(57)【要約】【課題】外部磁場を印加しなくても磁化回転させることができ、その結果、省電力化と集積度の向上とが可能となるスピン流磁化回転型磁気素子を提供する。【解決手段】このスピン流磁化回転型磁気素子は、第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する方向である第２方向に位置し、磁化方向が変化する第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線の第１強磁性層側とは反対側の表面に接し、前記第２方向に積層されたスピン注入層と、を備え、前記第１強磁性層の磁化方向が前記第２方向に沿ったＺ方向であり、前記スピン注入層の磁化方向が前記第１方向に沿ったＸ方向を持つ、又は前記第１強磁性層の磁化方向が前記第１方向に沿ったＸ方向であり、前記スピン注入層の磁化方向が前記第２方向に沿ったＺ方向を持つ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する方向である第２方向に位置し、磁化方向が変化する第１強磁性層と、
前記スピン軌道トルク配線の第１強磁性層側とは反対側の表面に接し、前記第２方向に積層されたスピン注入層と、を備え、
前記第１強磁性層の磁化方向が前記第２方向に沿ったＺ方向であり、前記スピン注入層の磁化方向が前記第１方向に沿ったＸ方向を持つスピン流磁化回転型磁気素子。
【請求項２】
第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する方向である第２方向に位置し、磁化方向が変化する第１強磁性層と、
前記スピン軌道トルク配線の第１強磁性層側とは反対側の表面に接し、前記第２方向に積層されたスピン注入層と、を備え、
前記第１強磁性層の磁化方向が前記第１方向に沿ったＸ方向であり、前記スピン注入層の磁化方向が前記第２方向に沿ったＺ方向を持つスピン流磁化回転型磁気素子。
【請求項３】
前記スピン注入層が、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選択される金属、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からなる群より選択される少なくとも１種の元素とを含む合金、又は希土類元素を含む強磁性材料からなる請求項１又は請求項２に記載のスピン流磁化回転型磁気素子。
【請求項４】
前記スピン注入層が、少なくとも２種の強磁性材料層が交互に多数回積層された強磁性積層体である請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気素子。
【請求項５】
前記スピン注入層が、正方晶を有し、当該正方晶の結晶格子において、ｃ軸長がａ軸長より短い磁性材料からなる請求項１又は請求項２に記載のスピン流磁化回転型磁気素子。
【請求項６】
前記スピン軌道トルク配線の膜厚が、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長以下である請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気素子。
【請求項７】
前記スピン注入層の前記第１方向の長さが、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向の長さと同じもしくはそれ以上である請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気素子。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気素子と、
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の面に順に配置された、非磁性層と、第２強磁性層とを備えるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項８に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流磁化回転型磁気素子、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
本発明は、
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子として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）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子の素子抵抗は、ＧＭＲ素子と比較して大きいが、磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子より大きい利点がある。そのため、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）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。
【０００３】
ＭＲＡＭは、絶縁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ＴＭＲ素子の素子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。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。
【０００４】
ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転は、エネルギー効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるために必要な反転電流密度が高いといわれている。
ＴＭＲ素子の長寿命化の観点からはこの反転電流密度は低いことが望ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
【０００５】
そこで近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流、及び、異種材料の界面におけるラシュバ効果が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴによる磁化反転をひき起こす。これらのメカニズムについての詳細はこれまでに明らかになっていない。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いることで磁気抵抗効果素子を長寿命化することが期待されている。
【０００６】
一方で、ＳＯＴを用いた磁化反転には、外部磁場を印加することで、磁化反転する磁化の対称性を乱す必要があると言われている（例えば、非特許文献２）。外部磁場を印加するためには外部磁場の発生源が必要である。外部磁場の発生源を外部に別途設けることは、スピン流磁化反転型磁気素子を含む集積回路の集積度の低下につながる。そのため、外部磁場を印加せずにＳＯＴを用いた磁化反転を可能とする手法も研究されている。
【０００７】
例えば、非特許文献３には、磁化反転する強磁性体と結合する酸化膜の酸素量を変更することで、磁化の強度の対称性が崩れることが記載されている。磁化の強度の対称性が崩れると、磁化回転しやすくなり、無磁場下であってもＳＯＴを用いた磁化反転が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】I.M.Miron, K.Garello, G.Gaudin, P.-J.Zermatten, M.V.Costache, S.Auffret, S.Bandiera, B.Rodmacq, A.Schuhl,and P.Gambardella, Nature, VOL476, 189(2011).
【非特許文献２】S.Fukami, T.Anekawa, C.Zhang, and H.Ohno,Nature Nanotechnology, DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
【非特許文献３】Guoqiang Yu, et al., Nature Nanotechnology, DOI:10.1038/NNANO. 2014.94.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献３に記載された方法では、酸素量の制御が難しい問題がある。特に、薄膜プロセスで作製されるそれぞれの素子において、同様の酸素量の傾斜を形成することは、量産において困難である。また、磁気抵抗効果素子の面内方向における磁気異方性の大きさが異なると、意図しない外力（外部磁場、熱等）が加わった際、磁気異方性の小さい部分の磁化が反転する場合がある。意図しない磁化の反転は、データのノイズとなり、データの長期保存を阻害する。特に磁気抵抗効果素子の強磁性体の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、磁気異方性の小さい部分の磁化反転が、その他の部分の磁化反転も誘発し、データを書き換えてしまうおそれがある。
【００１０】
また、磁化反転する磁化の対称性を乱すための構造として、素子を形成した回路の内部に配線を形成し、この配線から磁化反転を補助する磁場を発生する構造を採用することが考えられる。しかし、配線を利用して磁化反転を補助する構造を採用すると、配線で消費する電力が大きくなり、配線を形成するために回路の集積度が低下する問題がある。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、外部磁場を印加しなくても磁化反転させることができ、その結果、省電力化と集積度の向上とが可能となるスピン流磁化回転型磁気素子を提供することを目的とする。また、本発明は、上述の優れたスピン流磁化回転型磁気素子を備えた磁気抵抗効果素子と磁気メモリを提供することもその目的とする。
【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。
（１）本発明の一態様に係るスピン流磁化回転型磁気素子は、第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する方向である第２方向に位置し、磁化方向が変化する第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線の第１強磁性層側とは反対側の表面に接し、前記第２方向に積層されたスピン注入層と、を備え、前記第１強磁性層の磁化方向が前記第２方向に沿ったＺ方向であり、前記スピン注入層の磁化方向が前記第１方向に沿ったＸ方向を持つ。
【００１３】
（２）本発明の一態様に係るスピン流磁化回転型磁気素子は、第１方向に延びたスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向と交差する方向である第２方向に位置し、磁化方向が変化する第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線の第１強磁性層側とは反対側の表面に接し、前記第２方向に積層されたスピン注入層と、を備え、前記第１強磁性層の磁化方向が前記第１方向に沿ったＸ方向であり、前記スピン注入層の磁化方向が前記第２方向に沿ったＺ方向を持つ。
【００１４】
（３）上記（１）又は（２）に係るスピン流磁化回転型磁気素子において、前記スピン注入層が、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選択される金属、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からなる群より選択される少なくとも１種の元素とを含む合金、又は希土類元素を含む強磁性材料からなる構成としてもよい。
【００１５】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転型磁気素子において、前記スピン注入層が、少なくとも２種の強磁性材料層が交互に多数回積層された強磁性積層体である構成としてもよい。
【００１６】
（５）上記（１）又は（２）に係るスピン流磁化回転型磁気素子において、前記スピン注入層が、正方晶を有し、当該正方晶の結晶格子において、ｃ軸長がａ軸長より短い磁性材料からなる構成としてもよい。
【００１７】
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転型磁気素子において、前記スピン軌道トルク配線の膜厚が、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長以下である構成としてもよい。
【００１８】
（７）上記（１）〜（５）のいずれか一つに係るスピン流磁化回転型磁気素子において、前記スピン注入層の前記第１方向の長さが、前記スピン軌道トルク配線の前記第１方向の長さと同じもしくはそれ以上である構成としてもよい。
【００１９】
（８）本発明の一態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、前記態様に係るスピン流磁化回転型磁気素子と、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の面に順に配置された、非磁性層と、第２強磁性層とを備える。
【００２０】
（９）本発明の一態様に係る磁気メモリは、前記態様に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数備える。
【発明の効果】
【００２１】
上述した態様に係るスピン流磁化回転型磁気素子によれば、外部磁場を印加しなくても磁化回転させることができ、その結果、省電力化と集積度の向上とが可能となる。また、上述した態様によれば、このような優れたスピン流磁化回転型磁気素子を備えた磁気抵抗効果素子、磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面模式図である。
【図２】スピンホール効果について説明するための模式図である。
【図３】第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子において、第１強磁性層に注入されるスピンの方向を模式的に示した概念図である。
【図４】第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面模式図である。
【図５】第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子において、第１強磁性層に注入されるスピン流の方向を模式的に示した概念図である。
【図６】第４実施形態に係る磁気メモリを模式的に示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明について、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、本発明の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。
【００２４】
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面模式図である。第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０は、スピン流磁化回転型磁気素子１４と、非磁性層１５と、第２強磁性層１６と、反強磁性結合層１７と、磁化固定層１８とビア１９を有する。スピン流磁化回転型磁気素子１４は、スピン注入層１１と、スピン軌道トルク配線１２と、第１強磁性層１３とを備える。
以下、スピン軌道トルク配線１２が延在する第１方向に沿った方向をＸ方向、Ｘ方向に交差し、スピン軌道トルク配線１２に対する第１強磁性層１３の積層方向（第２方向）に沿った方向をＺ方向、スピン軌道トルク配線１２が延在する面内方向であって第１方向と交差する第３方向に沿った方向をＹ方向と規定して説明する。
【００２５】
＜スピン注入層＞
スピン注入層１１は、スピン軌道トルク配線１２の第１強磁性層１３側とは反対側の表面に接している。スピン注入層１１は、磁化Ｍ１１の方向がＸ方向を持つ。スピン注入層１１を流れた電流はスピン偏極し、スピン軌道トルク配線１２を介して第１強磁性層１３に注入される。スピン注入層１１は、スピン軌道トルク配線１２と共に、所定の方向に配向したスピンを第１強磁性層１３に注入する作用を有する。なお、スピン注入層１１は、磁化Ｍ１１の成分の一つとして、Ｘ方向を持っていればよい。
【００２６】
スピン注入層１１は、正方晶を有し、当該正方晶の結晶格子において、ｃ軸長がａ軸長より短い磁性材料から構成されていることが好ましい。例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ２、ＨｏＣｏ２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）、（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｐｔ合金、ＦｅＰｔ合金等を用いることが好ましい。これらの材料からなるスピン注入層１１は、磁化Ｍ１１の方向がＸ方向になりやすい。
【００２７】
スピン注入層１１は、強磁性材料から構成されていてもよい。強磁性材料としては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選択される金属、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からなる群より選択される少なくとも１種の元素とを含む合金、希土類元素を含む強磁性材料を用いることができる。また、スピン注入層１１は、少なくとも２種の強磁性材料層が交互に多数回積層された強磁性積層体であってもよい。強磁性積層体は、例えば、互いに組成が異なる第１強磁性層と第２強磁性層が交互に積層された積層体であってもよいし、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層が積層された積層体であってもよい。
【００２８】
スピン注入層１１にて磁化Ｍ１１を発現させるためには、スピン注入層１１の厚さは、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。
【００２９】
また、スピン注入層１１は、Ｘ方向を向いた磁束φ１１を第１強磁性層１３に印加する作用を有する。スピン注入層１１の磁束φ１１を第１強磁性層１３に確実に印加するため、スピン注入層１１のＸ方向の長さは、スピン軌道トルク配線１２のＸ方向の長さと同じもしくはそれ以上であることが好ましい。
【００３０】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線１２は、Ｘ方向に延在する。
スピン軌道トルク配線１２は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。このような材料としては、スピン軌道トルク配線１２中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
【００３１】
図２は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図２は、図１に示す
スピン軌道トルク配線１２をＸ方向に沿って切断した断面図である。図２に基づいて、スピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
【００３２】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線１２のＸ方向の両端に電位差を与えると−Ｘ方向に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、紙面上側（図２のＹ方向）に配向した第１スピンＳ１と紙面下側（図２の−Ｙ方向）に配向した第２スピンＳ２はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。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が、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いのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
【００３３】
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第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ので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
【００３４】
強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。従って、スピン軌道トルク配線１２の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
【００３５】
ここで、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。図２においては、純スピン流としてＪＳがＺ方向に流れる。ここで、純スピン流ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
【００３６】
図３は、第１強磁性層１３に注入されるスピンの方向を模式的に示した概念図である。図３に基づいて第１強磁性層１３に注入されるスピンの方向について説明する。
スピン軌道トルク配線１２で発生したスピンの向きは、Ｙ方向に配向する。図２において、第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２は、Ｙ方向に配向しているが、第１強磁性層１３に注入されるときのスピンの向きは、スピン注入層１１から注入されるスピンの向きとのベクトル和となる。例えば、図３に示すように、スピン軌道トルク配線１２で発生したスピンＳ１２が−Ｙ方向に配向している場合、第１強磁性層１３に注入されるスピンの向きＳ１１＋１２は、Ｘ方向と−Ｙ方向を合成した方向（図３において右下向の方向）となる。
【００３７】
第１強磁性層１３に注入されるスピンの向きを、スピン注入層１１から注入されるスピンＳ１１の方向とのベクトル和とするためには、スピン軌道トルク配線１２の厚さ（ｚ方向の長さ）は小さいことが好ましい。スピン軌道トルク配線１２の厚さは、スピン軌道トルク配線１２を構成する材料のスピン拡散長以下であることが好ましい。
【００３８】
スピン軌道トルク配線１２の材料としては、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及び、それらの金属を少なくとも１つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなるものとすることができる。また、タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合に、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、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くなり、効率的にスピン流を発生できる。
スピン軌道トルク配線１２は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線１２は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
【００３９】
この場合、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。このような非磁性金属は、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からである。スピン軌道トルク配線１２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だけからなってもよい。
【００４０】
仮に、スピン軌道トルク配線１２に通電するための接続配線の部分を構成する低抵抗部がＣｕ（１．７μΩｃｍ）からなるものとすると、原子番号３９以上でかつＣｕよりも電気抵抗率が２倍以上大きい材料としては、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｃｄ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｈｇ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕが挙げられる。
【００４１】
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、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いためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流ＪＳが発生しやすい。特に、非磁性の重金属としてＩｒを用いると、スピンホール効果が大きい。さらに、Ｉｒと第１強磁性層１３の界面において従来材料よりも大きな垂直磁気異方性を第１強磁性層１３に付加することができる。
【００４２】
また、スピン軌道トルク配線１２は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線１２に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線１２は、反強磁性金属だけからなっていてもよい。
【００４３】
スピン軌道相互作用はスピン軌道トルク配線材料の物質の固有の内場によって生じる。
そのため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱されるため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。
したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線における純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
【００４４】
また、スピン軌道トルク配線１２は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線１２は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、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。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで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。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける回転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成することができる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらの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。
【００４５】
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１３はスピン軌道トルク配線のＺ方向に位置する。第１強磁性層１３はその磁化の向きが相対的に変化することで機能する。
第１強磁性層１３の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選択される金属、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からなる群より選択される少なくとも１種の元素とを含む合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅを例示できる。
【００４６】
第１強磁性層１３は磁化容易軸がＺ方向であり、図１において、第１強磁性層１３の磁化Ｍ１３は＋Ｚ方向に配向している。ここで磁化Ｍ１３の配向方向は、完全にＺ方向と一致している場合に限られるものではなく、効果を奏する範囲でＺ方向からずれていてもよい。磁化Ｍ１３がＺ方向した垂直磁化膜は、同一面積（ＸＹ面）内に多くの磁化を持つことができ、集積性に優れる。
【００４７】
＜非磁性層＞
非磁性層１５には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層１５が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４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ＭｇＡｌ２Ｏ４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１５が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
【００４８】
＜第２強磁性層＞
第２強磁性層１６は、磁化Ｍ１６が一方向（＋Ｚ方向）に固定されている。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０は、第２強磁性層１６の磁化Ｍ１６の向きに対して、第１強磁性層１３の磁化Ｍ１３の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１６の保磁力は第１強磁性層１３の保磁力よりも大きいものであり、また、交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１６は反強磁性結合層１７を介した磁化固定層１８との交換結合によって磁化方向が固定される。
また、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０において、非磁性層１５が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子であり、非磁性層１５が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
【００４９】
第２強磁性層１６の材料には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。これらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
【００５０】
また、より高い出力を得るためには第２強磁性層１６の材料にＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、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族の遷移金属またはＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００５１】
＜反強磁性結合層、磁化固定層＞
反強磁性結合層１７は、非磁性である。磁化固定層１８は、磁化Ｍ１８の方向が、第２強磁性層１６の磁化Ｍ１６の方向と反対側の方向（−Ｚ方向）に固定されている。第２強磁性層１６の磁化Ｍ１６と磁化固定層１８の磁化Ｍ１８とは、反強磁性結合層１７を挟むことで反強磁性結合する。また第２強磁性層１６からの漏れ磁場が第１強磁性層１３に与える影響を抑制できる。第２強磁性層１６の磁化Ｍ１６と磁化固定層１８の磁化Ｍ１８とが反強磁性結合するか否かは、反強磁性結合層１７の材料、膜厚等により制御できる。反強磁性結合層１７の膜厚は、用いる材料にもよるが３Åから１０Åであることが好ましい。
【００５２】
反強磁性結合層１７は、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ことが好ましい。例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等を用いることができる。これらの元素は多くのスピンを有し、スピン軌道相互作用が大きい。そのため、隣接する二つの強磁性層（第２強磁性層１６及び磁化固定層１８）の磁化Ｍ１６、Ｍ１８に強く作用し、磁化Ｍ１１と磁化Ｍ１２とが強く反強磁性結合する。
磁化固定層１８の材料としては、第２強磁性層１６と同じものを用いることができる。
【００５３】
＜ビア＞
ビア１９は、スピン注入層１１のスピン軌道トルク配線１２側とは反対側の表面に接続されている。ビア１９は−Ｚ方向に延在し、半導体素子等との接続を担う。
ビア１９には、導電性に優れる材料を用いることができる。ビア１９の材料としては、例えば、銅、アルミニウム、銀等を用いることができる。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０を単独で用いる場合は、ビア１９は無くてもよい。
【００５４】
＜スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の作動原理＞
本実施形態のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０では、Ｚ方向に配向した磁化Ｍ１３を有する第１強磁性層１３に対して、Ｘ方向の成分を有する磁化Ｍ１１を有するスピン注入層１１を設けることにより無磁場下での磁化回転が可能となる。
以下、このスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０の作動原理について説明する。
【００５５】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線１２に電流Ｉを印加すると、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とがスピンホール効果によって曲げられる。その結果、純スピン流Ｊｓがｚ方向に生じる。
【００５６】
スピン軌道トルク配線１２のｚ方向には、第１強磁性層１３が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線１２から第１強磁性層１３にスピンが注入される。注入されたスピンは、第１強磁性層１３の磁化Ｍ１３にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与え、磁化回転が生じる。
【００５７】
スピン注入層１１を有していない場合、スピン軌道トルク配線１２で発生したスピンＳ１、Ｓ２の向きはＹ方向で、第１強磁性層１３の磁化Ｍ１１の向き（Ｚ方向）に対して直交している。そのため、ＳＯＴが加わっても、第１強磁性層１３の磁化は、９０゜しか回転できず、磁化回転は、確率的にしか生じない。
【００５８】
一方で、スピン注入層１１を有している場合、第１強磁性層１３に注入されるスピンの向きは、スピン軌道トルク配線１２で発生したスピンＳ１２の向き（Ｙ方向）とスピン注入層１１から注入されるスピンＳ１１の向き（Ｘ方向）とのベクトル和となる。すなわち、第１強磁性層１３に注入されるスピンの向きは、図３に示すように、Ｙ方向からＸ方向に傾斜し、対称性が乱されている。その結果、磁化Ｍ１３の回転確率が非対称となり、無磁場下でも磁化Ｍ１３を磁化回転させることができる。また、第１強磁性層１３には、スピン注入層１１から、Ｘ方向を向いた磁束φ１１が印加される。磁束φ１１も、第１強磁性層１３の磁化Ｍ１３の磁化回転をアシストする。
【００５９】
上述のように、第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０によれば、素子内部にスピン注入層１１を備えるため、外部磁場等の外力を印加しなくても第１強磁性層１３（自由層）の磁化Ｍ１３を回転できる。よって、本実施形態によれば、磁化Ｍ１３を傾斜させるための磁界を印加する配線などは不要となり、消費電力を上げることなくスピン軌道トルク配線１２に通電することで磁化回転できるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０を提供できる。また、磁化Ｍ１３を傾斜させるための磁界を印加するための配線などは不要となり、集積度の低下を引き起こすことがなく、製造コストの増大を引き起こすことのないスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０を提供できる。
【００６０】
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０は、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、高周波部品、磁気センサなどへの適用が可能である。
【００６１】
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０は、その他の層を有していてもよい。例えば、第１強磁性層１３の非磁性層１５と反対側の面に下地層を有していてもよいし、磁化固定層１８の反強磁性結合層１７と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。
【００６２】
スピン軌道トルク配線１２と第１強磁性層１３との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線１２から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。また、この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線１２から伝播するスピンを第１強磁性層１３に十分伝えることができる。
また、第２強磁性層１６の磁化Ｍ１６の方向が安定に固定されている場合は、反強磁性結合層１７と磁化固定層１８とを省略してもよい。
【００６３】
第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０は、例えば、ビア１９が形成された基板に、スピン注入層１１、スピン軌道トルク配線１２、第１強磁性層１３、非磁性層１５、第２強磁性層１６、反強磁性結合層１７、磁化固定層１８をこの順で製膜し、所望の形状に加工することによって製造することができる。各層は、スパッタリング等の成膜方法によって製膜することができる。また、各層の加工方法としては、フォトリソグラフィー等の加工方法を用いることができる。スピン注入層１１、第１強磁性層１３、第２強磁性層１６、磁化固定層１８の磁化方向は、これらを構成する材料、膜厚を制御することで規定することができる。
【００６４】
「第２実施形態」
図４は、第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面模式図である。第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２０は、スピン注入層２１と、スピン軌道トルク配線２２と、第１強磁性層２３とを備えたスピン流磁化回転型磁気素子２４、及び非磁性層２５と、第２強磁性層２６と、反強磁性結合層２７と、磁化固定層２８とビア２９を有する。
【００６５】
第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２０は、第１強磁性層２３は磁化容易軸がＸ方向であり、図４において、第１強磁性層２３の磁化Ｍ２３は−Ｘに配向している。また、スピン注入層２１の磁化Ｍ２１の方向は＋Ｚ方向を持つ。また、第１強磁性層２３の磁化Ｍ２３の方向に合わせて、第２強磁性層２６の磁化Ｍ２６は方向が−Ｘ方向に配向し、磁化固定層２８の磁化Ｍ２８は＋Ｘ方向に配向している。
【００６６】
スピン注入層２１は、強磁性材料から構成されていることが好ましい。強磁性材料からなるスピン注入層２１は、磁化方向がＺ方向になりやすい。また、スピン注入層２１は、Ｚ方向を向いた磁束φ２１を第１強磁性層２３に印加する作用を有する。
強磁性材料としては、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選択される金属、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からなる群より選択される少なくとも１種の元素とを含む合金、希土類元素を含む強磁性材料を用いることができる。また、スピン注入層１１は、少なくとも２種の強磁性材料層が交互に多数回積層された強磁性積層体であってもよい。強磁性積層体は、例えば、互いに組成が異なる第１強磁性層と第２強磁性層が交互に積層された積層体であってもよいし、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層が積層された積層体であってもよい。
【００６７】
スピン注入層２１は、正方晶を有し、当該正方晶の結晶格子において、ｃ軸長がａ軸長より短い磁性材料から構成されていてもよい。例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ２、ＨｏＣｏ２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）、（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｐｔ合金、ＦｅＰｔ合金等を用いてもよい。
【００６８】
スピン軌道トルク配線２２は、第１実施形態の場合と同様に、電流が流れると、純スピン流を生成する。ただし、第１強磁性層２３に注入されるスピンの向きは、第１実施形態の場合と異なる。
【００６９】
図５は、第１強磁性層２３に注入されるスピンの方向を模式的に示した概念図である。図５に基づいて第１強磁性層２３に注入されるスピンの方向について説明する。
スピン軌道トルク配線２２で発生したスピンＳ２２の向きは、第１実施形態の場合と同様に、Ｙ方向に配向するが、第１強磁性層２３に注入されるときのスピンの向きは、スピン注入層２１から注入されるスピンＳ２１の方向とのベクトル和となる。例えば、図５に示すように、スピン軌道トルク配線２２で発生したスピンＳ２２の向きが−Ｙ方向に配向している場合、第１強磁性層２３に注入されるスピンＳ２１＋２２の向きは、Ｚ方向と−Ｙ方向を合成した方向（図５において左下向の方向）となる。
【００７０】
スピン軌道トルク配線２２、第１強磁性層２３、非磁性層２５、第２強磁性層２６、反強磁性結合層２７、磁化固定層２８及びビア２９の材料は、第１実施形態の場合と同様の材料を用いることができる。
【００７１】
本実施形態のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２０では、スピン注入層２１を有するので、第１強磁性層２３に注入されるスピンＳ２１＋２２の向きは、スピン軌道トルク配線２２で発生したスピンＳ２２の向き（Ｙ方向）とスピン注入層２１から注入されるスピンＳ２１の方向（Ｚ方向）とのベクトル和となる。すなわち、第１強磁性層２３に注入されるスピンＳ２１＋２２の向きは、図５に示すように、Ｙ方向からＺ方向に傾斜し、対称性が乱されている。その結果、磁化の回転確率が非対称となり、無磁場下でも磁化Ｍ２３を磁化回転させることができる。また、第１強磁性層２３には、スピン注入層２１から、Ｚ方向を向いた磁束φ２１が印加される。磁束φ１１も、第１強磁性層１３の磁化Ｍ１３の磁化回転をアシストする。
【００７２】
上述のように、第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２０によれば、素子内部にスピン注入層２１を備えるため、外部磁場等の外力を印加しなくても第１強磁性層２３（自由層）の磁化Ｍ２３を回転できる。よって、本実施形態によれば、磁化Ｍ２３を傾斜させるための磁界を印加する配線などは不要となり、消費電力を上げることなくスピン軌道トルク配線２２に通電することで磁化回転できるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２０を提供できる。また、磁化Ｍ２３を傾斜させるための磁界を印加するための配線などは不要となり、集積度の低下を引き起こすことがなく、製造コストの増大を引き起こすことのないスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２０を提供できる。
【００７３】
「第３実施形態」
（スピン流磁化回転型磁気素子）
第１実施形態のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０におけるスピン流磁化回転型磁気素子１４は、単独で異方性磁気センサ、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。第２実施形態のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２０におけるスピン流磁化回転型磁気素子２４についても同様である。スピン流磁化回転型磁気素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転型磁気素子と呼ぶことができる。
【００７４】
本実施形態のスピン流磁化回転型磁気素子１４、２４は、上述のように、素子内部にスピン注入層１１、２１を備えるため、外部磁場等の外力を印加しなくても第１強磁性層１３、２３（自由層）の磁化Ｍ１３、Ｍ２３を回転できる。よって、本実施形態によれば、磁化Ｍ１３、Ｍ２３を傾斜させるための磁界を印加する配線などは不要となり、消費電力を上げることなくスピン軌道トルク配線１２、２２に通電することで磁化回転できるスピン流磁化回転型磁気素子１４、２４を提供できる。また、磁化Ｍ１３、Ｍ２３を傾斜させるための磁界を印加するための配線などは不要となり、集積度の低下を引き起こすことがなく、製造コストの増大を引き起こすことのないスピン流磁化回転型磁気素子１４、２４を提供できる。
【００７５】
「第４実施形態」
（磁気メモリ）
図６は、複数のスピン流磁化回転型磁気素子を備える磁気メモリ３０を模式的に示した図である。図６に示す磁気メモリ３０は、第１実施形態のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０を用いた例であり、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０を３×３のマトリックス配置をしている。図６は、磁気メモリの一例でありスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０の数及び配置は任意である。
【００７６】
磁気メモリ３０には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、１本のビットラインＢＬ１〜３が接続されている。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０のスピン軌道トルク配線１２に電流を流すことができる。
【００７７】
スピン軌道トルク配線１２に電流が流れると、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１３の磁化が、スピン軌道トルク配線１２から注入されるスピンによるＳＯＴ効果と、スピン注入層１１から注入されるスピンによるＳＴＴ効果により回転する。このようにして、複数のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０にデータを書込みすることができ、これら複数のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流を流すことでデータを読み出すことができ、メモリとしての活用ができる。
【符号の説明】
【００７８】
１０、２０…スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子、１１、２１…スピン注入層、１２、２２…スピン軌道トルク配線、１３、２３…第１強磁性層、１４、２４…スピン流磁化回転型磁気素子、１５、２５…非磁性層、１６、２６…第２強磁性層、１７、２７…反強磁性結合層、１８、２８…磁化固定層、１９、２９…ビア、３０…磁気メモリ
【図１】
2020035971.tif 000003
【図２】
2020035971.tif 000004
【図３】
2020035971.tif 000005
【図４】
2020035971.tif 000006
【図５】
2020035971.tif 000007
【図６】
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