）、第２の強磁性体１５（図３）の順番に積層する。
【0084】
〔実施形態５〕
図３２は実施形態５に係る磁気メモリ装置２０の回路図である。磁気メモリ装置２０は、非磁性金属３と、非磁性金属３の第１面４の一部に形成された第１の強磁性体２と、非磁性金属３の第１面４の反対側の第２面５の一部に形成されたスピン拡散領域６と、第１の強磁性体２の、非磁性金属３と接する面の反対側の面に形成された絶縁体１４と、絶縁体１４の、第１の強磁性体２と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体１５と、を備える。制御回路２１が、非磁性金属３と第２の強磁性体１５とに接続されている。
図３２は実施形態５に係る磁気メモリ装置２０の回路図である。磁気メモリ装置２０は、非磁性金属３と、非磁性金属３の第１面４の一部に形成された第１の強磁性体２と、非磁性金属３の第１面４の反対側の第２面５の一部に形成されたスピン拡散領域６と、第１の強磁性体２の、非磁性金属３と接する面の反対側の面に形成された絶縁体１４と、絶縁体１４の、第１の強磁性体２と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体１５と、を備える。制御回路２１が、非磁性金属３と第２の強磁性体１５とに接続されている。
【0085】
第１の強磁性体２、非磁性金属３、及びスピン拡散領域６は、磁化制御デバイス１を構成する。そして、磁化制御デバイス１、絶縁体１４、及び第２の強磁性体１５は、トンネル磁気抵抗素子１６を構成する。
【0086】
制御回路２１が非磁性金属３に電流を流すことにより、第１方向スピン７（図２）が第１面４の側に蓄積される。そして、第１方向スピン７と逆方向を向いた第２方向スピン８が第２面５の側に蓄積される。次に、第１面４の側に蓄積された第１方向スピン７が、第１の強磁性体２の磁化を反転（制御）させるために第１の強磁性体２に注入される。そして、第２面５の側に蓄積された第２方向スピン８が、第２面５からスピン拡散領域６に移動する。
【0087】
本実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子１６の書き込み動作は、制御回路２１が非磁性金属３に電流を流すことにより行われる。トンネル磁気抵抗素子１６の読出し動作は、制御回路２１がトンネル磁気抵抗素子１６の非磁性金属３、第１の強磁性体２、絶縁体１４、及び第２の強磁性体１５の磁気抵抗を測定することにより行われる。第１の強磁性体２の磁化の向きが第２の強磁性体１５の磁化の向きと逆であると、トンネル磁気抵抗素子１６の磁気抵抗が高く、第１の強磁性体２と第２の強磁性体１５との間に流れる電流は小さい。これに対して、第１の強磁性体２の磁化の向きが第２の強磁性体１５の磁化の向きと平行であると、トンネル磁気抵抗素子１６の磁気抵抗が低く、第１の強磁性体２と第２の強磁性体１５との間に流れる電流が大きくなる。
図３３は実施形態５に係る磁気メモリ２０Ａの模式図である。説明を簡素にするために、磁気メモリ２０Ａが２行２列の４個の磁気メモリ装置２０を備える場合を例に挙げて説明する。
図３３は実施形態５に係る磁気メモリ２０Ａの模式図である。説明を簡素にするために、磁気メモリ２０Ａが２行２列の４個の磁気メモリ装置２０を備える場合を例に挙げて説明する。
【0088】
磁気メモリ２０Ａは、水平方向に互いに平行に配列された複数のゲート線Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３と、垂直方向に互いに平行に配列された複数のソース線Ｄ１・Ｄ２・Ｄ３と、複数のゲート線Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３と複数のソース線Ｄ１・Ｄ２・Ｄ３とのそれぞれの交点に相当する位置に配置された複数の磁気メモリ装置２０と、各磁気メモリ装置２０に対応する位置に配置され、ソース線Ｄ１・Ｄ２・Ｄ３のいずれかと、ゲート線Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３のいずれかと、対応する磁気メモリ装置２０とに接続されたトランジスタＴとを備える。磁気メモリ装置２０のトンネル磁気抵抗素子１６は、スピン拡散領域６を含む。
【0089】
このように構成された磁気メモリ２０Ａにおいては、ゲート線Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３に流れる信号によりトランジスタＴがオンされると、ソース線Ｄ１・Ｄ２・Ｄ３からトランジスタＴを通ってトンネル磁気抵抗素子１６の非磁性金属３に電流が流れる。これにより、第１方向スピン７（図２）が第１面４の側に蓄積される。そして、第１方向スピン７と逆方向を向いた第２方向スピン８が第２面５の側に蓄積される。次に、第１面４の側に蓄積された第１方向スピン７が、第１の強磁性体２の磁化を反転（制御）させるために第１の強磁性体２に注入される。そして、第２面５の側に蓄積された第２方向スピン８が、第２面５からスピン拡散領域６に移動する。
図３４は実施形態５に係る磁気メモリ装置２０Ｂの回路図である。図３５は磁気メモリ装置２０Ｂのトンネル磁気抵抗素子１６を示す斜視図である。
図３４は実施形態５に係る磁気メモリ装置２０Ｂの回路図である。図３５は磁気メモリ装置２０Ｂのトンネル磁気抵抗素子１６を示す斜視図である。
【0090】
磁気メモリ装置２０Ｂは、拡張型スピン軌道トルク磁気抵抗メモリ（Spin Orbit Torque-Magnetic Random Access Memory:ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）の回路を含み、本実施形態に係るスピン拡散領域６を設置することができる。
【0091】
説明を簡素にするために、磁気メモリ装置２０Ｂが２行２列の４個の第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２（自由層）を備える場合を例に挙げて説明する。この第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２は、図１及び図３に示す第１の強磁性体２に相当する。
【0092】
第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２は、磁化容易軸に対応するＹ方向に磁化されている。磁気メモリ装置２０Ｂには、第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２
・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向を反転（制御）させるために、－Ｙ方向に磁化された第１方向スピン７を第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２に注入するための反転リード線３ａと、－Ｙ方向に磁化された反転スピン流を第１の強磁性体ｍ２－１・ｍ２－２に注入するための反転リード線３ｂと、第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向の反転（制御）を補助するために、Ｘ方向に磁化された補助スピン流を第１の強磁性体ｍ２－１・ｍ２－１に注入するための補助リード線３ｃと、Ｘ方向に磁化された補助スピン流を第１の強磁性体ｍ１－２・ｍ２－２に注入するための補助リード線３ｄとが設けられる。
・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向を反転（制御）させるために、－Ｙ方向に磁化された第１方向スピン７を第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２に注入するための反転リード線３ａと、－Ｙ方向に磁化された反転スピン流を第１の強磁性体ｍ２－１・ｍ２－２に注入するための反転リード線３ｂと、第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向の反転（制御）を補助するために、Ｘ方向に磁化された補助スピン流を第１の強磁性体ｍ２－１・ｍ２－１に注入するための補助リード線３ｃと、Ｘ方向に磁化された補助スピン流を第１の強磁性体ｍ１－２・ｍ２－２に注入するための補助リード線３ｄとが設けられる。
【0093】
【0094】
そして、第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２のそれぞれの下側に本実施形態に係るスピン拡散領域６が設けられる。
【0095】
磁気メモリ装置２０Ｂは、反転リード線３ａ・３ｂに反転電流（制御電流）を供給するための主線２４・２５と、補助リード線３ｃ・３ｄに補助電流を供給するための補助線２６・２７とをさらに備える。
【0096】
反転リード線３ａと主線２４との間にトランジスタａ１が配置され、反転リード線３ａと主線２５との間にトランジスタａ２が配置される。そして、反転リード線３ｂと主線２４との間にトランジスタｂ１が配置され、反転リード線３ｂと主線２５との間にトランジスタｂ２が配置される。
【0097】
補助リード線４ｃの一部と補助リード線４ｃの他の一部との間にトランジスタｃ２が配置される。補助リード線４ｄの一部と補助リード線４ｄの他の一部との間にトランジスタｄ２が配置される。
【0098】
補助リード線４ｃの一部と補助線２６との間にトランジスタｃ１が配置され、補助リード線４ｃの他の一部と補助線２７との間にトランジスタｃ３が配置される。そして、補助リード線４ｄの一部と補助線２６との間にトランジスタｄ１が配置され、補助リード線４ｄの他の一部と補助線２７との間にトランジスタｄ３が配置される。
【0099】
トランジスタａ１のゲートとトランジスタａ２のゲートとに端子ａが接続される。トランジスタｂ１のゲートとトランジスタｂ２のゲートとに端子ｂが接続される。そして、トランジスタｃ１のゲートとトランジスタｃ２のゲートとトランジスタｃ３のゲートとに端子ｃが接続される。トランジスタｄ１のゲートとトランジスタｄ２のゲートとトランジスタｄ３のゲートとに端子ｄが接続される。
【0100】
第１の強磁性体ｍ１－１の上に絶縁体１４が積層され、絶縁体１４の上に第２の強磁性体１５（固定層）が積層される。第１の強磁性体ｍ１－１、絶縁体１４、及び第２の強磁性体１５は、トンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto Resistance :TMR）素子１６を構成する。同様に、第１の強磁性体ｍ１－２・２－１・２－２の上に絶縁体１４が積層され、各絶縁体１４の上に第２の強磁性体１５が積層される。第１の強磁性体ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２、絶縁体１４、及び第２の強磁性体１５は、それぞれトンネル磁気抵抗素子１６を構成する。
【0101】
第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ２－１の磁化方向を読み出すためにＹ方向に延伸して対応する第２の強磁性体１５に接合された読出しリード線７ａと、第１の強磁性体ｍ１－２・ｍ２－２の磁化方向を読み出すためにＹ方向に延伸して対応する第２の強磁性体１５に接
合された読出しリード線７ｂとが設けられる。そして、第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ２－１・ｍ１－２・ｍ２－２の磁化方向を読み出すためにＸ方向に延伸する読線２８が設けられる。読出しリード線７ａと読線２８との間にトランジスタｅ１が配置され、読出しリード線７ｂと読線２８との間にトランジスタｆ１が配置される。トランジスタｅ１のゲートに端子ｅが接続され、トランジスタｆ１のゲートに端子ｆが接続される。
合された読出しリード線７ｂとが設けられる。そして、第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ２－１・ｍ１－２・ｍ２－２の磁化方向を読み出すためにＸ方向に延伸する読線２８が設けられる。読出しリード線７ａと読線２８との間にトランジスタｅ１が配置され、読出しリード線７ｂと読線２８との間にトランジスタｆ１が配置される。トランジスタｅ１のゲートに端子ｅが接続され、トランジスタｆ１のゲートに端子ｆが接続される。
【0102】
磁気メモリ装置２０Ｂは、反転リード線３ａ・３ｂへの反転電流（制御電流）の供給と、補助リード線４ｃ・４ｄへの補助電流の供給と、読出しリード線７ａ・７ｂからの第１の強磁性体ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化方向の読出しとを制御する制御回路２９を備える。
【0103】
主線２５は、読出し線としても兼用される。
【0104】
図３４に示す例では、第１の強磁性体ｍ１－１の磁化の向きは、対応する第２の強磁性体１５の磁化の向きと逆であるので、トンネル磁気抵抗素子１６の磁気抵抗が高く、第１の強磁性体ｍ１－１と第２の強磁性体１５との間に流れる電流は小さい。これに対して、他の三つの第１の強磁性体ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２の磁化の向きは、第２の強磁性体１５の磁化の向きと平行であるので、トンネル磁気抵抗素子１６の磁気抵抗が低く、第２の強磁性体１５との間に電流が流れる。
【0105】
このように、本実施形態に係るスピン拡散領域６は、磁気メモリ装置２０Ｂに適用することができる。
【0106】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0107】
１ 磁化制御デバイス
２ 第１の強磁性体
３ 非磁性金属
４ 第１面
５ 第２面
６ スピン拡散領域
７ 第１方向スピン
８ 第２方向スピン
１０ 絶縁体基板
１３ 補助強磁性体
１４ 絶縁体
１５ 第２の強磁性体
１６ トンネル磁気抵抗素子
３１ 非磁性金属（第１配線）
３２ 非磁性金属（第２配線）
ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２ 第１の強磁性体
２ 第１の強磁性体
３ 非磁性金属
４ 第１面
５ 第２面
６ スピン拡散領域
７ 第１方向スピン
８ 第２方向スピン
１０ 絶縁体基板
１３ 補助強磁性体
１４ 絶縁体
１５ 第２の強磁性体
１６ トンネル磁気抵抗素子
３１ 非磁性金属（第１配線）
３２ 非磁性金属（第２配線）
ｍ１－１・ｍ１－２・ｍ２－１・ｍ２－２ 第１の強磁性体
【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】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】