特許 7520651 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ

(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】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】磁気抵抗効果素子および磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/20 20230101AFI20240716BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20240716BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20240716BHJP

   H01F 10/16 20060101ALI20240716BHJP

   H01F 10/14 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

H10N50/20

H10B61/00

H01L29/82 Z

H01F10/16

H01F10/14

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020148867

(22)【出願日】2020-09-04

(65)【公開番号】P2022043545

(43)【公開日】2022-03-16

【審査請求日】2023-04-11

(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】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０４９１０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６９８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２６４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６６２４３５６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２００９－０９４２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０６０２３９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ５０／２０

Ｈ１０Ｂ ６１／００

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｆ １０／１６

Ｈ０１Ｆ １０／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層が第１方向に順に積層された積層体と、
前記積層体の前記第２強磁性層上又は前記第２強磁性層の上方にある磁性体と、
前記磁性体の第１側面に接し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる配線と、を備え、
前記第１強磁性層は、前記第２強磁性層よりも配向方向が変化しにくく、
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記磁性体のそれぞれの磁化容易軸方向は前記第１方向であり、
前記磁性体は、前記第２強磁性層と磁気結合し、
前記配線は、内部に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、前記磁性体にスピンを注入し、
前記第２強磁性層の前記第１方向の厚さは、前記第２強磁性層の前記第１方向と直交する面内の最小長さより薄く、
前記磁性体の前記第１方向の厚さは、前記磁性体の前記第１方向と直交する面内の最小長さより厚い、磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記配線は、前記磁性体の上面とさらに接する、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記配線は、前記第２強磁性層の第１側面とさらに接する、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記第２強磁性層と前記磁性体とは、材料又は組成が異なる、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

前記磁性体は、Ｃｏ、Ｔｂ、Ｆｅ、Ｇｄからなる群から選択される２つ以上の元素を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項6】

前記磁性体の下面は、前記第２強磁性層の上面より大きく、
前記磁性体と前記第２強磁性層との界面に段差がある、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項7】

前記磁性体と前記第２強磁性層との間に中間層をさらに備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項8】

前記磁性体と前記第２強磁性層との間に第２配線と絶縁層とをさらに備え、
前記第２配線は、前記第２強磁性層と接し、
前記絶縁層は、前記第２配線と前記磁性体とに挟まれる、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項9】

前記磁性体の上面に接する酸化物層をさらに備える、請求項１又は請求項３～８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗効果素子およ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）素子は、磁気抵抗効果素子として知られている。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）への応用が可能である。

【0003】

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子が集積された記憶素子である。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子における非磁性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、磁気抵抗効果素子の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。

【0004】

例えば、特許文献１及び２には、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用して磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させる方法が記載されている。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れる。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】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１７／０９０７３３号

【文献】特開２０２０－１０７７９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１及び２には、磁化にスピン軌道トルクを与えるための配線（スピン軌道トルク配線）を磁化自由層の側面と接するように配置することが記載されている。しかしながら、特許文献１及び２に記載の磁気抵抗効果素子は、無磁場下でも磁化反転させるという点とＭＲ比を大きくするという点を両立することができない。

【0007】

例えば、特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線は、膜厚の薄い磁化自由層の側面と接しており、スピン軌道トルク配線と磁化自由層との接触面積が小さい。これらの間の接触面積が小さいと、磁化自由層に十分なスピンを供給できない。したがって、スピン軌道トルク配線の側壁接合部から供給されるスピンのみでは、磁化を反転させるだけのトルクを十分与えることができない。特許文献１においても側壁接合部から供給されるスピンは磁化反転のアシストに用いられており、側壁接合部単独で磁化反転を行うことは特許文献１には記載されていない。

【0008】

一方で、特許文献２に記載の磁気抵抗効果素子は、自由層の厚みが厚くなっており、自由層とＳＯＴ発生源との接触面積が大きい。しかしながら、垂直磁気異方性を保ちつつ、自由層の厚みを厚くできる材料は限られている。他方、大きなＭＲ比を示すことができる磁性体の材料も限られている。２つの特徴を同時に満たす磁性体はほとんどなく、特許文献２に記載の磁気抵抗効果素子は、ＭＲ比が小さくなる。

【0009】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ＭＲ比が大きく、かつ、無磁場下でも磁化反転可能な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】

【0010】

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。

【0011】

（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層が第１方向に順に積層された積層体と、前記積層体の前記第２強磁性層上又は前記第２強磁性層の上方にある磁性体と、前記磁性体の第１側面に接し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる配線と、を備え、前記第２強磁性層の前記第１方向の厚さは、前記第２強磁性層の前記第１方向と直交する面内の最小長さより薄く、前記磁性体の前記第１方向の厚さは、前記磁性体の前記第１方向と直交する面内の最小長さより厚い。

【0012】

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記配線は、前記磁性体の上面とさらに接してもよい。

【0013】

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記配線は、前記第２強磁性層の第１側面とさらに接してもよい。

【0014】

（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記磁性体及び前記第２強磁性層の磁化の磁化容易軸方向は前記第１方向でもよい。

【0015】

（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性層と前記磁性体とは、材料又は組成が異なってもよい。

【0016】

（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記磁性体は、Ｃｏ、Ｔｂ、Ｆｅ、Ｇｄからなる群から選択される２つ以上の元素を含んでもよい。

【0017】

（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記磁性体の下面は、前記第２強磁性層の上面より大きく、前記磁性体と前記第２強磁性層との界面に段差があってもよい。

【0018】

（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記磁性体と前記第２強磁性層との間に中間層をさらに備えてもよい。

【0019】

（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記磁性体と前記第２強磁性層との間に第２配線と絶縁層とをさらに備え、前記第２配線は、前記第２強磁性層と接し、前記絶縁層は、前記第２配線と前記磁性体とに挟まれてもよい。

【0020】

（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記磁性体の上面に接する酸化物層をさらに備えてもよい。

【0021】

（１１）第２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】

【0022】

本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子及び磁気メモリは、ＭＲ比が大きく、かつ、無磁場下でも磁化反転可能である。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。

【図2】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの断面図である。

【図3】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。

【図4】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。

【図5】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの製造過程の一例を示す断面図である。

【図6】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの製造過程の一例を示す断面図である。

【図7】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの製造過程の一例を示す断面図である。

【図8】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの製造過程の一例を示す断面図である。

【図9】第１実施形態にかかる磁気記録アレイの製造過程の一例を示す断面図である。

【図10】第２実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。

【図11】第３実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。

【図12】第４実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。

【図13】第５実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。

【図14】第６実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。

【図15】第７実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

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。

【0025】

まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、配線３０が延びる方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、積層方向の一例である。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。

【0026】

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。また本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また２つの部材が電気的に接続されている場合も「接続」に含まれる。

【0027】

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐと、複数の共通配線Ｃｍと、複数の読み出し配線Ｒｐと、複数の第１スイッチング素子Ｓｗ１と、複数の第２スイッチング素子Ｓｗ２と、複数の第３スイッチング素子Ｓｗ３とを備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。

【0028】

書き込み配線Ｗｐのそれぞれは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。共通配線Ｃｍのそれぞれは、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Ｃｍは、基準電位と１つ以上の磁気抵抗効果素子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Ｃｍは、複数の磁気抵抗効果素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘って設けられてもよい。読み出し配線Ｒｐのそれぞれは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子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２００に接続される。

【0029】

第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２、第３スイッチング素子Ｓｗ３は、例えば、一つの磁気抵抗効果素子１００にそれぞれ接続されている。第１スイッチング素子Ｓｗ１は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線Ｗｐとの間に接続されている。第２スイッチング素子Ｓｗ２は、磁気抵抗効果素子１００と共通配線Ｃｍとの間に接続されている。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、磁気抵抗効果素子１００と読み出し配線Ｒｐとの間に接続されている。

【0030】

所定の第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐと共通配線Ｃｍとの間に書き込み電流が流れる。所定の第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された共通配線Ｃｍと読み出し配線Ｒｐとの間に読み出し電流が流れる。

【0031】

第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３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。

【0032】

第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２、第３スイッチング素子Ｓｗ３のいずれかは、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子Ｓｗ１を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐの上流に一つの第１スイッチング素子Ｓｗ１を設ける。例えば、第２スイッチング素子Ｓｗ２を共有する場合は、共通配線Ｃｍの上流に一つの第２スイッチング素子Ｓｗ２を設ける。例えば、第３スイッチング素子Ｓｗ３を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐの上流に一つの第３スイッチング素子Ｓｗ３を設ける。

【0033】

図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の特徴部分の断面図である。図２は、磁気抵抗効果素子１００を後述する配線３０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。積層体１０及び磁性体２０は、配線３０よりｙ方向（紙面奥行き方向）に存在するため点線で図示している。

【0034】

図２に示す第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、電極Ｅ１と電気的に接続され、例えば、図２のｙ方向に位置する。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、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Ｓ及びドレインＤとを有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

【0035】

トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、配線ｗ及び電極Ｅ１、Ｅ２を介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐ又は共通配線Ｃｍとは、配線ｗで接続されている。配線ｗは、例えば、接続配線、ビア配線、層間配線と言われることがある。配線ｗ及び電極Ｅ２、Ｅ３は、導電性を有する材料を含む。配線ｗは、例えば、ｚ方向に延びる。

【0036】

磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁体Ｉｎで覆われている。絶縁体Ｉｎは、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁体である。絶縁体Ｉｎ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。

【0037】

図３は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の特徴部分の断面図である。図３は、磁気抵抗効果素子１００をｙｚ平面で切断した断面である。図４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００をｚ方向から見た平面図である。

【0038】

磁気抵抗効果素子１００は、例えば、積層体１０と磁性体２０と配線３０とを有する。絶縁層Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，Ｉｎ４は、絶縁体Ｉｎの一部である。磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した磁性素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。

【0039】

積層体１０は、基板Ｓｕｂに近い側から順に第１強磁性層１、非磁性層３、第２強磁性層２を有する。積層体１０は、電極Ｅ１上に積層されている。積層体１０は、ｚ方向に、磁性体２０と電極Ｅ１とに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。積層体１０は、上面から下面に向かって徐々に拡幅している。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。

【0040】

第１強磁性層１は磁化Ｍ１を有し、第２強磁性層２は磁化Ｍ２を有する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、所定の外力が印加された際に第２強磁性層２の磁化Ｍ２よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化固定層、磁化参照層と言われ、第２強磁性層２は磁化自由層と言われる。積層体１０は、磁化固定層が基板Ｓｕｂ側にあるボトムピン構造である。ボトムピン構造は、磁化固定層が磁化自由層より基板Ｓｕｂから離れた位置にあるトップピン構造より磁化の安定性が高い。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２との相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

第１強磁性層１の磁化Ｍ１及び第２強磁性層２の磁化Ｍ２は、例えば、ｚ方向に配向している。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、磁化容易軸がｚ方向である垂直磁化膜である。

【0044】

第２強磁性層２の膜厚Ｈ_２は、第２強磁性層２のｘｙ面内における最小長さＷ_２より薄い。第２強磁性層２の膜厚Ｈ_２は、例えば、１０ｎｍ以下であり、第２強磁性層２の最小長さＷ_２は、例えば、１０ｎｍより大きい。第１強磁性層１も第２強磁性層２と同様に、膜厚がｘｙ面内における最小長さより薄い。

【0045】

積層体１０は、第１強磁性層１、非磁性層３、第２強磁性層２以外の層を有してもよい。例えば、第１強磁性層１の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層と第３強磁性層とを有してもよい。第１強磁性層１と第３強磁性層とが磁気的にカップリングすることで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の安定性が高まる。第１強磁性層、スペーサ層、第３強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）である。第３強磁性層は、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。第３強磁性層は、例えば、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔなどの磁性膜のみ、あるいは、磁性膜と非磁性膜の多層膜によって形成される垂直磁化膜であることが好ましい。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。また第１強磁性層１の下面に下地層を有してもよい。下地層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。

【0046】

磁性体２０は、積層体１０のｚ方向の位置にある。磁性体２０は、例えば、積層体１０の上にある。磁性体２０は、第２強磁性層２上にあり、第２強磁性層２と磁気結合している。磁気結合は強磁性結合でも反強磁性結合でもよい。

【0047】

磁性体２０は、強磁性体を含む。磁性体２０の磁化Ｍ２０は、例えば、ｚ方向に配向している。磁性体２０は、磁化容易軸方向がｚ方向である垂直磁化膜である。

【0048】

磁性体２０は、ｚ方向に結晶磁気異方性を有する材料を含む。磁性体２０は、例えば、第２強磁性層２と材料又は組成が異なる。結晶磁気異方性は、磁性体の結晶構造に起因する磁化の特定の方向への配向しやすさである。結晶の電子構造が結晶方位によって異なることによって結晶磁気異方性は生じる。磁性体２０は、例えば、ｃ軸がｚ方向に配向した正方晶構造を有する。

【0049】

磁性体２０は、例えば、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔなどの磁性膜のみ、あるいは、磁性膜と非磁性膜の多層膜でも良い。

【0050】

磁性体２０は、例えば、Ｃｏ、Ｔｂ、Ｆｅ、Ｇｄからなる群から選択される２つ以上の元素を含む。磁性体２０は、例えば、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅＣｏである。磁性体２０は、例えば、ＰｔＦｅ合金、ＰｔＣｏ合金、ＰｄＦｅ合金、ＦｅＮｉ合金、ＭｎＧａ合金、ＭｎＧｅ合金でもよい。

【0051】

磁性体２０のｚ方向の厚さＨ_２０は、磁性体２０のｘｙ面内における最小長さＷ_２０より厚い。磁性体２０がｚ方向に延びることで、磁性体２０は、ｚ方向に形状磁気異方性を有し、磁化Ｍ２０がｚ方向に強く配向する。形状磁気異方性は、磁性体２０の形状に起因する磁化の特定の方向への配向しやすさである。磁性体２０は、形状に異方性を有し、長軸方向と短軸方向とで反磁界の大きさが異なる。磁性体２０の磁化Ｍ２０は、反磁界が弱い磁性体２０の長軸方向に配向しやすい。

【0052】

磁性体２０は、例えば、ｚ方向からの平面視で、第２強磁性層２より大きい。磁性体２０の下面２０ｂは、例えば、第２強磁性層２の上面２ｕより大きい。磁性体２０と第２強磁性層２との界面には、段差ｓｔが形成されている。

【0053】

配線３０は、磁性体２０の第１側面２０ｓ１に接続されている。配線３０は、例えば、磁性体２０の複数の側面のうち第１側面２０ｓ１のみに接続されている。配線３０と磁性体２０との間には、膜厚がスピン拡散長以下の他の層を有してもよい。配線３０は、例えば、ｘ方向に延びる。

【0054】

配線３０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、磁性体２０にスピンを注入する。配線３０は、スピン軌道トルク配線と称される。配線３０は、例えば、磁性体２０の磁化Ｍ２０を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を磁性体２０の磁化Ｍ２０に与える。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、電流の流れる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。

【0055】

例えば、配線３０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンｓｐ１と、第１スピンｓｐ１と反対方向に配向した第２スピンｓｐ２とが、それぞれ電流Ｉの流れる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、＋ｚ方向に配向した第１スピンｓｐ１が－ｙ方向に向かい、－ｚ方向に配向した第２スピンｓｐ２が＋ｙ方向に向かう。

【0056】

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ｓｐ１の電子数と第２スピンｓｐ２の電子数とが等しい。すなわち、－ｙ方向に向かう第１スピンｓｐ１の電子数と＋ｙ方向に向かう第２スピンｓｐ２の電子数とは等しい。第１スピンｓｐ１と第２スピンｓｐ２は、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピンｓｐ１及び第２スピンｓｐ２のｙ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。

【0057】

第１スピンｓｐ１の電子の流れをＪ_↑、第２スピンｓｐ２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、ｙ方向に生じる。

【0058】

配線３０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。

【0059】

配線３０は、例えば、主成分として非磁性の重金属を含む。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、例えば、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。配線３０は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗからなる。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、配線３０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。

【0060】

配線３０は、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇからなる群から選択される少なくとも一つを含む。配線３０は、例えば、これらの元素の単体金属からなる。これらの元素は、熱伝導性に優れ、磁気抵抗効果素子１００の放熱性が向上する。

【0061】

配線３０は、この他に、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、配線３０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。

【0062】

配線３０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。

【0063】

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。

【0064】

次いで、磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。

【0065】

まず図５に示すように、絶縁体Ｉｎと電極Ｅ１上に、強磁性層９１、非磁性層９２、強磁性層９３を順に積層する。絶縁体Ｉｎ及び電極Ｅ１の積層面は、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）で平坦化されている。

【0066】

次いで、図６に示すように、強磁性層９１、非磁性層９２、強磁性層９３を所定の形状に加工する。加工により強磁性層９１は第１強磁性層１、非磁性層９２は非磁性層３、強磁性層９３は第２強磁性層２となり、積層体１０が得られる。その後、積層体１０上に絶縁層Ｉｎ２、絶縁層Ｉｎ３を順に積層する。そして、積層体１０上に積層された絶縁層Ｉｎ２、絶縁層Ｉｎ３の一部を化学機械研磨で除去し、第２強磁性層２が露出する。

【0067】

次いで、図７に示すように、絶縁層Ｉｎ３及び第２強磁性層２上に、磁性体９４を積層する。そして、磁性体９４の所定の位置に、マスク層９５を積層する。マスク層９５は、例えば、Ｔａ，Ｗである。

【0068】

次いで、図８に示すように、マスク層９５を介して磁性体９４を加工し、磁性体２０を形成する。そして、例えば、イオンビームデポジッション（ＩＢＤ）法を用いて、ｚ方向に対して傾斜した斜め方向からイオンビームＢ１を照射し、磁性体２０に対して導電層９６を成膜する。導電層９６は、シャドウ効果により磁性体２０の片側面に成膜される。

【0069】

次いで、図９に示すように、ｚ方向からイオンビームＢ２を照射して導電層９６の一部をエッチングする。イオンビームエッチング（ＩＢＥ）により導電層９６の不要部が除去され配線３０が得られる。その後、磁性体２０及び配線３０の周囲に絶縁層Ｉｎ４を形成し、化学機械研磨（ＣＭＰ）によりマスク層９５を除去することで、磁気抵抗効果素子１００が得られる。

【0070】

次いで、磁気抵抗効果素子１００の動作について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、書き込み動作と読出し動作がある。

【0071】

磁気抵抗効果素子１００へのデータの書き込み動作について説明する。まずデータを書き込みたい磁気抵抗効果素子１００に接続される第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにする。第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにすると、配線３０に電流Ｉが流れる。

【0072】

配線３０に電流Ｉが流れると、スピンホール効果により第１スピンｓｐ１が磁性体２０に注入される。磁性体２０の磁化Ｍ２０は、第１スピンｓｐ１が注入されることで生じるスピン軌道トルクを受けて反転する。磁性体２０の磁化Ｍ２０の反転の挙動は、磁性体２０に注入されるスピンの配向方向によって異なる。磁性体２０の磁化Ｍ２０の配向方向と第１スピンｓｐ１の配向方向とが平行又は反平行の関係にある場合、磁化Ｍ２０を１８０°回転させようとするトルクが加わるため、無磁場化での磁化反転が可能である。磁性体２０の磁化Ｍ２０の配向方向と第１スピンｓｐ１の配向方向とが直交する関係にある場合、磁化Ｍ２０に加わるトルクは磁化Ｍ２０を９０°回転させようとするトルクとなり、安定的な磁化反転には外部磁場等の外力が必要となる。

【0073】

磁性体２０と第２強磁性層２とは磁気的に結合しているため、磁化Ｍ２０が反転すると、磁化Ｍ２が反転する。磁化Ｍ２が反転すると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１との相対角が変化し、積層体１０の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０の抵抗値に基づいてデータを記憶する。したがって、上記手順で磁気抵抗効果素子１００へのデータ書き込みが完了する。

【0074】

磁気抵抗効果素子１００からのデータの読出し動作について説明する。まずデータを読み出したい磁気抵抗効果素子１００に接続される第３スイッチング素子Ｓｗ３及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにする。第３スイッチング素子Ｓｗ３及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにすると、積層体１０のｚ方向に読出し電流が流れる。

【0075】

積層体１０の抵抗値は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが、平行な場合と反平行な場合とで異なる。磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行な場合は、磁気抵抗効果素子１００の抵抗値は低くなり、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行な場合は、磁気抵抗効果素子１００の抵抗値は高くなる。磁気抵抗効果素子１００の抵抗値は、オームの法則により電位差として出力される。したがって、上記手順で磁気抵抗効果素子１００からのデータ読出しが完了する。

【0076】

第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００は、磁化反転を担う磁性体２０と抵抗変化を担う第２強磁性層２とが分かれているため、大きなＭＲ比を有しつつ、無磁場下でも磁化反転可能である。

【0077】

また磁性体２０がｚ方向に延びることで、磁性体２０と配線３０との接触面積を確保でき、多くのスピンを磁性体２０に注入できる。また磁性体２０がｚ方向に延びることで、形状異方性により磁性体２０の磁化Ｍ２０がｚ方向に配向しやすくなる。磁性体２０が形状異方性を有すると、磁化Ｍ２０の安定性が高まる。また磁性体２０がｚ方向に配向すると、磁性体２０の磁化方向と注入される第１スピンｓｐ１との磁化方向が平行又は反平行となり、無磁場下でも磁化反転を行うことができる。

【0078】

「第２実施形態」
図１０は、第２実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。図１０は、磁気抵抗効果素子１０１をｙｚ平面で切断した断面である。磁気抵抗効果素子１０１は、配線３１の形状が磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１０において、図３と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

【0079】

配線３１は、第１部分３１Ａと第２部分３１Ｂとを有する。第１部分３１Ａは磁性体２０の第１側面２０ｓ１に接続し、第２部分３１Ｂは上面２０ｕに接続している。

【0080】

スピンホール効果によって生じるスピンは、配線３１の表面に沿う。第２部分３１Ｂで生じる第３スピンｓｐ３及び第４スピンｓｐ４は、ｙ方向に配向する。磁性体２０には、第１スピンｓｐ１及び第３スピンｓｐ３が注入される。第３スピンｓｐ３は磁化Ｍ２０の磁化反転のきっかけを生み出し、磁化Ｍ２０の磁化反転が容易になり、かつ、磁化反転に要する時間が短くなる。

【0081】

磁気抵抗効果素子１０１は、例えば、マスク層９５を配線３０と同じ材料とし、マスク層９５を残すことで作製できる。

【0082】

また第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

【0083】

「第３実施形態」
図１１は、第３実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。図１１は、磁気抵抗効果素子１０２をｙｚ平面で切断した断面である。磁気抵抗効果素子１０２は、磁性体２１及び配線３２の形状が磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１１において、図３と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

【0084】

磁性体２１は、側面が積層体１０の側面と連続し、上面から下面に向けて拡幅している。磁性体２１は、例えば、積層体１０と同時に加工されて作製される。

【0085】

配線３２は、磁性体２１の第１側面２１ｓ１及び第２強磁性層２の側面に接続されている。第１側面２１ｓ１と配線３２との接触面積は、第２強磁性層２の側面と配線３２との接触面積より大きい。配線３２からスピンが第２強磁性層２に直接注入されることで、磁性体２１の磁化Ｍ２１を容易に反転させることができる。

【0086】

また第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

【0087】

「第４実施形態」
図１２は、第４実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。図１２は、磁気抵抗効果素子１０３をｙｚ平面で切断した断面である。磁気抵抗効果素子１０３は、中間層４０を有する点が磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１２において、図３と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

【0088】

中間層４０は、第２強磁性層２と磁性体２０との間にある。第２強磁性層２と磁性体２０とは、中間層４０を挟んで磁気的に結合している。磁気結合は、強磁性結合でも反強磁性結合でもよい。中間層４０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。

【0089】

第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０３は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また中間層４０を設けることで、製造プロセスが容易になり、磁気抵抗効果素子１０３を製造しやすくなる。

【0090】

「第５実施形態」
図１３は、第５実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。図１３は、磁気抵抗効果素子１０４をｙｚ平面で切断した断面である。磁気抵抗効果素子１０４は、第２配線５０及び絶縁層Ｉｎ５を有する点が磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１３において、図３と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

【0091】

第２配線５０と絶縁層Ｉｎ５は、磁性体２０と第２強磁性層２との間にある。第２配線５０は、第２強磁性層２に接続されている。絶縁層Ｉｎ５は、第２強磁性層２と第２配線５０との間にある。

【0092】

第２配線５０は、導電性を有する材料であればよい。第２配線５０は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇである。また第２配線５０は、配線３０と同様の材料でもよい。絶縁層Ｉｎ５は、絶縁体Ｉｎと同様の材料を用いることができる。

【0093】

磁気抵抗効果素子１０４は、データの書き込み及び読出しの挙動が磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁気抵抗効果素子１０４は、磁性体２０が生み出す磁場が第２強磁性層２の磁化Ｍ２０を反転させる。すなわち、磁気抵抗効果素子１０４は、データを書き込む際に、磁性体２０が生み出す磁場を利用している点が異なる。また磁気抵抗効果素子１０４は、データを読み出す際に、第２配線５０と電極Ｅ１との間に読出し電流を流す。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、第２配線５０に接続されている。

【0094】

第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０４は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また磁性体２０と積層体１０とが電気的に分離されていることで、書き込み電流が積層体１０側に分岐することを抑制し、データの書き込み効率を高めることができる。その結果、磁気抵抗効果素子１０４は、書き込み電流の電流密度を下げることができる。

【0095】

「第６実施形態」
図１４は、第６実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。図１４は、磁気抵抗効果素子１０５をｙｚ平面で切断した断面である。磁気抵抗効果素子１０５は、酸化物層６０を有する点が磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１４において、図３と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

【0096】

酸化物層６０は、磁性体２０の上面２０ｕに積層されている。酸化物層６０は、例えば、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ、ＨｆＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＷＯ_ｘ、ＰｔＯ_ｘである。酸化物層６０に含まれる酸素は、磁性体２０に含まれる電子をｚ方向に引き寄せ、磁性体２０の電子構造を変え、磁化Ｍ２０をｚ方向に強く配向させる。また酸化物層６０は、界面垂直磁気異方性を誘起し、磁化Ｍ２０を強くｚ方向に配向させる。磁化Ｍ２０が強くｚ方向に配向すると、第２強磁性層２の磁化Ｍ２のｚ方向への配向性も強まり、積層体の磁気抵抗変化（ＭＲ比）が大きくなる。

【0097】

第６実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０５は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

【0098】

「第７実施形態」
図１５は、第７実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。図１５は、磁気抵抗効果素子１０６のｚ方向からの平面図である。磁気抵抗効果素子１０６は、磁性体２２の形状が磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１５において、図４と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

【0099】

磁性体２２は、配線３０に沿ってｘ方向に延びる。磁性体２２と配線３０との接触面積が大きくなることで、多くのスピンを磁性体２２に注入できる。また磁性体２２に含まれる磁化量が大きくなり、第２強磁性層２の磁化反転を安定化できる。

【0100】

第７実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０６は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

【0101】

ここまで、第１実施形態から第３実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。

【符号の説明】

【0102】

１…第１強磁性層、２…第２強磁性層、２ｕ，２０ｕ…上面、３，９２…非磁性層、１０…積層体、２０，２１，２２…磁性体、２０ｂ…下面、２０ｓ１，２１ｓ１…第１側面、３０，３１，３２…配線、３１Ａ…第１部分、３１Ｂ…第２部分、４０…中間層、５０…第２配線、６０…酸化物層、９１，９３…強磁性層、９４…磁性体、９５…マスク層、９６…導電層、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６…磁気抵抗効果素子、２００…磁気記録アレイ、Ｂ１，Ｂ２…イオンビーム、Ｃｍ…共通配線、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３…電極、Ｉｎ…絶縁体、Ｉｎ１，Ｉｎ２，Ｉｎ３，Ｉｎ４，Ｉｎ５…絶縁層、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ２０，Ｍ２１…磁化、ｓｔ…段差、Ｗｐ…書き込み配線、Ｒｐ…読出し配線

【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】