(57)【要約】  本発明のスピン流磁化反転素子は、磁化の向きが可変な第１強磁性金属層と、第１強磁性金属層の積層方向に対して交差する方向に延在し、第１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、スピン軌道トルク配線は狭窄部を有し、狭窄部の少なくとも一部が第１強磁性金属層との接合部分を構成している。
2017090728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが可変な第１強磁性金属層と、
前記第１強磁性金属層の積層方向に対して交差する方向に延在し、前記第１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は狭窄部を有し、
該狭窄部の少なくとも一部が前記第１強磁性金属層との接合部分を構成している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は、スピン流を発生する材料からなるスピン流発生部と該スピン流発生部よりも電気抵抗率が低い材料からなる低抵抗部とを有し、
前記狭窄部はスピン流発生部の少なくとも一部である請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項３】
前記スピン軌道トルク配線は、スピン流を発生する材料からなるスピン流発生部と該スピン流発生部よりも電気抵抗率が低い材料からなる低抵抗部とを有し、
前記スピン流発生部は狭窄部の少なくとも一部である請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項４】
前記スピン軌道トルク配線において、前記狭窄部は少なくともその厚みが狭窄部以外の部分の厚みより薄い請求項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において、前記狭窄部は前記積層方向から平面視して少なくともその幅が狭窄部以外の部分の幅より狭い請求項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】
前記スピン軌道トルク配線は、前記積層方向から平面視して前記第１強磁性金属層を覆うように設置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項７】
前記スピン流発生部は、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２〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項８】
前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性金属層に接合する面の反対側の面に接合する絶縁層をさらに備える請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、
磁化方向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１０】
請求項９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、およ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）．
【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。
また、ＴＭＲ素子への情報の書き込み時に磁化反転を起こすためには読み込み時よりも十分大きな電流を通電する必要がある。ＴＭＲ素子の耐久性という観点からはＴＭＲ素子への情報の書き込み時にＴＭＲ素子への情報の書き込み時へ印加する電流は低い方が望ましい。
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磁気抵抗効果素子を流れる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】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、純スピン流による磁化反転を利用するスピン流磁化反転素子、及び、スピン流磁化反転素子を用いた磁気抵抗効果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】
【０００８】
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。【０００９】
（１）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、磁化の向きが可変な第１強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層の積層方向に対して交差する方向に延在し、前記第１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は狭窄部を有し、該狭窄部の少なくとも一部が前記第１強磁性金属層との接合部分を構成している。【００１０】
（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は、スピン流を発生する材料からなるスピン流発生部と該スピン流発生部よりも電気抵抗率が低い材料からなる低抵抗部とを有し、前記狭窄部は前記スピン流発生部の少なくとも一部であってもよい。【００１１】
（３）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は、スピン流を発生する材料からなるスピン流発生部と該スピン流発生部よりも電気抵抗率が低い材料からなる低抵抗部とを有し、前記スピン流発生部は前記狭窄部の少なくとも一部であってもよい。【００１２】
（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、前記スピン軌道トルク配線において、前記狭窄部は少なくともその厚みが狭窄部以外の部分の厚みより薄くてもよい。【００１３】
（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、前記狭窄部は前記積層方向から平面視して少なくともその幅が狭窄部以外の部分の幅より狭くてもよい。【００１４】
（６）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において、前記スピン軌道トルク配線は、前記積層方向から平面視して前記第１強磁性金属層を覆うように設置されていてもよい。【００１５】
（７）上記（１）〜（６）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、前記スピン流発生部は、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。【００１６】
（８）上記（１）〜（７）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の前記第１強磁性金属層に接合する面の反対側の面に接合する絶縁層をさらに備えてもよい。【００１７】
（９）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子と、磁化方向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。【００１８】
（１０）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（９）に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える。【００１９】
磁化反転方法は、上記（１）〜（８）に記載のスピン流磁化反転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】
【００２０】
本発明のスピン流磁化反転素子によれば、純スピン流を利用した磁化反転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のスピン流磁化反転素子における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）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明のスピン流磁化反転素子における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）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明のスピン流磁化反転素子における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）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明のスピン流磁化反転素子における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的に示す平面図である。
【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】スピンホール効果について説明するための模式図である。
【図７】本発明のスピン流磁化反転素子における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８】本発明のスピン流磁化反転素子における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】本発明のスピン流磁化反転素子における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】本発明のスピン流磁化反転素子における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１１】図７の構成において、スピン軌道トルク配線４０の第１強磁性金属層が形成された面とは反対側の面上に絶縁層５が形成された構成を示す断面模式図である。
【図１２】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１３】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１４】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１５】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】
【００２２】
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。
【００２３】
（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）の長手方向の中心線に沿った断面図（第１強磁性金属層２の中心を通る断面図）である。
スピン流磁化反転素子１Ａは、磁化の向きが可変な第１強磁性金属層２と、第１強磁性金属層の積層方向に対して交差する方向に延在し、第１強磁性金属層２に接合するスピン軌道トルク配線３と、を備え、スピン軌道トルク配線３は狭窄部３ｂを有し、狭窄部３ｂの少なくとも一部が第１強磁性金属層２との接合部分３Ｂを構成しているものである。
スピン軌道トルク配線３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発生する（生成される）材料を含むものであり、発生した純スピン流は第１強磁性金属層２との接合部分３Ｂから第１強磁性金属層２中へ拡散して注入される。
【００２４】
なお、図１において符号３Ｂで示す接合部分とは、スピン軌道トルク配線３のうち、平面視して第１強磁性金属層２に重なる部分（厚さ方向の部分も含む）を指す。すなわち、第１強磁性金属層２を平面図に投影した部分を点線で示した図１（ａ）において、その点線を一方の表面３ｂａ（図１（ｂ）参照）から他方の表面３ｂｂ（図１（ｂ）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３の接合部分３Ｂである。
ここで、スピン軌道トルク配線３と第１強磁性金属層２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３で発生した純スピン流が第１強磁性金属層２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）の仕方は限定されない。
【００２５】
スピン軌道トルク配線３は狭窄部３ｂを有する。狭窄部３ｂは、スピン軌道トルク配線３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３ｂ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３に流れる電流は、この狭窄部３ｂで電流密度が高くなる。
スピン軌道トルク配線３は狭窄部３ｂを複数備えてもよい。この複数の狭窄部の断面積は大きさが異なっていてもよい。各狭窄部の断面積は、その狭窄部を直接挟む、狭窄部以外の部分の断面積よりは小さい。
また、図１に示すスピン軌道トルク配線３が有する狭窄部３ｂは、その一部である接合部分３Ｂが第１強磁性金属層２の面２ａに接合している。スピン軌道トルク配線３に流れる電流は狭窄部３ｂにおいてその電流密度が高くなり、発生する純スピン流の密度が高くなる。その高密度の純スピン流は、狭窄部３ｂを有さない場合と比較して第１強磁性金属層２の磁化反転をより促進する。
図１に示すスピン軌道トルク配線３の狭窄部３ｂは、積層方向から平面視してその幅は狭窄部３ｂ以外の部分３ａ、３ａとほぼ同じ幅であるが、その厚みが狭窄部３ｂ以外の部分３ａ、３ａと比較して厚みが薄い。この構造によって、狭窄部３ｂは狭窄部３ｂ以外の部分３ａ、３ａよりも、スピン軌道トルク配線３の長手方向に直交する断面で切った断面積が小さくなっている。
なお、図１において、狭窄部３ｂを挟む狭窄部３ｂ以外の部分３ａ、３ａにおいて、狭窄部３ｂ近傍で図示の都合上、２種類の模様の部分が図示されているが、本発明において、狭窄部３ｂとは断面積が狭くなっている部分だけであり、断面積が狭くなっていない部分は狭窄部３ｂ以外の部分３ａ、３ａに相当する。この点は他の図においても同様である。
【００２６】
図２に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子の他の例の模式図を示す。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は長手方向の中心線に沿った断面図（第１強磁性金属層２の中心を通る断面図）である。
図２に示すスピン軌道トルク配線１３が有する狭窄部１３ｂは、その一部である接合部分１３Ｂが第１強磁性金属層２の面２ａに接合している。スピン軌道トルク配線１３に流れる電流は狭窄部１３ｂにおいてその電流密度が高くなり、発生する純スピン流の密度が高くなる。その高密度の純スピン流は、狭窄部１３ｂを有さない場合と比較して第１強磁性金属層２の磁化反転をより促進する。
図２に示すスピン流磁化反転素子１Ｂでは、狭窄部１３ｂは図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す通り、厚みは狭窄部１３ｂ以外の部分１３ａ、１３ａと同じであるが、幅については積層方向から平面視して、第１強磁性金属層２との接合部分１３Ｂに近づくにつれて幅が狭くなるテーパー部１３ｂａ、１３ｂｃと、それらテーパー部１３ｂａ、１３ｂｃの間に挟まれ、狭窄部１３ｂ以外の部分１３ａ、１３ａよりも幅が狭く、接合部分１３Ｂを含む幅狭部１３ｂｂとからなる。
図２に示すスピン軌道トルク配線１３の狭窄部１３ｂは、この構造によって、狭窄部１３ｂは狭窄部１３ｂ以外の部分１３ａ、１３ａよりも、スピン軌道トルク配線１３の長手方向に直交する断面で切った断面積が小さくなっている。
【００２７】
図３に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子の他の例の模式図を示す。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は長手方向の中心線に沿った断面図（第１強磁性金属層２の中心を通る断面図）である。
図３に示すスピン軌道トルク配線３３が有する狭窄部３３ｂは、その一部である接合部分３３Ｂが第１強磁性金属層２の面２ａに接合している。スピン軌道トルク配線３３に流れる電流は狭窄部においてその電流密度が高くなり、発生する純スピン流の密度が高くなる。その高密度の純スピン流は、狭窄部３３ｂを有さない場合と比較して第１強磁性金属層２の磁化反転をより促進する。
図３に示すスピン流磁化反転素子１Ｃでは、狭窄部３３ｂは図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す通り、積層方向から平面視してその幅は狭窄部３３ｂ以外の部分３３ａ、３３ａより広いが、その厚みが狭窄部３３ｂ以外の部分３３ａ、３３ａと比較して厚みが薄い。この構造によって、狭窄部３３ｂは狭窄部３３ｂ以外の部分３３ａ、３３ａよりも、スピン軌道トルク配線３３の長手方向に直交する断面で切った断面積が小さくなっている。
【００２８】
図１〜図３に示した例では、スピン軌道トルク配線は、積層方向から平面視して第１強磁性金属層を覆う（重なる）ように設置されている。
これは、図４に示す例のように、スピン軌道トルク配線４３が第１強磁性金属層２に重ならない部分があると、スピン軌道トルク配線４３で生成したスピン流が第１強磁性金属層２に十分に流れないという不都合が生じてしまうからである。図４に示す例では、スピン軌道トルク配線４３は狭窄部４３ｂとそれを挟む部分４３ａ、４３ａとからなる。
【００２９】
図１〜図３に示した例では、スピン軌道トルク配線３、１３、３３は、次のように作成する。第１強磁性金属層２を成膜し、平面形状を形成した後、第１強磁性金属層２の側壁が露出しないように絶縁層を形成する。ＣＭＰ法によって平坦性が高い第１強磁性金属層２の上部を露出させ、スピン軌道トルク配線３、１３、３３の狭窄部３ｂ、１３ｂ、３３ｂの材料を成膜する。図１〜図３の（ａ）に記載されているような平面構造を形成し、スピン軌道トルク配線３、１３、３３の狭窄部３ｂ、１３ｂ、３３ｂと電気的に接合できるようにスピン軌道トルク配線３、１３、３３の狭窄部３ｂ、１３ｂ、３３ｂ以外の部分３ａ、１３ａ、３３ａを設置する。
なお、図１〜図３に示した例では、第１強磁性金属層２の上にスピン軌道トルク配線３、１３、３３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。
【００３０】
第１強磁性金属層については後述する。
また、スピン軌道トルク配線についても後でさらに詳述する。
【００３１】
以下に、上記のスピン流磁化反転素子を用いた磁気抵抗効果素子について説明するが、上記のスピン流磁化反転素子の用途としては磁気抵抗効果素子に限られない。他の用途としては、例えば、上記の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加する磁場をＳＯＴに置き換えてもよい。
【００３２】
（磁気抵抗効果素子）
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、上記のスピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層と第２強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備えるものである。
【００３３】
図５は、本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でもある磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。なお、図５においては、スピン軌道トルク配線の狭窄部は図示を省略している。
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に接合するスピン軌道トルク配線４０とを有する。
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。
【００３４】
＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部２０は、磁化方向が固定された第２強磁性金属層２１と、磁化の向きが可変な第１強磁性金属層２３と、第２強磁性金属層２１及び第１強磁性金属層２３に挟持された非磁性層２２とを有する。
第２強磁性金属層２１の磁化が一方向に固定され、第１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２強磁性金属層の保持力は第１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２強磁性金属層２１では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。
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。
【００３５】
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２強磁性金属層の磁化方向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２強磁性金属層２１は磁化固定層や参照層、第１強磁性金属層２３は磁化自由層や記憶層などと呼ばれる。
【００３６】
第２強磁性金属層２１及び第１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。
【００３７】
第２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。
【００３８】
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。
【００３９】
また、第２強磁性金属層２１の第１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２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２強磁性金属層２１の漏れ磁場を第１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。
【００４０】
さらに第２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２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。
【００４１】
第１強磁性金属層２３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。
【００４２】
第１強磁性金属層２３の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第１強磁性金属層の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第１強磁性金属層２３と非磁性層２２の界面で、第１強磁性金属層２３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１強磁性金属層２３の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層２３の膜厚は薄い方が好ましい。
【００４３】
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、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。
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。
【００４４】
また、第１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１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２強磁性金属層２１及び第１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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線４０は、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、第１強磁性金属層２３と接合する。スピン軌道トルク配線４０は、該スピン軌道トルク配線４０に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電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、磁気抵抗効果素子部２０に純スピン粒を注入するスピン注入手段として機能する。
スピン軌道トルク配線４０は、第１強磁性金属層２３に直接接続されていてもよいし、他の層を介して例えば、図５に示すようにキャップ層２４を介して接続されていてもよい。
【００４９】
スピン軌道トルク配線４０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発生する（生成される）材料を含む。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。
【００５０】
図６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６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。
【００５１】
図６に示すように、スピン軌道トルク配線４０の延在方向に電流Ｉを流すと、上向きスピンＳ＋と下向きスピンＳ−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。
【００５２】
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６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６において、スピン軌道トルク配線４０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。
本発明のスピン流磁化反転素子では、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１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）効果で磁化自由層である第１強磁性金属層の磁化反転に寄与するものである。
本発明のスピン流磁化反転素子すなわち、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素子は、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子部において強磁性金属層の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできるし、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部において用いることもできる。
【００５３】
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。
【００５４】
スピン軌道トルク配線４０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４０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４０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。
【００５５】
また、スピン軌道トルク配線４０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４０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４０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。
【００５６】
また、スピン軌道トルク配線４０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４０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。
【００５７】
＜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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
＜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。
【００６５】
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。
【００６６】
図７〜図１０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。図７〜図１０に示すスピン軌道トルク配線の狭窄部としては、その厚みが狭窄部以外の部分よりも薄く、その幅は狭窄部以外の部分と同じ構成の場合を例示している。
【００６７】
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７〜図１０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。
【００６８】
「ＳＴＴ及びＳＯＴ併用」構成において、本発明の磁気抵抗効果素子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。
【００６９】
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発生する材料からなる部分（スピン流発生部）と、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部分（低抵抗部）とからなるのが好ましい。
【００７０】
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。
スピン流発生部は、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。
低抵抗部は、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。低抵抗部は、スピン流発生部よりも電気抵抗率が低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、低抵抗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、スピン流発生部と低抵抗部との区別は、本明細書中にスピン流発生部及び低抵抗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低抵抗部であるとして区別できる。また、純スピン流を発生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低い部分は低抵抗部として、スピン流発生部と区別できる。
【００７１】
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、モル比で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。
【００７２】
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。
【００７３】
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１強磁性金属層に接触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触している必要がある。図７〜図１０に示すスピン軌道トルク配線の実施形態はすべて、スピン流発生部は少なくとも一部が第１強磁性金属層に接触した構成である。
【００７４】
図７に示す実施形態では、スピン軌道トルク配線４０は、第１強磁性金属層との接合部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が低抵抗部４２Ａ、４２Ｂに挟まれた構成である。また、図７に示すスピン軌道トルク配線４０は、その狭窄部がスピン流発生部４１の一部である構成である。また、図７に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン軌道トルク配線４０における第１強磁性金属層２３との接合部分がスピン流発生部４１の一部である構成である。
図７に示すスピン軌道トルク配線４０が有する狭窄部は、その一部である接合部分が第１強磁性金属層２３の面に接合している。スピン軌道トルク配線４０に流れる電流は狭窄部においてその電流密度が高くなり、発生する純スピン流の密度が高くなる。その高密度の純スピン流は、狭窄部を有さない場合と比較して第１強磁性金属層２３の磁化反転をより促進する。
【００７５】
ここで、スピン流発生部４１と低抵抗部４２Ａ、４２Ｂ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４０に流れる電流はスピン流発生部及び低抵抗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発生効率の観点で、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、スピン流発生部と低抵抗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７〜図１０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、スピン流発生部と低抵抗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。
【００７６】
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１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低抵抗部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７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１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７に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成がある。
【００７７】
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１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低抵抗部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。また、図８に示すスピン軌道トルク配線４０は、その狭窄部がスピン流発生部４１の一部である構成である。また、図８に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン軌道トルク配線４０における第１強磁性金属層との接合部分がスピン流発生部４１の一部である構成である。
図８に示すスピン軌道トルク配線４０が有する狭窄部は、その一部である接合部分が第１強磁性金属層２３の面に接合している。スピン軌道トルク配線に流れる電流は狭窄部においてその電流密度が高くなり、発生する純スピン流の密度が高くなる。その高密度の純スピン流は、狭窄部を有さない場合と比較して第１強磁性金属層の磁化反転をより促進する。
【００７８】
図９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１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１強磁性金属層側からスピン流発生部４１と低抵抗部４２Ｃが順に積層し、電流の流れる方向に低抵抗部４２Ａ、４２Ｂがスピン流発生部４１及び低抵抗部４２Ｃが積層する部分を挟むように配置する構成である。また、図９に示すスピン軌道トルク配線４０は、その狭窄部の一部がスピン流発生部４１である構成である。また、図９に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン軌道トルク配線４０における第１強磁性金属層との接合部分がスピン流発生部４１及び低抵抗部４２Ｃの一部である構成である。
図９に示すスピン軌道トルク配線４０が有する狭窄部は、その一部である接合部分が第１強磁性金属層２３の面に接合している。スピン軌道トルク配線に流れる電流は狭窄部においてその電流密度が高くなり、発生する純スピン流の密度が高くなる。その高密度の純スピン流は、狭窄部を有さない場合と比較して第１強磁性金属層の磁化反転をより促進する。
図９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１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９に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成がある。
【００７９】
図１０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１強磁性金属層２３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４１Ａ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１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低抵抗部４２Ａ、４２Ｂとからなる構成である。
また、図１０に示すスピン軌道トルク配線４０は、その狭窄部の一部がスピン流発生部４１の一部である構成である。また、図１０に示すスピン軌道トルク配線４０は、スピン軌道トルク配線４０における第１強磁性金属層２３との接合部分がスピン流発生部４１の一部である構成である。
図１０に示すスピン軌道トルク配線４０が有する狭窄部は、その一部である接合部分が第１強磁性金属層２３の面に接合している。スピン軌道トルク配線４０に流れる電流は狭窄部においてその電流密度が高くなり、発生する純スピン流の密度が高くなる。その高密度の純スピン流は、狭窄部を有さない場合と比較して第１強磁性金属層２３の磁化反転をより促進する。
図１０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１０に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成がある。
図１０に示す構成では、スピン流発生部４１と低抵抗部４２Ａ、４２Ｂ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低抵抗部４２Ａ、４２Ｂを構成する金属との密着性が高い。
【００８０】
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７〜図１０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、低抵抗部４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ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。
【００８１】
図１１は、図７の構成において、スピン軌道トルク配線４０の第１強磁性金属層２３が形成された面とは反対側の面上に絶縁層５が形成された構成を示す。
本発明のスピン流磁化反転素子及び磁気抵抗効果素子においては、スピン軌道トルク配線４０の狭窄部において電流密度を高めて、高密度の純スピン流を第１強磁性金属層２３に流し込む構成としているが、スピン軌道トルク配線４０から電流が漏れていくルートを堰き止めるために、スピン軌道トルク配線４０の第１強磁性金属層２３が形成された面とは反対側の面上に絶縁層５を形成したものである。
スピン軌道トルク配線４０の第１強磁性金属層２３に接合されている面側は、素子において、層間絶縁膜を形成しておくことでスピン軌道トルク配線４０から電流が漏れていくのが防止される。
【００８２】
図１２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１２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。
【００８３】
図１２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、磁気抵抗効果素子部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１２においては、電流Ｉ１はスピン軌道トルク配線４０、磁気抵抗効果素子部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、磁気抵抗効果素子部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、磁気抵抗効果素子部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部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、磁気抵抗効果素子部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。
【００８４】
電流Ｉ１を流すことより、第２強磁性金属層（磁化固定層）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（磁化固定層）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（磁化自由層）２３の磁化Ｍ２３の向きを第２強磁性金属層（磁化固定層）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。
【００８５】
一方、電流Ｉ２は図６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１２におけるｚ軸方向やｙ軸方向に純スピン流Ｊｓが生じる。図６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。
【００８６】
スピン軌道トルク配線４０に図１２の手前から奥側に電流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１２では、−ｙ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＋ｙ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。
【００８７】
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。
【００８８】
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、磁気抵抗効果素子部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。
【００８９】
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、磁気抵抗効果素子部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。磁気抵抗効果素子部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。
【００９０】
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。
【００９１】
図１３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１３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部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。
【００９２】
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部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。
【００９３】
図５に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子１００において、積層が後になり基板１０から遠い側に配置する第１強磁性金属層２３が磁化自由層とされ、積層が先であり基板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。
【００９４】
図１４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１４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、磁化固定層である第２強磁性金属層２１と磁化自由層である第１強磁性金属層２３の積層順が図５に示す磁気抵抗効果素子１００とは逆になる。
【００９５】
図１４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２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１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。
【００９６】
図１５は、図５に示した磁気抵抗効果素子１００において、磁気抵抗効果素子部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。
【００９７】
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、磁気抵抗効果素子部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。
【００９８】
上述のように、磁気抵抗効果素子部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。
【００９９】
このように、磁気抵抗効果素子部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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
（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。
【０１０４】
（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。
【０１０５】
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１５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電源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を印加した後に、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電源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】
【０１０６】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…スピン流磁化反転素子、２…第１強磁性金属層、３、１３、３３…スピン軌道トルク配線、３ｂ、１３ｂ、３３ｂ…狭窄部、３Ｂ、１３Ｂ、３３Ｂ…第１強磁性金属層との接合部分、１０…基板、２０…磁気抵抗効果素子部、２１…第２強磁性金属層、２２…非磁性層、２３…第１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、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、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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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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