(57)【要約】【課題】  ＳＯＴ発生源が自由層の側面に配置され、ＳＯＴ発生源の側面に沿って電流が流れることにより、素子構造がシンプルで、書き込みに必要な電力が低く、書き込み速度が高速で、高信頼性を有する磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置を提供すること。【解決手段】磁気トンネル接合素子１０は、磁化方向が可変である自由層１３と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層１１と、自由層１３と固定層１１の間に積層された絶縁層１２と、導電性を有し、スピン軌道トルクを発生させるＳＯＴ発生源１４と、を備える磁気トンネル接合素子であって、ＳＯＴ発生源１４が自由層１３上に積層する面は、自由層１３が絶縁層１２を積層する面と交差し、ＳＯＴ発生源１４は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して交差する方向に電流が流れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が可変である自由層と、
磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、
前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、
導電性を有し、スピン軌道トルクを発生させるＳＯＴ（Spin orbit torque)発生源と、を備える磁気トンネル接合素子であって、
前記ＳＯＴ発生源が前記自由層上に積層する面は、前記自由層が前記絶縁層を積層する面と交差し、
前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層、前記絶縁層及び前記固定層の積層方向に対して交差する方向に電流が流れる磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記ＳＯＴ発生源は、前記積層方向に対して交差する方向に離間した一対の電極を備える請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記ＳＯＴ発生源は、Ｐｔ、Ｗ及びＴａの少なくとも１種の金属を含む請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記ＳＯＴ発生源は、トポロジカル絶縁体を含む請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記トポロジカル絶縁体は、ＢｉＴｅＳｂまたはＢｉＳｂである請求項４に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層する請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の複数の面に積層する請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、前記面と平行な面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有し、前記第１ＳＯＴ発生源と前記第２ＳＯＴ発生源は、同じ組成である請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項９】
前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、前記面と平行な面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有し、前記第１ＳＯＴ発生源と前記第２ＳＯＴ発生源は、異なる組成である請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、前記面と交差する面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有する請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１１】
前記自由層の厚みが１５ｎｍ以上である請求項１から１０のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１２】
前記自由層が円柱形状であり、前記自由層の底面の直径が１０ｎｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１３】
前記自由層が円柱形状であり、前記自由層の厚みが底面の円の直径より大きい請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１４】
前記自由層が前記ＳＯＴ発生源と接する面の面積は、前記自由層が前記絶縁層と接する面の面積より広い請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備える磁気抵抗メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直磁化を有し磁気抵抗効果によって読み出しを行う磁気抵抗素子は、微細化に対する熱擾乱耐性が高く、次世代のメモリ等として期待されている。
【０００３】
この次世代メモリは、磁化方向が可変である自由層（記憶層とも呼ばれる。）と、所定の磁化方向を維持する固定層（参照層とも呼ばれる。）と、この自由層と固定層との間にトンネルバリアとして設けられた絶縁層を有する磁気トンネル接合（Magnetic tunnel junction：ＭＴＪ）素子から構成される。
【０００４】
このようなＭＴＪを基本とするＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetoresistive Random Access Memory）の実用化が行われている。ＳＴＴ−ＭＲＡＭは２端子構造から成り立ち、書き込み電流と読み出し電流の経路が同じである。
【０００５】
ＳＴＴ―ＭＲＡＭの問題点は、書き込み電流からSpin流への変換効率が低く、低電流化、高速化が難しいことである。
【０００６】
例えば、ＳＴＴ―ＭＲＡＭの記憶層のサイズを縦１０ｎｍ、横１０ｎｍ、厚さ１ｎｍと仮定すると、この記憶層の電子数は約１０５個である。そして原理的に電流からｓｐｉｎ流への変換効率は１以下であるから、この電子のスピンを反転するには少なくとも同数以上の電子の注入が必要である。したがって、スピンを反転する時のスイッチング時間を３ｎｓとすると、一つのＭＴＪ素子あたりの書き込み電流は、約１０μＡ以上が必要となってしまう。
【０００７】
また、読出し電流のマージンと書き込み電流のマージンが十分に取れないなどの問題もあった。
【０００８】
これらの問題を解決するために、スピン軌道トルク（Spin orbit torque：ＳＯＴ)書き込み方法が提案されている（例えば、特許文献１）。ＳＯＴ書き込み方法を用いた場合、電流からスピン流への変換効率は原理的に１以上になる可能性があり、低電流書き込み及び高速化が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０２１４６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、ＳＯＴを用いるためには素子構造を３端子にする、垂直磁化膜の代わりに長手磁化膜を用いる、または磁界発生源を新たに加える必要があり、素子構造が複雑になってしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、素子構造がシンプルで、書き込みに必要な電力が低く、書き込み速度が高速で、高信頼性を有する磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置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】
【００１２】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、導電性を有し、スピン軌道トルクを発生させるＳＯＴ発生源と、を備える磁気トンネル接合素子であって、前記ＳＯＴ発生源が前記自由層上に積層する面は、前記自由層が前記絶縁層を積層する面と交差し、前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層、前記絶縁層及び前記固定層の積層方向に対して交差する方向に電流が流れるようにした。
【００１３】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴ発生源が自由層の側面に配置され、ＳＯＴ発生源の側面に沿って電流が流れることにより、素子構造がシンプルで、書き込みに必要な電力が低く、書き込み速度が高速で、高信頼性を有する磁気トンネル接合素子を提供することができる。
【００１４】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、前記積層方向に対して交差する方向に離間した一対の電極を備える請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【００１５】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、Ｐｔ、Ｗ及びＴａの少なくとも１種の金属を含むようにしてもよい。
【００１６】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、トポロジカル絶縁体を含むようにしてもよい。
【００１７】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記トポロジカル絶縁体は、ＢｉＴｅＳｂまたはＢｉＳｂであるようにしてもよい。
【００１８】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層するようにしてもよい。
【００１９】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の複数の面に積層するようにしてもよい。
【００２０】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、前記面と平行な面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有し、前記第１ＳＯＴ発生源と前記第２ＳＯＴ発生源は、同じ組成であるようにしてもよい。
【００２１】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、自由層の両側からＳＯＴを発生させることができるので、従来の略２倍のトルクを発生させることができる。
【００２２】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、前記面と平行な面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有し、前記第１ＳＯＴ発生源と前記第２ＳＯＴ発生源は、異なる組成であるようにしてもよい。
【００２３】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、記録電流方向の自由度が広がり、磁気抵抗メモリ設計を容易にすることができる。
【００２４】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＳＯＴ発生源は、前記自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、前記面と交差する面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有するようにしてもよい。
【００２５】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴの大きさを増大させることができる。
【００２６】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記自由層の厚みが１５ｎｍ以上であるようにしてもよい。
【００２７】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記自由層が円柱形状であり、前記自由層の底面の直径が１０ｎｍ以下であるようにしてもよい。
【００２８】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記自由層が円柱形状であり、前記自由層の厚みが底面の円の直径より大きいようにしてもよい。
【００２９】
これらの実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴの大きさが増大して低電力化を実現できる。
【００３０】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記自由層が前記ＳＯＴ発生源と接する面の面積は、前記自由層が前記絶縁層と接する面の面積より広いようにしてもよい。
【００３１】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、上記いずれかの磁気トンネル接合素子と、前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備えるようにした。
【００３２】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置によれば、ＳＯＴ発生源が自由層の側面に配置され、ＳＯＴ発生源の側面に沿って電流が流れることにより、素子構造がシンプルで、書き込みに必要な電力が低く、書き込み速度が高速で、高信頼性を有する磁気抵抗メモリ装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置によれば、ＳＯＴ発生源が自由層の側面に配置され、ＳＯＴ発生源の側面に沿って電流が流れることにより、素子構造がシンプルで、書き込みに必要な電力が低く、書き込み速度が高速で、高信頼性を有する磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。
【図２】ＭＴＪ素子の構造と熱安定の関係を示すグラフである
【図３】実施の形態２にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。
【図４】実施の形態３にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。
【図５】実施の形態４にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す上面図である。
【図６】実施の形態５にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す上面図である。
【図７】実施形態６にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、固定層１１と、絶縁層１２と、自由層１３と、ＳＯＴ発生源１４とを備える。
【００３６】
固定層１１は、磁化方向を所定の方向に維持する層である。固定層１１は、固定層１１としては、自由層１３に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。即ち、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓが大きく、また、磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。
【００３７】
しかしながら、固定層１１を構成する材料は、特に限定されるものではなく、諸条件により任意の材料から選択することができる。例えば、固定層１１は、ＣｏＦｅＢを主成分とする層と、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜とから構成される。また、固定層１１は、ホイスラー合金膜でを主成分とする層と、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜とから構成されてもよい。好ましくはホイスラー合金膜を主成分とする層は、Ｃｏ基フルホイスラー（Co-based full-Heusler）合金を主成分とする層である。具体的には、Ｃｏ基フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌとすることができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜は、大きな垂直磁気異方性を持たせるために備えられている。ホイスラー合金膜を主成分とする層は、絶縁層１２と接合している。また、ホイスラー合金膜を主成分とする層は、反対側の面でＣｏ／Ｐｔ多層膜と接合している。固定層１１を上述のいずれかの構成とすることにより、固定層１１は、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。また、固定層１１は、参照層とも呼ばれる。
【００３８】
絶縁層１２は、絶縁物質を主成分とする層である。絶縁層１２は、強磁性を有する固定層１１及び自由層１３の間に備えられる。例えば、絶縁層１２は、ＭｇＯ等の絶縁膜から構成されている。なお、絶縁層１２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、絶縁層１２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。例えば、スピネル型ＭｇＡｌ２Ｏ４なども用いることが可能である。そして、固定層１１及び自由層１３との接合面に対して垂直に電圧が印加されることにより、トンネル効果によって磁気トンネル接合素子１０に電流が流れる。
【００３９】
自由層１３は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化回転により、磁化方向が可変である層である。自由層１３は、可変な磁化方向を有する。自由層１３は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されており、上方又は下方に向く。自由層１３は、自由層、磁化自由層、磁化可変層などと称してもよい。また、好ましくは自由層１３は、自由層を構成する材料は、特に限定されるものではなく、諸条件により任意の材料から選択することができる。例えば、ＣｏＦｅＢを主成分から構成される。また、Ｃｏ基フルホイスラー合金からなる層であってもよい。具体的には、Ｃｏ基フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２（Ｆｅ−Ｍｎ）Ｓｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌとすることができる。また、自由層１３は、記録層、磁化自由層、または磁化可変層等とも呼ばれる。
【００４０】
ＳＯＴ発生源１４は、自由層１３の磁化方向を変化させるためのスピン軌道トルクを発生させる構成である。ＳＯＴ発生源１４は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して交差する方向に電流が流れることにより、スピン軌道トルクを発生させる。ここで積層方向とは、図１におけるＺ軸方向である。ＳＯＴ発生源１４は、このＺ軸方向に対して交差する方向に電流が流れる。ただし、ＳＯＴ発生源１４は固定層には接触せず、固定層の磁化には影響を及ぼさない。
【００４１】
ここで、交差とは、平行でないことを意味する。すなわちＳＯＴ発生源１４に流れる電流の方向は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して平行ではない。言い換えれば、ＳＯＴ発生源１４に流れる電流の方向と、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向との交差角度は０度より大きく、且つ３６０度未満である。発生したスピン流で効率よく自由層１３の磁化方向を変化させるために、交差角度は、４５度以上が特に望ましい。さらには、交差角度は８０度以上が望ましい。交差角度は、特に略直角に交差することが望ましい。略直角とは例えば８８度〜９２度の角度である。
【００４２】
したがって、ＳＯＴ発生源１４が自由層１３に接するＹＺ面は、絶縁層１２が自由層１３に接するＸＹ面と交差する。
【００４３】
また。ＳＯＴ発生源１４は、接続端子１４−１と、ＳＯＴ配線１４−２と、接続端子１４−３とを備える。そして、接続端子１４−１からＳＯＴ配線１４−２を介して接続端子１４−３に電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１４は、スピン軌道トルクを発生させることができる。接続端子１４−１及び接続端子１４−３は、Ｙ軸方向において自由層１３の端部より外側に配置されることが望ましい。すなわち、ＳＯＴ配線１４−２のＹ軸方向の長さは自由層１３のＹ軸方向の長さと等しい、または自由層１３のＹ軸方向の長さより長い。
【００４４】
ＳＯＴ発生源１４は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して交差する方向に電流が流れるための構造を有する。すなわち、接続端子１４−１と接続端子１４−３は、積層方向に対して交差する方向に離間した一対の電極として配置される。例えば図１に示すように、接続端子１４−１と接続端子１４−３は、ＳＯＴ配線１４−２のＹ軸方向での両端に配置される。
【００４５】
接続端子１４−１及び接続端子１４−３は、導電性を有する物質であればいずれも適用できる。
【００４６】
ＳＯＴ配線１４−２は、接続端子１４−１と接続端子１４−３の間に電流を流してスピン軌道トルクを発生させることができる組成物を含む。例えば、ＳＯＴ配線１４−２は、トポロジカル絶縁体を含んでも良い。トポロジカル絶縁体は、物質の内部は絶縁体でありながら、表面は電気を通すという物質である。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。具体的には、トポロジカル絶縁体は、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、組成を変化させることにより内部が導電性を有するようにしてもよい。
【００４７】
また、ＳＯＴ配線１４−２は、Ｐｔ、Ｗ及びＴａの少なくとも１種の金属を含むようにしてもよい。
【００４８】
また、ＳＯＴ配線１４−２は、図１のＺ軸方向において、固定層１１に接触しない高さであれば、いずれのサイズであってもよい。例えば、ＳＯＴ配線１４−２が絶縁層１２と接触する大きさであってもよい。
以上により、実施の形態１の磁気トンネル接合素子が構成される。
【００４９】
次に、比較例を用いて実施の形態１の磁気トンネル接合素子の熱安定性を説明する。図２は、ＭＴＪ素子の構造と熱安定の関係を示すグラフである。図２において、縦軸は素子の厚みｔを示し、横軸は素子の直径Ｄを示す。
【００５０】
図２において、熱安定因子Δが大きい厚みと直径の組み合わせがＳＯＴ書き込み方法に適している。すなわち図２において、Δが４０以上である厚みと直径の組合せが望ましい。特にΔが８０以上である厚みと直径の組合せが望ましい。そして、Δが１２０以上である厚みと直径の組合せがもっとも望ましい。
【００５１】
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴ発生源が自由層の側面に配置され、ＳＯＴ発生源の側面に沿って電流が流れることにより、素子構造がシンプルで、書き込みに必要な電力が低く、書き込み速度が高速で、高信頼性を有する磁気トンネル接合素子を提供することができる。
【００５２】
また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、自由層を縦長形状にすることにより形状磁気異方性を用いて熱安定性を確保することができる。形状磁気異方性は、磁性体の物性が形状や構造に依存する磁気異方性である。反磁界のあまり生じない方向（たとえば薄膜の面内方向）に磁界を加えると容易に磁化されるが、大きな反磁界が生じるような方向（たとえば薄膜の膜面に垂直の方向）に磁界を加えると容易に磁化されない。実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、自由層を縦長にすることにより、反磁界が生じないため、垂直磁化が安定である。しかし、従来のＳＴＴ記録層やＳＯＴ記録層では縦長形状が適していない。
【００５３】
なお、自由層１３の高さは１５−２０ｎｍの範囲内であることが望ましい。そして、素子の幅及び奥行きが１０ｎｍ以下でも熱安定性が確保でき、高密度化が可能である。また、ＳＯＴ技術を用いることで、電流からスピン流への変換効率を高め、高速書き込み（１０ｎｓ未満）、低電力化、高信頼性、及び−４０℃〜＋１５０℃の広範囲の動作温度でも熱安定性の劣化がない磁気トンネル接合素子デバイスを提供することができる。
【００５４】
また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、外部磁場がなくても実現できるものである。
【００５５】
（実施の形態２）
実施の形態２では、自由層の両側面にＳＯＴ発生源を配置し、各ＳＯＴ発生源で互い反対向きに電流を流す磁気トンネル接合素子について説明する。図３は、実施の形態２にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、固定層１１と、絶縁層１２と、自由層１３と、ＳＯＴ発生源１４と、ＳＯＴ発生源１５とを備える。図３において、図１の同一の構成は、同じ番号を付し、説明を省略する。
【００５６】
ＳＯＴ発生源１５は、自由層１３の磁化方向を変化させるためのスピン軌道トルクを発生させる構成である。ＳＯＴ発生源１５は、接続端子１５−１と、ＳＯＴ配線１５−２と、接続端子１５−３とを備える。ＳＯＴ配線１５−２は、ＳＯＴ配線１４−２と同様の構成である。また、接続端子１５−１及び接続端子１５−３は、それぞれ接続端子１４−１及び接続端子１４−３と同様の構成である。
【００５７】
そして、接続端子１５−１からＳＯＴ配線１５−２を介して接続端子１５−３に電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１５は、スピン軌道トルクを発生させることができる。具体的には、ＳＯＴ発生源１５は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して交差する方向に電流が流れることにより、スピン軌道トルクを発生させる。ここで積層方向とは、図３におけるＺ軸方向である。ＳＯＴ発生源１５が自由層１３に接する面は、絶縁層１２が自由層１３に接する面と交差する。なお、交差の定義は実施の形態１に準ずる。
【００５８】
また、ＳＯＴ発生源１５に流れる電流の方向は、ＳＯＴ発生源１４に流れる電流の方向と平行且つ反対向きである。このように電流を流すために、ＳＯＴ発生源１５とＳＯＴ発生源１４の間に自由層１３が位置し、ＳＯＴ発生源１４とＳＯＴ発生源１５が平行な位置関係に配置される。
【００５９】
そして接続端子１４−１からＳＯＴ配線１４−２を介して接続端子１４−３に電流を流し、接続端子１５−１からＳＯＴ配線１５−２を介して接続端子１５−３に電流を流す。このようの電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１４及びＳＯＴ発生源１５がスピン軌道トルクを発生させることができ、且つ自由層１３に対してスピン軌道トルクを打ち消し合うことがない。
【００６０】
このように、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴ発生源が、自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、当該面と平行な面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有し、第１ＳＯＴ発生源と第２ＳＯＴ発生源は、同じ組成とすることにより、自由層の両側からＳＯＴを発生させることができるので、従来の略２倍のトルクを発生させることができる。従来はＳＯＴ発生源が自由層の底面に配置されていたので、ＳＯＴ発生源を増加させること自体ができなかったが、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、自由層の側面にＳＯＴ発生源を配置しているので、１つの自由層に対して複数のＳＯＴ発生源を備えることができる。
【００６１】
（実施の形態３）
実施の形態３では、自由層の両側面にＳＯＴ発生源を配置し、各ＳＯＴ発生源で同じ方向に電流を流す構成磁気トンネル接合素子について説明する。図４は、実施の形態３にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、固定層１１と、絶縁層１２と、自由層１３と、ＳＯＴ発生源１４と、ＳＯＴ発生源１６とを備える。図４において、図１の同一の構成は、同じ番号を付し、説明を省略する。
【００６２】
ＳＯＴ発生源１６は、自由層１３の磁化方向を変化させるためのスピン軌道トルクを発生させる構成である。ＳＯＴ発生源１６は、接続端子１６−１と、ＳＯＴ配線１６−２と、接続端子１６−３とを備える。
【００６３】
ＳＯＴ配線１６−２は、電流を流す方向に対して発生するＳＯＴ（トルク）の方向または符号がＳＯＴ配線１４−２と逆である組成物で構成されている。例えば、ＳＯＴ配線１４−２がＰｔを含み、ＳＯＴ配線１６−２がＴａを含むように構成してもよい。
【００６４】
また、接続端子１６−１及び接続端子１６−３は、それぞれ接続端子１４−１及び接続端子１４−３と同様の構成である。
【００６５】
そして、接続端子１６−１からＳＯＴ配線１６−２を介して接続端子１６−３に電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１５は、スピン軌道トルクを発生させることができる。具体的には、ＳＯＴ発生源１６は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して交差する方向に電流が流れることにより、スピン軌道トルクを発生させる。ここで積層方向とは、図４におけるＺ軸方向である。ＳＯＴ発生源１６が自由層１３に接する面は、絶縁層１２が自由層１３に接する面と交差する。なお、交差の定義は実施の形態１に準ずる。
【００６６】
また、ＳＯＴ発生源１６に流れる電流の方向は、ＳＯＴ発生源１４に流れる電流の方向と平行且つ同じ向きである。このように電流を流すために、ＳＯＴ発生源１６とＳＯＴ発生源１４の間に自由層１３が位置し、ＳＯＴ発生源１４とＳＯＴ発生源１６が平行な位置関係に配置される。
【００６７】
そして接続端子１４−１からＳＯＴ配線１４−２を介して接続端子１４−３に電流を流し、接続端子１６−１からＳＯＴ配線１６−２を介して接続端子１６−３に電流を流す。このようの電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１４及びＳＯＴ発生源１６がスピン軌道トルクを発生させることができ、且つ自由層１３に対してスピン軌道トルクを打ち消し合うことがない。
【００６８】
このように、実施の形態３の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴ発生源が、自由層の１つの面に積層する第１ＳＯＴ発生源と、当該面と平行な面に積層する第２ＳＯＴ発生源とを有し、第１ＳＯＴ発生源と第２ＳＯＴ発生源は、異なる組成とすることにより、記録電流方向の自由度が広がり、磁気抵抗メモリ設計を容易にすることができる。
【００６９】
（実施の形態４）
実施の形態４では、自由層の側面に複数のＳＯＴ発生源を配置し、各ＳＯＴ発生源に流れる電流が交差する関係にある磁気トンネル接合素子について説明する。図５は、実施の形態４にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、固定層１１と、絶縁層１２と、自由層１３と、ＳＯＴ発生源１４と、ＳＯＴ発生源１７とを備える。図５において、図１の同一の構成は、同じ番号を付し、説明を省略する。
【００７０】
ＳＯＴ発生源１７は、自由層１３の磁化方向を変化させるためのスピン軌道トルクを発生させる構成である。ＳＯＴ発生源１７は、接続端子１７−１と、ＳＯＴ配線１７−２と、接続端子１７−３とを備える。ＳＯＴ発生源１４とＳＯＴ発生源１７が同じ周方向に電流を流す場合、ＳＯＴ配線１７−２は、ＳＯＴ配線１４−２と同様の構成である。
【００７１】
また、接続端子１７−１及び接続端子１７−３は、それぞれ接続端子１４−１及び接続端子１４−３と同様の構成である。
【００７２】
そして、接続端子１７−１からＳＯＴ配線１７−２を介して接続端子１７−３に電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１７は、スピン軌道トルクを発生させることができる。具体的には、ＳＯＴ発生源１７は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して交差する方向に電流が流れることにより、スピン軌道トルクを発生させる。ここで積層方向とは、図５におけるＺ軸方向である。ＳＯＴ発生源１７が自由層１３に接するＹＺ面及びＺＸ面は、絶縁層１２が自由層１３に接するＸＹ面と交差する。なお、交差の定義は実施の形態１に準ずる。
【００７３】
また、ＳＯＴ発生源１７に流れる電流の方向は図５の矢印に示すようにＸ軸方向及びＹ軸方向である。
【００７４】
そして接続端子１７−１からＳＯＴ配線１７−２を介して接続端子１７−３に電流を流す。このようの電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１７がスピン軌道トルクを発生させることができ、且つ自由層１３に対してスピン軌道トルクを打ち消し合うことがない。
【００７５】
このように、実施の形態４の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴの大きさを増大させることができる。従来はＳＯＴ発生源が自由層の底面に配置されていたので、ＳＯＴの大きさを増加させること自体ができなかったが、実施の形態４の磁気トンネル接合素子によれば、自由層の複数の側面にＳＯＴ発生源を配置しているので、ＳＯＴの大きさを増加させることができる。
【００７６】
（実施の形態５）
実施の形態５では、自由層の側面にＳＯＴ発生源を配置し、ＳＯＴ発生源が円環形状である磁気トンネル接合素子について説明する。図６は、実施の形態５にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す斜視断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、固定層１１と、絶縁層１２と、自由層１３と、ＳＯＴ発生源１８とを備える。図６において、図１の同一の構成は、同じ番号を付し、説明を省略する。
【００７７】
実施の形態５では、自由層１３が円柱状の形状を有している。そして、ＳＯＴ発生源１８は、自由層１３の側面に周回するように配置されている。ただし、ＳＯＴ発生源１８は、完全に閉じた環状ではなく、一部が欠けた環状である。
【００７８】
ＳＯＴ発生源１８は、自由層１３の磁化方向を変化させるためのスピン軌道トルクを発生させる構成である。ＳＯＴ発生源１８は、接続端子１８−１と、ＳＯＴ配線１８−２と、接続端子１８−３とを備える。ＳＯＴ配線１８−２は、実施の形態１のＳＯＴ配線１４−２と同様の組成で構成される。
【００７９】
また、接続端子１８−１及び接続端子１８−３は、それぞれ接続端子１４−１及び接続端子１４−３と同様の組成で構成される。
【００８０】
そして、接続端子１８−１からＳＯＴ配線１８−２を介して接続端子１８−３に電流を流すことにより、ＳＯＴ発生源１８は、スピン軌道トルクを発生させることができる。具体的には、ＳＯＴ発生源１８は、自由層１３、絶縁層１２及び固定層１１の積層方向に対して交差し、自由層１３の周囲を周回する方向に電流が流れることにより、スピン軌道トルクを発生させる。ここで積層方向とは、図６におけるＺ軸方向である。ＳＯＴ発生源１８が自由層１３に接する面は、絶縁層１２が自由層１３に接する面と交差する。なお、交差の定義は実施の形態１に準ずる。
【００８１】
なお、一部が欠けた環状であれば円環に限らず、多角形の環状であってもよい。また、一部が欠けた環状は、略一周する形状に限定されず、半周等であってもよい。
【００８２】
このように、実施の形態５の磁気トンネル接合素子によれば、ＳＯＴの大きさが増大して低電力化を実現できる。
【００８３】
（実施の形態６）
実施の形態６では、実施の形態１〜５の磁気トンネル接合素子を用いた磁気抵抗メモリ装置について説明する。
【００８４】
図７は、実施形態６にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。
【００８５】
図７において、磁気抵抗メモリ装置は、メモリセル３０、ビット線３１、コンタクトプラグ３５及び３７、及びワード線３８を備える。
【００８６】
メモリセル３０は、半導体基板３２、拡散領域３３及び３４、ソース線３６、ゲート絶縁膜３９及び磁気トンネル接合素子１０を備える。磁気トンネル接合素子１０は、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０に対応するが、実施の形態２〜５の磁気トンネル接合素子を用いてもよい。
【００８７】
磁気抵抗メモリ装置は、複数のメモリセル３０をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線３８を用いて、互いに接続することにより形成される。
【００８８】
半導体基板３２は、上面に拡散領域３３及び３４を有し、拡散領域３３は、拡散領域３４から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域３３はドレイン領域として機能し、拡散領域３４はソース領域として機能する。拡散領域３３は、コンタクトプラグ３７を介して磁気トンネル接合素子１０に接続される。
【００８９】
ビット線側電極３１は、半導体基板３２の上方に配置されるとともに、磁気トンネル接合素子１０に接続される。ビット線３１は、読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００９０】
拡散領域３４はコンタクトプラグ３５を介してソース線３６に接続される。ソース線３６は、読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００９１】
ワード線３８は、拡散領域３３及び拡散領域３４に接するように、ゲート絶縁膜３９を介して半導体基板３２に配置される。ワード線３８とゲート絶縁膜３９とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線３８は、図示しない回路から電流を供給されて活性化し、選択トランジスタとしてターンオンする。
【００９２】
この磁気抵抗メモリ装置は、ビット線３１と拡散領域３３とが電極として、磁気トンネル接合素子１０から磁気抵抗メモリ装置に記録されたデータを読み出す。また、磁気トンネル接合素子１０の接続端子１４−１と接続端子１４−３の間に電圧を印加し、電圧印加により一定方向に揃えられた電子のスピントルクが強磁性体層の磁化方向を変化させる。そして、電流方向を変えることにより、磁気抵抗メモリ装置に記録されるデータの値を変えることができる。
【００９３】
このように、実施の形態６の磁気抵抗メモリ装置によれば、ＳＯＴ発生源が自由層の側面に配置され、ＳＯＴ発生源の側面に沿って電流が流れることにより、素子構造がシンプルで、書き込みに必要な電力が低く、書き込み速度が高速で、高信頼性を有する磁気抵抗メモリ装置を提供することができる。
【００９４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明の磁気抵抗素子は、基板、固定層、絶縁層及び自由層のそれぞれの間に、本発明の各層の機能を損なわない範囲で別の層を備えても良い。例えば、層間の格子不整合を整えるための層や格子欠陥を解消する層を加えても良い。またＳＯＴ発生源（ＳＯＴ配線）の形状は、板状、層状、線状のいずれであってもよい。また、複数のＳＯＴ発生源には選択トランジスタを具備させて、記録データに合わせて、選択して電流を流してもよい。
【符号の説明】
【００９５】
１１  固定層
１２  絶縁層
１３  自由層
１４、１５、１６、１７、１８  ＳＯＴ発生源
１４−１、１４−３、１５−１、１５−３、１６−１、１６−３、１７−１、１７−３、１８−１、１８−３  接続端子
１４−２、１５−２、１６−２、１７−２、１８−２  ＳＯＴ配線
３０  メモリセル
３１  ビット線
３２  半導体基板
３３、３４  拡散領域
３５、３７  コンタクトプラグ
３６  ソース線
３８  ワード線
３９  ゲート絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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