特許 7608291 磁気抵抗効果素子、磁気アレイ及び磁化回転素子

(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】2024-12-20

(45)【発行日】2025-01-06

(54)【発明の名称】磁気抵抗効果素子、磁気アレイ及び磁化回転素子

(51)【国際特許分類】

   H10D 48/40 20250101AFI20241223BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20241223BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20241223BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

H10N50/10 Z

H10B61/00

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021130615

(22)【出願日】2021-08-10

(65)【公開番号】P2023025398

(43)【公開日】2023-02-22

【審査請求日】2024-03-28

(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】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(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】100169694

【弁理士】

【氏名又は名称】荻野 彰広

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】小村 英嗣

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１５７１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０５３５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１３９０２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１４９４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１５２２５１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ１０Ｎ ５０／１０

Ｈ１０Ｂ ６１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備える積層体と、
前記積層体の前記第１強磁性層側に接続されたスピン軌道トルク配線と、
前記積層体と前記スピン軌道トルク配線との間に部分的に挟まれたスペーサー層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線に沿って書き込み電流を流すことで、前記第１強磁性層にスピンを注入し、前記第１強磁性層の磁化の配向方向を変化できるように構成され、
前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線側の第１面は、前記積層体の積層方向から見て前記スペーサー層と重なる重畳面と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない非重畳面と、を有し、
前記重畳面と前記非重畳面とは、前記積層方向の高さが異なり、
前記重畳面の面積は、前記非重畳面の面積より広く、
前記スペーサー層の厚みは、積層体と接する部分と接しない部分とで略同一であり、
前記重畳面と前記非重畳面との間に段差がある、磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記スペーサー層は、開口を有し、
前記積層体は、前記開口を覆っている、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記スピン軌道トルク配線が延びる第１方向及び前記積層方向に沿った断面において、前記重畳面は第１重畳領域と第２重畳領域とを有し、
前記第１重畳領域と前記第２重畳領域とは、前記第１方向において、前記積層体の前記第１方向の中点を挟む位置にある、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記非磁性層は、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重なる第１部分と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない第２部分と、を有し、
前記第１部分と前記第２部分とは、前記積層方向の高さが異なる、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】

前記非磁性層は、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重なる第１部分と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない第２部分と、を有し、
前記非磁性層は、前記第２部分が前記第１部分より前記スピン軌道トルク配線に近くなるように湾曲している、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】

前記積層体の側面及び前記スピン軌道トルク配線を覆う絶縁層をさらに備え、
前記スペーサー層は、前記絶縁層と前記スピン軌道トルク配線との間にある、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】

前記スペーサー層の前記積層体と接する部分の厚さは、前記スペーサー層のスピン拡散長より厚い、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】

前記スペーサー層の前記積層体と接する部分の厚さは、前記スペーサー層のスピン拡散長より薄い、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9】

前記スペーサー層は、金属である、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項10】

前記スペーサー層は、酸化物、窒化物又は酸窒化物である、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項11】

請求項１～１０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、磁気アレイ。

【請求項12】

第１強磁性層と、
前記第１強磁性層に接続されたスピン軌道トルク配線と、
前記第１強磁性層と前記スピン軌道トルク配線との間に部分的に挟まれたスペーサー層と、を備え、
前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線側の第１面は、前記第１強磁性層の積層方向から見て前記スペーサー層と重なる重畳面と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない非重畳面と、を有し、
前記重畳面と前記非重畳面とは、前記積層方向の高さが異なり、
前記重畳面の面積は、前記非重畳面の面積より広く、
前記スペーサー層の厚みは、積層体と接する部分と接しない部分とで略同一であり、
前記重畳面と前記非重畳面との間に段差がある、磁化回転素子。

【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、磁気アレイ及び磁化回転素子に関する。

【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。強磁性層の磁化の向きは、例えば、電流が生み出す磁場を利用して制御する。また例えば、強磁性層の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して制御する。

【0004】

ＳＴＴを利用して強磁性層の磁化の向きを書き換える場合、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性劣化の原因となる。

【0005】

近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（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。すなわち、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】

【0006】

【文献】特開２０１７－２１６２８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

磁気アレイは、集積された複数の磁気抵抗効果素子を有する。それぞれの磁気抵抗効果素子の反転電流密度が大きくなると、磁気アレイの消費電力が増加する。反転電流密度は、磁気抵抗効果素子の磁化を反転するのに要する電流密度であり、磁気抵抗効果素子は磁化が反転することで動作する。磁気抵抗効果素子の反転電流密度を低減し、磁気アレイの消費電力を抑制することが求められている。

【0008】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、消費電力の少ない磁気抵抗効果素子、磁気アレイ及び磁化回転素子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】

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0010】

（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備える積層体と、前記積層体の前記第１強磁性層側に接続された配線と、前記積層体と前記配線との間に部分的に挟まれたスペーサー層と、を備え、前記第１強磁性層の前記配線側の第１面は、前記積層体の積層方向から見て前記スペーサー層と重なる重畳面と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない非重畳面と、を有し、前記重畳面と前記非重畳面とは、前記積層方向の高さが異なる。

【0011】

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記スペーサー層は、開口を有し、前記積層体は、前記開口を覆っていてもよい。

【0012】

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子の前記配線が延びる第１方向及び前記積層方向に沿った断面において、前記重畳面は第１重畳領域と第２重畳領域とを有してもよい。前記第１重畳領域と前記第２重畳領域とは、前記第１方向において、前記積層体の前記第１方向の中点を挟む位置にある。

【0013】

（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重なる第１部分と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない第２部分と、を有する。前記第１部分と前記第２部分とは、前記積層方向の高さが異なってもよい。

【0014】

（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重なる第１部分と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない第２部分と、を有する。前記非磁性層は、前記第２部分が前記第１部分より前記配線に近くなるように湾曲していてもよい。

【0015】

（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子は、前記積層体の側面及び前記配線を覆う絶縁層をさらに備えてもよい。前記スペーサー層は、前記絶縁層と前記配線との間にあってもよい。

【0016】

（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記重畳面の面積は、前記非重畳面の面積より広くてもよい。

【0017】

（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非重畳面の面積は、前記重畳面の面積より広くてもよい。

【0018】

（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記スペーサー層の前記積層体と接する部分の厚さは、前記スペーサー層のスピン拡散長より厚くてもよい。

【0019】

（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記スペーサー層の前記積層体と接する部分の厚さは、前記スペーサー層のスピン拡散長より薄くてもよい。

【0020】

（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記スペーサー層の前記積層体と接する部分の厚さは、前記スペーサー層の前記積層体と接しない部分の厚さより薄くてもよい。

【0021】

（１２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記スペーサー層は、金属でもよい。

【0022】

（１３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記スペーサー層は、酸化物、窒化物又は酸窒化物でもよい。

【0023】

（１４）第２の態様にかかる磁気アレイは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を複数備える。

【0024】

（１５）第３の態様にかかる磁化回転素子は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層に接続された配線と、前記第１強磁性層と前記配線との間に部分的に挟まれたスペーサー層と、を備え、前記第１強磁性層の前記配線側の第１面は、前記第１強磁性層の積層方向から見て前記スペーサー層と重なる重畳面と、前記積層方向から見て前記スペーサー層と重ならない非重畳面と、を有し、前記重畳面と前記非重畳面とは、前記積層方向の高さが異なる。

【発明の効果】

【0025】

本発明にかかる磁気抵抗効果素子、磁気アレイ及び磁化回転素子は、消費電力が少ない。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】第１実施形態にかかる磁気アレイの回路図である。

【図2】第１実施形態にかかる磁気アレイの特徴部分の断面図である。

【図3】第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図4】第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図5】第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図6】第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図7】第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図8】第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図9】第４実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図10】第５実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。

【図11】第６実施形態にかかる磁化回転素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

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。

【0028】

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、第１導電層４１から第２導電層４２へ向かう方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。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。

【0029】

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、スイッチング素子等を介して接続している場合も「接続」に含まれる。

【0030】

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁気アレイ２００の構成図である。磁気アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線ＷＬと、複数の共通配線ＣＬと、複数の読出し配線ＲＬ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。磁気アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。

【0031】

それぞれの書き込み配線ＷＬ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。それぞれの共通配線ＣＬ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。それぞれの共通配線ＣＬ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ＣＬ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。それぞれの読出し配線ＲＬ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、使用時に磁気アレイ２００に接続される。

【0032】

それぞれの磁気抵抗効果素子１００は、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のそれぞれに接続されている。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ＷＬ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のと共通配線ＣＬとの間に接続されている。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘る読出し配線ＲＬに接続されている。

【0033】

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ＷＬと共通配線ＣＬとの間に書き込み電流が流れる。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ＣＬと読出し配線ＲＬとの間に読み出し電流が流れる。

【0034】

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。

【0035】

図１に示す磁気アレイ２００は、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００が第３スイッチング素子Ｓｗ３を共用している。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に設けてもよい。すなわち、第３スイッチング素子Ｓｗ３は、磁気抵抗効果素子１００と読出し配線ＲＬとの間に接続されていてもよい。またそれぞれの磁気抵抗効果素子１００に第３スイッチング素子Ｓｗ３を設け、第１スイッチング素子Ｓｗ１又は第２スイッチング素子Ｓｗ２を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。

【0036】

図２は、第１実施形態に係る磁気アレイ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を後述するスピン軌道トルク配線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。

【0037】

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、読出し配線ＲＬと電気的に接続され、例えば、図２の‐ｘ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。

【0038】

トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、ビア配線Ｖ、第１導電層４１及び第２導電層４２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ＷＬ又は共通配線ＣＬとは、ビア配線Ｖで接続されている。ビア配線Ｖ、第１導電層４１及び第２導電層４２は、導電性を有する材料を含む。ビア配線Ｖは、例えば、ｚ方向に延びる。

【0039】

磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層９０で覆われている。絶縁層９０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９０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）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。

【0040】

図３は、磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図３は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。図４は、磁気抵抗効果素子１００の平面図である。

【0041】

磁気抵抗効果素子１００は、例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０とスペーサー層３０とを備える。スピン軌道トルク配線２０は、第１導電層４１、第２導電層４２に接続されている。第１導電層４１と第２導電層４２とは、ｚ方向から見て、積層体１０を挟む位置にある。積層体１０は、電極４３に接続されている。

【0042】

磁気抵抗効果素子１００の周囲は、絶縁層９１、９２、９３で被覆されている。絶縁層９１、９２、９３は、図２の絶縁層９０の一部である。絶縁層９１は、第１導電層４１及び第２導電層４２と同じレイヤーにある。絶縁層９２は、スピン軌道トルク配線２０及びスペーサー層３０と同じレイヤーにある。絶縁層９３は、積層体１０及び電極４３と同じレイヤーにある。絶縁層９３は、積層体１０の側面を覆う。

【0043】

磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込む際は、第１導電層４１と第２導電層４２との間に、スピン軌道トルク配線２０に沿って流す。磁気抵抗効果素子１００からデータを読み出すは、第１導電層４１又は第２導電層４２と電極４３の間に、積層体１０の積層方向に沿って流す。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。

【0044】

スピン軌道トルク配線２０は、配線の一例である。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向より長く、ｘ方向に延びる。書き込み電流は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向に流れる。スピン軌道トルク配線２０は、積層体１０の第１強磁性層１側に接続されている。

【0045】

スピン軌道トルク配線２０は、書き込み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、第１強磁性層１にスピンを注入する。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化に与える。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。

【0046】

例えば、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ書き込み電流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、－ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが－ｚ方向に曲げられる。

【0047】

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

【0048】

第１スピンの電子の流れをＪ_↑、第２スピンの電子の流れを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スピンは、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に注入される。

【0049】

スピン軌道トルク配線２０は、書き込み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。

【0050】

スピン軌道トルク配線２０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。スピン軌道トルク配線２０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、スピン軌道トルク配線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。

【0051】

スピン軌道トルク配線２０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。スピン軌道トルク配線２０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。

【0052】

スピン軌道トルク配線２０は、この他に、磁性金属を含んでもよく、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。

【0053】

スペーサー層３０は、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０との間に部分的に挟まれている。スペーサー層３０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。スペーサー層３０は、開口３１を有する。開口３１は、積層体１０で覆われている。

【0054】

スペーサー層３０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と絶縁層９３との間にもある。スペーサー層３０は、例えば、絶縁層９３より放熱性に優れる。放熱性に優れるスペーサー層３０が絶縁層９３とスピン軌道トルク配線２０の間まで延びると、磁気抵抗効果素子１００の放熱性が向上する。

【0055】

スペーサー層３０は、例えば、金属である。金属のスペーサー層３０は、例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｉｒである。スペーサー層３０は、酸化物、窒化物又は酸窒化物でもよい。酸化物、窒化物又は酸窒化物のスペーサー層３０は、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_４、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯＮ等である。

【0056】

スペーサー層３０の厚さは、積層体１０と接する部分と接しない部分とで、略同一でも異なっていてもよい。図３に示す例は、積層体１０と接する部分と接しない部分のスペーサー層３０の厚みが略同一の場合である。図６に示す例は、積層体１０と接する部分と接しない部分のスペーサー層３０の厚みが異なる場合である。

【0057】

スペーサー層３０の積層体１０と接する部分の厚さは、例えば、スペーサー層３０のスピン拡散長より薄い。スピン拡散長は、スピンの情報を保存したまま電子が移動できる距離である。スペーサー層３０の該当部分の厚みがスペーサー層３０のスピン拡散長以下であると、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に、スペーサー層３０を挟む位置でもスピンを効率的に注入できる。

【0058】

スペーサー層３０の積層体１０と接する部分の厚さは、例えば、スペーサー層３０のスピン拡散長より厚くてもよい。絶縁層９３より熱伝導性に優れるスペーサー層３０の厚みが厚いと、磁気抵抗効果素子１００の放熱性が向上する。

【0059】

積層体１０は、ｚ方向に、スピン軌道トルク配線２０と電極４３とに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。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。

【0060】

積層体１０は、例えば、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを備える。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０に近い側にある。第１強磁性層１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と接し、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。第１強磁性層１にはスピン軌道トルク配線２０からスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受け、配向方向が変化する。第２強磁性層２は、第１強磁性層１のｚ方向にある。第１強磁性層１と第２強磁性層２は、ｚ方向に非磁性層３を挟む。

【0061】

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。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１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。

【0062】

第１強磁性層１及び第２強磁性層２の磁化容易軸は、ｘｙ平面のいずれかの方向でも、ｚ方向でもよい。磁化容易軸がｘｙ平面のいずれかの方向にある強磁性層は面内磁化膜と呼ばれ、磁化容易軸がｚ方向である強磁性体を垂直磁化膜と呼ばれる。

【0063】

第１強磁性層１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。

【0064】

第１強磁性層１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。

【0065】

第１強磁性層１の第１面５０は、重畳面５１と非重畳面５２とを有する。第１面５０は、第１強磁性層１のスピン軌道トルク配線２０側の面である。重畳面５１と非重畳面５２とは、ｚ方向の高さが異なる。重畳面５１と非重畳面５２との間には、例えば、段差がある。重畳面５１と非重畳面５２との間は、スロープでもよい。

【0066】

重畳面５１は、第１面５０のうちｚ方向から見てスペーサー層３０と重なる部分である。図３に示す断面において、重畳面５１は第１重畳領域５１１と第２重畳領域５１２とを有する。磁気抵抗効果素子１００において、第１重畳領域５１１と第２重畳領域５１２とは、同じスペーサー層３０内の異なる領域である。第１重畳領域５１１と第２重畳領域５１２とは、ｘ方向に、積層体１０のｘ方向の中点を挟む。

【0067】

非重畳面５２は、第１面５０のうちｚ方向から見てスペーサー層３０と重ならない部分である。非重畳面５２は、開口３１とｚ方向に重なる部分である。

【0068】

非重畳面５２の面積は、例えば、重畳面５１の面積より広い。非重畳面５２の面積が広いと、第１強磁性層１の磁化の熱安定性が高まる。この逆に、図５に示す磁気抵抗効果素子１００Ａのように、重畳面５１の面積は、非重畳面５２の面積より広くてもよい。非重畳面５２の面積が狭いと、第１強磁性層１の磁化の熱安定性が低下し、磁化反転が容易になる。

【0069】

第１強磁性層１の第２面５５は、重畳面５６と非重畳面５７とを有する。重畳面５６は、重畳面５１と対向する。非重畳面５７は、非重畳面５２と対向する。第２面５５は、第１面５０と対向する面であり、第１面５０の形状を反映している。重畳面５６と非重畳面５７とは、ｚ方向の高さが異なる。重畳面５６と非重畳面５７との間には、例えば、段差がある。重畳面５６と非重畳面５７との間は、スロープでもよい。

【0070】

第１面５０と第２面５５との間の距離は、例えば、重畳面５１と重畳面５６の間と、非重畳面５２と非重畳面５７の間とで、略一定である。すなわち、第１強磁性層１の膜厚は略一定である。略一定とは、距離の差が平均距離の１０％以下であることを意味する。

【0071】

非磁性層３は、非磁性体を含む。非磁性層３が絶縁体の場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３が金属の場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３が半導体の場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

【0072】

非磁性層３は、第１部分６と第２部分７とを有する。第１部分６は、ｚ方向から見てスペーサー層３０と重なる部分である。第２部分７は、ｚ方向から見てスペーサー層３０と重ならない部分である。第１部分６と第２部分７とは、ｚ方向の高さが異なる。第１部分６と第２部分７との間には、例えば、段差がある。第１部分６と第２部分７との間は、スロープでもよい。

【0073】

第２強磁性層２は、第１強磁性層１と同様の材料を含む。第２強磁性層２に適用可能な材料種は第１強磁性層１と同様であっても、第１強磁性層１と第２強磁性層２とを構成する材料が異なっていてもよい。

【0074】

第２強磁性層２の第１面６０は、重畳面６１と非重畳面６２とを有する。第１面６０は、第２強磁性層２のスピン軌道トルク配線２０側の面である。重畳面６１と非重畳面６２とは、ｚ方向の高さが異なる。重畳面６１と非重畳面６２との間には、例えば、段差がある。重畳面６１と非重畳面６２との間は、スロープでもよい。

【0075】

重畳面６１は、第１面６０のうちｚ方向から見てスペーサー層３０と重なる部分である。非重畳面６２は、第１面６０のうちｚ方向から見てスペーサー層３０と重ならない部分である。非重畳面６２は、開口３１とｚ方向に重なる部分である。

【0076】

第２強磁性層２の第２面６５は、重畳面６６と非重畳面６７と、を有する。重畳面６６は、重畳面６１と対向する。非重畳面６７は、非重畳面６２と対向する。第２面６５は、第１面６０と対向する面であり、第１面６０の形状を反映している。重畳面６６と非重畳面６７とは、ｚ方向の高さが異なる。重畳面６６と非重畳面６７との間には、例えば、段差がある。重畳面６６と非重畳面６７との間は、スロープでもよい。

【0077】

第２面６５は、電極４３と接する面である。第２面６５がz方向の位置の異なる重畳面６６と非重畳面６７とを有すると、第２強磁性層２と電極４３との接触面積が広くなる。その結果、第２強磁性層２と電極４３との間の密着性及び熱伝導性が向上する。

【0078】

第１面６０と第２面６５との間の距離は、例えば、重畳面６１と重畳面６６の間と、非重畳面６２と非重畳面６７の間とで、略一定である。すなわち、第２強磁性層２の膜厚は略一定である。

【0079】

積層体１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサー層を介して反強磁性層を有してもよい。第２強磁性層２、スペーサー層、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。スペーサー層は、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。

【0080】

積層体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。例えば、スピン軌道トルク配線２０と積層体１０との間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。

【0081】

次いで、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の製造方法の一例について説明する。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。

【0082】

まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。基板Ｓｕｂは、トランジスタＴｒが形成された市販品を購入してもよい。

【0083】

次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層９０を形成する。また絶縁層９０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することでビア配線Ｖ、第１導電層４１及び第２導電層４２が形成される。書き込み配線ＷＬ、共通配線ＣＬは、絶縁層９０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９０に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。

【0084】

次いで、絶縁層９０、第１導電層４１及び第２導電層４２の上面に、配線層を積層する。配線層の所定の位置にレジストを形成し、その上から非磁性層を成膜する。配線層及び非磁性層を所定の形状に加工し、レジストをリフトオフする。配線層はスピン軌道トルク配線２０となり、非磁性層はスペーサー層３０となる。スピン軌道トルク配線２０及びスペーサー層３０の周囲は、絶縁層９２で被覆される。

【0085】

次いで、強磁性層、非磁性層、強磁性層、ハードマスク層を順に積層する。ハードマスク層を介して、強磁性層、非磁性層、強磁性層を一度に所定の形状に加工することで、積層体１０が得られる。そして、積層体の周囲を絶縁層９３で埋め、電極４３を形成することで、磁気抵抗効果素子１００が得られる。

【0086】

次いで、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の動作について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、データの書き込み動作とデータの読み出し動作がある。

【0087】

まずデータを磁気抵抗効果素子１００に記録する動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第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１２０をＳｗ２にすると、スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れる。スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第１強磁性層１に注入される。第１強磁性層１に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（ＳＯＴ）を加え、第１強磁性層１の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。

【0088】

積層体１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが平行の場合に小さく、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体１０の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子１００にデータが記録される。

【0089】

次いで、データを磁気抵抗効果素子１００から読み出す動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第２スイッチング素子Ｓｗ２と第３スイッチング素子Ｓｗ３とをＯＮにする。各スイッチング素子をこのように設定すると、積層体１０の積層方向に読み出し電流が流れる。オームの法則により積層体１０の積層方向の抵抗値が異なると、出力される電圧が異なる。そのため、例えば積層体１０の積層方向の電圧を読み出すことで、磁気抵抗効果素子１００に記録されたデータを読み出すことができる。

【0090】

第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１がスペーサー層３０と接する重畳面５１と非重畳面５２とを有する。第１強磁性層１の磁化の安定性は、成膜される下地層の構成、結晶構造、第１強磁性層１の膜厚等の影響を受ける。また重畳面５１と非重畳面５２との間の段差近傍では、磁化の配向方向が乱れる傾向にある。磁化の配向方向が乱れた部分は、他の部分と比較して、磁化反転しやすい。そのため、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、磁化反転しやすい部分がきっかけとなって磁化反転が進行するため、反転電流密度を下げることができる。それぞれの磁気抵抗効果素子１００の反転電流密度が小さくなると、磁気アレイ２００全体の消費電力が下がる。

【0091】

「第２実施形態」
図６は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

【0092】

磁気抵抗効果素子１０１は、積層体１０Ａとスピン軌道トルク配線２０とスペーサー層３０Ａとを備える。

【0093】

スペーサー層３０Ａは、スピン軌道トルク配線２０上にある。スペーサー層３０Ａは、スピン軌道トルク配線２０と積層体１０又は絶縁層９３の間にある。スペーサー層３０Ａは、第１部分３０Ａ１と第２部分３０Ａ２とを有する。第１部分３０Ａ１は、ｚ方向に積層体１０と重なる部分である。第２部分３０Ａ２は、ｚ方向に積層体１０と重ならない部分である。スペーサー層３０Ａは、開口３１Ａを有する。開口３１Ａは、積層体１０Ａで覆われている。

【0094】

第１部分３０Ａ１の厚さは、第１部分３０Ａ１と第２部分３０Ａ２との境界から離れるに従い薄くなっている。第１部分３０Ａ１の平均厚みは、第２部分３０Ａ２の平均厚みより薄い。

【0095】

積層体１０Ａは、第１強磁性層１Ａと第２強磁性層２Ａと非磁性層３Ａとを備える。第１強磁性層１Ａ、第２強磁性層２Ａ及び非磁性層３Ａを構成する材料のそれぞれは、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３のそれぞれと同様である。

【0096】

第１強磁性層１Ａの第１面５０Ａは、重畳面５１Ａと非重畳面５２Ａを有する。重畳面５１Ａは、ｚ方向から見て、スペーサー層３０Ａと重畳する。非重畳面５２Ａは、ｚ方向から見て、スペーサー層３０Ａと重畳しない。第１面５０Ａは、非重畳面５２Ａが重畳面５１Ａよりスピン軌道トルク配線２０の近くに位置するように、湾曲している。第１強磁性層１Ａの第２面５５Ａも、第１面５０Ａと同じ方向に湾曲している。

【0097】

非磁性層３Ａは、第１部分６Ａと第２部分７Ａとを有する。第１部分６Ａは、ｚ方向から見てスペーサー層３０と重なる部分である。第２部分７Ａは、ｚ方向から見てスペーサー層３０と重ならない部分である。非磁性層３Ａは、第２部分７Ａが第１部分６Ａよりスピン軌道トルク配線２０の近くに位置するように、湾曲している。

【0098】

第２強磁性層２Ａの第１面６０Ａ及び第２面６５Ａは、第１強磁性層１Ａの第１面５０Ａと同じ方向に湾曲している。

【0099】

第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。またスペーサー層３０Ａの第１部分３０Ａ１の上面が傾斜することで、重畳面５１Ａ近傍の磁化の配向方向が第１強磁性層１の磁化容易軸方向から乱れ、反転電流密度をより下げることができる。

【0100】

「第３実施形態」
図７は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

【0101】

磁気抵抗効果素子１０１は、積層体１０Ｂとスピン軌道トルク配線２０とスペーサー層３０とを備える。

【0102】

積層体１０Ｂは、第１強磁性層１Ｂと第２強磁性層２Ｂと非磁性層３Ｂとを備える。第１強磁性層１Ｂ、第２強磁性層２Ｂ及び非磁性層３Ｂを構成する材料のそれぞれは、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３のそれぞれと同様である。

【0103】

第１強磁性層１Ｂの第２面５５Ｂは、第１面５０の形状を反映していない。第２面５５Ｂは、略平坦面である。重畳面５１と第２面５５Ｂとの間の距離と、非重畳面５２と第２面５５Ｂとの距離とは異なる。すなわち、第１強磁性層１Ｂの厚さは、スペーサー層３０と重なる位置と重ならない位置とで異なる。

【0104】

非磁性層３Ｂは、第１強磁性層１Ｂの第２面５５Ｂの形状を反映し、ｘｙ方向に広がる平坦面である。また第２強磁性層２Ｂも、第１強磁性層１Ｂの第２面５５Ｂの形状を反映し、ｘｙ方向に広がる平坦面である。

【0105】

第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また磁化の配向方向は、磁性体の膜厚によって変化する。例えば、ＣｏＦｅＢは膜厚によって垂直磁化膜になる場合と面内磁化膜になる場合がある。第１強磁性層１Ｂの膜厚が場所によって異なることで、磁化の安定性がｘ方向の場所によって異なる。そのため、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０２は、より反転電流密度を小さくできる。

【0106】

また第２強磁性層２Ｂの膜厚が略一定であると、第２強磁性層２Ｂの磁化の安定性が高まる。第２強磁性層２Ｂの磁化安定性が高まると、磁気抵抗効果素子１０２の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が向上する。

【0107】

「第４実施形態」
図８は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３の断面図である。図９は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３の平面図である。第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

【0108】

磁気抵抗効果素子１０３は、積層体１０Ｃとスピン軌道トルク配線２０とスペーサー層３０Ｃとを備える。

【0109】

スペーサー層３０Ｃは、ｘ方向において、積層体１０Ｃの中心より第１導電層４１側のみにある。

【0110】

積層体１０Ｃは、第１強磁性層１Ｃと第２強磁性層２Ｃと非磁性層３Ｃとを備える。第１強磁性層１Ｃ、第２強磁性層２Ｃ及び非磁性層３Ｃを構成する材料のそれぞれは、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３のそれぞれと同様である。

【0111】

第１強磁性層１Ｃの第１面５０Ｃは、重畳面５１Ｃと非重畳面５２Ｃを有する。重畳面５１Ｃは、ｚ方向から見て、スペーサー層３０Ｃと重畳する。非重畳面５２Ｃは、ｚ方向から見て、スペーサー層３０Ｃと重畳しない。重畳面５１Ｃと非重畳面５２Ｃとはｚ方向の位置が異なる。重畳面５１Ｃと非重畳面５２Ｃとの間には段差又はスロープがある。第１強磁性層１Ｃの膜厚は略一定である。

【0112】

非磁性層３Ｃは、第１部分６Ｃと第２部分７Ｃとを有する。第１部分６Ｃは、ｚ方向から見てスペーサー層３０Ｃと重なる部分である。第２部分７Ｃは、ｚ方向から見てスペーサー層３０Ｃと重ならない部分である。第１部分６Ｃと第２部分７Ｃとは、ｚ方向の高さが異なる。第１部分６Ｃと第２部分７Ｃとの間には、例えば、段差がある。第１部分６Ｃと第２部分７Ｃとの間は、スロープでもよい。

【0113】

第２強磁性層２Ｃは、第１面６０Ｃと第２面６５Ｃとを有する。第１面６０Ｃ及び第２面６５Ｃの形状は、第１強磁性層１Ｃの第１面５０Ｃの形状を反映している。第１面６０Ｃは、重畳面６１Ｃと非重畳面６２Ｃとを有し、これらのｚ方向の高さ位置は異なる。第２面６５Ｃは、重畳面６６Ｃと非重畳面６７Ｃとを有し、これらのｚ方向の高さ位置は異なる。

【0114】

第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０３は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

【0115】

「第５実施形態」
図１０は、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４の平面図である。第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

【0116】

磁気抵抗効果素子１０４は、積層体１０Ｄとスピン軌道トルク配線２０とスペーサー層３０Ｄ，３０Ｅとを備える。磁気抵抗効果素子１０４の断面形状は、図３と略同一である。

【0117】

スペーサー層３０Ｄは、ｘ方向において、積層体１０Ｄの中心より第１導電層４１側のみにある。スペーサー層３０Ｅは、ｘ方向において、積層体１０Ｄの中心より第２導電層４２側のみにある。

【0118】

積層体１０Ｄの第１強磁性層の第１面は、重畳面５１Ｄ、５１Ｅと非重畳面５２Ｄを有する。重畳面５１Ｄは、ｚ方向から見て、スペーサー層３０Ｄと重畳する。重畳面５１Ｅは、ｚ方向から見て、スペーサー層３０Ｅと重畳する。非重畳面５２Ｄは、ｚ方向から見て、スペーサー層３０Ｄ、３０Ｅと重畳しない。重畳面５１Ｄ及び重畳面５１Ｅと非重畳面５２Ｅとはｚ方向の位置が異なる。重畳面５１Ｄは第１重畳領域５１１に対応し、重畳面５１Ｅは第２重畳領域５１２に対応する。重畳面５１Ｄと重畳面５１Ｅとは、ｘ方向に、積層体１０のｘ方向の中点を挟む。

【0119】

第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

【0120】

「第６実施形態」
図１１は、第６実施形態に係る磁化回転素子１１０の断面図である。磁化回転素子１１０は、非磁性層３及び第２強磁性層２がない点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。第６実施形態に係る磁化回転素子１１０において、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

【0121】

磁化回転素子１１０は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１１０は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。

【0122】

この他、磁化回転素子１１０は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。

【0123】

磁化回転素子１１０は、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１とスペーサー層３０とを有する。

【0124】

第６実施形態に係る磁化回転素子１１０は、第１強磁性層１がスペーサー層３０と接する重畳面５１と非重畳面５２とを有する。したがって、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様に、磁化反転しやすい部分がきっかけとなって磁化反転が進行するため、磁化回転に要する電流を小さくできる。

【0125】

ここまで、第１実施形態から第６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】

【0126】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…第１強磁性層
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…第２強磁性層
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…非磁性層
６，６Ａ，６Ｃ…第１部分
７，７Ａ，７Ｃ…第２部分
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…積層体
２０…スピン軌道トルク配線
３０，３０Ａ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ…スペーサー層
３１，３１Ａ…開口
５０，５０Ａ，５０Ｃ…第１面
５１，５１Ａ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ…重畳面
５２，５２Ａ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ…非重畳面
９３…絶縁層
１００，１００Ａ，１０１，１０２，１０３，１０４…磁気抵抗効果素子
１１０…磁化回転素子
２００…磁気アレイ
５１１…第１重畳領域
５１２…第２重畳領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】