特開 2024-89708 磁性積層膜、磁気メモリ素子、及び磁気メモリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024089708

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】磁性積層膜、磁気メモリ素子、及び磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20240627BHJP

   H10N 52/00 20230101ALI20240627BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20240627BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20240627BHJP

   H01F 10/30 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

H10N52/00 Z

H10B61/00

H01F10/32

H01F10/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022205064

(22)【出願日】2022-12-22

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「傾斜材料のスピン流を用いた磁化反転」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】介川 裕章

(72)【発明者】

【氏名】ハ ツォン

(72)【発明者】

【氏名】ソン ジェユアン

(72)【発明者】

【氏名】温 振超

(72)【発明者】

【氏名】シェーク トーマス

(72)【発明者】

【氏名】大久保 忠勝

(72)【発明者】

【氏名】三谷 誠司

【テーマコード（参考）】

4M119

5E049

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA05

4M119AA06

4M119AA17

4M119BB01

4M119BB20

4M119CC05

4M119CC10

4M119DD08

4M119DD09

4M119DD17

4M119DD24

4M119DD25

4M119DD47

4M119EE01

4M119EE23

4M119EE27

5E049AA04

5E049BA30

5E049CB02

5E049DB12

5F092AA02

5F092AA03

5F092AA06

5F092AB07

5F092AC12

5F092AC26

5F092AD23

5F092BB16

5F092BB22

5F092BB23

5F092BB24

5F092BB34

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB42

5F092BB43

5F092BB44

5F092BB53

5F092BC03

5F092BC07

5F092BC22

5F092BC43

(57)【要約】

【課題】スピン軌道トルク書き込み型ＭＲＡＭ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）に用いて好適な、磁性積層膜を提供することを目的とする。
【解決手段】磁気メモリ素子用の磁性積層膜であって、磁気反転のためのスピン流を生成するチャンネル層１０と、チャンネル層１０と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層２０と、を備え、チャンネル層１０はＲｕ_１－ｘＣｕ_ｘ（０．１０≦ｘ≦０．９０）よりなり、チャンネル層１０の膜厚は２ｎｍ～３０ｎｍの範囲であるものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気メモリ素子用の磁性積層膜であって、
磁気反転のためのスピン流を生成するチャンネル層と、
前記チャンネル層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備え、
前記チャンネル層はＲｕ_１－ｘＣｕ_ｘ（０．１０≦ｘ≦０．９０）よりなり、
前記チャンネル層の膜厚は２ｎｍ～３０ｎｍの範囲である、
ことを特徴とする磁性積層膜。

【請求項2】

前記チャンネル層の結晶構造は、Ｒｕリッチ組成では六方最密充填構造（ＨＣＰ：ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ－ｐａｃｋｅｄ）であり、Ｃｕリッチ組成では立方最密充填構造（ＦＣＣ：ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）であり、Ｒｕリッチ組成とＣｕリッチ組成の中間では六方最密充填構造と立方最密充填構造の両方が存在している
ことを特徴とする請求項１に記載の磁性積層膜。

【請求項3】

前記チャンネル層はＲｕ_１－ｘＣｕ_ｘ（０．２５≦ｘ≦０．７５）である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性積層膜。

【請求項4】

さらに、前記チャンネル層と前記第１強磁性層の間に挿入された導電性の非磁性層を有し、
前記非磁性層の膜厚は０．２ｎｍ～１０ｎｍの範囲である、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の磁性積層膜。

【請求項5】

さらに、前記チャンネル層と前記第１強磁性層が積層される基板を含む、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁性積層膜。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁性積層膜と、
前記第１強磁性層に隣接し、絶縁性の材料から構成されるバリア層と、
前記バリア層と隣接し、少なくとも一層の磁化の方向の固定された強磁性層を有する参照層と、
前記参照層に隣接し、導電性の材料から構成されるキャップ層と、
前記チャンネル層の長手方向の一端に、電流の導入が可能な第１端子と、
前記チャンネル層の長手方向の他端に、電流の導入が可能な第２端子と、
前記キャップ層に、電流の導入が可能な第３端子と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ素子。

【請求項7】

前記第１強磁性層に接続された第４端子を備える。
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子。

【請求項8】

前記第１強磁性層は膜面の面外に垂直な方向で反転可能な磁化を有する
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気メモリ素子。

【請求項9】

前記第１強磁性層は膜面内で前記第１端子と前記第２端子とを結ぶ線分と直交する方向に反転可能な磁化を有する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気メモリ素子。

【請求項10】

前記第１強磁性層は膜面内で前記第１端子と前記第２端子とを結ぶ線分と平行な方向に反転可能な磁化を有する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気メモリ素子。

【請求項11】

前記第１強磁性層は、第１磁化領域と、前記第１磁化領域を挟んで配置された第２磁化領域と第３磁化領域とを有し、
前記第２磁化領域の磁化と前記第３磁化領域の磁化とは互いに異なる方向に固定されており、
前記第１磁化領域の磁化は反転可能であり、前記第２磁化領域の磁化または前記第３磁化領域の磁化のいずれか一方と同一方向を向くことができる、
ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項12】

請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子と、
前記磁気メモリ素子に書き込み電流を流すことにより、前記磁気メモリ素子にデータを書き込む書き込み手段と、
前記バリア層を貫通する方向に電流を流してトンネル抵抗を求めることにより、前記磁気メモリ素子に書き込まれているデータを読み出す読み出し手段と、
を備え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、磁性積層膜、磁気メモリ素子、及び磁気メモリに関する。

【背景技術】

【0002】

スピントロニクスの技術を用いた新規不揮発メモリデバイスとして、高速動作が期待できる３端子型磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の開発が進んでいる。３端子型ＭＲＡＭではその情報書き込み（磁性層の磁化反転）のため、スピン軌道トルクと呼ばれる磁気的なトルクを誘起して磁化反転を実現するスピン軌道トルク書き込み型ＭＲＡＭ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）に特に注目が集まっている［非特許文献１］。この実現のためには書き込みチャンネル層（スピン流生成層）として、大きなスピン流を生成可能な上、電気抵抗も小さいことが求められている。

【0003】

特許文献１では、５ｄ遷移金属、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）を含む重金属層１０と第１強磁性層２０が隣接して積層された構造を有する磁性積層膜が開示されており、重金属層１０、第１強磁性層２０、バリア層３０に用いる材料の組み合わせによってスピン軌道トルクの働く方向が決まり、それによって「１」の書き込みと「０」の書き込みとにおける電流の方向が決定される磁気メモリ素子用の磁性積層膜が提案されている。
特許文献２では、強磁性金属薄膜２の磁化方向を反転させるために、反転リード線３を通して反転スピン流を強磁性金属薄膜２に注入するスピン注入磁化反転工程と、強磁性金属薄膜２の磁化方向の反転を補助するために、補助リード線４を通して補助スピン流を強磁性金属薄膜２に注入する補助スピン流注入工程とを包含することで、小さな電流密度で高速に強磁性金属の磁化を反転させる磁気メモリ装置が提案されている。

【0004】

ＳＯＴ－ＭＲＡＭでは非磁性層の薄膜層（チャンネル）を有しており、これがスピン軌道トルクを生み出すためのスピン流生成配線として働く。このスピン流生成配線上にメモリセルとなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を隣接させ、スピン流生成配線にそって電流を流すと、その電流とは垂直方向に電子スピンの流れ「スピン流」が生成される。このスピン流によって隣接したＭＴＪの片側の磁性層に十分大きなトルクを与えることで磁化反転が起こる。この構造は、ＭＴＪの記録情報の読み出しと書き込みで異なる電流経路が使えるため、動作マージンを広く取ることができるため高速動作が可能である上、素子の耐久性も大きく向上する。しかし、動作には大きなスピン流生成効率が必要である。この効率の指標としてスピンホール角（＝生成されたスピン流／流した電流）が用いられる。また、この層は素子間の電気配線を兼ねるため低抵抗であることが必要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】ＷＯ２０１７／２０８５７６号公報

【特許文献2】特開２０２０－１９４９２７号公報

【特許文献3】ＷＯ２０２０／１６６７２２号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ｖ． Ｋｒｉｚａｋｏｖａ， Ｍ． Ｐｅｒｕｍｋｕｎｎｉｌ， Ｓ． Ｃｏｕｅｔ， Ｐ． Ｇａｍｂａｒｄｅｌｌａ， Ｋ． Ｇａｒｅｌｌｏ， Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ．， Ｖｏｌ． ５６２， ｐ． １６９６９２ （２０２２）．

【非特許文献2】Ｙ． Ｎｉｉｍｉ， Ｍ． Ｍｏｒｏｔａ， Ｄ． Ｈ． Ｗｅｉ， Ｃ． Ｄｅｒａｎｌｏｔ， Ｍ． Ｂａｓｌｅｔｉｃ， Ａ． Ｈａｍｚｉｃ， Ａ． Ｆｅｒｔ， ａｎｄ Ｙ． Ｏｔａｎｉ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．， Ｖｏｌ． １０６， ｐ． １２６６０１ （２０１１）．

【非特許文献3】Ｚ． Ｗｅｎ， Ｊ． Ｋｉｍ， Ｈ． Ｓｕｋｅｇａｗａ， Ｍ． Ｈａｙａｓｈｉ， ａｎｄ Ｓ． Ｍｉｔａｎｉ， ＡＩＰ Ａｄｖ．， Ｖｏｌ． ６， ｐ． ０５６３０７ （２０１６）

【非特許文献4】Ａｎｇｅｗ． Ｃｈｅｍ． Ｉｎｔ． Ｅｄ．， Ｖｏｌ． ５８， ｐｐ． ２２３０-２２３５ （２０１９）．

【非特許文献5】Ｈ． Ｍａｓｕｄａ， Ｒ． Ｍｏｄａｋ， Ｔ． Ｓｅｋｉ， Ｋ． Ｕｃｈｉｄａ， Ｙ．－Ｃ． Ｌａｕ, Ｙ． Ｓａｋｕｒａｂａ， Ｒ． Ｉｇｕｃｈｉ， ａｎｄ Ｋ． Ｔａｋａｎａｓｈｉ， Ｃｏｍｍｕｎ Ｍａｔｅｒ．， Ｖｏｌ． １， ｐ． ７５ （２０２０）．

【非特許文献6】Ｃ．Ｏ． Ａｖｃｉ， Ｋ． Ｇａｒｅｌｌｏ， Ａ． Ｇｈｏｓｈ， Ｍ． Ｇａｂｕｒｅａｃ， Ｓ．Ｆ． Ａｌｖａｒａｄｏ， ａｎｄ Ｐ． Ｇａｍｂａｒｄｅｌｌａ， Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓ．， Ｖｏｌ． １１， ｐｐ． ５７０－５７６ （２０１５）．

【非特許文献7】Ｃ． Ｏ． Ａｖｃｉ， Ｋ． Ｇａｒｅｌｌｏ， Ｍ． Ｇａｂｕｒｅａｃ， Ａ． Ｇｈｏｓｈ， Ａ． Ｆｕｈｒｅｒ， Ｓ． Ｆ． Ａｌｖａｒａｄｏ， Ｐ． Ｇａｍｂａｒｄｅｌｌａ， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ Ｖｏｌ． ９０， ｐ． ２２４４２７ （２０１４）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

Ｒｕ、Ｃｕとも低抵抗な金属であるがスピン流変換効率は非常に小さい（スピンホール角：Ｃｕ～０［非特許文献２］、Ｒｕ～０．５６％［非特許文献３］）ことが知られておりスピン流生成層として用いることができなかった。Ｒｕ－Ｃｕは、バルクでは合金を形成しない組み合わせであり、それぞれの固溶域も非常に狭く合金化は困難と思われていた。ごく最近、Ｒｕ－Ｃｕがナノメートルスケールの粒子の場合に合金化することが報告されている［非特許文献４］。しかし、Ｒｕ－Ｃｕがナノメートルスケールの粒子よりもサイズが大きい薄膜として安定に得られるか、またＲｕ－Ｃｕ合金が薄膜として得られるとしても、そのスピンホール効果については未知の領域であった。

【0008】

本発明はこのような課題を解決するもので、スピン軌道トルク書き込み型ＭＲＡＭ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）に用いて好適な、磁性積層膜を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、上記の磁性積層膜を用いた磁気メモリ素子、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】

本発明者は、原子膜厚レベルの積層膜とし、Ｒｕ／Ｃｕの各界面によってスピン流生成の可能性を探ることを目的として、実験を重ねていった。しかし、意外なことに、当初の予想に反してＲｕ－Ｃｕが均質な固溶体として得られることが判明した（ナノ人工合金膜）。このナノ合金生成の実現に寄与したと考えられる要因として、高エネルギーのスパッタプロセスによる強制固溶体化の促進が考えられる。また、ＲｕとＣｕは単結晶成長が可能な組み合わせであり格子整合性も比較的良いことも形成の要因と考えられる。合金化により純Ｃｕ、純Ｒｕよりも桁違いに大きいスピンホール角（３．５％）が得られることが判明し、スピントロニクス素子用のスピン流有望材料であることがわかり、本発明を想到するに至った。
Ｃｕ－Ｉｒの系でも固溶域を超えた合金化の実現によりスピン流生成効率の向上が報告されている［非特許文献５］。一方、本発明は固溶域が存在するＣｕ－Ｉｒとは異なり完全非固溶系である。またＩｒそのものが大きなスピンホール効果を示し、純金属として効果が小さい本発明とは異なる。

【0010】

［１］本発明の磁性積層膜は、例えば図１に示すように、磁気メモリ素子用の磁性積層膜であって、
磁気反転のためのスピン流を生成するチャンネル層１０と、チャンネル層１０と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層２０と、を備え、
チャンネル層１０はＲｕ_１－ｘＣｕ_ｘ（０．１０≦ｘ≦０．９０）よりなり、チャンネル層１０の膜厚は２ｎｍ～３０ｎｍの範囲であるものである。
［２］本発明の磁性積層膜［１］において、好ましくは、チャンネル層の結晶構造はＲｕリッチ組成では六方最密充填構造(ＨＣＰ：ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ－ｐａｃｋｅｄ)であり、Ｃｕリッチ組成では立方最密充填構造(ＦＣＣ：ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ)であり、Ｒｕリッチ組成とＣｕリッチ組成の中間では六方最密充填構造と立方最密充填構造の両方が存在しているとよい。
［３］本発明の磁性積層膜［１］又は［２］において、好ましくは、チャンネル層１０はＲｕ_１－ｘＣｕ_ｘ（０．２５≦ｘ≦０．７５）であるとよい。
［４］本発明の磁性積層膜［１］～［３］において、好ましくは、さらに、チャンネル層１０と第１強磁性層２０の間に挿入された導電性の非磁性層を有し、前記非磁性層の膜厚は０．２ｎｍ～１０ｎｍの範囲であるとよい。
［５］本発明の磁性積層膜［１］～［４］において、好ましくは、さらに、チャンネル層１０と第１強磁性層２０が積層される基板７０を含むとよい。

【0011】

［６］本発明の磁気メモリ素子は、例えば図２～図６に示すように、［１］～［４］のいずれか１項に記載の磁性積層膜と、第１強磁性層２０に隣接し、絶縁性の材料から構成されるバリア層３０と、バリア層３０と隣接し、少なくとも一層の磁化の方向の固定された強磁性層を有する参照層４０と、参照層４０に隣接し、導電性の材料から構成されるキャップ層５０と、チャンネル層１０の長手方向の一端に、電流の導入が可能な第１端子Ｔ１と、チャンネル層１０の長手方向の他端に、電流の導入が可能な第２端子Ｔ２と、キャップ層５０に、電流の導入が可能な第３端子Ｔ３と、を備えることを特徴とする。
［７］本発明の磁気メモリ素子［６］において、第１強磁性層２０に接続された第４端子Ｔ４を備えるとよい。
［８］本発明の磁気メモリ素子［６］において、第１強磁性層２０は膜面の面外に垂直な方向で反転可能な磁化を有するとよい。
［９］本発明の磁気メモリ素子［６］において、第１強磁性層２０は膜面内で第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを結ぶ線分と直交する方向に反転可能な磁化を有するとよい。
［１０］本発明の磁気メモリ素子［６］において、第１強磁性層２０は膜面内で第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを結ぶ線分と平行な方向に反転可能な磁化を有するとよい。
［１１］本発明の磁気メモリ素子［６］において、第１強磁性層２０は、第１磁化領域と、前記第１磁化領域を挟んで配置された第２磁化領域と第３磁化領域とを有し、
前記第２磁化領域の磁化と前記第３磁化領域の磁化とは互いに異なる方向に固定されており、
前記第１磁化領域の磁化は反転可能であり、前記第２磁化領域の磁化または前記第３磁化領域の磁化のいずれか一方と同一方向を向くことができるとよい。

【0012】

［１２］本発明の磁気メモリは、［６］～［１１］のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子と、
前記磁気メモリ素子に書き込み電流を流すことにより、前記磁気メモリ素子にデータを書き込む書き込み手段と、
バリア層３０を貫通する方向に電流を流してトンネル抵抗を求めることにより、前記磁気メモリ素子に書き込まれているデータを読み出す読み出し手段と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の磁性積層膜によれば、ＲｕとＣｕが合金化した薄膜によって大きくスピン流生成効率が向上するため、スピン軌道トルク書き込み型ＭＲＡＭ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）向けの基本構造の磁気デバイス構造に用いて好適である。
本発明の磁気メモリ素子、及び磁気メモリによれば、ＲｕとＣｕが合金化した薄膜によって大きくスピン流生成効率が向上した磁性積層膜を用いているので、高性能のスピン軌道トルク書き込み型ＭＲＡＭ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施の形態に係る磁性積層膜の構造を示す正面図である。

【図2A】図１の磁性積層膜を使用した磁気メモリ素子の斜視図である。

【図2B】図２Ａの磁気メモリ素子の正面図（Ｘ－Ｚ面）である。

【図2C】図２Ａの磁気メモリ素子の側面図（Ｙ－Ｚ面）である。

【図2D】図２Ａの磁気メモリ素子の平面図（Ｘ－Ｙ面）である。

【図3】（Ａ）、（Ｂ）は、図２Ａの磁気メモリ素子のメモリ状態を示す図であり、（Ａ）は「０」を記憶した状態、（Ｂ）は「１」を記憶した状態における磁化状態である。

【図4】（Ａ）、（Ｂ）は、図２Ａの磁気メモリ素子への情報の書き込み方法を示す図であり、（Ａ）は「１」の書き込み、（Ｂ）は「０」の書き込みの方法である。

【図5】（Ａ）、（Ｂ）は、図２Ａの磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法を示す図であり、（Ａ）は「０」を記憶した状態、（Ｂ）は「１」を記憶した状態での読み出しの方法である。

【図6】図２Ａの磁気メモリ素子を使用した１ビット分のメモリセル回路の回路構成の例を示す図である。

【図7】図６に示すメモリセル回路を複数個配置した磁気メモリのブロック図である。

【図8A】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ－Ｙ面）である。

【図8B】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ－Ｙ面）である。

【図8C】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ－Ｙ面）である。

【図8D】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ－Ｙ面）である。

【図9】図２Ａの磁気メモリ素子の膜厚を説明するための図である。

【図10】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の正面図（Ｘ－Ｚ面）である。

【図11】（ａ）は本発明の一実施例を示すＲｕ_５０Ｃｕ_５０スピン流生成層を有する積層デバイスの断面模式図、（ｂ）はＲｕ_５０Ｃｕ_５０薄膜の積層状態、（ｃ）はＵＳＭＲ信号の外部磁場依存性（電流密度９ＭＡ／ｃｍ^２）を示している。

【図12】（ａ）は本発明の一実施例を示すＲｕ_５０Ｃｕ_５０スピン流生成層の断面ＳＴＥＭ像、（ｂ）はＣｕ原子とＲｕ原子のエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）組成プロファイルを示している。

【図13】（ａ）はＲｕ_５０Ｃｕ_５０スピン流生成層とＣｏＦｅＢ磁性層を用いた積層デバイスの構造模式図、（ｂ）はハーモニックホール信号（基本成分）の面内磁場角度依存性、（ｃ）はハーモニックホール信号（第２高調波成分）の面内地場方向依存性、（ｄ）は磁場に対するＡ成分のプロットを示している。（ｂ）～（ｄ）の実線は理論式フィッティング結果を示している。

【図14】（ａ）はＲｕ_２５Ｃｕ_７５組成を用いた積層デバイスの断面模式図、（ｂ）はＲｕ_２５Ｃｕ_７５薄膜の積層状態、（ｃ）は作製した積層デバイスのＥＤＳ組成深さ方向プロファイルを示している。

【図15】（ａ）はＲｕ_７５Ｃｕ_２５組成を用いた積層デバイスの断面模式図（ｂ）はＲｕ_７５Ｃｕ_２５薄膜の積層状態、（ｃ）は作製した積層デバイスのＥＤＳ組成深さ方向プロファイルを示している。

【図16】各ＲｕＣｕ組成におけるＵＳＭＲ飽和信号値の電流密度依存性を示すもので、（ａ）はＲｕ_２５Ｃｕ_７５組成、（ｂ）はＲｕ_５０Ｃｕ_５０組成、（ｃ）はＲｕ_７５Ｃｕ_２５組成を示している。

【図17】（ａ）は単結晶Ｒｕ下地上に形成したＲｕ_５０Ｃｕ_５０スピン流生成層を有する積層デバイスの断面模式図、（ｂ）はＲｕ_５０Ｃｕ_５０薄膜の積層状態、（ｃ）は積層デバイスのＲｕ_５０Ｃｕ_５０近傍の断面ＳＴＥＭ像、（ｄ）はＵＳＭＲ信号の外部磁場依存性（電流密度２７ＭＡ／ｃｍ^２）を示している。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁性積層膜の構造を示す正面図である。磁性積層膜は、チャンネル層１０と第１強磁性層２０が隣接して積層された構造を有するもので、基板７０側にチャンネル層１０が位置し、保護層８０側に第１強磁性層２０が位置する。ここで、「隣接」には、直接隣接する構造に限らず、以下で説明する機能を害さない範囲で、他の層、空間等を介して、配置されている構造も含む。以下の説明においても、同様とする。

【0016】

チャンネル層１０は、磁気反転のためのスピン流を生成するもので、Ｒｕ_１－ｘＣｕ_ｘ（０．１０≦ｘ≦０．９０、更に好ましくは、０．２５≦ｘ≦０．７５）よりなるものであり、Ｒｕ_１－ｘＣｕ_ｘの結晶構造はＲｕリッチ組成では六方最密充填構造（ＨＣＰ：ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ－ｐａｃｋｅｄ）であり、Ｃｕリッチ組成では立方最密充填構造（ＦＣＣ：ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）であり、Ｒｕリッチ組成とＣｕリッチ組成の中間では六方最密充填構造と立方最密充填構造の両方が存在している。ここでＲｕリッチ組成とは、０．１０≦ｘ≦０．４０の範囲をいう。Ｃｕリッチ組成とは、０．６０≦ｘ≦０．９０の範囲をいう。Ｒｕリッチ組成とＣｕリッチ組成の中間とは、０．４０＜ｘ＜０．６０の範囲をいう。
ｘが０．１０未満（０．９０超）とすると、積層数が原子１０層相当の場合には最低１層（９層）であるため物理的に実現が困難なためである。またｘが０．１０未満および０．９０超において均質な合金がもし得られたとしても、一方の原子濃度が薄すぎるため効果を失うためである。好適にはチャンネル層１０の膜厚は、２ｎｍ～３０ｎｍであり、更に好ましくは、４ｎｍ～１０ｎｍである。膜厚を２ｎｍ未満とすると、作製上薄膜化が困難であること、電気配線として機能させることが困難であるためである。膜厚を３０ｎｍ超とすると、膜を構成する元素のスピン拡散長に近づきスピン流生成機能が弱まるためである。
ここでいう膜厚とは、第１強磁性層２０と隣接している部分のチャンネル層１０の厚さをいう。例えば、図２Ａに示す磁気メモリ素子１００において、チャンネル層１０のうち、その上部に第１強磁性層２０が形成されている領域の厚さを意味する。また、チャンネル層１０の一方向スピンホール磁気抵抗効果（ＵＳＭＲ：Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）信号は、典型的には１０ＭＡ／ｃｍ^２の電流密度において、０．５～１．５ｍΩである。

【0017】

第１強磁性層２０は、強磁性体から構成され、保持している磁化の向き（ＳからＮに向かう方向）が反転可能な特性を有する。第１強磁性層２０における反転可能な磁化の方向は、図１に矢印で示される。図１に示す実施の形態においては、その磁化の方向は、膜面の面外に垂直方向で、上向きと下向きの間で反転可能である。第１強磁性層２０の厚さは０．５ｎｍ～１０ｎｍ、より好ましくは０．８～５ｎｍがよく、面内磁化膜、垂直磁化膜のいずれにも対応できる。磁性層材料としては、ＣｏＦｅＢ、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｉ－Ｃｕ、Ｃｏを用いることができ、垂直膜としては、（Ｃｏ，Ｆｅ）－（Ｐｔ，Ｐｄ）合金などを用いることができる。

【0018】

基板７０は、磁性積層膜のチャンネル層１０と第１強磁性層２０がこの順で積層されるもので、Ａｌ_２Ｏ_３サファイア（０００１）基板、シリコン基板、ＭｇＯ基板等が用いられる。
保護層８０は、例えばＭｇＯ層よりなるもので、酸化保護膜として機能する。保護層８０は、例えばスパッタ成膜によりＭｇ層を第１強磁性層２０上に製膜する。このＭｇ層は大気中に取り出し後、自然酸化されてＭｇＯと変化して、保護層８０となる。なお、保護層８０は後述する実施例１～４において、磁性積層膜のスピン流生成層の働きを測定する為に設けられているものであり、磁気メモリ素子１００に用いる場合には設けられていない。

【0019】

図２Ａは、磁性積層膜を使用した磁気メモリ素子１００の構造を示している。磁気メモリ素子１００の正面図（Ｘ－Ｚ面）は図２Ｂに、側面図（Ｙ－Ｚ面）は図２Ｃに、平面図（Ｘ－Ｙ面）は図２Ｄに示される。

【0020】

図２Ａ～図２Ｃに示すように、磁気メモリ素子１００は、チャンネル層１０と第１強磁性層２０よりなる磁性積層膜と、バリア層（絶縁層）３０と、参照層４０と、キャップ層５０がこの順に積層されて構成され、さらに第１端子Ｔ１と、第２端子Ｔ２と、第３端子Ｔ３とを備える。第１端子Ｔ１は磁性積層膜の一端に、第２端子Ｔ２は磁性積層膜の他端に接続されている。詳細には、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は磁性積層膜のうちのチャンネル層１０の両端部に接続されている。
基板については、図示を省略しており、これによって、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２を図示する際の理解を容易にしている。以下の図面においても基板については同様に図示を省略する。
なお、以下の説明において、磁性積層膜の長軸方向（延伸方向）をＸ方向、短軸方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向に直交する方向をＺ方向とするＸＹＺ座標系を設定し、適宜参照する。

【0021】

バリア層３０は、磁性積層膜のうちの第１強磁性層２０に隣接して設けられている。バリア層３０は絶縁性の材料から構成されている。材料としては例えばＭｇＯ、Ａｌ－Ｏ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ、Ｍｇ－Ｇａ－Ｏであり、これらの積層膜からなっていても良い。

【0022】

参照層４０は、少なくとも一層の強磁性層を具備する。参照層４０は、この実施の形態では、第２強磁性層４１、結合層４２、第３強磁性層４３がこの順に積層された構造を有している。参照層４０は、１枚の強磁性層、あるいは３層以上の強磁性層を有していても構わない。参照層４０を構成する強磁性層（より厳密には、バリア層３０と隣接する第２強磁性層４１）の磁化の方向は、実質的に固定されている。第２強磁性層４１の磁化は、実質的に上向きに、第３強磁性層４３の磁化は実質的に下向きに固定されている。結合層４２は、第２強磁性層４１の磁化の方向と第３強磁性層４３の磁化の方向とを反平行方向に結合させる働きを有している。この場合の結合メカニズムとしては、ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ Ｋｉｔｔｅｌ Ｋａｓｕｙａ Ｙｏｓｈｉｄａ）相互作用などを用いることができる。結合層４２を介して２層の強磁性層を反平行方向に結合させることによって、第１強磁性層２０に印加される合計の磁場を低減し、二つのメモリ状態（磁化が上向きの状態と下向きの状態）のエネルギーを対称にすることができる。また、参照層４０からの漏れ磁場を低減することができる。

【0023】

第１強磁性層２０、バリア層３０、第２強磁性層４１により磁気トンネル接合が形成されている。
キャップ層５０は、導電性の材料から構成されている。キャップ層５０は、上述の磁気トンネル接合を保護する働きを有している。図示されている垂直磁化膜の代わりに、各磁性層に面内磁化膜を用いる場合は、キャップ層５０と参照層４０間に反強磁性層を導入することで磁化配列を制御する働きを有する。反強磁性層として５～１５ｎｍの厚さのＩｒ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｍｎなどを用いることができる。キャップ層５０に第３端子Ｔ３が接続されている。

【0024】

図２Ｂに示すように、磁気メモリ素子１００は３つの端子を有している。ただし、本実施の形態に係る磁気メモリ素子は、３つ以上の端子を有していればよい。例えば、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２はチャンネル層１０に接続されており、第３端子Ｔ３はキャップ層に接続され、第４の端子（図示されていない）は第４強磁性層（図示されていない）に接続されていても良い。これらの構造の場合、第４強磁性層は、バリア層３０に隣接し、第１強磁性層２０との間に設けられている。また、第４強磁性層は反転可能な磁化を有し、その方向は第１強磁性層２０の磁化の方向を反映して変化する。また、第４の端子は第１強磁性層２０に配置されてもよい。即ち、また、第４の端子は第１強磁性層２０に直接又は間接的に電気的に接続されていればよい。

【0025】

次に、図３を用いて、磁気メモリ素子１００が「０」、「１」の情報を記憶した状態における磁化の構造を説明する。

【0026】

磁気メモリ素子１００が、「０」の情報を記憶した状態での磁化の構造を模式的に示した正面図を図３（Ａ）に、「１」の情報を記憶した状態での磁化の構造を模式的に示した正面図を図３（Ｂ）に示す。磁気メモリ素子１００が、「０」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化は上方向を向いている。これによって磁気トンネル接合における磁化の方向は平行状態になる。磁気メモリ素子１００が、「１」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化は下方向を向いている。これによって磁気トンネル接合における磁化の方向は反平行状態になる。なお、メモリの記憶データと磁化状態の定義は任意であり、例えば、図３に示した関係と真逆であっても構わない。また、面内磁化膜によって磁気メモリ素子１００を構成しても平行状態と反平行状態が実現できれば構わない。

【0027】

次に、図４を用いて、磁気メモリ素子１００に「０」、「１」の情報を書き込む方法を説明する。図４（Ａ）は「１」を書き込む際の動作、図４（Ｂ）は「０」を書き込む際の動作を説明する図である。

【0028】

磁気メモリ素子１００に情報を書き込む際には、スピン軌道トルクによる磁化の反転を用いる。このため、書き込み電流は、チャンネル層１０の面内の方向に、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２を介して流れる。

【0029】

磁気メモリ素子１００では、情報の記憶をつかさどる第１強磁性層２０は、垂直方向に反転可能な磁化の方向を有している。垂直方向の磁化の方向をスピン軌道トルクによって反転させる場合には、電流と平行方向の定常磁場が必要である。図４に示すように、電流と平行方向の定常磁場としてＸ方向の磁場Ｈ_Ｘを印加する。

【0030】

「１」を磁気メモリ素子１００に書き込む際には、書き込み電流ＩＷ_１を第１端子Ｔ１からチャンネル層１０を通って第２端子Ｔ２に流す。一方、「０」を磁気メモリ素子１００に書き込む際には、書き込み電流ＩＷ_０を第２端子Ｔ２からチャンネル層１０を通って第１端子Ｔ１に流す。

【0031】

これによって、図３（Ａ）で定義した「０」を記憶した状態と図３（Ｂ）で定義した「１」を記憶した状態との間を行き来させることができる。なお、書き込み電流の方向、面内方向の定常磁場の方向、磁化の反転方向の関係は、チャンネル層１０、第１強磁性層２０、バリア層３０に用いる材料の組み合わせによって変わり得る。より具体的には、チャンネル層１０、第１強磁性層２０、バリア層３０に用いる材料の組み合わせによってスピン軌道トルクの働く方向が決まり、それによって「１」の書き込みと「０」の書き込みとにおける電流の方向が決定される。

【0032】

なお、スピン軌道トルクの発現メカニズムとしては、スピンホール効果やラシュバ効果などが考えられている。ただし、本発明では、その原理はいかようであっても構わず、電流が磁性積層膜に導入されたときにスピン・軌道相互作用を介して第１強磁性層２０の磁化にトルクが働き、これが磁化の方向の回転による反転を誘起しさえすればよい。

【0033】

必要な書き込み電流（密度）の大きさ、及びパルス幅は、チャンネル層１０、第１強磁性層２０、バリア層３０に用いる材料の組み合わせによって決まる。書き込み電流の密度の大きさは典型的には０．２～２×１０^１２Ａ／ｍ^２である。この場合、電流がチャンネル層１０を流れるものとして、チャンネル層１０のＹ方向の幅が５０ｎｍ、Ｚ方向の膜厚が６ｎｍとすると、書き込み電流の大きさは６０～６００μＡである。また書き込み電流のパルス幅は典型的には０．２～５ｎｓである。

【0034】

次に、図５を用いて、磁気メモリ素子１００から「０」、「１」の情報を読み出す方法を説明する。
磁気メモリ素子１００から情報を読み出す際には、トンネル磁気抵抗効果が用いられる。
このために読み出し電流を第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０からなる磁気トンネル接合を貫通する方向に流し、「０」を記憶した状態、「１」を記憶した状態における磁気トンネル接合のトンネル抵抗の違いを利用して読み出しを行う。読み出し時には、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、読み出し電流Ｉ_Ｒを第３端子Ｔ３から第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２に流す。このとき、図５（Ａ）に示した「０」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は平行であるため、抵抗は低く、基準電圧によって流れる電流は相対的に大きい。

【0035】

一方、図５（Ｂ）に示した「１」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は反平行であるため、抵抗は高く、基準電圧によって流れる電流は相対的に小さい。言い換えると、図５（Ａ）に示した「０」を記憶した状態においては第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は平行であるために抵抗は低く、基準電流を流すのに必要な電圧は相対的に小さい。一方、図５（Ｂ）に示した「１」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は反平行であるため抵抗は高く、基準電流を流すのに必要な電圧は相対的に大きい。

【0036】

なお、磁気メモリ素子１００が第４の端子を有する構造（バリア層３０と第１強磁性層２０との間に設けた第４強磁性層或いは第１強磁性層２０に端子を設けた構造）を有する場合には、読み出し電流を第３端子Ｔ３と第４端子の間に流せばよい。書き込み電流を流す動作は上述の動作と同一である。

【0037】

（メモリセル回路）
次に、図６を用いて、上記構成を有する磁気メモリ素子１００を記憶素子として使用するメモリセル回路の構成例を説明する。
図６は、１ビット分の磁気メモリセル回路２００の構成を示している。この磁気メモリセル回路２００は、１ビット分のメモリセルを構成する磁気メモリ素子１００と、一対の書き込みビット線ＷＢＬ１、ＷＢＬ２と、ワード線ＷＬと、読み出しビット線ＲＢＬと、第１トランジスタＴｒ１および第２トランジスタＴｒ２と、を備える。

【0038】

磁気メモリ素子１００の第３端子Ｔ３は、読み出しビット線ＲＢＬに接続されている。第１端子Ｔ１は第１トランジスタＴｒ１のドレインに接続され、第２端子Ｔ２は第２トランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２のゲート電極はワード線ＷＬに接続されている。また、第１トランジスタＴｒ１のソースは第１書き込みビット線ＷＢＬ１に接続され、第２トランジスタＴｒ２のソースは第２書き込みビット線ＷＢＬ２に接続されている。

【0039】

磁気メモリ素子１００に情報を書き込む際には、まず、磁気メモリ素子１００を選択するため、ワード線ＷＬにトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２をオンさせるアクティブレベルの信号を印加する。ここでは、トランジスタＴｒ１とＴｒ２がＮチャンネルＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタから構成することとする。この場合、ワード線ＷＬの電圧はＨｉｇｈレベルに設定される。これによって第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２はオン状態になる。一方、書き込み対象のデータに応じて、第１書き込みビット線ＷＢＬ１と第２書き込みビット線ＷＢＬ２の一方の電圧はＨｉｇｈレベルに設定され、他方の電圧はＬｏｗレベルに設定される。

【0040】

具体的には、データ“１”を書き込む場合は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧はＨｉｇｈレベルに設定され、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧はＬｏｗレベルに設定される。これにより、図４（Ａ）に示すように、チャンネル層１０に順方向に書き込み電流ＩＷ_１が流れ、磁気メモリ素子１００にデータ“１”が書き込まれる。

【0041】

一方、データ“０”を書き込む場合は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧はＬｏｗレベルに設定され、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧はＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、図４（Ｂ）に示すように、チャンネル層１０に逆方向に書き込み電流ＩＷ_０が流れ、磁気メモリ素子１００にデータ“０”が書き込まれる。
このようにして、磁気メモリ素子１００へのビットデータの書き込みが行われる。

【0042】

一方、磁気メモリ素子１００に記憶されている情報を読み出す際には、ワード線ＷＬをアクティブレベルに設定し、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２とをオン状態とする。また、読み出しビット線ＲＢＬの電圧をＨｉｇｈレベルに設定する。Ｈｉｇｈレベルの電圧に設定された読み出しビット線ＲＢＬより第３端子Ｔ３→キャップ層５０→参照層４０→バリア層３０→第１強磁性層２０→チャンネル層１０→第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２→第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２→第１書き込みビット線ＷＢＬ１、第２書き込みビット線ＷＢＬ２と電流が流れる。この電流の大きさを測定することにより、磁気トンネル接合の抵抗の大きさ、即ち、記憶データが求められる。

【0043】

なお、磁気メモリセル回路２００の構成や回路動作は、一例であって、適宜変更されうる。例えば、第３端子Ｔ３を読み出しビット線ＲＢＬに代えて、グラウンド線ＧＮＤに接続し、読み出しの際は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の両方の電圧をＨｉｇｈレベル、或いは一方の電圧をＨｉｇｈレベル、他方をＯｐｅｎにすることで、電流がチャンネル層１０からキャップ層５０に流れるように構成されてもよい。

【0044】

次に、図７を参照して、磁気メモリセル回路２００を複数備える磁気メモリ３００の構成を説明する。
磁気メモリ３００は、図７に示すように、磁気メモリセルアレイ２１０、Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラー１４０を備える。

【0045】

磁気メモリセルアレイ２１０は、Ｎ行Ｍ列のアレイ状に配置された磁気メモリセル回路２００を有している。各列の磁気メモリセル回路２００は、対応する列の第１書き込みビット線ＷＢＬ１と第２書き込みビット線ＷＢＬ２、及び読み出しビット線ＲＢＬに接続されている。また、各行の磁気メモリセル回路２００は、対応する行のワード線ＷＬに接続されている。

【0046】

Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬに接続されており、ローアドレスを受け、ローアドレスをデコードして、アクセス対象の行のワード線ＷＬの電圧をアクティブレベルに駆動する（第１、第２トランジスタＴ１１、Ｔｒ２がＮチャンネルＭＯＳトランジスタの場合、Ｈｉｇｈレベルとする）。

【0047】

Ｙドライバ１３０は、磁気メモリ素子１００にデータを書き込む書き込み手段及び磁気メモリ素子１００からデータを読み出す読み出し手段として機能するものである。Ｙドライバ１３０は、複数の第１書き込みビット線ＷＢＬ１と第２書き込みビット線ＷＢＬ２に接続されている。Ｙドライバ１３０は、カラムアドレスを受け、カラムアドレスをデコードして、アクセス対象の磁気メモリセル回路２００に接続されている第１書き込みビット線ＢＬ１と第２書き込みビット線ＢＬ２を所望のデータ書き込み状態或いは読み出し状態に設定する。

【0048】

即ち、Ｙドライバ１３０は、データ「１」を書き込む場合、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧をＨｉｇｈレベルとし、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧をＬｏｗレベルとする。また、Ｙドライバ１３０は、データ「０」を書き込む場合は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧をＬｏｗレベルとし、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧をＨｉｇｈレベルとする。

【0049】

さらに、磁気メモリセル回路２００に記憶されている情報を読み出す際には、Ｙドライバ１３０は、読み出しビット線ＲＢＬの電圧をＨｉｇｈレベルに設定し、第１書き込みビット線ＷＢＬ１、第２書き込みビット線ＷＢＬ２をグラウンドに接続する。図示せぬセンスアンプが、読み出しビット線ＲＢＬを流れる電流と基準値とを比較して、各列の磁気メモリセル回路２００の抵抗状態を判別し、これにより、記憶データを読み出す。

【0050】

コントローラー１４０は、データ書き込み、あるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１２０とＹドライバ１３０をそれぞれ制御する。

【0051】

（磁性積層膜と磁気メモリ素子の材料とサイズ）
次に、磁性積層膜、及び磁気メモリ素子１００に用いることのできる材料について説明する。

【0052】

チャンネル層１０は、磁気反転のためのスピン流を生成するもので、少なくともＲｕ_１－ｘＣｕ_ｘ（０．１０≦ｘ≦０．９０、更に好ましくは、０．２５≦ｘ≦０．７５）を含有する。また、チャンネル層１０の結晶構造は、通常Ｒｕリッチ組成では六方最密充填構造（ＨＣＰ：ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ－ｐａｃｋｅｄ）であり、Ｃｕリッチ組成では立方最密充填構造（ＦＣＣ：ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）であり、Ｒｕリッチ組成とＣｕリッチ組成の中間では六方最密充填構造と立方最密充填構造の両方が存在している。また、チャンネル層１０のＵＳＭＲ電圧信号は、例えば上記のＲｕ－Ｃｕ組成範囲内において１０ＭＡ／ｃｍ^２の電流密度において０．５～１．５ｍΩ程度の大きな値である。

【0053】

第１強磁性層２０は、少なくともＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含有し、自発磁化を有している。また、所望の磁気特性や結晶構造を得るために、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅなどを含有してもよい。具体的には、Ｆｅ－Ｃｏ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ合金などが例示される。また、第１強磁性層２０は複数の強磁性層からなる積層膜であってもよい。例えば、Ｆｅ－Ｃｏ合金とＦｅ－Ｃｏ－Ｂ合金の積層膜などが例示される。また、第１強磁性層２０は少なくとも２層の強磁性層と少なくとも１層の非磁性層が積層された積層膜であってもよい。例えば、ＣｏとＰｔをサブナノメートルの膜厚で交互に積層させた積層膜などが例示される。

【0054】

バリア層３０は絶縁性の材料から構成される。Ｍｇ－Ｏ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ、Ａｌ－Ｏ、Ｍｇ－Ｇａ－Ｏなどが例示される。
参照層４０を構成する第２強磁性層４１、第３強磁性層４３に用いることのできる材料は第１強磁性層２０と同様である。ただし、第２強磁性層４１と第３強磁性層４３とは、第１強磁性層２０よりも磁気的にハードである必要がある。結合層４２は、第２強磁性層４１と第３強磁性層４３を磁気的に結合させることのできる導電性の材料であることが望ましい。具体的にはＲｕなどが例示される。参照層４０の膜構成は、バリア層３０側から順に、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ合金／Ｔａ／［Ｃｏ／Ｐｔ］積層膜／Ｒｕ／［Ｃｏ／Ｐｔ］積層膜などが例示される。

【0055】

キャップ層５０は導電性の材料から構成される。Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｐｔなどが例示される。また、キャップ層５０は複数の導電性の材料が積層された積層膜であってもよい。具体的にはＴａ／Ｒｕ／Ｔａなどが例示される。

【0056】

次に、図２Ａを用いて磁気メモリ素子１００のサイズと膜厚について説明する。
チャンネル層１０はＸ方向に延在する形状を有する。チャンネル層１０がＸ－Ｙ面内において長方形状に形成される場合の典型的なサイズは以下の通りである。Ｙ方向の幅は２０～１５０ｎｍである。Ｘ方向の長さは５０～８００ｎｍである。なお、チャンネル層１０は長方形以外の形状を有していても構わない。

【0057】

第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０は、図２Ａに示すように、同一形状で形成されている。ただし、これらは同一形状でなくても構わない。例えば、第１強磁性層２０のみはチャンネル層１０と同一の形状で形成されていても構わない。さらに、その形状には任意性がある。図２Ａでは正方形状に形成された例を示したが、円形状（図８Ａ）に形成されていてもよく、また長方形（図８Ｂ）や楕円形（図８Ｃ）であってもよい。この場合の一片の長さ（あるいは直径、短径）は２０～１５０ｎｍである。なお、図２Ａでは、第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０のＹ方向の長さと、チャンネル層１０のＹ方向の長さが同一である例を示したが、図８Ｄに示すように、これらは異なっていても構わない。

【0058】

次に各層の膜厚について図９を用いて説明する。
チャンネル層１０の膜厚ｔ_１０は５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることが望ましい。チャンネル層１０の膜厚ｔ_１０が５ｎｍ未満であると、後述する製造プロセスにおいて十分なプロセスマージンを確保することができない。膜厚ｔ_１０が５ｎｍ以上に設定されることによって十分なプロセスマージンを確保することができる。また、チャンネル層１０の膜厚ｔ_１０が３０ｎｍを超えると、書き込み電流が大きくなってしまう。ここでいうチャンネル層１０の膜厚ｔ_１０は、第１強磁性層２０と隣接している部分の膜の厚さをいう。言い換えると、チャンネル層１０のうち、その上部に第１強磁性層２０が形成されている領域の厚さを意味する。

【0059】

第１強磁性層２０の膜厚ｔ_２０は典型的には０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。
バリア層３０の膜厚ｔ_３０は典型的には０．８ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。
参照層４０の合計膜厚ｔ_４０は２ｎｍ以上、１５ｎｍ以下である。
キャップ層５０の膜厚ｔ_５０は１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。

【0060】

（実施例）
次に、磁性積層膜及び磁気メモリ素子１００に関して発明者らが行った実験結果を示す。

【実施例0061】

熱処理によって表面クリーニングを行ったＡｌ_２Ｏ_３サファイア（０００１）基板（２ｃｍ角）を真空チャンバーに導入した。真空チャンバーの到達真空度は１０^－７Ｐａ台である。
基板上にＲｕ、Ｃｕの順番でそれぞれ１原子面厚さに相当する０．２ｎｍの厚さで２インチ径マグネトロンスパッタガンを用い、スパッタ交互成膜を行うことでＲｕ_５０Ｃｕ_５０薄膜を得た（図１１（ｂ））。また、積層繰り返し回数は２５回としＲｕ_５０Ｃｕ_５０層が約１０ｎｍの厚さになるように作製した。成膜時の基板温度は室温とし、Ａｒ圧力０．１Ｐａをプロセスガスとして用い、Ｒｕ層は直流（ＤＣ）モード、投入電力４０Ｗ、Ｃｕは高周波（ＲＦ）モード、投入電力３０Ｗの条件を用いて成膜した。

【0062】

その後真空チャンバー中にて３００℃、１５分間ポスト熱処理を行った。引き続き同一チャンバー内においてＮｉ_８０Ｆｅ_２０（ＮｉＦｅ）を、ＤＣ２０Ｗの電力でスパッタ積層し、最後に保護膜としてＭｇをＲＦ３０Ｗの電力でスパッタ積層した。Ｍｇ層は大気中に取り出し後、自然酸化されてＭｇＯと変化することで図１１（ａ）の積層構造が得られた。ここでＲｕ_５０Ｃｕ_５０層はチャンネル層としてのスピン流生成層１０、ＮｉＦｅ層はスピン流検出のための第１強磁性層としての磁性層２０、ＭｇＯ層は酸化保護膜として機能する保護層８０である。

【0063】

次にこの積層膜を１０μｍ幅、２５μｍ長さにフォトリソグラフィー、アルゴンイオンミリングを用いてパターニングし、その外側に約１００ｎｍ厚さの金の電極を形成した。室温においてＵＳＭＲ法によるスピン流生成を確認した［非特許文献６］。具体的には、積層膜面内長手方向（ｘ方向）に交流のサイン波形状の電流（２２７Ｈｚ）を印加した。長手方向の電気抵抗の第２高調波成分がＵＳＭＲ信号（Ｒ_ｘｘ ^２ω）となる。
図１１（ｃ）は電流密度Ｊｃ＝９ＭＡ／ｃｍ^２を用いたときのＵＳＭＲ信号の幅方向への外部磁場（Ｈ_ｙ）依存性を示している。飽和値から、別の測定によって決定する発熱の影響を差し引いた値が最終的なＵＳＭＲ信号値となる。本試料では発熱による影響はほぼ無視できる大きさ（０．０１５ｍΩ程度）であることがわかっており、ＵＳＭＲ信号は１ｍΩと見積もられた。この値は同等の測定条件において、Ｒｕ_５０Ｃｕ_５０をＲｕ単相膜（１０ｎｍ）に置き換えた試料での同一電流密度を用いた測定結果～０．００７ｍΩ、Ｃｕ単相膜（１０ｎｍ）試料での～０．００２ｍΩに比べ桁違いに大きい。電気抵抗値などの物性値が異なることなどから直接スピンホール角の比較はできないものの、Ｒｕ_５０Ｃｕ_５０薄膜をスピン流生成層として用いると大きなスピン流生成効率が得られることがわかる。

【0064】

作製したＲｕ_５０Ｃｕ_５０薄膜のナノ構造を確認するため、試料断面の高分解Ｈｉｇｈ－ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ ｆｉｅｌｄ －Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ）像を取得した（図１２（ａ））。図１２（ａ）から分かる通り、Ｒｕ_５０Ｃｕ_５０層はほぼ均質な多結晶構造として得られている。また結晶構造は面心立方（ＦＣＣ）構造と六方最密（ＨＣＰ）構造の混合体であることもわかった。図１２（ｂ）には図１２（ａ）の像と同程度の領域で取得したエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）による局所的な組成分析結果を示した。ＲｕとＣｕの組成はナノメートル領域でほぼ均質であり、組成も設計通りほぼ１：１となっていることがわかる。本来はＲｕとＣｕは合金化しない元素の組み合わせであるが、本実施例の手法により最密充填構造を持つ均質な合金を形成していることがわかる。この合金化によってスピン流生成効率の改善が見られたといえる。

【実施例0065】

磁性層に２ｎｍ厚さのＣｏ_２０Ｆｅ_６０Ｂ_２０（ＣｏＦｅＢ）層を用いること以外は実施例１で用いた試料と同一の積層構造を作製した。この積層構造の模式図を図１３（ａ）に示した。ＣｏＦｅＢ層成膜は、３インチマグネトロンスパッタガンを用いて、Ａｒガス圧０．０７Ｐａ、ＤＣ１５Ｗの条件を用いて成膜した。実施例１と同様に１０μｍ幅、２５μｍ長さにパターニングし電極を形成した。その後、実施例１とは異なる手法であるハーモニックホール法［非特許文献７］によってスピンホール角を算出した。実施例１と同様に長手方向へ交流電流を印加し、ホール抵抗Ｒ^Ｈの基本成分Ｒ^Ｈ _ωと第二高調波成分Ｒ^Ｈ _ωの面内磁場角度依存性を計測した。得られた信号を以下の式を用いてフィッティングすることでスピンホール角を見積もった。

【数1】

【数2】

ここで、φは面内方向の角度、θは面直方向の角度、Ｒ_ＡＨＥは異常ホール抵抗、Ｒ_ＰＨＥはプレーナーホール抵抗、Ｈ_ＤＬは面内方向のスピンホール効果によって生み出される有効磁場、Ｈ_ＦＬは面直方向の有効磁場、Ｈ_Ｏｅは電流が作る磁場、Ｈ_ｅｘは外部磁場、Ｈ_Ｋは磁気異方性磁場、Ｒ_ΔＴは発熱効果による抵抗成分である。

【0066】

図１３（ｂ）は式１を用いて基本成分をフィッティングした結果を示した。また図１３（ｃ）は図１３（ｂ）のフィッティングで算出されたＲ_ＡＨＥ、Ｒ_ＰＨＥを用い、第二高調波成分をフィッティングした結果である。両方の曲線が精度良くフィットされており、成分ＡとＢに分解できた。スピンホール効果によって生まれる有効磁場Ｈ_ＤＬ、Ｈ_ＦＬは次の式によってスピンホール角ξ_ＤＬ、ξ_ＦＬとして算出される。

【数3】

ここでξ_ＤＬがスピンホール角になる。Ｈ_ＤＬの算出のため式２の第一項を比較して、

【数4】

の形を得ることができる。図１３（ｄ）に示すように、係数Ａを縦軸に、１／（Ｈ_ｅｘ＋Ｈ_ｋ）を横軸としてプロットすると、その直線の傾きからＨ_ＤＬが算出できる。この方法によってＲｕ_５０Ｃｕ_５０のスピンホール角＝０．０３５（＝３．５％）が求まった。この値はＣｕ～０［非特許文献２］、Ｒｕ～０．５６％［非特許文献３］と比べ非常に大きい。