(57)【要約】【課題】信頼性の高いスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供する。【解決手段】このスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１強磁性層と、第１面が前記第１強磁性層に面し、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で長軸が第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、を備え、前記第１面は、前記第１強磁性層の積層方向と直交する基準面に沿って広がり、前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層の前記第１方向の第１端を通り前記第１方向と直交する第１切断面と、前記第１強磁性層の前記第１方向の第２端を通り前記第１方向と直交する第２切断面と、を含み、前記第１切断面の面積は、前記第２切断面の面積と異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層と、
第１面が前記第１強磁性層に面し、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で長軸が第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記第１面は、前記第１強磁性層の積層方向と直交する基準面に沿って広がり、
前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層の前記第１方向の第１端を通り前記第１方向と直交する第１切断面と、前記第１強磁性層の前記第１方向の第２端を通り前記第１方向と直交する第２切断面と、を含み、
前記第１切断面の面積は、前記第２切断面の面積と異なる、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項２】
前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向の幅が、前記第１切断面と前記第２切断面とで異なる、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項３】
前記スピン軌道トルク配線の厚みが、前記第１切断面と前記第２切断面とで異なる、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項４】
前記第１強磁性層の積層方向からの平面視において、前記第１強磁性層は、前記第１端から前記第２端に至る間に、前記第１方向と直交する第２方向の幅が局所的に狭くなる狭幅部を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項５】
前記第１端から前記第２端に至る間に、前記狭幅部を複数有する、請求項４に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置する磁化固定層と、
前記磁化固定層と前記第１強磁性層との間に位置する第１非磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１切断面の面積が前記第２切断面の面積より大きい場合は、前記第１端から前記第２端に向かう磁場を印加し、前記第１切断面の面積が前記第２切断面の面積より小さい場合は、前記第２端から前記第１端に向かう磁場を印加する磁場印加機構をさらに備える、請求項６に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に近い位置から第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層を順に有し、
前記第２強磁性層の飽和磁化と体積との積は、前記第３強磁性層の飽和磁化と体積との積より大きく、
前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、それぞれの磁化の配向方向が反対であり、
前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に前記第２端から前記第１端に向かう磁場を印加する、請求項６に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記スピン軌道トルク配線は、スピンホール角が正の極性であり、
第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含む、請求項８に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に近い位置から第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層を順に有し、
前記第２強磁性層の飽和磁化と体積との積は、前記第３強磁性層の飽和磁化と体積との積より小さく、
前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、それぞれの磁化の配向方向が反対であり、
前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に前記第１端から前記第２端に向かう磁場を印加する、請求項６に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記スピン軌道トルク配線は、スピンホール角が負の極性であり、
第３族、第４族、第５族及び第６族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含む、請求項１０に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項６〜１１のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型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、スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及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。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。
【０００６】
また非特許文献１には、ＳＯＴを利用した磁化反転の時間的及び空間的挙動について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−２１６２８６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Manuel Baumgartner et al., “Time- and spatially-resolved magnetization dynamics driven by spin-orbit torques” Nat. Nanotech., 12, 980-986 (2017).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１には、強磁性層に印加されている外部磁場の向き、強磁性層に隣接するスピン軌道トルク配線内を流れる電流の向き等によって磁化反転の開始点が変動することが記載されている。
【００１０】
磁化反転の開始点が変動することは、強磁性層内におけるいずれの場所においても磁化反転しやすさ（磁化の安定性）が一定の場合は、問題とならない。しかしながら、量産等された現実の素子においては、磁化反転しやすさは、製造バラつき等により強磁性層内の場所ごとで異なる場合がある。この場合、強磁性層内の任意のＡ点から磁化反転が開始する場合と、Ａ点と異なるＢ点から磁化反転が開始する場合とで、磁化反転の時間的、空間的挙動が異なる場合がある。つまり、強磁性層に同じエネルギーを与えても、特定の開始点から磁化反転が開始した場合は磁化反転が適切に伝播するが、別の開始点から磁化反転が開始した場合は磁化反転が適切に伝播しないということが起こりうる。したがって、磁化反転の開始点が変動することは、磁気抵抗効果素子の信頼性の低下の一因となりうる。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁化反転の挙動を統一し、信頼性の高いスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１強磁性層と、第１面が前記第１強磁性層に面し、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で長軸が第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、を備え、前記第１面は、前記第１強磁性層の積層方向と直交する基準面に沿って広がり、前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層の前記第１方向の第１端を通り前記第１方向と直交する第１切断面と、前記第１強磁性層の前記第１方向の第２端を通り前記第１方向と直交する第２切断面と、を含み、前記第１切断面の面積は、前記第２切断面の面積と異なる。
【００１４】
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記第１強磁性層の積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向の幅が、前記第１切断面と前記第２切断面とで異なってもよい。
【００１５】
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線の厚みが、前記第１切断面と前記第２切断面とで異なってもよい。
【００１６】
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の前記第１強磁性層の積層方向からの平面視において、前記第１強磁性層は、前記第１端から前記第２端に至る間に、前記第１方向と直交する第２方向の幅が局所的に狭くなる狭幅部を有してもよい。
【００１７】
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１端から前記第２端に至る間に、前記狭幅部を複数有してもよい。
【００１８】
（６）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に位置する磁化固定層と、前記磁化固定層と前記第１強磁性層との間に位置する第１非磁性層と、を備える。
【００１９】
（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、前記第１切断面の面積が前記第２切断面の面積より大きい場合は、前記第１端から前記第２端に向かう磁場を印加し、前記第１切断面の面積が前記第２切断面の面積より小さい場合は、前記第２端から前記第１端に向かう磁場を印加する磁場印加機構をさらに備えてもよい。
【００２０】
（８）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に近い位置から第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層を順に有し、前記第２強磁性層の飽和磁化と体積との積は、前記第３強磁性層の飽和磁化と体積との積より大きく、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、それぞれの磁化の配向方向が反対であり、前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に前記第２端から前記第１端に向かう磁場を印加してもよい。
【００２１】
（９）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線は、スピンホール角が正の極性であり、第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含んでもよい。
【００２２】
（１０）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に近い位置から第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層を順に有し、前記第２強磁性層の飽和磁化と体積との積は、前記第３強磁性層の飽和磁化と体積との積より小さく、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、それぞれの磁化の配向方向が反対であり、前記磁化固定層は、前記第１強磁性層に前記第１端から前記第２端に向かう磁場を印加してもよい。
【００２３】
（１１）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線は、スピンホール角が負の極性であり、第３族、第４族、第５族及び第６族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含んでもよい。
【００２４】
（１２）第３の態様に磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。
【発明の効果】
【００２５】
本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリによれば、素子の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の斜視図である。
【図２】第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面図である。
【図３】スピン軌道トルク配線を流れる電流の電流密度が一定の場合において、第１強磁性層の磁化反転の開始点を表した図である。
【図４】第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の平面図である。
【図５】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の斜視図である。
【図６】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面図である。
【図７】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の断面図である。
【図８】第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面図である。
【図９】第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の平面図である。
【図１０】第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の平面図である。
【図１１】第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図１２】第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の変形例の断面図である。
【図１３】第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の変形例の断面図である。
【図１４】第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の斜視図である。
【図１５】第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の平面図である。
【図１６】第５実施形態にかかる磁気メモリの平面図である。
【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】
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の斜視図である。図２は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の平面図である。スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２０とを含む。
【００２９】
まず方向について規定する。ｚ方向は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の支持体となる基板と略直交する方向であり、第１強磁性層１の積層方向である。ｘ方向は、ｚ方向からの平面視で、スピン軌道トルク配線２０の長軸となる方向である。ｙ方向は、ｘ方向及びｚ方向と交差（例えば、略直交）する方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は第２方向の一例である。ｚ方向は、積層方向の一例である。ｘｙ平面は、基準面の一例である。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。
【００３０】
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１は、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は、スピン軌道トルク配線２０に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。
【００３１】
第１強磁性層１は、強磁性体、特に軟磁性体を含む。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。
【００３２】
第１強磁性層１は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等の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Ｘ２ＹＺ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、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
【００３３】
図１に示す第１強磁性層１は、ｚ方向からの平面視円形である。第１強磁性層１の平面視形状は、円形に限られない。第１強磁性層１は、平面視で形状異方性を有してもよい。第１強磁性層１の平面視形状は、例えば、四角形、後述する楕円形、後述する不定形等でもよい。
【００３４】
第１強磁性層１の磁化は、ｘｙ面内のいずれかの方向又はｚ方向に配向する。第１強磁性層１の磁化がｘｙ面内のいずれかの方向に配向している場合、第１強磁性層１は面内磁化膜と言われる。第１強磁性層１の磁化がｚ方向に配向している場合、第１強磁性層１は垂直磁化膜と言われる。
【００３５】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘｙ平面に存在し、ｘ方向に長軸を有する。スピン軌道トルク配線２０はｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａは、ｘｙ平面に沿って広がる。第１面２０ａは、ｘｙ平面と略平行である。
【００３６】
スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れるとスピンホール効果によってスピン流を生み出す。スピンホール効果は、電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの流れ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。スピン軌道トルク配線２０は、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に生み出す。
【００３７】
スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流Ｉが流れる。一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、＋ｙ方向に配向した第１スピンＳ１が＋ｚ方向に曲げられ、−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２が−ｚ方向に曲げられる。
【００３８】
通常のホール効果とスピンホール効果とは、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共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果で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点が大きく異なる。
【００３９】
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Ｓ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しい。図１において、＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と−ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数とは等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、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。
【００４０】
第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、ｚ方向に生じる。図１において、スピン軌道トルク配線２０は第１強磁性層１に面する。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。注入されたスピンは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を、第１強磁性層１の磁化に与える。第１強磁性層１の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）により磁化反転する。
【００４１】
第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２が曲がる方向（進行方向に対して±ｚ方向）は、スピン軌道トルク配線２０の「スピンホール角の極性」によって決定される。第１スピンＳ１がｚ方向に曲げられる場合を正の極性、−ｚ方向に曲げられる場合を負の極性とする。スピンホール角の極性は、スピン軌道トルク配線２０を構成する材料種、添加元素種、添加元素量等により設定できる。
【００４２】
「スピンホール角」は、スピンホール効果の強さの指標の一つであり、スピン軌道トルク配線２０に沿って流す電流に対して発生するスピン流の変換効率を示す。すなわち、スピンホール角の絶対値が大きいほど、第１スピンＳ１又は第２スピンＳ２が第１強磁性層１に多く注入される。
【００４３】
スピン軌道トルク配線２０が、第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含む場合、スピン軌道トルク配線２０はスピンホール角が正の極性を示す。スピン軌道トルク配線２０が、第３族、第４族、第５族及び第６族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含む場合、スピン軌道トルク配線２０はスピンホール角が負の極性を示す。
【００４４】
スピン軌道トルク配線２０は、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によって構成される。スピン軌道トルク配線２０は、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に生み出す材料を含む。
【００４５】
スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、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ことが好ましい。非磁性の重金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。
【００４６】
電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属は、スピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く生じる。ｚ方向のスピンの流れは、ｚ方向のスピンの偏在の程度に依存する。スピンホール効果が強く生じるとスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。
【００４７】
スピン軌道トルク配線２０は、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。スピンが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。スピン軌道トルク配線２０の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
【００４８】
一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する場合がある。添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
【００４９】
スピン軌道トルク配線２０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。
【００５０】
トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１−ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３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。
【００５１】
図１に示すスピン軌道トルク配線２０は、第１端２０ｂ１から第２端２０ｂ２に向って幅が広がる。スピン軌道トルク配線２０の第１切断面２０Ａにおける幅ｗ１は、第２切断面２０Ｂにおける幅ｗ２と異なる。幅ｗ１は、幅ｗ２より狭い（図２参照）。一方で、スピン軌道トルク配線２０の厚みは一定である（図１参照）。したがって、第１切断面２０Ａの面積は第２切断面２０Ｂの面積と異なり、第１切断面２０Ａの面積は第２切断面２０Ｂの面積より小さい。
【００５２】
第１切断面２０Ａは、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１のｘ方向の第１端１ｂ１を通りｘ方向と直交する面である。第２切断面２０Ｂは、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１のｘ方向の第２端１ｂ２を通りｘ方向と直交する面である。第１切断面２０Ａ及び第２切断面２０Ｂは、ｚｙ平面と略平行である。第１切断面２０Ａ及び第２切断面２０Ｂは、スピン軌道トルク配線２０に含まれる。
【００５３】
第１切断面２０Ａを流れる電流Ｉの電流密度は、第２切断面２０Ｂを流れる電流Ｉの電流密度より高い。電流密度は、第１強磁性層１に注入されるスピン量と関係がある。スピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉの電流密度が高いと、多くのスピンが第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を与える。第１強磁性層１の第１端１ｂ１近傍の磁化は、第２端１ｂ２近傍の磁化より大きなスピン軌道トルクを受ける。したがって、第１強磁性層１は、電流Ｉの流方向によらず、第１端１ｂ１側から磁化反転が生じる。
【００５４】
図３は、スピン軌道トルク配線を流れる電流の電流密度が一定の場合において、第１強磁性層１の磁化反転の開始点ｓｐを表した図である。図３は、非特許文献１のＦｉｇ．３ｂに対応する。
【００５５】
スピン軌道トルク配線を流れる電流の電流密度が一定の場合、第１強磁性層１の磁化反転の開始点ｓｐは、スピン軌道トルク配線を流れる電流Ｉｐの向き、第１強磁性層１に加わる外部磁場Ｂｘの方向によって変わる。第１強磁性層１の磁化反転は、４つの開始点ｓｐのいずれかから広がる（図３参照）。第１強磁性層１が完全対称な系に存在する場合、磁化反転の伝播は、４つの開始点ｓｐのいずれから磁化反転が開始したとしても等価である。
【００５６】
しかしながら、現実には、第１強磁性層１は完全対称な系に存在しない。例えば、第１強磁性層１の形状が対称ではない場合、第１強磁性層１に不純物が含まれた場合、製造公差等により第１強磁性層１の形状が乱れる場合等において、第１強磁性層１は対称ではなくなる。その結果、例えば、同じエネルギーを第１強磁性層１に印加した場合に、ある開始点ｓｐから磁化反転が開始した場合は磁化反転が生じるが、異なる開始点ｓｐから磁化反転が開始した場合に磁化反転が適切に生じないということが起こりうる。第１強磁性層１が所望の磁化反転を行わないと、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の信頼性が低下する。
【００５７】
スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１の磁化の向きによって情報を記録、出力する。第１強磁性層１の磁化を一の状態から二の状態に変える場合と、二の状態から一の状態に戻す場合とで、スピン軌道トルク配線２０に流す電流Ｉの向きは反対である。したがって、スピン軌道トルク配線を流れる電流Ｉｐの向き、第１強磁性層１に加わる外部磁場Ｂｘの方向を常に固定することはできない。
【００５８】
これに対し、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１切断面２０Ａと第２切断面２０Ｂとの面積が異なり、第１切断面２０Ａと第２切断面２０Ｂとで電流密度が異なる。そのため、第１強磁性層１の磁化反転の開始点ｓｐは、電流Ｉが流れる方向がいずれの方向であっても、電流密度の高い第１切断面２０Ａ側（第１端１ｂ１側）に固定される。したがって、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、外的な要因によらず、第１強磁性層１の磁化反転の挙動（時間的挙動及び空間的挙動）が統一される。
【００５９】
上述のように、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１によれば、第１強磁性層１の磁化反転の挙動が統一され、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の信頼性が高まる。
【００６０】
スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、後述するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子として用いることができる。またスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、単独でも異方性磁気センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として利用できる。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ばれる。
【００６１】
（変形例１）
図４は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の平面図である。変形例１にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１Ａは、スピン軌道トルク配線２１の形状及び第１強磁性層１’の形状が図２に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００６２】
第１強磁性層１’は、ｚ方向からの平面視形状がｘ方向に長軸を有する楕円形である。
スピン軌道トルク配線２１は、ｙ方向の幅がｘ方向の途中で変化している。スピン軌道トルク配線２１は、ｙ方向に突出する段差Ｓｔを有する。段差Ｓｔは、ｘ方向において、第１切断面２１Ａと第２切断面２１Ｂとの間に位置する。スピン軌道トルク配線２１は、スピン軌道トルク配線２１の第１端２１ｂ１から第１切断面２１Ａに至るまで幅ｗ１が一定であり、スピン軌道トルク配線２１の第２端２１ｂ２から第２切断面２１Ｂに至るまで幅ｗ２が一定である。
【００６３】
変形例１に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１Ａは、第１切断面２１Ａと第２切断面２１Ｂとの面積が異なるため、外的な要因によらず、第１強磁性層１’の磁化反転の挙動（時間的挙動及び空間的挙動）が統一される。磁化反転はスピン軌道トルク配線２１における電流密度が高い部分の近傍から生じるため、第１強磁性層１’の平面視形状が楕円形の場合でも、磁化反転の挙動は統一される。したがって、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と同様の効果が得られる。またスピン軌道トルク配線２１は、傾斜面を有さないため、製造が容易である。
【００６４】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の斜視図である。図６は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面図である。スピン軌道トルク型磁化回転素子１０２は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２２とを備える。スピン軌道トルク配線２２の形状が、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００６５】
スピン軌道トルク配線２２は、第１端２２ｂ１から第２端２２ｂ２に向ってｚ方向の厚みが厚くなっている。スピン軌道トルク配線２２の第１切断面２２Ａにおける厚みｈ１は、第２切断面２２Ｂにおける厚みｈ２と異なる（図６参照）。一方で、スピン軌道トルク配線２２のｙ方向の幅は一定である。したがって、第１切断面２２Ａの面積は第２切断面２２Ｂの面積と異なり、第１切断面２２Ａの面積は第２切断面２２Ｂの面積より小さい。第１切断面２２Ａ及び第２切断面２２Ｂのそれぞれは、図１に示す第１切断面２０Ａ及び第２切断面２０Ｂのそれぞれに対応する。
【００６６】
またスピン軌道トルク配線２２の第１面２２ａは、ｘｙ平面に沿って広がる。第１面２２ａは、ｘｙ平面と略平行である。第１強磁性層１は、第１面２２ａに面する。したがって、第１強磁性層１の磁化の配向方向は、ｘｙ面内でほぼ一定である。例えば第１強磁性層１の磁化は、第１面２２ａに対して略垂直なｚ方向、又は、第１面２２ａに対して略平行なｘｙ面内のいずれかの方向である。
【００６７】
第１切断面２２Ａを流れる電流Ｉの電流密度は、第２切断面２２Ｂを流れる電流Ｉの電流密度より高い。また外力が印加されない状態で第１強磁性層１の磁化の配向方向は、ｘｙ面内のいずれの位置でもほぼ同じである。したがって、第１強磁性層１は、電流Ｉの流方向によらず、第１端１ｂ１側から磁化反転が生じる。
【００６８】
第１強磁性層１において磁化反転の開始点が固定されると、一の状態から二の状態に変える場合と、二の状態から一の状態に戻す場合とで、第１強磁性層１の磁化反転の挙動（経時的挙動及び空間的挙動）が統一される。したがって、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０２が記録、出力する情報の信頼性が高まる。
【００６９】
（変形例２）
図７は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の平面図である。図７に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２Ａは、スピン軌道トルク配線２３の形状が図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２と異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００７０】
スピン軌道トルク配線２３は、ｚ方向の厚みがｘ方向の途中で変化している。スピン軌道トルク配線２３は、−ｚ方向に突出する段差Ｓｔ１を有する。スピン軌道トルク配線２３は、スピン軌道トルク配線２３の第１端２３ｂ１から第１切断面２３Ａに至るまで厚みｈ１が一定であり、スピン軌道トルク配線２３の第２端２３ｂ２から第２切断面２３Ｂに至るまで厚みｈ２が一定である。段差Ｓｔ１は、ｘ方向において、第１切断面２３Ａと第２切断面２３Ｂとの間に位置する。
【００７１】
変形例２に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２Ａは、第１切断面２３Ａと第２切断面２３Ｂとの面積が異なるため、外的な要因によらず、第１強磁性層１の磁化反転の挙動（時間的挙動及び空間的挙動）が統一される。したがって、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０２と同様の効果が得られる。またスピン軌道トルク配線２３は、傾斜面を有さないため、製造が容易である。
【００７２】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面図である。スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ａは、第１強磁性層１Ａとスピン軌道トルク配線２０とを備える。第１強磁性層１Ａの形状が、図２に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００７３】
第１強磁性層１Ａは、第１端１ｂ１から第２端１ｂ２に至る間に、ｚ方向からの平面視で、ｙ方向の幅が局所的に狭くなる狭幅部ｎｐを有する。狭幅部ｎｐは、横軸を第１強磁性層１Ａのｘ方向の位置、縦軸をその位置におけるｙ方向の幅としてグラフ化した際に、極小値の近傍の部分である。狭幅部ｎｐは、例えば、グラフにおいて極小値を挟む二つの変曲点の間の部分である。
【００７４】
スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ａは、第１切断面２０Ａと第２切断面２０Ｂとの面積が異なり、第１切断面２０Ａと第２切断面２０Ｂとで電流密度が異なる。そのため、第１強磁性層１の磁化反転の開始点は、第１切断面２０Ａ側（第１端１ｂ１側）に固定される。磁化反転は、第１端１ｂ１から第２端１ｂ２に向って伝播する。
【００７５】
第１強磁性層１Ａの平面視形状が、第１強磁性層１Ａの内部に磁壁を形成できるだけ十分大きい場合、第１端ｂ１から第２端１ｂ２に向かう磁化反転の伝播は、磁壁の移動として確認される。磁壁は、第１の磁区と第２の磁区との境界で、第１の磁区と第２の磁区との間の磁化状態の違いを緩和する部分である。第１強磁性層１Ａの平面視形状が小さい場合も、第１端１ｂ１から第２端１ｂ２に向かう磁化反転の伝播は、磁化の時間的及び空間的挙動を細分化すると、微視的な磁壁（異なる磁化状態の境界）の移動とみなせる。
【００７６】
磁壁及び微視的な磁壁は、第１強磁性層１Ａ内で磁壁又は微視的な磁壁が感じるポテンシャル分布が低い場所で安定化する。第１強磁性層１Ａのｙ方向の幅が部分的に異なると、第１強磁性層１Ａ内で磁壁又は微視的な磁壁が感じるポテンシャル分布が場所ごとに変化する。したがって、磁化反転の伝播しやすさは、第１端ｂ１から第２端１ｂ２の間で、場所ごとに異なり、磁化反転は狭幅部ｎｐで伝播しにくくなる。換言すると、磁壁又は微視的な磁壁は、第１強磁性層１Ａに注入するスピンの量によって、狭幅部ｎｐで留まる。
【００７７】
スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ａは、狭幅部ｎｐを利用して情報を多値で記録できる。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流が少ない場合は、磁化反転は開始点でも生じず、“０”の情報が記録される。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流が多い場合は、磁化反転が第２端１ｂ２側まで伝播し、“１”の情報が記録される。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流が、上記の２つの場合の間の場合は、開始点から開始した磁化反転が狭幅部ｎｐで留まり、“０．５”の情報が記録される。スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ａは、磁化反転の開始点が固定されるため、磁化反転の挙動が統一され、多値の情報を安定的に記録できる。
【００７８】
（変形例３）
図９は、第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の平面図である。図９に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ｂは、第１強磁性層１Ｂの形状が図８に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ａと異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００７９】
第１強磁性層１Ｂは、−ｙ方向の側面にのみ凹部が形成され、狭幅部ｎｐが形成されている点が、図８に示す第１強磁性層１Ａと異なる。第１強磁性層１Ｂのｙ方向の幅が部分的に変化すれば、第１強磁性層１Ｂ内で磁壁又は微視的な磁壁が感じるポテンシャル分布が場所ごとに変化する。したがって、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ｂも、狭幅部ｎｐを利用して情報を多値で記録できる。
【００８０】
（変形例４）
図１０は、第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の変形例の平面図である。図１０に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ｃは、第１強磁性層１Ｃの形状が図８に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ａと異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００８１】
第１強磁性層１Ｃは、狭幅部ｎｐをｘ方向に複数有する。磁壁又は微視的な磁壁は、第１強磁性層１Ｃに注入するスピンの量によって、狭幅部ｎｐのそれぞれで留まる。したがって、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３Ｃは、狭幅部ｎｐのそれぞれを利用して情報をより多値で記録できる。
【００８２】
（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４の断面図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４は、積層体１０とスピン軌道トルク配線２２とを有する。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４は、図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２の第１強磁性層１の上面に、第１非磁性層４と磁化固定層Ｐとを設けたものである。図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２に代えてその他のスピン軌道トルク型磁化回転素子を用いてもよい。スピン軌道トルク型磁化回転素子１０２と同一の構成には、同一の符号を付し、説明を省く。
【００８３】
＜積層体＞
積層体１０は、第１強磁性層１と第１非磁性層４と磁化固定層Ｐとを有する。積層体１０は、一般の磁気抵抗効果素子と同様の構成である。積層体１０は、第１非磁性層４が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
【００８４】
積層体１０は、磁化固定層Ｐの磁化が一方向に固定され、第１強磁性層１の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。積層体１０が保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）の磁気抵抗効果素子の場合は、磁化固定層Ｐの保磁力を第１強磁性層１の保磁力よりも大きくする。積層体１０が交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）の磁気抵抗効果素子の場合は、磁化固定層Ｐを層間反強磁性（ＳＡＦ）結合にし、磁化固定層Ｐの磁化を第１強磁性層１に対して固定する。
【００８５】
積層体１０は、第１強磁性層１、磁化固定層Ｐ及び第１非磁性層４以外の層を有してもよい。積層体１０は、例えば、積層体１０の結晶性を高める下地層、キャップ層等を有してもよい。下地層は、スピン軌道トルク配線２０と積層体１０との間に形成される。キャップ層は、積層体１０の上面に形成される。
【００８６】
磁化固定層Ｐは、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。
【００８７】
第１非磁性層４は、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。第１非磁性層４が非磁性の絶縁体からなる場合、第１非磁性層４はトンネルバリア層である。ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、第１強磁性層１と磁化固定層Ｐとの間にコヒーレントトンネルを実現しやすい。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
【００８８】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４は、スピン軌道トルク配線２２の第１切断面２２Ａと第２切断面２２Ｂとの面積が異なる。したがって、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４は、外的な要因によらず、第１強磁性層１の磁化反転の開始点を固定することができ、第１強磁性層１の磁化反転の挙動（時間的挙動及び空間的挙動）が統一される。
【００８９】
またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４は、第１強磁性層１に外部磁場を印加する磁場印加機構をさらに備えてもよい。図１１は、第１強磁性層１に印加される外部磁場Ｂｘを同時に図示する。
【００９０】
図３に示すように、スピン軌道トルク配線２２を流れる電流の電流密度が一定の場合において、スピン軌道トルク配線２２の第２端２２ｂ２から第１端２２ｂ１に向って電流を流す場合（図３におけるＩｐが左向き矢印の場合：以下、左向きの電流を流すという）、第１強磁性層１の磁化反転の開始点ｓｐは、第１強磁性層１の第２端１ｂ２側に位置する。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４は、スピン軌道トルク配線２２の第１切断面２２Ａと第２切断面２２Ｂにおける電流密度を変えることで、磁化反転の開始点ｓｐを第１端１ｂ１側に強制的に固定している。
【００９１】
第１強磁性層１の磁化反転のしやすさは、スピン軌道トルク配線２２に対して左向きの電流を流す場合と、右向きの電流を流す（スピン軌道トルク配線２２の第１端２２ｂ１から第２端２２ｂ２に向って電流を流す場合、図３におけるＩｐが右向き矢印の場合）と、で異なる。スピン軌道トルク配線２２に対して左向きの電流を流す場合は、磁化反転の開始点ｓｐを強制的に変化させているため、磁化反転しにくくなる。つまり、第１強磁性層１の磁化は、一の状態から二の状態になる確率と、二の状態から一の状態になる確率とでばらつきが生じる恐れがある。
【００９２】
磁場印加機構により第１強磁性層１に外部磁場Ｂｘを印加すると、この反転確率のバラつきが補正される。磁場印加機構は、例えば、第１切断面２２Ａの面積が第２切断面２２Ｂの面積より大きい場合は、第１強磁性層１に第１端１ｂ１から第２端１ｂ２に向かう磁場を印加することが好ましく、第１切断面２２Ａの面積が第２切断面２２Ｂの面積より小さい場合は、第２端１ｂ２から第１端１ｂ１に向かう磁場を印加することが好ましい。
【００９３】
（変形例５）
図１２は、第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の変形例の断面図である。図１２に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４Ａは、積層体１１の構成が、図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４と異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００９４】
積層体１１は、スピン軌道トルク配線２２に近い側から第１強磁性層１、第１非磁性層４、第２強磁性層２、第２非磁性層５、第３強磁性層３の順で有する。第２強磁性層２、第２非磁性層５及び第３強磁性層３は、磁化固定層Ｐ１となる。第２非磁性層５は、第１非磁性層４と同様の材料からなり、第３強磁性層３は、第１強磁性層１及び第２強磁性層２と同様の材料からなる。
【００９５】
第２強磁性層２と第３強磁性層３は、それぞれの磁化の配向方向が反対である。第２強磁性層２と第３強磁性層３とが反強磁性カップリングすることで、第２強磁性層２の磁化方向を固定する。
【００９６】
第２強磁性層２の飽和磁化と体積との積は、第３強磁性層３の飽和磁化と体積との積より大きい。第２強磁性層２の飽和磁化と体積との積と第３強磁性層３の飽和磁化と体積との積とが一致する場合、磁化固定層Ｐ１内に層間反強磁性（ＳＡＦ）結合が形成され漏れ磁場ＭＬは生じない。一方で、第２強磁性層２の飽和磁化と体積との積が、第３強磁性層３の飽和磁化と体積との積より大きいと、第１強磁性層１に第２端１ｂ２から第１端１ｂ１に向かう漏れ磁場ＭＬが加わる。
【００９７】
変形例５にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４Ａは、漏れ磁場ＭＬが第１強磁性層１に加わる外部磁場Ｂｘとなる。外部磁場Ｂｘは、第１強磁性層１の磁化の反転確率のバラつきを補正できる。この場合、スピン軌道トルク配線２２は、スピンホール角が正の極性であり、第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含むことが好ましい。
【００９８】
（変形例６）
図１３は、第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の変形例の断面図である。図１３に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４Ｂは、積層体１２の構成が、図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４と異なる。同一の構成には、同一の符号を付す。
【００９９】
積層体１２は、スピン軌道トルク配線２２に近い側から第１強磁性層１、第１非磁性層４、第２強磁性層２、第２非磁性層５、第３強磁性層３の順で有する。第２強磁性層２、第２非磁性層５及び第３強磁性層３は、磁化固定層Ｐ２となる。
【０１００】
第２強磁性層２と第３強磁性層３は、それぞれの磁化の配向方向が反対である。第２強磁性層２の飽和磁化と体積との積は、第３強磁性層３の飽和磁化と体積との積より小さい。磁化固定層Ｐ２は、第１端１ｂ１から第２端１ｂ２に向かう漏れ磁場ＭＬを、第１強磁性層１に加える。
【０１０１】
変形例６にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４Ｂは、漏れ磁場ＭＬが第１強磁性層１に加わる外部磁場Ｂｘとなる。外部磁場Ｂｘは、第１強磁性層１の反転確率のバラつきを補正できる。この場合、スピン軌道トルク配線２２は、スピンホール角が負の極性であり、第３族、第４族、第５族及び第６族からなる群から選択されるいずれかの金属元素を主として含むことが好ましい。スピン軌道トルク配線２２のスピンホール角の極性が反転すると、図３に示す開始点ｓｐの位置も反転する。したがって、この場合は、第１切断面２２Ａの面積が第２切断面２２Ｂの面積より大きい場合は、第１強磁性層１に第２端１ｂ２から第１端１ｂ１に向かう磁場を印加することが好ましく、第１切断面２２Ａの面積が第２切断面２２Ｂの面積より小さい場合は、第１端１ｂ１から第２端１ｂ２に向かう磁場を印加することが好ましい。
【０１０２】
「第５実施形態」
図１４は、第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０５の斜視図である。また図１５は、第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０５の平面模式図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０５は、第１強磁性層が複数に分かれている点で、図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４と異なる。図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４と同一の構成には、同一の符号を付し、説明を省く。
【０１０３】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０５は、スピン軌道トルク配線２０と複数の第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆと第１非磁性層４と磁化固定層Ｐとを有する。複数の第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆは、スピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａにそれぞれ面する。複数の第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆは、ｘ方向に所定の距離をあけて位置する。複数の第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆは、共通する第１非磁性層４、磁化固定層Ｐを有する。
【０１０４】
スピン軌道トルク配線２０は、第１切断面２０Ａ、第２切断面２０Ｂ、第３切断面２０Ｃ、第４切断面２０Ｄ、第５切断面２０Ｅ、第６切断面２０Ｆを有する。第１切断面２０Ａ、第３切断面２０Ｃ及び第５切断面２０Ｅのそれぞれは、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆのｘ方向の第１端１Ｄｂ１、１Ｅｂ１、１Ｆｂ１を通りｘ方向と直交する面である。第２切断面２０Ｂ、第４切断面２０Ｄ、第６切断面２０Ｆのそれぞれは、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆのｘ方向の第２端１Ｄｂ２、１Ｅｂ２、１Ｆｂ２を通りｘ方向と直交する面である。
【０１０５】
第１切断面２０Ａ、第２切断面２０Ｂ、第３切断面２０Ｃ、第４切断面２０Ｄ、第５切断面２０Ｅ、第６切断面２０Ｆの順で切断面の面積は小さい。スピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉの電流密度は、第１切断面２０Ａ、第２切断面２０Ｂ、第３切断面２０Ｃ、第４切断面２０Ｄ、第５切断面２０Ｅ、第６切断面２０Ｆの順で大きい。第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆのそれぞれにおける磁化反転は、第１端１Ｄｂ１、１Ｅｂ１、１Ｆｂ１から第２端１Ｄｂ２、１Ｅｂ２、１Ｆｂ２に向って生じる。
【０１０６】
また磁化反転は、第１強磁性層１Ｄ、第１強磁性層１Ｅ、第１強磁性層１Ｆの順で生じる。例えば、ある電流量の電流をスピン軌道トルク配線２０に流すと、第１強磁性層１Ｄのみが磁化反転する。スピン軌道トルク配線２０に流す電流量を増加させると、第１強磁性層１Ｅ、第１強磁性層１Ｆの順で磁化反転が生じる。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０５の抵抗値は、第１非磁性層４を挟む強磁性層（磁化固定層Ｐと第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ）の磁化状態の変化で生じる。第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆの磁化が段階的に磁化反転すると、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０５は情報を多値で記録できる。また第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ同士は、空間的に離間しているため、それぞれの磁化同士の影響が少ない。したがって、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０５は、多値のそれぞれの状態を安定的に保つことができる。
【０１０７】
図１４及び図１５では、第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆが３つの場合を例に説明したが、第１強磁性層の数は問わない。また第１強磁性層１Ｄ、１Ｅ、１Ｆの形状、大きさは一定である必要はなく、それぞれ異なっていてもよい。
【０１０８】
「第６実施形態」
（磁気メモリ）
図１６は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４（図１１参照）を備える磁気メモリ２００の模式図である。図１６に示す磁気メモリ２００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４が３×３のマトリックス配置をしている。図１６は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４の構成、数及び配置は任意である。
【０１０９】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４には、それぞれ、１本のワードラインＷＬ１〜ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１〜ＲＬ３が接続されている。
【０１１０】
電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４のスピン軌道トルク配線２２に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜ＲＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４の積層体１０の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３、ビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１〜ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０４から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとして用いられる。
【０１１１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１、１’、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ  第１強磁性層
１ｂ１、１Ｄｂ１、１Ｅｂ１、１Ｆｂ１、２０ｂ１、２１ｂ１、２２ｂ１、２３ｂ１  第１端
１ｂ２、１Ｄｂ２、１Ｅｂ２、１Ｆｂ２、２０ｂ２、２１ｂ２、２２ｂ２、２３ｂ２  第２端
２  第２強磁性層
３  第３強磁性層
４  第１非磁性層
５  第２非磁性層
１０、１１、１２  積層体
２０、２１、２２、２３  スピン軌道トルク配線
２０ａ、２２ａ  第１面
２０Ａ、２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ  第１切断面
２０Ｂ、２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ  第２切断面
２０Ｃ  第３切断面
２０Ｄ  第４切断面
２０Ｅ  第５切断面
２０Ｆ  第６切断面
１０１、１０１Ａ、１０２、１０２Ａ、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ  スピン軌道トルク型磁化回転素子
１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０５  スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
２００  磁気メモリ
ｈ１、ｈ２  厚み
ｎｐ  狭幅部
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２  磁化固定層
Ｓ１  第１スピン
Ｓ２  第２スピン
ｓｐ  開始点
Ｓｔ，Ｓｔ１  段差
ｗ１、ｗ２  幅
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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