特許 7555120 磁化制御デバイス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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-12

(45)【発行日】2024-09-24

(54)【発明の名称】磁化制御デバイス及び磁気メモリ装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20240913BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20240913BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20240913BHJP

   H10N 50/20 20230101ALI20240913BHJP

   H01F 10/12 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

H10B61/00

H10N50/10 Z

H10N50/20

H01F10/12

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021063692

(22)【出願日】2021-04-02

(65)【公開番号】P2022158651

(43)【公開日】2022-10-17

【審査請求日】2023-12-12

(73)【特許権者】

【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】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】本多 周太

【審査官】渡邊 佑紀

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１４５５７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－０６２５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０７４１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８８１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５０１０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２０８６７４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ１０Ｂ ６１／００

Ｈ１０Ｎ ５０／１０

Ｈ１０Ｎ ５０／２０

Ｈ０１Ｆ １０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、
第１の強磁性体と、
を備え、
前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、
前記第１の強磁性体が、前記第１の非磁性金属の前記縁から前記第１の非磁性金属のスピン拡散長以上の寸法分、前記第１の非磁性金属に重なり、
前記第１の非磁性金属の前記第２方向又は前記第２方向に反平行なスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体の磁化の向きが変化する磁化制御デバイス。

【請求項2】

第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、
第１の強磁性体と、
を備え、
前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、
前記第１の強磁性体が、前記第１の非磁性金属の前記縁から１ｎｍ以上、３ｎｍ以下、前記第１の非磁性金属に重なり、
前記第１の非磁性金属の前記第２方向又は前記第２方向に反平行なスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体の磁化の向きが変化する磁化制御デバイス。

【請求項3】

第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、
第１の強磁性体と、
を備え、
前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、
前記第１の非磁性金属が、前記第１方向に延伸する第１方向延伸部と、前記第１方向延伸部から、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に延伸する第３方向延伸部と、前記第３方向延伸部から、前記第１方向と略平行の第４方向に延伸する第４方向延伸部とを有し、
前記第１の強磁性体が、前記第１方向延伸部の第１の縁と、前記第３方向延伸部の第３の縁と、前記第４方向延伸部の第４の縁とに重なる位置に配置され、
前記第１の非磁性金属の前記第２方向又は前記第２方向に反平行なスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体の磁化の向きが変化する磁化制御デバイス。

【請求項4】

第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、
第１の強磁性体と、
前記第１の非磁性金属を前記第１方向に向かって電流が流れ、
前記第１の非磁性金属と略平行に配置されて前記第１方向と逆方向に向かって電流が流れる第２の非磁性金属と
を備え、
前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、
前記第１の強磁性体が、前記第１の非磁性金属の前記縁に重なる強磁性体エッジと、前記強磁性体エッジに対向する対向エッジとを有し、
前記対向エッジは、前記第２の非磁性金属の縁に重なっており、
前記第１の非磁性金属の前記第２方向又は前記第２方向に反平行なスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体の磁化の向きが変化する磁化制御デバイス。

【請求項5】

第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、
第１の強磁性体と、
を備え、
前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、
前記第１の非磁性金属が、前記第１方向に延伸する第１方向延伸部と、前記第１方向延伸部の一端から、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に突出する第１突出部と、前記第１方向延伸部の他端から、前記第３方向に突出する第２突出部とを有し、
前記第１の強磁性体が、前記第１方向に延伸し、前記第１方向延伸部の外側の縁に重なり、
前記第１の非磁性金属の前記第２方向又は前記第２方向に反平行なスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体の磁化の向きが変化する磁化制御デバイス。

【請求項6】

前記第１の強磁性体が、互いに対向する縁を有し、
前記第１の非磁性金属が、２個設けられ、
前記第１の非磁性金属の一方の第１方向延伸部の外側の縁が、前記第１の強磁性体の一方の縁に重なり、
前記第１の非磁性金属の他方の第１方向延伸部の外側の縁が、前記第１の強磁性体の他方の縁に重なる請求項５に記載の磁化制御デバイス。

【請求項7】

前記第１の非磁性金属が重金属を含む請求項１に記載の磁化制御デバイス。

【請求項8】

第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、
第１の強磁性体と、
前記第１の強磁性体の、前記第１の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、
前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、
前記第１の強磁性体が、前記第１の非磁性金属の前記縁から前記第１の非磁性金属のスピン拡散長以上の寸法分、前記第１の非磁性金属に重なり、
前記第１の非磁性金属の前記第２方向又は前記第２方向に反平行なスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体の磁化の向きが変化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、非磁性金属の表面に交差する方向に磁化された強磁性体の磁化を反転させる磁化制御デバイス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（ＳＯＴ、Spin orbit torque）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）。

【0003】

特許文献１に記載の磁化制御デバイスは、強磁性金属層と、強磁性金属層の積層方向に交差する第１方向に延在し、強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線とを備える。そして、この強磁性金属層の磁化は、上記積層方向に配向している。

【0004】

スピン軌道トルク配線から強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、強磁性金属層の磁化の向きに対して交差する。強磁性金属層は形状異方性を有すると共に、形状異方性に伴う反磁場の分布を有する。この反磁場の分布は強磁性金属層の磁化が最も磁化反転しやすい磁化反転容易方向を生み出す。磁化反転容易方向は、積層方向からの平面視で上記第１方向と交差している。

【0005】

この磁化制御デバイスによれば、外部磁場や電圧などを強磁性金属層に与えること無く、スピン軌道トルク磁化反転に基づいて垂直磁化膜の磁化を反転させることができるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】国際公開第2018/061435号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上述のような特許文献１に記載の従来技術は、強磁性金属層の非磁性金属（スピン軌道トルク配線）に垂直な方向の磁化を反転させるために、強磁性金属層が形状異方性を有することが必須であるとしている。

【0008】

本発明の一態様は、簡素な構成により、外部磁場や電圧などを用いること無く、スピン軌道トルク磁化反転に基づいて強磁性金属層の磁化を反転させ、トルクを与え続けても磁化を片方の向きに留まらせることができる磁化制御デバイス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】

【0009】

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、第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、第１の強磁性体と、を備え、前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、前記第１の非磁性金属の前記第２方向のスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体のスピンの向きが変化する。

【0010】

この特徴によれば、第１方向に沿って第１の非磁性金属に電流を流すと、第２方向を向いたスピンがスピン軌道相互作用により第１の非磁性金属の第１方向及び第２方向に交差する第３方向側の縁に蓄積される。そして、第２方向の反対方向を向いたスピンがスピン軌道相互作用により第１の非磁性金属の第３方向の反対方向側の縁に蓄積される。次に、第１の非磁性金属の第３方向の反対方向側の縁に蓄積された第２方向の反対方向のスピンが、第１の強磁性体に注入される。そして、注入された第２方向の反対方向のスピンが第１の強磁性体で拡散されることで、第１の強磁性体の磁化が第２方向から第２方向の反対方向に反転する。この結果、簡素な構成により、外部磁場や電圧などを用いること無く、スピン軌道トルク磁化反転に基づいて強磁性金属層の磁化を反転させ、トルクを与え続けても磁化を片方の向きに留まらせることができる。

【0011】

本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記第１の強磁性体が、前記第１の非磁性金属の前記縁から前記第１の非磁性金属のスピン拡散長に対応する寸法分、前記第１の非磁性金属に重なることが好ましい。

【0012】

上記構成によれば、第１の強磁性体は、第１の非磁性金属の縁から第１の非磁性金属のスピン拡散長に対応する寸法分しか第１の非磁性金属に重ならないので、スピン軌道相互作用によって第１の非磁性金属の縁の方に曲がったスピンが第１の非磁性金属の縁に十分集積される。

【0013】

本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記第１の強磁性体が、前記第１の非磁性金属の前記縁から１ｎｍ、以上３ｎｍ以下、前記第１の非磁性金属に重なることが好ましい。

【0014】

上記構成によれば、第１の強磁性体は、第１の非磁性金属の縁から１ｎｍ以上３ｎｍ以下だけしか第１の非磁性金属に重ならないので、スピン軌道相互作用によって第１の非磁性金属の縁の方に曲がったスピンが第１の非磁性金属の縁に十分集積される。

【0015】

本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記第１の非磁性金属が、前記第１方向に延伸する第１方向延伸部と、前記第１方向延伸部から、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に延伸する第３方向延伸部と、前記第３方向延伸部から、前記第１方向と略平行の第４方向に延伸する第４方向延伸部とを有し、前記第１の強磁性体が、前記第１方向延伸部の第１の縁と、前記第３方向延伸部の第３の縁と、前記第４方向延伸部の第４の縁とに重なる位置に配置されることが好ましい。

【0016】

上記構成によれば、第１の強磁性体が三辺の縁で第１の非磁性金属に重なるので、スピンの注入面積が増大し、第１の強磁性体の磁化の反転速度が増大する。

【0017】

本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記第１の非磁性金属を前記第１方向に向かって電流が流れ、前記第１の非磁性金属と略平行に配置されて前記第１方向と逆方向に向かって電流が流れる第２の非磁性金属をさらに備え、前記第１の強磁性体が、前記第１の非磁性金属の前記縁に重なる強磁性体エッジと、前記強磁性体エッジに対向する対向エッジとを有し、前記対向エッジは、前記第２の非磁性金属の縁に重なっていることが好ましい。

【0018】

上記構成によれば、第１の強磁性体が二辺の縁で第１の非磁性金属に重なるので、スピンの注入面積が増大し、第１の強磁性体の磁化の反転速度が増大する。

【0019】

本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記第１の非磁性金属が、前記第１方向に延伸する第１方向延伸部と、前記第１方向延伸部の一端から、前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に突出する第１突出部と、前記第１方向延伸部の他端から、前記第３方向に突出する第２突出部とを有し、前記第１の強磁性体が、前記第１方向に延伸し、前記第１方向延伸部の外側の縁に重なることが好ましい。

【0020】

上記構成によれば、レーストラックメモリの磁化書込みに磁化制御デバイスを適用することができる。

【0021】

本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記第１の強磁性体が、互いに対向する縁を有し、前記第１の非磁性金属が、２個設けられ、前記第１の非磁性金属の一方の第１方向延伸部の外側の縁が、前記第１の強磁性体の一方の縁に重なり、前記第１の非磁性金属の他方の第１方向延伸部の外側の縁が、前記第１の強磁性体の他方の縁に重なることが好ましい。

【0022】

上記構成によれば、第１の強磁性体が二辺の縁で第１の非磁性金属に重なるので、スピンの注入面積が増大し、レーストラックメモリの磁化の反転速度が増大する。

【0023】

本発明の一態様に係る磁化制御デバイスは、前記非磁性金属が重金属を含むことが好ましい。

【0024】

上記構成によれば、非磁性金属を構成する重金属により、スピン軌道相互作用が増大する。

【0025】

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、第１方向に延伸する第１の非磁性金属と、第１の強磁性体と、前記第１の強磁性体の、前記第１の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、前記第１の強磁性体の少なくとも一部は、前記第１の非磁性金属の少なくとも一つの縁と、第２方向に積層され、前記第１の非磁性金属の前記第２方向のスピンが、前記第１の強磁性体に注入されることにより、前記第１の強磁性体のスピンの向きが変化する。

【発明の効果】

【0026】

本発明の一態様によれば、簡素な構成により、外部磁場や電圧などを用いること無く、スピン軌道トルク磁化反転に基づいて強磁性金属層の磁化を反転させ、トルクを与え続けても磁化を片方の向きに留まらせることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】実施形態１に係る磁化制御デバイスの平面図である。

【図2】上記磁化制御デバイスを有する磁気メモリ装置の側面図である。

【図3】上記磁化制御デバイスの動作を説明するための平面図である。

【図4】上記磁化制御デバイスの他の動作を説明するための平面図である。

【図5】図４に示される線ＡＡに沿った断面図である。

【図6】上記磁化制御デバイスに設けられた第１の強磁性体の磁化方向とｚ方向のスピンとの間の関係を説明するための概念図である。

【図7】上記第１の強磁性体の磁化方向と－ｚ方向のスピンとの間の関係を説明するための概念図である。

【図8】比較例に係る磁化制御デバイスを有する磁気メモリ装置の斜視図である。

【図9】上記磁化制御デバイスに設けられた第１の非磁性金属に電流が流れたときのスピンホール効果を説明するための概念図である。

【図10】上記磁化制御デバイスの動作を説明するための平面図である。

【図11】上記磁化制御デバイスの他の動作を説明するための平面図である。

【図12】上記磁化制御デバイスの反転時間のシミュレーションの条件を説明するための図である。

【図13】上記磁化制御デバイスの反転時間のシミュレーションの結果を示すグラフである。

【図14】実施形態２に係る磁化制御デバイスの平面図である。

【図15】上記磁化制御デバイスの変形例の平面図である。

【図16】上記磁化制御デバイスの他の変形例の平面図である。

【図17】上記磁化制御デバイスのさらに他の変形例の平面図である。

【図18】上記さらに他の変形例の動作を説明するための平面図である。

【図19】実施形態３に係る磁化制御デバイスの平面図である。

【図20】上記磁化制御デバイスに設けられるレーストラックメモリの斜視図である。

【図21】上記レーストラックメモリの動作を説明するための模式図である。

【図22】上記レーストラックメモリの動作を説明するための模式図である。

【図23】上記レーストラックメモリの動作を説明するための模式図である。

【図24】上記レーストラックメモリの動作を説明するための模式図である。

【図25】上記レーストラックメモリの動作を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

〔実施形態１〕
（磁化制御デバイス１の構成）
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は実施形態１に係る磁化制御デバイス１の平面図である。図２は磁化制御デバイス１を有する磁気メモリ装置２４の側面図である。

【0029】

磁化制御デバイス１は、ｘ方向（第１方向）に延伸する第１の非磁性金属２と、第１の非磁性金属２の表面に垂直なｚ方向（第２方向）に磁化された第１の強磁性体３とを備える。第１の強磁性体３は、ｚ方向から見て第１の非磁性金属２のエッジ４（縁）に重なる位置に配置される。

【0030】

このように、第１の強磁性体３の少なくとも一部は、第１の非磁性金属２のエッジ４と、ｚ方向に積層される。そして、第１の非磁性金属２のｚ方向のスピンが、第１の強磁性体３に注入されることにより、第１の強磁性体３のスピンの向きが変化する。

【0031】

第１の強磁性体３は、第１の非磁性金属２のエッジ４から第１の非磁性金属２のスピン拡散長に基づく寸法分、第１の非磁性金属２に重なることが好ましい。ここで、スピン拡散長とは、スピンが逆方向のスピンに変わるまでのスピンの移動距離の平均値を意味する。

【0032】

そして、第１の強磁性体３は、第１の非磁性金属２のエッジ４から１ｎｍ以上、３ｎｍ以下、第１の非磁性金属２に重なることがより好ましい。第１の非磁性金属２のｙ方向に沿った幅寸法は５ｎｍ以上であることが好ましい。

【0033】

第１の非磁性金属２は重金属を含むことが好ましい。この重金属は例えばＰｔ、Ｐｈ、Ｗ、及びＴａを使用することができる。また、第１の非磁性金属３は、トポロジカル絶縁体でもよい。トポロジカル絶縁体は、物質の内部は絶縁体で表面は電気を通す物質である。例えば、トポロジカル絶縁体は、半金属ビスマス及びビスマス化合物がある。特にＢｉＴｅＳｂまたはＢｉＳｂがトポロジカル絶縁体として好適である。また、トポロジカル絶縁体は、組成変化により内部が導電性を有するようにしてもよい。

【0034】

第１の強磁性体３は、例えば、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、ＣｏＮｉ系合金、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＰｄ合金、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＰｔ合金、Ｔｂ／ＦｅＣｏ多層膜、ＴｂＦｅＣｏ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、Ｆｅ／Ｎｉ多層膜、及びＦｅＮｉ合金のうちの少なくとも一つで構成されることが好適である。

【0035】

磁気メモリ装置２４は、第１の強磁性体３の、第１の非磁性金属２と接する面の反対側の面に形成された絶縁体２２と、絶縁体２２の、第１の強磁性体３と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体２３とを備える。第１の非磁性金属２と第１の強磁性体３と絶縁体２２と第２の強磁性体２３とは、ＳＯＴ注入型の磁気メモリ装置２４を構成する。第２の強磁性体２３は、磁化の向きが固定された固定層を構成する。第１の強磁性体３は磁化の向きを変更可能な自由層を構成する。磁気メモリ装置２４は、磁気抵抗メモリ（MRAM：Magnetic Random Access Memory）等に利用することができる。

【0036】

第２の強磁性体２３は、例えば、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、ＣｏＮｉ系合金、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＰｄ合金、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＰｔ合金、Ｔｂ／ＦｅＣｏ多層膜、ＴｂＦｅＣｏ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、Ｆｅ／Ｎｉ多層膜、及びＦｅＮｉ合金のうちの少なくとも一つで構成されることが好適である。第２の強磁性体２３は、第１の強磁性体３と同じ素材で構成される必要はない。

【0037】

絶縁体２２は、絶縁物質を主成分とする。絶縁体２２は、ＭｇＯ等の絶縁膜から構成されている。なお、絶縁体２２を構成する材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましく、前述したＭｇＯの他、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ等が挙げられるが、絶縁体２２としての機能に支障をきたさない限り、特に限定されるものではない。当該材料として、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_４、スピネル型ＭｇＡｌ_２Ｏ_４などを用いてもよい。本実施形態では、第１の強磁性体３、絶縁体２２、及び第２の強磁性体２３でＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）素子を構成している。しかし、絶縁体２２の代わりにＣｕなどの金属を用いてＧＭＲ（Giant Magnetic Resistance）素子を構成してもよい。

【0038】

なお、理解の容易化のために、図１では絶縁体２２及び第２の強磁性体２３を省略して示している。図２よりも後の図面も理解の容易化のために絶縁体２２及び第２の強磁性体２３を省略して示している場合がある。

【0039】

（磁化制御デバイス１の動作）
図３は磁化制御デバイス１の動作を説明するための平面図である。図４は磁化制御デバイス１の他の動作を説明するための平面図である。図５は図４に示される線ＡＡに沿った断面図である。図６は磁化制御デバイス１に設けられた第１の強磁性体３の磁化方向とｚ方向のスピンとの間の関係を説明するための概念図である。図７は第１の強磁性体３の磁化方向と－ｚ方向のスピンとの間の関係を説明するための概念図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。

【0040】

このように構成された磁化制御デバイス１の第１の非磁性金属２に、図３に示すように、電流をｘ方向に沿って流すと、伝導電子は－ｘ方向に向かって第１の非磁性金属２の中を移動する。この伝導電子は、スピン軌道相互作用によって、スピンに依存した方向に曲がる。例えば、ｚ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２の－ｙ方向側のエッジ２５に蓄積される。そして、－ｚ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２のｙ方向側のエッジ４に蓄積される。また、ｙ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２の第１の強磁性体３側の面１３に蓄積される。そして、－ｙ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２の第１の強磁性体３とは反対側の面１４に蓄積される。

【0041】

エッジ４に蓄積された－ｚ方向のスピンは、第１の強磁性体３の－ｙ方向側のエッジ２６に注入される。エッジ２５に蓄積されたｚ方向のスピンは、第１の強磁性体３が第１の非磁性金属２のエッジ２５と重なっていないので、第１の強磁性体３に注入されない。従って、第１の強磁性体３には－ｚ方向のスピンのみが注入される。そして、注入された－ｚ方向のスピンが第１の強磁性体３で拡散されることで、図７に示すように、第１の強磁性体３の磁化がｚ方向から－ｚ方向へ反転する。なお、通常、スピンの向きと磁気モーメントの向きは逆符号であるが、本明細書では、向きの説明を分り易くするためにスピンの向きと磁気モーメントの向きを同じ向きとして説明している。

【0042】

一方、図４に示すように－ｘ方向に沿って電流を流すと、伝導電子はｘ方向に向かって第１の非磁性金属２の中を移動する。ｚ方向を向いたスピンは、図４及び図５に示すように、スピン軌道相互作用によって第１の非磁性金属２のエッジ４に蓄積される。そして、－ｚ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２のエッジ２５に蓄積される。ただし、スピンが蓄積される方向の符号は第１の非磁性金属２のスピンホール角の符号に依存するため、蓄積されるスピンの符号（ｚ方向と－z方向）が非磁性金属２の材料によっては逆になる。その場合、第１の強磁性体３の磁化の向きを制御するために第１の非磁性金属２に流す電流の向きは逆になる。

【0043】

エッジ４に蓄積されたｚ方向のスピンは、第１の強磁性体３のエッジ２６に注入される。エッジ２５に蓄積された－ｚ方向のスピンは、第１の強磁性体３が第１の非磁性金属２のエッジ２５と重なっていないので、第１の強磁性体３に注入されない。従って、第１の強磁性体３にはｚ方向のスピンのみが注入される。そして、注入されたｚ方向のスピンが第１の強磁性体３で拡散されることで、図６に示すように、第１の強磁性体３の磁化が－ｚ方向からｚ方向へ反転する。

【0044】

このように、第１の強磁性体３が、ｚ方向から見て第１の非磁性金属２のエッジ４に重なる位置に配置されると、第１の非磁性金属２の表面に垂直な方向のスピンが第１の強磁性体３に注入され、第１の強磁性体３の磁化を反転させることができる。

【0045】

そして、第１の非磁性金属２に流れる電流の向きを逆にすることで、第１の強磁性体３に注入されるスピンの向きを逆にすることができる。すなわち、第１の非磁性金属２の第２方向（±ｚ方向）のスピンが、第１の強磁性体３に注入されることにより、第１の強磁性体３のスピンの向きが変化する。

【0046】

（比較例）
図８は比較例に係る磁化制御デバイス９１を有する磁気メモリ装置９４の斜視図である。図９は磁化制御デバイス９１に設けられた第１の非磁性金属２に電流が流れたときのスピンホール効果を説明するための概念図である。図１０は磁化制御デバイス９１の動作を説明するための平面図である。図１１は磁化制御デバイス９１の他の動作を説明するための平面図である。前述した構成要素と同様の構成要素には同様の参照符号を付し、これらの構成要素の詳細な説明は繰り返さない。

【0047】

磁化制御デバイス９１は、非磁性金属２と、ｚ方向から見て第１の非磁性金属２の幅方向（ｙ方向）の全幅と重なる位置に配置される第１の強磁性体９３を備える。そして、磁気メモリ装置９４は、磁化制御デバイス９１と、第１の強磁性体９３の、第１の非磁性金属２と接する面の反対側の面に形成された絶縁体７２と、絶縁体７２の、第１の強磁性体９３と接する面の反対側の面に形成された第２の強磁性体７３とを備える。

【0048】

このように構成された磁化制御デバイス９１の第１の非磁性金属２に、図８に示すように、電流を－ｘ方向に沿って流すと、伝導電子はｘ方向に向かって第１の非磁性金属２の中を移動する。この伝導電子は、スピン軌道相互作用によって、スピンに依存した方向に曲がる。例えば、ｚ方向のスピンは、第１の非磁性金属２のエッジ２５に蓄積される。そして、－ｚ方向のスピンは、第１の非磁性金属２のエッジ４に蓄積される。また、ｙ方向のスピンは、第１の非磁性金属２の面１３に蓄積される。そして、－ｙ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２の面１４に蓄積される。

【0049】

第１の強磁性体９３には、第１の非磁性金属２のエッジ４に蓄積された－ｚ方向のスピンと、エッジ２５に蓄積されたｚ方向のスピンとの双方が注入される。このため、ｚ方向のトータルの注入スピンは零になり、第１の非磁性金属２の磁化に反転のためのトルクを与えることができない。

【0050】

（反転時間のシミュレーション）
図１２は磁化制御デバイス１の反転時間のシミュレーションの条件を説明するための図である。図１３は磁化制御デバイス１の反転時間のシミュレーションの結果を示すグラフである。

【0051】

第１の強磁性体３のｙ方向の寸法５ｎｍ、ｘ方向の寸法５ｎｍ、ｚ方向の寸法２ｎｍとし、強磁性体３を１ｎｍ、１ｎｍ、１ｎｍの微小な立方体に分割してＳＯＴ磁化反転のシミュレーションを行なった。第１の強磁性体３が、第１の非磁性金属２のエッジ４から１ｎｍだけ第１の非磁性金属２に重なるときの、第１の非磁性金属２への電流印加時間と第１の強磁性体３の磁化のｚ方向成分との間の関係をシミュレーションした。図１３の横軸は第１の非磁性金属２への電流印加時間を示し、縦軸は第１の強磁性体３の磁化のｚ方向成分を示す。約１ナノ秒間電流を印加すると、第１の強磁性体３の磁化の反転が完了した。反転後も電流を流し続けているが、磁化が－ｚの向きに留まっている。このように、磁化制御デバイス１の構成により、第１の強磁性体３のｚ方向に係る磁化の反転が可能である。

【0052】

以上のように磁化制御デバイス１によれば、簡素な構成により、外部磁場や電圧などを用いること無く、スピン軌道トルク磁化反転に基づいて第１の強磁性体３のｚ方向の磁化を反転し留まらせることができる。

【0053】

〔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。

【0054】

図１４は実施形態２に係る磁化制御デバイス１Ａの平面図である。磁化制御デバイス１Ａは、略Ｕ字形状に延伸する第１の非磁性金属２Ａと、ｚ方向に磁化された第１の強磁性体３とを備える。

【0055】

第１の非磁性金属２Ａは、－ｘ方向に延伸する延伸部５（第１方向延伸部）と、延伸部５からｙ方向（第３方向）に延伸する延伸部６（第３方向延伸部）と、延伸部６からｘ方向（第４方向）に延伸する延伸部７（第４方向延伸部）とを有する。

【0056】

第１の強磁性体３は、延伸部５のエッジ８（第１の縁）と、延伸部６のエッジ９（第３の縁）と、延伸部７のエッジ１０（第４の縁）とに重なる位置に配置される。

【0057】

このように構成された磁化制御デバイス１Ａの第１の非磁性金属２Ａに、図１４に示すように、延伸部７、６、及び５に沿って電流を流すと、伝導電子は、延伸部５、６、及び７に沿って移動する。－ｚ方向のスピンは、スピン軌道相互作用によって、第１の非磁性金属２Ａの延伸部５のエッジ８、延伸部６のエッジ９、及び延伸部７のエッジ１０に蓄積され、第１の強磁性体３の三辺のエッジに注入される。そして、注入された－ｚ方向のスピンが第１の強磁性体３で拡散されることで、第１の強磁性体３の磁化がｚ方向から－ｚ方向へ反転する。

【0058】

このように、屈曲形状の非磁性金属２Ａを設けてもよい。磁化制御デバイス１Ａでは第１の強磁性体３の注入面積が図１の構成よりも増加するので、第１の強磁性体３の磁化の反転速度の増加が期待される。

【0059】

図１５は変形例に係る磁化制御デバイス１Ｂの平面図である。第１の強磁性体３の四辺のエッジに－ｚ方向のスピンが注入されるように構成してもよい。

【0060】

磁化制御デバイス１Ｂは、第１の非磁性金属２Ｂと、ｚ方向に磁化された第１の強磁性体３とを備える。

【0061】

第１の非磁性金属２Ｂは、－ｘ方向に延伸する延伸部５と、延伸部５からｙ方向に延伸する延伸部６と、延伸部６からｘ方向に延伸する延伸部７と、延伸部７から－ｙ方向に延伸する延伸部１１（第５方向延伸部）とを有する。

【0062】

第１の強磁性体３は、延伸部５のエッジ８と、延伸部６のエッジ９と、延伸部７のエッジ１０と延伸部１１のエッジ１２（第５の縁）とに重なる位置に配置される。

【0063】

磁化制御デバイス１Ｂでは第１の強磁性体３の注入面積が図１の構成よりも一層増加するので、第１の強磁性体３の磁化の反転速度の一層の増加が期待される。

【0064】

図１６は他の変形例に係る磁化制御デバイス１Ｃの平面図である。磁化制御デバイス１Ｃは、ｘ方向に電流が流れる第１の非磁性金属２と、第１の非磁性金属２と平行に配置されて－ｘ方向に電流が流れる第２の非磁性金属１３とを備える。

【0065】

第１の強磁性体３は、第１の非磁性金属２のエッジ２５（縁）に重なる強磁性体エッジ１４と、強磁性体エッジ１４に対向する対向エッジ１５とを有する。第１の強磁性体３は、対向エッジ１５が第２の非磁性金属１３のエッジ１６（縁）に重なる位置に配置される。

【0066】

第１の非磁性金属２に電流をｘ方向に沿って流すと、伝導電子は－ｘ方向に向かって第１の非磁性金属２の中を移動する。そして、ｚ方向を向いたスピンは、スピン軌道相互作用によって、第１の非磁性金属２の－ｙ方向側のエッジ２５に蓄積される。また、－ｚ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２のｙ方向側のエッジ４に蓄積される。

【0067】

第２の非磁性金属１３に電流を－ｘ方向に沿って流すと、伝導電子はｘ方向に向かって第２の非磁性金属１３の中を移動する。そして、ｚ方向を向いたスピンは、スピン軌道相互作用によって、第２の非磁性金属１３のｙ方向側のエッジ１６に蓄積される。また、－ｚ方向を向いたスピンは、第２の非磁性金属１３の－ｙ方向側のエッジ２７に蓄積される。

【0068】

この結果、ｚ方向のスピンが、第１の非磁性金属２のエッジ２５から第１の強磁性体３の強磁性体エッジ１４に注入されるとともに、第２の非磁性金属１３のエッジ１６から第１の強磁性体３の対向エッジ１５に注入される。そして、第１の強磁性体３の強磁性体エッジ１４及び対向エッジ１５に注入されたｚ方向のスピンが第１の強磁性体３で拡散されることで、第１の強磁性体３の磁化が－ｚ方向からｚ方向へ反転する。

【0069】

このように、互いに平行に延伸する２本の非磁性金属２・１３のエッジ２５・１６が第１の強磁性体３と重なるように構成してもよい。

【0070】

磁化制御デバイス１Ｃでは第１の強磁性体３の注入面積が図１の構成よりも増加するので、第１の強磁性体３の磁化の反転速度の増加が期待される。

【0071】

図１７はさらに他の変形例に係る磁化制御デバイス１Ｄの平面図である。図１８はさらに他の変形例に係る磁化制御デバイス１Ｄの動作を説明するための平面図である。

【0072】

磁化制御デバイス１Ｄは、ｘ方向に延伸する第１の非磁性金属２と、ｚ方向に磁化された第１の強磁性体３Ｄとを備える。第１の強磁性体３Ｄは、第１の非磁性金属２のエッジ４から第１の非磁性金属２のスピン拡散長に基づく寸法よりも長い寸法分、第１の非磁性金属２のエッジ４に重なっている。

【0073】

第１の非磁性金属２に電流を－ｘ方向に沿って流すと、伝導電子はｘ方向に向かって第１の非磁性金属２の中を移動する。そして、－ｚ方向を向いたスピンは、スピン軌道相互作用によって、第１の非磁性金属２のエッジ２５に蓄積される。また、ｚ方向を向いたスピンは、第１の非磁性金属２のエッジ４に蓄積される。

【0074】

ここで、第１の強磁性体３Ｄが第１の非磁性金属２に重なる寸法がスピン拡散長に基づく寸法よりも長いので、スピン軌道相互作用によって曲がったスピンは、エッジ４に到達する前に第１の強磁性体３Ｄと重なり、エッジ４に十分集積されない。このため、注入効率（磁化制御効率）は、図１に示す磁化制御デバイス１よりも低くなるが、第１の強磁性体３Ｄのｚ方向の磁化を反転させることができる。そして、磁化制御デバイス１Ｄの方が構造上磁化制御デバイス１よりも作成が容易である。

【0075】

〔実施形態３〕
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。

【0076】

図１９は実施形態３に係る磁化制御デバイス１Ｅの平面図である。磁化制御デバイス１Ｅは、一対の第１の非磁性金属２０と、ｚ方向に磁化された第１の強磁性体２１とを備える。

【0077】

図２０は磁化制御デバイス１Ｅに設けられるレーストラックメモリの斜視図である。図２１～図２５はレーストラックメモリの動作を説明するための模式図である。

【0078】

第１の強磁性体２１は、レーストラックメモリにより構成される。図２０及び図２１に示すように、第１の強磁性体２１は、ナノ細線３０を備える。ナノ細線３０の長手方向に沿って複数の磁区Ｊが形成される。各磁区Ｊは垂直方向又は水平方向に磁化される。第１の強磁性体２１の各磁区Ｊは、垂直方向（Ｚ方向）に磁化されるものとする。

【0079】

図２１及び図２２に示すように、ナノ細線２１に電流を流すことで、ナノ細線３０に形成された複数の磁区Ｊが長手方向に沿って移動する。そして、図２３に示すように、磁区Ｊのうちの一つを読出ヘッド２８まで移動させて、当該磁区Ｊに記録された情報を読出ヘッド２８が読み出す。次に、図２４及び図２５に示すように、書込ヘッド２９の下側に移動した磁区に情報「０」又は「１」が書込ヘッド２９により書き込まれる。

【0080】

図１９に示す第１の非磁性金属２０は、図２１～図２５に示される書込ヘッド２９に相当する。

【0081】

一対の第１の非磁性金属２０のそれぞれは、ｘ方向に延伸する延伸部１７（第１方向延伸部）と、延伸部１７の一端からｙ方向又は－ｙ方向（第３方向）に突出する第１突出部１８と、延伸部１７の他端からｙ方向又は－ｙ方向（第３方向）に突出する第２突出部１９とを有する。

【0082】

第１の強磁性体２１は、ｘ方向に延伸し、一対の延伸部１７の外側のエッジ３１（縁）に重なる。

【0083】

第１の強磁性体２１は、互いに対向するエッジ３２・３３（縁）を有する。第１の非磁性金属２０は、第１の強磁性体２１の両側に２個設けられる。一対の第１の非磁性金属２０の一方の延伸部１７の外側のエッジ３１（縁）は、第１の強磁性体２１の一方のエッジ３２（縁）に重なる。一対の第１の非磁性金属２０の他方の延伸部１７の外側のエッジ３１（縁）は、第１の強磁性体２１の他方のエッジ３３（縁）に重なる。

【0084】

このように構成された磁化制御デバイス１Ｅの第１の非磁性金属２０の一方に、図１９に示すように、第２突出部１９、延伸部１７、及び第１突出部１８に沿って電流を流すと、伝導電子は、第１突出部１８、延伸部１７、及び第２突出部１９に沿って移動する。ｚ方向のスピンは、スピン軌道相互作用によって、第１の非磁性金属２０の第１突出部１８の外側のエッジ、延伸部１７の外側のエッジ３１、及び第２突出部１９の外側のエッジに蓄積され、延伸部１７の外側のエッジ３１から第１の強磁性体２１のエッジ３２に注入される。

【0085】

第１の非磁性金属２０の他方に、第１突出部１８、延伸部１７、及び第２突出部１９に沿って電流を流すと、伝導電子は、第２突出部１９、延伸部１７、及び第１突出部１８に沿って移動する。ｚ方向のスピンは、スピン軌道相互作用によって、第１の非磁性金属２０の第２突出部１９の外側のエッジ、延伸部１７の外側のエッジ３１、及び第１突出部１８の外側のエッジに蓄積され、延伸部１７の外側のエッジ３１から第１の強磁性体２１のエッジ３３に注入される。

【0086】

そして、注入されたｚ方向のスピンが第１の強磁性体２１の対応する磁区で拡散されることで、第１の強磁性体２１の対応する磁区の磁化が－ｚ方向からｚ方向へ反転する。

【0087】

このように、磁化制御デバイス１Ｅは、レーストラックメモリの磁化書込みに適用することができる。

【0088】

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。尚、各実施形態において、「垂直」とは、熱のゆらぎ等を考慮しない理論的な場合における表現であり、実際のスピンは揺らぎを有しており、完全に「垂直」でない場合も含まれる。

【符号の説明】

【0089】

１ 磁化制御デバイス
２ 第１の非磁性金属
３ 第１の強磁性体
４ エッジ（縁）
５ 延伸部（第１方向延伸部）
６ 延伸部（第３方向延伸部）
７ 延伸部（第４方向延伸部）
８ エッジ（第１の縁）
９ エッジ（第３の縁）
１０ エッジ（第４の縁）
１１ 延伸部（第５方向延伸部）
１２ エッジ（第５の縁）
１３ 第２の非磁性金属
１４ 強磁性体エッジ
１５ 対向エッジ
１６ エッジ（縁）
１７ 延伸部（第１方向延伸部）
１８ 第１突出部
１９ 第２突出部
２０ 第１の非磁性金属
２１ 第１の強磁性体
２４ 磁気メモリ装置
２５ エッジ（縁）
３１ エッジ（縁）
３２ エッジ（縁）
３３ エッジ（縁）

【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】