(57)【要約】  このスピン流磁化反転素子では、磁化の向きが可変な第２強磁性金属層１と、前記第２強磁性金属層１の面直方向に対して交差する方向に延在し、前記第２強磁性金属層１に接合するスピン軌道トルク配線２と、を備え、前記スピン軌道トルク配線層２の、前記第２強磁性金属層１に接合する接合部分のスピン抵抗は、前記第２強磁性金属層１のスピン抵抗よりも大きい。
2017090726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが可変な第２強磁性金属層と、
前記第２強磁性金属層の面直方向に対して交差する方向に延在し、前記第２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、
前記スピン軌道トルク配線層の、前記第２強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、前記第２強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きいスピン流磁化反転素子。
【請求項２】
前記スピン軌道トルク配線層は、スピン流を発生する材料からなるスピン流発生部と導電部とを有し、
スピン流発生部の一部は前記接合部分を構成している請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項３】
前記導電部の電気抵抗率は、前記スピン流発生部の電気抵抗率以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項４】
前記スピン流発生部は、タングステン、モリブデン、ニオブ、及び、こ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請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項５】
前記スピン軌道トルク配線は、前記第２強磁性金属層の側壁の一部に接する側壁接合部を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、磁化の向きが固定されている第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第２強磁性金属層が前記第一強磁性金属層よりも積層方向において下方に位置する請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項７に記載の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、スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
本願は、２０１５年１１月２７日に、日本に出願された特願２０１５−２３２３３４号、２０１６年３月１６日に、日本に出願された特願２０１６−５３０７２号、２０１６年３月１８日に、日本に出願された特願２０１６−５６０５８号、２０１６年１０月２７日に、日本に出願された特願２０１６−２１０５３１号、２０１６年１０月２７日に、日本に出願された特願２０１６−２１０５３３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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）素子及び非磁性層として絶縁層（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素子はＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高いものの、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（ＭＲ）比はＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。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。
磁場を利用する方式では、素子サイズが小さくなると、細い配線に流すことができる電流では書き込みができなくなるという問題がある。
これに対して、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式では、一方の強磁性層（固定層、参照層）が電流をスピン分極させ、その電流のスピンがもう一方の強磁性層（自由層、記録層）の磁化に移行され、その際に生じるトルク（ＳＴＴ）によって書き込み（磁化反転）が行われるが、素子サイズが小さくなるほど書き込みに必要な電流が小さくて済むという利点がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【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，４７６，１８９（２０１１）．
【非特許文献２】Ｔ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｊ．Ｈａｍｒｌｅ，Ｙ．Ｏｔａｎｉ，Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ７２（１）、０１４４６１（２００５）．
【非特許文献３】Ｓ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ａｎｄ  Ｓ．Ｍａｅｋａｗａ，Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ６７（５）、０５２４０９（２００３）．
【非特許文献４】Ｊ．Ｂａｓｓ  ａｎｄ  Ｗ．Ｐ．Ｐｒａｔｔ  Ｊｒ．，Ｊ．  Ｐｈｙｓ．  Ｃｏｎｄ．  Ｍａｔｔ．  １９，  １８３２０１（２００７）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転はエネルギーの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の反転電流密度が高い。
ＴＭＲ素子の長寿命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。
従って、ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子のいずれの磁気抵抗効果素子においても、この磁気抵抗効果素子に流れる電流密度を低減することが望まれる。【０００６】
近年、スピン軌道相互作用して生成された純スピン流を利用した磁化反転も応用上可能であると提唱されている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用した純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴの大きさにより磁化反転を起こすことができる。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ため電流としてはゼロである。この純スピン流だけで磁化反転させることができれば、磁気抵抗効果素子を流れる電流はゼロなので磁気抵抗効果素子の長寿命化を図ることができる。あるいは、磁化反転にＳＴＴも利用し、かつ、純スピン流によるＳＯＴを利用することができれば、純スピン流によるＳＯＴを利用する分、ＳＴＴに使う電流を低減することができ、磁気抵抗効果素子の長寿命化を図ることができると考えられる。ＳＴＴ及びＳＯＴを両方利用する場合も、ＳＯＴを利用する割合が高いほど、磁気抵抗効果素子の長寿命化を図ることができると考えられる。【０００７】
ＳＯＴを利用する研究は緒に就いたばかりであり、具体的な応用に際しては様々な課題があると考えられるが、まだどのような課題があるか、十分には認識されていないのが現状である。
ＳＯＴを利用する磁化反転は、磁化の向きが可変な強磁性金属層（自由層）に、純スピン流を発生する材料からなる部材（例えば、層あるいは膜。以下、「スピン流発生部材」ということがある）を接合した構造において、この部材に電流を流すことで純スピン流を発生させ、その純スピン流が強磁性金属層との接合部分から強磁性金属層中に拡散（注入）されることにより、生ずる。この際に、スピン流発生部材と強磁性金属層のスピン抵抗の大きさの違い（ミスマッチ）により、注入したスピン流が強磁性金属層からスピン流発生部材に戻ってくる影響が懸念される。このように逆流したスピン流は、強磁性金属層中の磁化の反転に寄与しない。従って、このように逆流するスピン流の量を低減する構成を検討して、本発明に想到した。【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、強磁性金属層（自由層）からスピン軌道トルク配線への純スピン流の逆流が低減された状態で純スピン流による磁化反転を利用する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ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）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、磁化方向が可変な第２強磁性金属層と、前記第２強磁性金属層の面直方向に対して交差する方向に延在し、前記第２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、前記スピン軌道トルク配線層の、前記第２強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、前記第２強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きい。【００１１】
（２）上記（１）に記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線層は、スピン流を発生する材料からなるスピン流発生部と導電部とを有し、スピン流発生部の一部は前記接合部分を構成していてもよい。【００１２】
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子において、前記導電部の電気抵抗率は、前記スピン流発生部の電気抵抗率以下であってもよい。【００１３】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前前記スピン流発生部は、タングステン、モリブデン、ニオブ、及び、こ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ってもよい。【００１４】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記第２強磁性金属層の側壁の一部に接する側壁接合部を有してもよい。【００１５】
（６）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子と、磁化の向きが固定されている第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層と前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える。【００１６】
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子において、前記第２強磁性金属層が前記第一強磁性金属層よりも積層方向において下方に位置してもよい。【００１７】
（８）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子を複数備える。【００１８】
磁化反転方法は、上記（６）又は（７）のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子における磁化反転方法であって、前記スピン軌道トルク配線に流れる電流密度を１×１０７Ａ／ｃｍ２未満とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のスピン流磁化反転素子によれば、強磁性金属層（自由層）からスピン軌道トルク配線への純スピン流の逆流が低減された状態で純スピン流を利用して磁化反転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
【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】面内スピンバルブ構造を用いた非局所的測定を説明するための斜視図である。
【図４】四端子法による電気抵抗率の測定を説明するための斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
【図６】スピン軌道トルク配線の一実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図７】スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図８】スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図９】スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子をｙｚ平面で切断した断面模式図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をｙｚ平面で切断した断面模式図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子をｙｚ平面で切断した断面模式図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。
【００２２】
（スピン流磁化反転素子）
図１に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のスピン軌道トルク配線２の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。
本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、図１に示すスピン流磁化反転素子１０１は、磁化の向きが可変な第２強磁性金属層１と、第２強磁性金属層１の面直方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、第２強磁性金属層１の第１面１ａに接合するスピン軌道トルク配線２と、を備え、スピン軌道トルク配線２の、少なくとも第２強磁性金属層１に接合する接合部分のスピン抵抗は、第２強磁性金属層１のスピン抵抗よりも大きい。
ここで、スピン軌道トルク配線２と第２強磁性金属層１との接合は、「直接」接合してもよいし、後述するようにキャップ層のような「他の層を介して」接合してもよく、スピン軌道トルク配線２で発生した純スピン流が第２強磁性金属層１に流れ込む構成であれば、スピン軌道トルク配線と第１強磁性金属層との接合（接続あるいは結合）の仕方に限定はない。
【００２３】
第２強磁性金属層１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を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
【００２４】
第２強磁性金属層１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第２強磁性金属層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。後述する磁気抵抗効果素子において第２強磁性金属層１と非磁性層層２２（図５参照）の界面で、第２強磁性金属層１に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第２強磁性金属層１の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第２強磁性金属層１の膜厚は薄い方が好ましい。
【００２５】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線は、第２強磁性金属層の面直方向に対して交差する方向に延在する。スピン軌道トルク配線は、該スピン軌道トルク配線に第２強磁性金属層の面直方向に対して直交する方向（スピン軌道トルク配線の延在方向）に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、第２強磁性金属層に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。
【００２６】
スピン軌道トルク配線は、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。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線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。
【００２７】
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を説明する。
【００２８】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線２の延在方向に電流Ｉを流すと、上向きスピンＳ＋（Ｓ１）と下向きスピンＳ−（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。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では上向きスピンＳ＋の電子数と下向きスピンＳ−の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう上向きスピンＳ＋の電子数と下方向に向かう下向きスピンＳ−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。
これに対して、強磁性体中に電流を流した場合にも上向きスピン電子と下向きスピン電子が互いに反対方向に曲げられる点は同じであるが、強磁性体中では上向きスピン電子と下向きスピン電子のいずれかが多い状態であるため、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）点で異なる。従って、スピン軌道トルク配線の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
【００２９】
ここで、上向きスピンＳ＋の電子の流れをＪ↑、下向きスピンＳ−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が図中の上方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
図２において、スピン軌道トルク配線２の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込むことになる。
本発明では、このようにスピン軌道トルク配線に電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流がスピン軌道トルク配線に接する第２強磁性金属層に拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果で自由層である第２強磁性金属層の磁化反転に寄与するものである。
後述する本発明の磁気抵抗効果素子すなわち、純スピン流によるＳＯＴ効果で強磁性金属層の磁化反転を行う磁気抵抗効果素子は、従来のＳＴＴを利用する磁化反転を純スピン流によるＳＯＴ効果でアシストする素子として、あるいは純スピン流によるＳＯＴ効果による磁化反転が主力で従来のＳＴＴを利用する磁化反転でアシストする素子として、あるいは純スピン流によるＳＯＴのみで強磁性金属層の磁化反転を行う新規の磁気抵抗効果素子としても用いることもできる。
【００３０】
なお、磁化反転をアシストする方法としては、外部磁場を印加する方法、電圧を加える方法、熱を加える方法及び物質の歪みを利用する方法が知られている。しかしながら、外部磁場を印加する方法、電圧を加える方法及び熱を加える方法の場合、外部に新たに配線、発熱源等を設ける必要があり、素子構成が複雑化する。また、物質の歪みを利用する方法の場合、一旦生じた歪みを使用態様中に制御することが難しく、制御性よく磁化反転を行うことができない。
【００３１】
本発明のスピン流磁化反転素子において、スピン軌道トルク配線層の、少なくとも第２強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、第２強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きい。この構成により、スピン軌道トルク配線層から第２強磁性金属層へ拡散して注入される際の、第２強磁性金属層からスピン軌道トルク配線へのスピン流の戻りを低減される。
【００３２】
（スピン抵抗、スピン抵抗率）
スピン抵抗は、スピン流の流れやすさ（スピン緩和のし難さ）を定量的に示す量である。非特許文献２には、スピン抵抗の理論的な取り扱いが開示されている。スピン抵抗が異なる物質の界面では、スピン流の反射（戻り）が生じる。すなわちスピン抵抗の小さい材料からスピン抵抗の大きい材料へはスピン流の一部しか注入されない。
【００３３】
スピン抵抗Ｒｓは次の式で定義される（非特許文献３参照）。
【数１】
2017090726.tif 000003
ここで、λは材料のスピン拡散長、ρは材料の電気抵抗率、Ａは材料の断面積である。
非磁性体では、断面積Ａが等しい場合、式（１）のうち、スピン抵抗率であるρλの値によってスピン抵抗の大きさが決まる。
従って、本発明の磁気抵抗効果素子において、同じサイズのスピン軌道トルク配線であれば、スピン抵抗率が大きい材料を用いる方がスピン流の逆流を低減する効果が大きい。
【００３４】
本発明のスピン流磁化反転素子においては、第２強磁性体金属層が例えば、鉄（Ｆｅ）あるいは鉄系の合金からなる場合には、スピン軌道トルク配線層の、少なくとも第２強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、鉄（Ｆｅ）あるいは鉄系の合金のスピン抵抗よりも大きい。この構成によって、第２強磁性金属層からスピン軌道トルク配線へスピン流が逆流する効果を低減することができる。
【００３５】
本発明のスピン流磁化反転素子において、第２強磁性金属層からスピン軌道トルク配線へスピン流が逆流する効果を低減する観点で、スピン軌道トルク配線層の、少なくとも第２強磁性金属層に接合する接合部分を構成する材料のスピン抵抗率は大きい方が好ましい。
ここで、第２強磁性金属層からスピン軌道トルク配線へスピン流が逆流する効果を低減する効果が大きい材料は、スピン拡散長だけで決まるのではなく、電気抵抗率との積で決まる点に留意すべきである。
【００３６】
表１に、純スピン流発生材料として知られている複数の非磁性体、及び、強磁性体である鉄（Ｆｅ）の電気抵抗率およびスピン拡散長と、それらの積によって得たスピン抵抗率を示す。Ｆｅは、磁気抵抗効果素子の強磁性金属層の材料として用いられる典型的な強磁性材料である。
非磁性体の電気抵抗率およびスピン拡散長は後述する方法により算出したものであり、Ｆｅの各パラメータは非特許文献４に基づいた値である。
【００３７】
【表１】
2017090726.tif 000004
【００３８】
表１に示した非磁性体のうち、特に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｉ）、及び、ＭｏとＦｅの合金はＦｅのスピン抵抗率よりも大きく、第２強磁性金属層からスピン軌道トルク配線へスピン流が逆流する効果を低減する観点で、スピン軌道トルク配線層の、少なくとも第２強磁性金属層に接合する接合部分を構成する材料として好ましいことがわかる。
【００３９】
（スピン拡散長）
スピン流は、距離ｄとスピン拡散長λの比に依存して、ｅｘｐ(−ｄ／λ)に従って指数関数的に減衰する。スピン拡散長λは物質固有の定数であり、スピン流の大きさが１／ｅになる距離である。
材料のスピン拡散長は様々な手法によって見積もることができる。例えば、非局所的方法、スピンポンピング効果を利用する方法、ハンル効果を利用する方法などが知られている。
【００４０】
表１で示した非磁性体のスピン拡散長は、室温で非局所スピンバルブ測定を行うことによって得た。以下にその詳細を説明する。
面内スピンバルブ構造（強磁性体と非磁性体との界面がトンネル接合ではない場合）を用いた非局所測定において、拡散方程式を解くことにより、スピン出力（非局所スピンバルブ信号）の大きさΔＶは以下の式（２）のように表される（非特許文献３）。
【数２】
2017090726.tif 000005
ここで、
Ｑ＝ＲＳＦ／ＲＳＮで定義され、ＲＳＮ、ＲＳＦはそれぞれ、ＲＳＮ＝λＮ／（ＡＮσＮ）、ＲＳＦ＝λＦ／｛（１−σＦ２）（ＡＦσＦ）｝で定義される非磁性体、強磁性体のスピン抵抗であり、
λＮ、λＦはそれぞれ、非磁性体、強磁性体のスピン拡散長であり、
ＡＮ、ＡＦはそれぞれ、非磁性体、強磁性体のスピン流が流れる領域の断面積であり、
σＮ、σＦはそれぞれ、非磁性体、強磁性体の電気伝導率であり、
αＦは、強磁性体のスピン偏極率であり、
ｄは、２本の強磁性体細線間の距離である。
【００４１】
面内スピンバルブ構造は、図３に示すように、離間して配置した２本の強磁性体細線１２、１３に１本の非磁性体細線１４が架橋した構造を有する。
一方の強磁性体細線１２と参照電極１５との間に直流電流を印加し、別の強磁性体細線１３と参照電極１６との間の電圧を測定する。このとき、磁場を印加して２つの強磁性体細線の磁化を反転させる。素子の形状（サイズ）が異なっているため形状異方性の効果で反転磁場が異なるため、磁場領域によって強磁性体細線の磁化の向きが平行と反平行が形成できる。平行時と反平行時の電圧の差からスピン出力の抵抗を求めることができる。
強磁性体細線間距離ｄを、７ｎｍ〜１μｍの間の少なくとも５種類以上で測定した。精度を上げるためには、スピン拡散長の大きさにより強磁性体細線間距離ｄの数を決める必要がある。非局所測定では強磁性体細線間距離ｄを小さくし過ぎるとノイズが大きくなるので小さくできない。そのため、スピン拡散長が小さいときは、指数関数の裾の部分で測定を行うことになるが、測定の点すなわち、強磁性体細線間距離ｄの数を増やせば、測定精度は上がる。
強磁性体細線間距離を横軸とし、縦軸にスピン出力ΔＶをプロットし、式（２）によるフィッティングによって、各非磁性体のスピン拡散長を求めた。
表１中のＭｏ、ＷおよびＭｏＦｅ合金は、強磁性体細線間距離ｄを２５ｎｍから５ｎｍづつ大きくして５点とった。また、Ｎｂは、強磁性体細線間距離ｄを７ｎｍから１ｎｍづつ大きくして２０点とった。また、Ｐｄは、強磁性体細線間距離ｄを７ｎｍから１ｎｍづつ大きくして４０点とった。また、Ｐｔは、強磁性体細線間距離ｄを７ｎｍから１ｎｍづつ大きくして１００点とった。なお、製造装置の制約上、７ｎｍ以上の解像度が得ることをできていない。前述の強磁性体細線間距離ｄの変化は、設計上の値である。但し、十分な数の測定点数を計測することで、設計値と実際の値の誤差を統計的に補完した。
ＰｔやＰｄのようにスピン拡散長が短いものについては通常、スピンポンピング効果を利用する方法、ハンル効果を利用する方法で求める。
【００４２】
上述の測定では、強磁性体と非磁性体との界面にトンネル絶縁膜を有さない構成で行ったが、トンネル絶縁膜を有する構成で行ってもよい。例えば、トンネル絶縁膜としてＭｇＯからなるものを用いることにより、コヒーレントトンネルによってより大きな出力ΔＶを得られる。
【００４３】
（電気抵抗率）
図４に示すように、一般的な四端子法による測定を行った。参照電極間に直流電流を印加し、強磁性体細線間の電圧降下を測定した。また、素子のばらつきや誤差を避けるため、強磁性体細線間の距離の異なる素子の複数の結果から非磁性体細線の電気抵抗率を求めた。具体的には、強磁性体細線間の距離を横軸とし、縦軸に電気抵抗をプロットし、その傾きから電気抵抗率を求めた。
表１中のＭｏおよびＷは、強磁性体細線間距離ｄを５点とった。また、Ｎｂは、強磁性体細線間距離ｄを２０点とった。また、Ｐｄは、強磁性体細線間距離ｄを４０点とった。また、Ｐｔは、強磁性体細線間距離ｄを１００点とった。
【００４４】
以下では、スピン軌道トルク配線層の、少なくとも第２強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、第２強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きいことを前提に、スピン軌道トルク配線を構成し得る材料について説明する。
【００４５】
スピン軌道トルク配線は、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は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
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。かかる非磁性金属は、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２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。
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。
【００４６】
また、スピン軌道トルク配線は、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は、反強磁性金属だけからなってもよい。
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。
【００４７】
また、スピン軌道トルク配線は、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反転対称性の破れにより純スピン流を高効率で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、高効率でスピン流を生成することが可能である。
【００４８】
以下では、本発明のスピン流磁化反転素子の適用例として、主に磁気抵抗効果素子に適用した場合を例に挙げて説明する。用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、スピン流磁化反転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができるし、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印可する磁場をスピン流磁化反転素子に置き換えてもよい。
【００４９】
（磁気抵抗効果素子）
図５は、発明のスピン流磁化反転素子の応用例であり、また、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子部２０と、該磁気抵抗効果素子部２０の積層方向に対して交差する方向に延在し、磁気抵抗効果素子部２０（第２強磁性金属層２３）に接合するスピン軌道トルク配線４０とを備え、前記スピン軌道トルク配線層の、少なくとも前記第２強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、前記第２強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きい。本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、本発明のスピン流磁化反転素子１０１と、磁化の向きが固定された第１強磁性金属層２１と、非磁性層２２とを有する構成であると言うこともできる。
図５を含めて以下では、スピン軌道トルク配線が磁気抵抗効果素子部の積層方向に対して交差する方向に延在する構成の例として、直交する方向に延在する構成の場合について説明する。
図５においては、磁気抵抗効果素子部２０の積層方向に電流を流すための配線３０と、その配線３０を形成する基板１０と、キャップ層２４も示している。
以下、磁気抵抗効果素子部２０の積層方向をｚ方向、ｚ方向と垂直でスピン軌道トルク配線４０と平行な方向をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向と直交する方向をｙ方向とする。
図５に示した例では、第２強磁性金属層２３の上にスピン軌道トルク配線層４０が形成されているが、逆の順番で形成されていても構わない。
【００５０】
＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部２０は、磁化の向きが固定された第１強磁性金属層２１と、磁化の向きが可変な第２強磁性金属層２３と、第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２３に挟持された非磁性層２２とを有する。
第１強磁性金属層２１の磁化が一方向に固定され、第２強磁性金属層２３の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部２０として機能する。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１強磁性金属層の保持力は第２強磁性金属層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１強磁性金属層では反強磁性層との交換結合によって磁化の向きが固定される。
また、磁気抵抗効果素子部２０は、非磁性層２２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２２が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
【００５１】
本発明が備える磁気抵抗効果素子部としては、公知の磁気抵抗効果素子部の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第１強磁性金属層の磁化の向きを固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。
第１強磁性金属層２１は固定層や参照層、第２強磁性金属層２３は自由層や記憶層などと呼ばれる。
【００５２】
第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２３は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。
【００５３】
第１強磁性金属層２１の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から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。またこれらの金属と、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。
【００５４】
また、より高い出力を得るためには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族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、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。
【００５５】
また、第１強磁性金属層２１の第２強磁性金属層２３に対する保磁力をより大きくするために、第１強磁性金属層２１と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第１強磁性金属層２１の漏れ磁場を第２強磁性金属層２３に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
【００５６】
さらに第１強磁性金属層２１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第１強磁性金属層２１は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。
【００５７】
非磁性層２２には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層２２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、Ｍｇ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４Ｏ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。
また、非磁性層２２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。
【００５８】
また、第２強磁性金属層２３の非磁性層２２と反対側の面には、図５に示すようにキャップ層２４が形成されていることが好ましい。キャップ層２４は、第２強磁性金属層２３からの元素の拡散を抑制することができる。またキャップ層２４は、磁気抵抗効果素子部２０の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層２４を設けることで、磁気抵抗効果素子部２０の第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２３の磁性を安定化し、磁気抵抗効果素子部２０を低抵抗化することができる。
【００５９】
キャップ層２４には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。キャップ層２４の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて、ｆｃｃ構造、ｈｃｐ構造またはｂｃｃ構造から適宜設定することが好ましい。
【００６０】
また、キャップ層２４には、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウムからなる群から選択されるいずれかを用いることが好ましい。詳細は後述するが、キャップ層２４を介してスピン軌道トルク配線４０と磁気抵抗効果素子部２０が接続される場合、キャップ層２４はスピン軌道トルク配線４０から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。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。
【００６１】
キャップ層２４の厚みは、キャップ層２４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。キャップ層２４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４０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子部２０に十分伝えることができる。
【００６２】
＜基板＞
基板１０は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
【００６３】
基板１０の磁気抵抗効果素子部２０側の面には、下地層（図示略）が形成されていてもよい。下地層を設けると、基板１０上に積層される第２強磁性金属層２１を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。
【００６４】
下地層は、絶縁性を有していることが好ましい。配線３０等に流れる電流が散逸しないようにするためである。下地層には、種々のものを用いることができる。
例えば１つの例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。
【００６５】
他の例として、下地層にはＸＹＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＸはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＹはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。
【００６６】
他の例として、下地層には（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。
【００６７】
他の例として、下地層には（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。
【００６８】
また、下地層は一層に限られず、上述の例の層を複数層積層してもよい。下地層の構成を工夫することにより磁気抵抗効果素子部２０の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。
【００６９】
＜配線＞
配線３０は、磁気抵抗効果素子部２０の第２強磁性金属層２１に電気的に接続され、図５においては、配線３０とスピン軌道トルク配線４０と電源（図示略）とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部２０の積層方向に電流が流される。
【００７０】
配線３０は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
【００７１】
以下では図６〜図９を参照して、スピン軌道トルク配線層の、少なくとも第２強磁性金属層に接合する接合部分のスピン抵抗は、第２強磁性金属層のスピン抵抗よりも大きいことを前提に、スピン軌道トルク配線がとり得る構成について説明する。
【００７２】
図６〜図９は、スピン軌道トルク配線の実施形態を説明するための模式図であり、それぞれ、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【００７３】
本発明の磁気抵抗効果素子において、純スピン流によるＳＯＴのみで磁気抵抗効果素子の磁化反転を行う構成（以下、「ＳＯＴのみ」構成ということがある）であっても、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において純スピン流によるＳＯＴを併用する構成（以下、「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成ということがある）であっても、スピン軌道トルク配線に流す電流は電荷の流れを伴う通常の電流であるため、電流を流すとジュール熱が発生する。
図６〜図９に示すスピン軌道トルク配線の実施形態は、上述の材料以外の構成によって、スピン軌道トルク配線に流す電流によるジュール熱を低減する構成の例である。
【００７４】
「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成において、本発明の磁気抵抗効果素子部の磁化反転のために流す電流としては、ＳＴＴ効果を利用するために磁気抵抗効果素子部に直接流す電流（以下、「ＳＴＴ反転電流」ということがある。）の他に、ＳＯＴ効果を利用するためにスピン軌道トルク配線に流す電流（以下、「ＳＯＴ反転電流」ということがある。）がある。いずれの電流も電荷の流れを伴う通常の電流であるため、電流を流すとジュール熱が発生する。
この構成においては、ＳＴＴ効果による磁化反転とＳＯＴ効果による磁化反転を併用するため、ＳＴＴ効果だけで磁化反転を行う構成に比べてＳＴＴ反転電流は低減されるが、ＳＯＴ反転電流の分のエネルギーを消費することになる。
【００７５】
純スピン流を生成しやすい材料である重金属は、通常の配線として用いられる金属に比べて電気抵抗率が高い。
そのため、ＳＯＴ反転電流によるジュール熱を低減する観点では、スピン軌道トルク配線はすべてが純スピン流を生成しうる材料だけからなるよりも、電気抵抗率が小さい部分を有することが好ましい。すなわち、この観点では、スピン軌道トルク配線は純スピン流を生成する材料からなる部分（スピン流発生部）と、電気抵抗率が小さい導電部とからなるのが好ましい。導電部は、このスピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなるのが好ましい。
【００７６】
スピン流発生部は、純スピン流を生成しえる材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
導電部は、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。導電部は、スピン流発生部よりも電気抵抗率が小さい材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
なお、導電部において純スピン流が生成されても構わない。この場合、スピン流発生部と導電部との区別は、本明細書中にスピン流発生部及び導電部の材料として記載したものからなる部分はスピン流発生部または導電部であるとして区別できる。また、純スピン流を生成する主要部以外の部分であって、その主要部より電気抵抗率が小さい部分は導電部として、スピン流発生部と区別できる。
【００７７】
スピン流発生部は、非磁性の重金属を含んでもよい。この場合、純スピン流を生成しうる重金属を有限に含んでいればよい。さらにこの場合、スピン流発生部は、スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度領域であるか、または、純スピン流を生成しうる重金属が主成分例えば、９０％以上であることが好ましい。この場合の重金属は、純スピン流を生成しうる重金属が最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属１００％であることが好ましい。
ここで、スピン流発生部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ない濃度領域とは、例えば、銅を主成分とするスピン流発生部において、モル比で重金属の濃度が１０％以下を指す。スピン流発生部を構成する主成分が上述の重金属以外からなる場合、スピン流発生部に含まれる重金属の濃度はモル比で５０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。これらの濃度領域は、電子のスピン散乱の効果が有効に得られる領域である。重金属の濃度が低い場合、重金属よりも原子番号が小さい軽金属が主成分となる。なお、この場合、重金属は軽金属との合金を形成しているのではなく、軽金属中に重金属の原子が無秩序に分散していることを想定している。軽金属中ではスピン軌道相互作用が弱いため、スピンホール効果によって純スピン流は生成しにくい。しかしながら、電子が軽金属中の重金属を通過する際に、軽金属と重金属の界面でもスピンが散乱される効果があるため重金属の濃度が低い領域でも純スピン流が効率よく発生させることが可能である。重金属の濃度が５０％を超えると、重金属中のスピンホール効果の割合は大きくなるが、軽金属と重金属の界面の効果が低下するため総合的な効果が減少する。したがって、十分な界面の効果が期待できる程度の重金属の濃度が好ましい。
【００７８】
また、上述のスピン軌道トルク配線が磁性金属を含む場合、スピン軌道トルク配線におけるスピン流発生部を反強磁性金属をからなるものとすることができる。反強磁性金属は重金属が最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属１００％の場合と同等の効果を得ることができる。反強磁性金属は、例えば、ＩｒＭｎやＰｔＭｎが好ましく、熱に対して安定なＩｒＭｎがより好ましい。
また、上述のスピン軌道トルク配線がトポロジカル絶縁体を含む場合、スピン軌道トルク配線におけるスピン流発生部をトポロジカル絶縁体からなるものとすることができる。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でスピン流を生成することが可能である。
【００７９】
スピン軌道トルク配線で生成された純スピン流が実効的に磁気抵抗効果素子部に拡散していくためにはスピン流発生部の少なくとも一部が第２強磁性金属層に接合している必要がある。キャップ層を備える場合には、スピン流発生部の少なくとも一部がキャップ層に接合している必要がある。
【００８０】
本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線層は必ず、第２強磁性金属層に接合する接合部分を有するが、第２強磁性金属層に接合する接合部分はスピン流発生部の少なくとも一部であってもよい。
図６〜図９に示すスピン軌道トルク配線の実施形態はすべて、スピン流発生部の少なくとも一部が第２強磁性金属層に接合した構成である。
【００８１】
図６に示す実施形態では、スピン軌道トルク配線４０は、第２強磁性金属層２３との接合面４０’がすべてスピン流発生部４１からなり、スピン流発生部４１が導電部４２Ａ、４２Ｂに挟まれた構成である。
【００８２】
なお、スピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０Ｂとは、図６（ａ）の二点鎖線で示す部分であり、スピン軌道トルク配線のうち、積層方向から平面視して第２強磁性金属層に重なる部分（厚さ方向の部分も含む）を指す。すなわち、図６（ｂ）において、二点鎖線で示した第２強磁性金属層２３を平面図に投影した部分を、一方の表面４０ａ（図６（ａ）参照）から他方の表面４０ｂ（図６（ａ）参照）まで厚さ方向にずらしていったときに囲まれる部分がスピン軌道トルク配線の接合部分である。図６に示すスピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０Ｂはすべて、スピン流発生部４１からなる。すなわち、接合部分４０Ｂは、スピン流発生部４１の一部である。
ここで、スピン軌道トルク配線と第２強磁性金属層との接合は、「直接」接合してもよいし、後述するようにキャップ層のような「他の層を介して」接合してもよく、スピン軌道トルク配線で発生した純スピン流が第２強磁性金属層に流れ込む構成であれば、スピン軌道トルク配線と第２強磁性金属層との接合（接続あるいは結合）の仕方は限定されない。
【００８３】
ここで、スピン流発生部と導電部とが電気的に並列に配置する場合には、スピン軌道トルク配線に流れる電流はスピン流発生部及び導電部の抵抗の大きさの逆比の割合に分かれてそれぞれの部分を流れることになる。
ＳＯＴ反転電流に対する純スピン流生成効率の観点で、スピン軌道トルク配線に流れる電流がすべてスピン流発生部を流れるようにするためには、スピン流発生部と導電部とが電気的に並列に配置する部分がなく、すべて電気的に直列に配置するようにする。
図６〜図９に示すスピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子部の積層方向からの平面視で、スピン流発生部と導電部とが電気的に並列に配置する部分がない構成であり、（ａ）で示す断面を有する構成の中で、ＳＯＴ反転電流に対する純スピン流生成効率が最も高い構成の場合である。
【００８４】
図６に示すスピン軌道トルク配線４０は、そのスピン流発生部４１が磁気抵抗効果素子部２０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２３の接合部２３’を含むように重畳し、かつ、その厚さ方向はスピン流発生部４１だけからなり、電流の流れる方向に導電部４２Ａ、４２Ｂがスピン流発生部４１を挟むように配置する構成である。図６に示すスピン軌道トルク配線の変形例として、スピン流発生部が磁気抵抗効果素子部の積層方向から平面視して第２強磁性金属層の接合部に重なるように重畳し、それ以外は図６に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成がある。
【００８５】
図７に示すスピン軌道トルク配線４０は、そのスピン流発生部４１が磁気抵抗効果素子部２０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２３の接合部２３’の一部に重畳し、かつ、その厚さ方向はスピン流発生部４１だけからなり、電流の流れる方向に導電部４２Ａ、４２Ｂがスピン流発生部４１を挟むように配置する構成である。
【００８６】
なお、スピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０ＢＢとは、図７（ａ）の二点鎖線で示す部分であり、スピン軌道トルク配線のうち、積層方向から平面視して第２強磁性金属層に重なる部分（厚さ方向の部分も含む）を指す。図７に示すスピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０ＢＢは、スピン流発生部４１のすべてと導電部４２Ａ、４２Ｂの一部とからなる。
【００８７】
図８に示すスピン軌道トルク配線４０は、そのスピン流発生部４１が磁気抵抗効果素子部２０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２３の接合部２３’を含むように重畳し、かつ、その厚さ方向には第２強磁性金属層側からスピン流発生部４１と導電部４２Ｃが順に積層し、電流の流れる方向に導電部４２Ａ、４２Ｂがスピン流発生部４１及び導電部４２Ｃが積層する部分を挟むように配置する構成である。図８に示すスピン軌道トルク配線の変形例として、スピン流発生部が磁気抵抗効果素子部の積層方向から平面視して第２強磁性金属層の接合部に重なるように重畳し、それ以外は図８に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成がある。
【００８８】
なお、スピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０ＢＢＢとは、図８（ａ）の二点鎖線で示す部分であり、スピン軌道トルク配線のうち、積層方向から平面視して第２強磁性金属層に重なる部分（厚さ方向の部分も含む）を指す。図８に示すスピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０ＢＢＢはすべて、スピン流発生部４１からなる。すなわち、接合部分４０ＢＢＢは、スピン流発生部４１の一部である。
【００８９】
図９に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン流発生部４１が第２強磁性金属層側の一面全体に形成された第１スピン流発生部４１Ａと、第１スピン流発生部の上に積層され、磁気抵抗効果素子部２０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２３の接合部２３’を含むように重畳し、かつ、その厚さ方向はスピン流発生部だけからなる第２スピン流発生部４１Ｂと、電流の流れる方向に第２スピン流発生部４１Ｂを挟むように配置する導電部４２Ａ、４２Ｂとからなる構成である。図９に示すスピン軌道トルク配線の変形例として、第２スピン流発生部が磁気抵抗効果素子部の積層方向から平面視して第２強磁性金属層の接合部を重なるように重畳し、それ以外は図９に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成がある。
図９に示す構成では、スピン流発生部４１と導電部４２とが接する面積が広いため、スピン流発生部４１を構成する原子番号の大きい非磁性金属と導電部４２を構成する金属との密着性が高い。
【００９０】
なお、スピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０ＢＢＢＢとは、図９（ａ）の二点鎖線で示す部分であり、スピン軌道トルク配線のうち、積層方向から平面視して第２強磁性金属層に重なる部分（厚さ方向の部分も含む）を指す。図９に示すスピン軌道トルク配線４０の、第２強磁性金属層２３に接合する接合部分４０ＢＢＢＢはすべて、スピン流発生部４１からなる。すなわち、接合部分４０ＢＢＢＢは、スピン流発生部４１の一部である。
【００９１】
本発明の磁気抵抗効果素子は公知の方法を用いて製造することができる。以下、図６〜図９に図示した磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
まず、磁気抵抗効果素子部２０例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成することができる。磁気抵抗効果素子部２０がＴＭＲ素子の場合、例えば、トンネルバリア層は第１強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のアルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって形成される。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の薄膜作成法を用いることができる。
磁気抵抗効果素子部２０の成膜及び形状の形成を行った後、スピン流発生部４１を最初に形成することが好ましい。これはスピン流発生部４１から磁気抵抗効果素子部２０に純スピン流の散乱をできるだけ抑制できる構造にすることが高効率化に繋がるからである。
磁気抵抗効果素子部２０の成膜及び形状の形成を行った後、加工後の磁気抵抗効果素子部２０の周囲をレジスト等で埋めて、磁気抵抗効果素子部２０の上面を含む面を形成する。この際、磁気抵抗効果素子部２０の上面を平坦化することが好ましい。平坦化することで、スピン流発生部４１と磁気抵抗効果素子部２０の界面におけるスピン散乱を抑制することができる。
次に、平坦化した磁気抵抗効果素子部２０の上面にスピン流発生部４１の材料を成膜する。成膜はスパッタ等を用いることができる。
次に、スピン流発生部４１を作製したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部を除去する。
次に、導電部４２を構成する材料をスパッタ等で成膜し、レジスト等を剥離することで、スピン軌道トルク配線４０が作製される。スピン流発生部４１の形状が複雑な場合は、レジストまたは保護膜の形成と、スピン流発生部４１の成膜を複数回に分けて形成してもよい。
【００９２】
スピン軌道トルク配線層は第２強磁性金属層に接合する部分の少なくとも一部に狭窄部を有してもよい。狭窄部は、スピン軌道トルク配線層の延在方向（長手方向）に直交する断面で切った断面積が狭窄部以外の部分の断面積より小さい部分である。スピン軌道トルク配線層に流れる電流はこの狭窄部で電流密度が高くなり、高密度の純スピン流が第２強磁性金属層に流れ込むことになる。
【００９３】
図１０は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子をｙｚ平面で切断した断面模式図である。
図１０に基づいて、磁気抵抗効果素子１００が「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成である場合の作用について説明する。
【００９４】
図１０に示すように磁気抵抗効果素子１００には２種類の電流がある。一つは、磁気抵抗効果素子２０をその積層方向に流れ、スピン軌道トルク配線４０及び配線３０に流れる電流Ｉ１（ＳＴＴ反転電流）である。図１０においては、電流Ｉ１はスピン軌道トルク配線４０、磁気抵抗効果素子２０、配線３０の順に流れるものとする。この場合、電子は配線３０、磁気抵抗効果素子２０、スピン軌道トルク配線４０の順に流れる。
もう一つは、スピン軌道トルク配線４０の延在方向に流れる電流Ｉ２（ＳＯＴ反転電流）である。
電流Ｉ１と電流Ｉ２とは互いに交差（直交）するものであり、磁気抵抗効果素子２０とスピン軌道トルク配線４０とが接合する部分（符号２４’は磁気抵抗効果素子２０（キャップ層２４）側の接合部を示し、符号４０’はスピン軌道トルク配線４０側の接合部を示す）において、磁気抵抗効果素子２０に流れる電流とスピン軌道トルク配線４０に流れる電流が合流し、または、分配される。
【００９５】
電流Ｉ１を流すことより、第２強磁性金属層（固定層）２１の磁化と同じ方向を向いたスピンを有する電子が第２強磁性金属層（固定層）２１からスピンの向きを維持したまま、非磁性層２２を通過し、この電子は、第１強磁性金属層（自由層）２３の磁化Ｍ２３の向きを第２強磁性金属層（固定層）２１の磁化Ｍ２１の向きに対して反転して平行にするようにトルク（ＳＴＴ）を作用する。
【００９６】
一方、電流Ｉ２は図２に示す電流Ｉに対応する。すなわち、電流Ｉ２を流すと、上向きスピンＳ＋と下向きスピンＳ−がそれぞれスピン軌道トルク配線４０の端部に向かって曲げられ純スピン流Ｊｓが生じる。純スピン流Ｊｓは、電流Ｉ２の流れる方向と垂直な方向に誘起される。すなわち、図におけるｚ軸方向やｘ軸方向に純スピン流Ｊｓが生じる。図１０では、第１強磁性金属層２３の磁化の向きに寄与するｚ軸方向の純スピン流Ｊｓのみを図示している。
【００９７】
スピン軌道トルク配線４０に図の手前側に電流Ｉ２を流すことにより生じた純スピン流Ｊｓは、キャップ層２４を介して第１強磁性金属層２３に拡散して流れ込み、流れ込んだスピンは第１強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３に影響を及ぼす。すなわち、図１０では、−ｘ方向に向いたスピンが第１強磁性金属層２３に流れ込むことで＋ｘ方向に向いた第１強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３の磁化反転を起こそうとするトルク（ＳＯＴ）が加わる。
【００９８】
以上の通り、第１電流経路Ｉ１に流れる電流によって生じるＳＴＴ効果に、第２電流経路Ｉ２に流れる電流によって生じた純スピン流ＪｓによるＳＯＴ効果が加わって、第１強磁性金属層２３の磁化Ｍ２３を磁化反転させる。
【００９９】
ＳＴＴ効果のみで第１強磁性金属層２３の磁化を反転させようとする（すなわち、電流Ｉ１のみに電流が流れる）と、磁気抵抗効果素子２０には所定の電圧以上の電圧を印加する必要がある。ＴＭＲ素子の一般的な駆動電圧は数Ｖ以下と比較的小さいが、非磁性層２２は数ｎｍ程度の非常に薄い膜であり、絶縁破壊が生じることがある。非磁性層２２に通電を続けることで、確率的に非磁性層の弱い部分（膜質が悪い、膜厚が薄い等）が破壊される。
【０１００】
本発明の「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成の場合の磁気抵抗効果素子は、ＳＴＴ効果の他に、ＳＯＴ効果を利用する。これにより、磁気抵抗効果素子に印加する電圧を小さくすることができ、かつスピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度も小さくすることができる。磁気抵抗効果素子に印加する電圧を小さくすることで、素子の長寿命化を図ることができる。またスピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度を小さくすることで、エネルギー効率が著しく低下することを避けることができる。
【０１０１】
スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２未満であることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線に流れる電流によって熱が生じる。熱が第１強磁性金属層に加わると、第１強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。
【０１０２】
図１１は、本発明の他の「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成の磁気抵抗効果素子の例を示すものである。
図１１に示す磁気抵抗効果素子２００において、スピン軌道トルク配線５０は磁気抵抗効果素子２０の積層方向に備えた上面接合部５１（上述のスピン軌道トルク配線４０に相当）の他に、第１強磁性金属層２３の側壁に接合する側壁接合部５２を有する。
【０１０３】
スピン軌道トルク配線５０に電流を流すと、上面接合部５１で生成される純スピン流Ｊｓに加えて、側壁接合部５２で純スピン流Ｊｓ’が生成される。
従って、純スピン流Ｊｓが磁気抵抗効果素子２０の上面からキャップ層２４を介して第１強磁性金属層２３に流れ込むだけでなく、純スピン流Ｊｓ’が第１強磁性金属層２３の側壁から流れ込むので、ＳＯＴ効果が増強される。
【０１０４】
図１２は、本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示すものである。
図１２に示す磁気抵抗効果素子３００では、基板１０側にスピン軌道トルク配線４０を有する。この場合、固定層である第１強磁性金属層２３と自由層である第２強磁性金属層２４の積層順が図１に示す磁気抵抗効果素子１００とは逆になる。
【０１０５】
図１２に示す磁気抵抗効果素子３００では、基板１０、スピン軌道トルク配線４０、第１強磁性金属層２３、非磁性層２２、第２強磁性金属層２１、キャップ層２４、配線３０の順で積層される。第１強磁性金属層２３は、第３強磁性金属層２１よりも先に積層されるため、格子歪等の影響を受ける可能性が磁気抵抗効果素子１００より低い。その結果、磁気抵抗効果素子３００では、第１強磁性金属層２３の垂直磁気異方性を高められている。第２１強磁性金属層２３の垂直磁気異方性が高まると、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高めることができる。
【０１０６】
図１３は、図１に示した磁気抵抗効果素子１００において、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に電流を流す第１電源１１０と、スピン軌道トルク配線４０に電流を流す第２電源１２０とを示したものである。
図５や図１３に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子１００において、積層が後で基板１０から遠い側に配置する第２強磁性金属層２３が磁化自由層とされ、積層が先で基板１０に近い側に配置する第２強磁性金属層２１が磁化固定層（ピン層）とされている、いわゆるボトムピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子１００の構造は特に限定されるものではなく、いわゆるトップピン構造であってもよい。
【０１０７】
第１電源１１０は、配線３０とスピン軌道トルク配線４０とに接続される。第１電源１１０は磁気抵抗効果素子１００の積層方向に流れる電流を制御することができる。
第２電源１２０は、スピン軌道トルク配線４０の両端に接続されている。第２電源１２０は、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に対して直交する方向に流れる電流である、スピン軌道トルク配線４０に流れる電流を制御することができる。
【０１０８】
上述のように、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に流れる電流はＳＴＴを誘起する。これに対して、スピン軌道トルク配線４０に流れる電流はＳＯＴを誘起する。ＳＴＴ及びＳＯＴはいずれも第１強磁性金属層２３の磁化反転に寄与する。
【０１０９】
このように、磁気抵抗効果素子２０の積層方向と、この積層方向に直行する方向に流れる電流量を２つの電源によって制御することで、ＳＯＴとＳＴＴが磁化反転に対して寄与する寄与率を自由に制御することができる。
【０１１０】
例えば、デバイスに大電流を流すことができない場合は磁化反転に対するエネルギー効率の高いＳＴＴが主となるように制御することができる。すなわち、第１電源１１０から流れる電流量を増やし、第２電源１２０から流れる電流量を少なくすることができる。
また、例えば薄いデバイスを作製する必要があり、非磁性層２２の厚みを薄くせざる得ない場合は、非磁性層２２に流れる電流を少なくことが求められる。この場合は、第１電源１１０から流れる電流量を少なくし、第２電源１２０から流れる電流量を多くし、ＳＯＴの寄与率を高めることができる。
【０１１１】
第１電源１１０及び第２電源１２０は公知のものを用いることができる。
【０１１２】
上述のように、本発明の「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成の場合の磁気抵抗効果素子によれば、ＳＴＴ及びＳＯＴの寄与率を、第１電源及び第２電源から供給される電流量により自由に制御することができる。そのため、デバイスに要求される性能に応じて、ＳＴＴとＳＯＴの寄与率を自由に制御することができ、より汎用性の高い磁気抵抗効果素子として機能することができる。
【０１１３】
（磁気メモリ）
本発明の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本発明の磁気抵抗効果素子を複数備える。
【０１１４】
（磁化反転方法）
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線に流れる電流密度が１×１０７Ａ／ｃｍ２未満とするものである。
スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線に流れる電流によって熱が生じる。熱が第１強磁性金属層に加わると、第１強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。
【０１１５】
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成の場合、スピン軌道トルク配線の電源に電流を印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加してもよい。
ＳＯＴ磁化反転工程とＳＴＴ磁化反転工程は、同時に行ってもよいし、ＳＯＴ磁化反転工程を事前に行った後にＳＴＴ磁化反転工程を加えて行ってもよい。すなわち、図１３に示す磁気抵抗効果素子１００においては、第１電源１１０と第２電源１２０から電流を同時に供給してもよいし、第２電流１２０から電流を供給後に、加えて第１電源１１０から電流を供給してもよいが、ＳＯＴを利用した磁化反転のアシスト効果をより確実に得るためには、スピン軌道トルク配線の電源に電流が印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加することが好ましい。すなわち、第２電流１２０から電流を供給後に、加えて第１電源１１０から電流を供給することが好ましい。
【符号の説明】
【０１１６】
１…第２強磁性金属層、２…スピン軌道トルク配線、１０…基板、２０…磁気抵抗効果素子、２１…第１強磁性金属層、２２…非磁性層、２３…第２強磁性金属層、２３’…接合部（第２強磁性金属層側）、２４…キャップ層、２４’…接合部（キャップ層側）、３０…配線、４０、５０、５１、５２…スピン軌道トルク配線、４０Ｂ…接合部分、４０’…接合部（スピン軌道トルク配線側）、４１、４１Ａ、４１Ｂ…スピン流発生部、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ…低抵抗部、１００，２００，３００…磁気抵抗効果素子、１０１…スピン流磁化反転素子、Ｉ…電流、Ｓ＋…上向きスピン、Ｓ−…下向きスピン、Ｍ２１，Ｍ２３…磁化、Ｉ１…第１電流経路、Ｉ２…第２電流経路、１１０…第１電源、１２０…第２電源
【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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【国際調査報告】
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