(57)【要約】  この強磁性積層膜は、複数の第１磁性層と、少なくとも一つの第２磁性層と、少なくとも一つの第１非磁性層とを備え、第１磁性層は第２磁性層又は第１非磁性層と交互に積層されていて、第１磁性層を構成する材料は第２磁性層を構成する材料と異なり、前記第１磁性層と前記第１非磁性層と前記第２磁性層は、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、かつ前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１磁性層と、
少なくとも一つの第２磁性層と、
少なくとも一つの第１非磁性層とを備え、
前記第１磁性層が前記第２磁性層又は前記第１非磁性層と交互に積層されていて、前記第１磁性層を構成する材料が前記第２磁性層を構成する材料と異なり、
前記第１磁性層と前記第１非磁性層と前記第２磁性層とは、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、かつ前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせである、強磁性積層膜。
【請求項２】
前記第１磁性層がＣｏ及びＦｅのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、
前記第２磁性層がＮｉを含む強磁性材料で構成され、
前記第１非磁性層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されている、請求項１に記載の強磁性積層膜。
【請求項３】
前記第１磁性層がＣｏ及びＦｅのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、
前記第２磁性層がＮｉを含む強磁性材料で構成され、
前記第１非磁性層がＶ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されている、請求項１に記載の強磁性積層膜。
【請求項４】
前記第１磁性層が前記第２磁性層又は前記第１非磁性層と交互に積層された積層順が、前記強磁性積層膜の膜面面直の第１方向に対して非対称な積層順である、請求項１から３のいずれか一項に記載の強磁性積層膜。
【請求項５】
前記第１磁性層と前記第２磁性層と前記第１磁性層と前記第１非磁性層と前記第１磁性層とが順に前記第１方向に積層された非対称な五層構造を少なくとも一つ備える、請求項４に記載の強磁性積層膜。
【請求項６】
前記第１非磁性層のうち少なくとも一つが、前記複数の第１磁性層及び前記少なくとも一つの第２磁性層のいずれよりも厚い、請求項１から５のいずれか一項に記載の強磁性積層膜。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の強磁性積層膜と、
前記強磁性積層膜の膜面面直の第１方向に対して交差する第２方向に延在し、前記強磁性積層膜の前記第１方向に位置するスピン軌道トルク配線と、を備えるスピン流磁化回転素子。
【請求項８】
請求項７に記載のスピン流磁化回転素子と、
磁化の向きが固定されている固定層と、
前記強磁性積層膜と前記固定層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを備える磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか一項に記載の強磁性積層膜を磁化方向が固定されている固定層として備え、
自由層と、
前記強磁性積層膜と前記自由層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを更に備える磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記強磁性積層膜と前記非磁性スペーサー層との間に反強磁性結合層及び界面強磁性金属層とを更に備える請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記反強磁性結合層がＲｕ、Ｒｈ又はＩｒを含む、請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記強磁性積層膜の磁化が垂直磁化であることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記強磁性積層膜の磁化が積層方向に対して傾いていることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項８から１３のいずれか一項に記載の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、強磁性積層膜に関し、また、そのような強磁性積層膜を有するスピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリにも関する。本発明は、２０１８年２月２７日に出願された特願２０１８−０３３１０１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）素子や、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、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磁気抵抗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。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、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。【０００４】
また、ＭＲＡＭの高集積化が近年求められている。ＭＲＡＭの高集積化のためには、ＴＭＲ素子を小型化する必要がある。しかしながら、ＴＭＲ素子を小型化すると、磁化の安定性が低下する。磁化の安定性が低下すると、熱等の影響を受けてデータが意図せずに書き換わることがある。ＭＲＡＭにおいて、このような意図しないデータの書き換えは許されず、熱安定性は高いことが望ましい。【０００５】
一方、近年、ＳＴＴとは異なったメカニズムで反転電流を低減する手段としてスピンホール効果により生成された純スピン流を利用した磁化反転方式にも注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。ＳＯＴ（スピン軌道トルク）は、スピン軌道相互作用によって生じたスピン流、異種材料の界面におけるラシュバ効果、結晶構造における反転対称性の崩れ等により誘起される。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す。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】
非特許文献１によると、ＳＯＴ方式による反転電流密度はＳＴＴ方式による反転電流密度と同程度であると報告されている。しかしながら、現在ＳＯＴ方式で報告されている反転電流密度は、高集積化や低消費エネルギー化を実現するためには不十分であり、改善の余地がある。【０００７】
また、例えば、非特許文献２に記載されているように、ＳＯＴ方式の磁気抵抗効果素子用の垂直磁化膜としては、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した強磁性積層膜（例えば、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ）や、二種の強磁性層を交互に積層した強磁性積層膜（例えば、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ）も用いられる。このような強磁性積層膜は、ＳＴＴ方式の磁気抵抗効果素子においても用いられる。【０００８】
強磁性層と非磁性層とを交互に積層した強磁性積層膜は、高い磁気異方性を有するものの飽和磁化が低くなる。一方、二種の強磁性層を交互に積層した強磁性積層膜は、高い飽和磁化を有するものの磁気異方性が低くなる。高い熱安定性を示すためには、磁気異方性及び飽和磁化がどちらも高いことが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，  Ｔ．Ａｎｅｋａｗａ，  Ｃ．Ｚｈａｎｇ，ａｎｄ  Ｈ．Ｏｈｎｏ，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  （２０１６）．  ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＮＡＮＯ．２０１６．２９．
【非特許文献２】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，  Ｃ．Ｚｈａｎｇ，  Ｓ．ＤｕｔｔａＧｕｐｔａ，  Ａ．Ｋｕｒｅｋｏｖ  ａｎｄ  Ｈ．Ｏｈｎｏ，  Ｎａｔｕｒｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  （２０１６）．  ＤＯＩ：  １０．１０３８／ＮＭＡＴ４５６６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、反転電流密度を低減し、また熱安定性を向上させる新たな強磁性積層膜を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。【００１２】
（１）本発明の第一の態様に係る強磁性積層膜は、複数の第１磁性層と、少なくとも一つの第２磁性層と、少なくとも一つの第１非磁性層とを備え、前記第１磁性層が前記第２磁性層又は前記第１非磁性層と交互に積層されていて、前記第１磁性層を構成する材料が前記第２磁性層を構成する材料と異なり、前記第１磁性層と前記第１非磁性層と前記第２磁性層とは、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、かつ前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせである。【００１３】
（２）上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第１磁性層がＣｏ及びＦｅのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、前記第２磁性層がＮｉを含む強磁性材料で構成され、前記第１非磁性層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されてもよい。【００１４】
（３）上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第１磁性層がＣｏ及びＦｅのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、前記第２磁性層がＮｉを含む強磁性材料で構成され、前記第１非磁性層がＶ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されてもよい。【００１５】
（４）上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第１磁性層が前記第２磁性層又は前記第１非磁性層と交互に積層された積層順が、前記強磁性積層膜の膜面面直の第１方向に対して非対称な積層順であってもよい。【００１６】
（５）上記態様に係る強磁性積層膜は、前記第１磁性層と前記第２磁性層と前記第１磁性層と前記第１非磁性層と前記第１磁性層とが順に前記第１方向に積層された非対称な五層構造を少なくとも一つ備えてもよい。【００１７】
（６）上記態様に係る強磁性積層膜において、前記第１非磁性層のうち少なくとも一つが、前記複数の第１磁性層及び前記少なくとも一つの第２磁性層のいずれよりも厚くなってもよい。【００１８】
（７）本発明の第二の態様に係るスピン流磁化回転素子は、上記態様のいずれかに係る強磁性積層膜と、前記強磁性積層膜の膜面面直の第１方向に対して交差する第２方向に延在し、前記強磁性積層膜の前記第１方向に位置するスピン軌道トルク配線とを備える。【００１９】
（８）本発明の第三の態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記態様に係るスピン流磁化回転素子と、磁化の向きが固定されている固定層と、前記強磁性積層膜と前記固定層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを備える。【００２０】
（９）本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記態様のいずれかに係る強磁性積層膜を磁化方向が固定されている固定層として備え、自由層と、前記強磁性積層膜と前記自由層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを更に備える。【００２１】
（１０）上記（９）の態様に係る磁気抵抗効果素子は、前記強磁性積層膜と前記非磁性スペーサー層との間に反強磁性結合層及び界面強磁性金属層とを更に備えてもよい。【００２２】
（１１）上記態様に係る磁気抵抗効果素子において、前記反強磁性結合層がＲｕ、Ｒｈ又はＩｒを含んでもよい。
（１２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記強磁性積層膜の磁化は垂直磁化であってもよい。
（１３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記強磁性積層膜の磁化は膜積層方向に対して傾いていてもよい。【００２３】
（１４）本発明の第四の態様に係る磁気メモリは、上記態様のいずれかに係る磁気抵抗効果素子を複数備える。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る強磁性積層膜によれば、反転電流密度を低減し、また熱安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例を示す模式図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子を説明するための概略平面模式図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子を説明するための概略断面模式図である。
【図９】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１０】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面構造の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面構造の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態の好ましい例について、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、本発明の実施形態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概略的に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、その効果を奏する範囲で数や数値や量や比率や特性などについて適宜変更して実施することが可能である。本発明の実施形態にかかる素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。
【００２７】
（強磁性積層膜）
図１に、本発明の一実施形態に係る強磁性積層膜の断面構造の一例の模式図を示す。以下の説明では、便宜的に、強磁性積層膜の膜面の面直方向もしくは積層方向を第１方向（ｚ方向、厚さ方向）として、第１方向と垂直で強磁性積層膜の長手方向に沿った方向を第２方向（ｘ方向、長さ方向）として、第１方向及び第２方向のいずれとも直交する方向を第３方向（ｙ方向、幅方向）とする。
【００２８】
図１に示す強磁性積層膜１０は、複数の第１磁性層１と、少なくとも一つの第２磁性層２と、少なくとも一つの第１非磁性層３とを備え、第１磁性層１が第２磁性層２又は第１非磁性層３と交互に積層されている。
【００２９】
＜第１磁性層＞
第１磁性層１は強磁性材料で構成される。第１磁性層１を構成する強磁性材料は公知の材料が使用可能である。例えば、常温での単体結晶構造が六方最密充填（ｈｃｐ）構造や面心立方格子（ｆｃｃ）を示すコバルト（Ｃｏ）等の金属や、常温での単体結晶構造が体心立方格子（ｂｃｃ）構造を示す鉄（Ｆｅ）等の金属が第１磁性層１を構成する材料として挙げられる。これら金属を上記結晶構造を示すように単体で用いてもよく、これら金属を一種以上含み強磁性を示す合金（例えば、Ｃｏ‐Ｆｅ合金）や化合物として用いてもよい。
【００３０】
＜第２磁性層＞
第２磁性層２は、第１磁性層１を構成する強磁性材料とは異なる強磁性材料で構成される。第２磁性層２を構成する強磁性材料も公知の材料が使用可能である。例えば、常温での単体結晶構造が面心立方格子（ｆｃｃ）構造を示すニッケル（Ｎｉ）や、常温での単体結晶構造が六方最密充慎（ｈｃｐ）構造のガドリニウム（Ｇｄ）等の金属が第２磁性層２を構成する材料として挙げられる。これら金属を上記結晶構造を示すように単体で用いてもよく、これら金属を一種以上含み強磁性を示す合金や化合物として用いてもよい。特に、第２磁性層２を構成する強磁性材料は、第２磁性層２が第１磁性層１と接触して界面を形成する際に界面磁気異方性が発生するように選択される。特に、第２磁性層２を構成する強磁性材料は、強磁性積層膜１０の面直方向に沿った垂直磁気異方性を付与するように選択されることが好ましい。これらに限定されるものではないが例えば、第１磁性層１／第２磁性層２の組み合わせをＣｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｇｄ、Ｎｉ／Ｃｏ、Ｎｉ／Ｆｅ等とすることができ、好ましくはＣｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｇｄとすることが効果的であり、より好ましくはＣｏ／Ｎｉである。
【００３１】
＜第１非磁性層＞
第１非磁性層３は、非磁性材料で構成される。特に、第１非磁性層３を構成する非磁性材料は、第１非磁性層３が第１磁性層１と接触して界面を形成する際に界面磁気異方性が発生するように選択される。特に、第１非磁性層３を構成する非磁性材料は、強磁性積層膜１０の面直方向に沿った垂直磁気異方性を付与するように選択される。そのような第１非磁性層３を構成する非磁性材料も、公知の材料が使用可能である。第１非磁性層３を構成する非磁性材料は、常温での単体結晶構造がｈｃｐ構造を示す金属や、常温での単体結晶構造がｆｃｃ構造を示す金属や、常温での単体結晶構造がｂｃｃ構造を示す金属等が挙げられる。常温での単体結晶構造がｈｃｐ構造を示す金属は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ルテニウム（Ｒｕ）等であり、常温での単体結晶構造がｆｃｃ構造を示す金属は、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等であり、常温での単結晶構造がｂｃｃ構造を示す金属は、例えば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等である。これら金属を、上記結晶構造を示すように単体で用いてもよく、これら金属を一種以上含む非磁性の合金や化合物として用いてもよい。
【００３２】
強磁性積層膜１０を構成する第１磁性層１、第２磁性層２及び第１非磁性層３が全てｆｃｃ構造又はｈｃｐ構造を示す金属を含むように統一されている場合（任意に選択できるが例えば、Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏや、Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｄ／Ｃｏ）、強磁性積層膜１０中の結晶の整合性がとれており、反転電流密度の低減及び熱安定性の向上について高い効果が得られる。一方、強磁性積層膜１０にｂｃｃ構造を示す金属が含まれる場合（例えば、第１非磁性層３がｂｃｃ構造を示すＷを含む場合）、結晶相においてｂｃｃ構造を示すＣｏ‐Ｆｅ‐Ｂ／ＭｇＯ／Ｃｏ‐Ｆｅ‐Ｂ等と組み合わせて、強磁性積層膜１０を使用する際に、結晶の整合性がとりやすくなり、加熱による垂直磁気異方性の低減を抑えることができる。
【００３３】
第１磁性層１、第２磁性層２、第１非磁性層３の厚みは特に限定されず、例えば、それぞれ０．２〜３．０ｎｍの厚さを有し得る。また、複数存在する第１磁性層１が全て同じ厚さを有さなくてもよい。この点は、第２磁性層２又は第１非磁性層３が複数存在する場合も同様である。すなわち、複数存在する第２磁性層２や、第１非磁性層３が全て同じ厚さを有さなくてもよい。一実施形態によると、第１非磁性層３のうち少なくとも一つが、複数の第１磁性層及び少なくとも一つの第２磁性層のいずれよりも厚くなり得る。この構成の利点については、以下のスピン流磁化反転素子に関して更に詳細に説明する。
【００３４】
図１に示す強磁性積層膜１０では、第１方向（ｚ方向）に沿って上から順に、第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１の五層構造（三層の第１磁性層１、一層の第２磁性層、一層の第１非磁性層）の積層順ある。図１に示す強磁性積層膜１０では、第１磁性層１が第２磁性層２又は第１非磁性層３のいずれかと交互に積層されている。そのような積層例として、Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ（又はＰｄ）／Ｃｏが挙げられる。
【００３５】
図１に示される例では、第１磁性層１及び第１非磁性層３が接合した界面部分が高い磁気異方性を示す。一方、第１磁性層１及び第２磁性層２が接合した界面部分は高い飽和磁化を示す。従って、強磁性積層膜１０全体としては高い磁気異方性と高い飽和磁化とを兼ね備え、熱安定性を向上させることができる。
【００３６】
また、図１に示される例では、第１磁性層１が第２磁性層２又は第１非磁性層３と交互に積層された積層順は、強磁性積層膜の膜面面直の第１方向（ｚ方向）に対して非対称である。即ち、第１非磁性層３から見て、第１方向（ｚ方向）に沿った上構造部分（第１非磁性層３から見て順に第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１）と下構造部分（第１磁性層）とが非対称である。また、中心の第１磁性層１から見た場合においても、上構造部分（中心の第１磁性層１から見て順に第２磁性層／第１磁性層１）と下構造部分（中心の第１磁性層１から見て順に第１非磁性層３／第１磁性層１）とが非対称である。このような非対称な構造を有する強磁性積層膜１０は、以下で詳細に説明するように、ＳＯＴ方式でのスピン流磁化回転素子において用いる場合に有用な構造となり得て、反転電流密度を下げることができる。
【００３７】
本実施形態に係る強磁性積層膜は、図１に示されるような五層構造や、非対称な構造に限定されるものではない。本実施形態に係る強磁性積層膜は、所望の応用や特性に応じて、第１磁性層１が第２磁性層２又は第１非磁性層３のいずれかと交互に積層されている他の構造も有し得る。例えば、図２は本実施形態に係る強磁性積層膜１１の断面構造の他の例を示す模式図である。図２に示す強磁性積層膜１１は、第１方向（ｚ方向）に沿って上から順に、第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１の七層構造（任意に選択できるが例えば、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ）を有する。この強磁性積層膜１１は、図１の強磁性積層膜１０と同様に、中心の第１非磁性層３からみて、上構造部分と下構造部分とが非対称である。
【００３８】
図３は、本実施形態に係る九層構造の強磁性積層膜１２の断面構造の他の例を示す模式図である。図３に示す強磁性積層膜１２では、第１方向（ｚ方向）に沿って上から順に、第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１の積層順（任意に選択できるが例えば、Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ）となっている。図３に示す強磁性積層膜１２でも、一層のみ含まれる第１非磁性層３からみて、又は中心の第１磁性層１からみても、上構造部分と下構造部分とが非対称である。
【００３９】
図４は、本実施形態に係る九層構造の強磁性積層膜１３の断面構造の他の例を示す模式図である。図４の強磁性積層膜１３では、第１方向（ｚ方向）に沿って上から順に、第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１の積層順（任意に選択できるが、例えば、Ｃｏ／［Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ］２）の積層順となっている。このような積層構造は、［Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ］を繰り返し単位として有すものとみなされ、九層よりも多層のＣｏ／［Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ］ｎに拡張可能である（ｎは２よりも大きな繰り返し数）。
【００４０】
図５は、更に本実施形態に係る九層構造の強磁性積層膜１４の断面構造の他の例を示す模式図である。図５の強磁性積層膜では、第１方向（ｚ方向）に沿って上から順に、第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１／第２磁性層２／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１の積層順（任意に選択できるが、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ）となっている。このように第２磁性層２を一層のみ有する構造においても、第１磁性層１及び第２磁性層２が接合した界面部分が高い飽和磁化を示すと共に、第１磁性層１及び第１非磁性層３が接合した界面部分が高い磁気異方性を示し、熱安定性を向上させることができる。
【００４１】
［変形例］
また、本実施形態にかかる強磁性積層膜の変形例は、複数の第１磁性層１が全て同じ材料から構成されなくてもよい。つまり、一つ又はいくつかの第１磁性層１を構成する材料が、他の第１磁性層１を構成する材料と異なってもよい。言い換えると、複数の第１磁性層１のうち一つ又はいくつかを、他の第１磁性層１を構成する材料と異なる材料を用いてもよい。ここで、他の第１磁性層１を構成する材料と異なる材料で構成した一つ又はいくつかの層を第３磁性層４とすると、材料は上述の材料から任意に選択できるが例えば、第１磁性層１にＣｏを用いて、第３磁性層４にＦｅを用いたり、第１磁性層１にＦｅを用いて第３磁性層４にＣｏを用いてもよい。図６及び図７は、本実施形態にかかる強磁性積層膜の変形例の一例を示す模式図である。図６に示す強磁性積層膜１５は、第１方向（ｚ方向）に沿って上から順に、第１磁性層１／第２磁性層２／第３磁性層４／第１非磁性層３／第１磁性層１の五層構造（任意に選択できるが例えば、Ｃｏ／Ｎｉ／Ｆｅ／Ｐｔ（又はＰｄ）／Ｃｏ）を有する。図７に示す強磁性積層膜１６は、第１方向（ｚ方向）に沿って上から順に、第３磁性層４／第２磁性層２／第１磁性層１／第１非磁性層３／第１磁性層１の五層構造（任意に選択できるが例えば、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ）を有する。
【００４２】
同様に、第２磁性層２や第１非磁性層３が複数存在する場合、複数の第２磁性層２が全て同じ材料で構成されなくてもよく、また、複数の第１非磁性層３が全て同じ材料で構成されなくともよい。例えば、複数の第２磁性層２のうち、一つ又はいくつかの層に対して他の第２磁性層２を構成する材料と異なる材料を用いてもよい。また、複数の第１非磁性層３のうち、一つ又はいくつかの層に対して他の第１非磁性層を構成する材料を変更してもよい。
【００４３】
強磁性積層膜は、例えば、スピン流磁化回転素子に用いられる。具体的には、スピン流磁化回転素子を備える磁気抵抗効果素子において自由層として用いられ得る。強磁性積層膜を自由層として用いる場合には、磁気抵抗効果を増大させるために、強磁性積層膜と非磁性スペーサー層との間にＣｏ‐Ｆｅ‐Ｂ合金等の追加の強磁性金属膜を挿入してもよい。さらに、強磁性積層膜と追加の強磁性金属膜の結晶成長を切断する非磁性挿入層を、上記強磁性積層膜と上記追加の強磁性金属膜の間に挿入してもよい。また、より広く、上記強磁性積層膜は、ＳＯＴ方式やＳＴＴ方式等の磁気抵抗効果素子一般における固定層としても用いられ得る。以下、これら本実施形態に係る強磁性積層膜を用いる素子の実施形態について説明する。
【００４４】
（スピン流磁化回転素子）
図８に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化回転素子の一例の概略模式図を示す。図８Ａは平面図であり、図８Ｂは図８Ａのスピン軌道トルク配線１２０の幅方向の中心線であるＸ−Ｘ線で切った断面図である。
【００４５】
図８に示すスピン流磁化回転素子１００は、磁化方向が変化する強磁性積層膜１１０と、強磁性積層膜１１０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の方向（ｘ方向）に延在し、強磁性積層膜１１０の第１方向に位置するスピン軌道トルク配線１２０とを備える。尚、図８においては、強磁性積層膜１１０がスピン軌道トルク配線１２０と接合して示されているが、強磁性積層膜１１０とスピン軌道トルク配線１２０との間に他の層等が含まれてもよい。更に、図８Ｂにおいては、強磁性積層膜１１０の磁化を回転させる際にスピン軌道トルク配線１２０に通電するための電源１３０も示している。
【００４６】
本実施形態のスピン流磁化回転素子１００すなわち、スピン流によるＳＯＴ効果で強磁性体の磁化回転を行う素子は、スピン流によるＳＯＴのみで強磁性体の磁化反転を行う磁気抵抗効果素子において用いることができる。本明細書においてスピン流によるＳＯＴ効果で強磁性体の磁化回転を行う素子を、特にスピン流磁化反転素子と言う。一方、本実施形態のスピン流磁化回転素子は、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において強磁性体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。
【００４７】
＜強磁性積層膜＞
強磁性積層膜１１０は、上記本発明に係る強磁性積層膜、例えば図１〜図７に示される強磁性積層膜１０〜１６のいずれかであり、好ましくは、図１〜図３に示される強磁性積層膜１０〜１２のような非対称な強磁性積層膜である。
【００４８】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線１２０は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流を生成し、スピン軌道トルクを誘起するような材料で構成される。言い換えると、スピン軌道トルク配線１２０の材料は、スピン軌道トルク配線１２０中にスピン流が生成される構成のものであればよい。従って、スピン軌道トルク配線１２０の材料は、単体の元素からなる材料に限らないし、スピン流が生成される材料で構成される部分と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。
【００４９】
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９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９は、図８Ａおよび図８Ｂにおけるスピン軌道トルク配線１２０をｘ方向に沿って切断した断面図である。図９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９に示すように、スピン軌道トルク配線１２０の延在方向に電流Ｉを流すと、紙面手前側に配向した第１スピンＳ１と紙面奥側に配向した第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。
【００５２】
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。
【００５３】
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る。そのため、強磁性体中に電流を流した場合は、結果として電荷の正味の流れが生じてしまい（電圧が発生してしまう）、非磁性体中に電流を流した場合と異なる。従って、スピン軌道トルク配線１２０の材料としては、非磁性体が好ましい。
【００５４】
スピン軌道トルク配線１２０の非磁性体は、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る。スピン軌道トルク配線１２０は、非磁性の重金属だけで構成されてもよい。
【００５５】
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。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１２０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で構成されてもよい。そのような非磁性金属として、例えば、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔａ，Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、及びＢｉ等が挙げられる。
【００５６】
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かかわりなく、電流とは逆向きに動く。これに対して、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。
【００５７】
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。
【００５８】
本実施形態のスピン流磁化回転素子１００では、このようにスピン軌道トルク配線１２０に電流を流してスピン流を生成し、そのスピン流がスピン軌道トルク配線１２０に接する強磁性積層膜１１０に拡散する構成とすることで、そのスピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果によって強磁性積層膜１１０の磁化回転を起こす。ＳＯＴ効果が十分に大きければ、強磁性積層膜１１０の磁化は反転される。強磁性積層膜１１０の磁化が反転する本実施形態のスピン流磁化回転素子を、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
【００５９】
更に、本実施形態のスピン流磁化回転素子１００では、強磁性積層膜１１０中においてもＳＯＴを誘起することができる。即ち、スピン軌道トルク配線１２０に電流を流す際には、スピン軌道トルク配線１２０に接合している強磁性積層膜１１０にも電流が流れ込む。強磁性積層膜１１０は、少なくとも一つの第１非磁性層３を備えるものであり、その第１非磁性層３はＰｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｍｏ等のスピン軌道相互作用の強い重金属を含み得る。従って、第１非磁性層３中にはスピン流が発生する。また、強磁性積層膜１１０は、例として図１〜３に示されるような非対称な構造を有し得る。第１非磁性層３中に生じたスピン流が、非対称な構造中に拡散すると、磁化回転を起こす追加的なスピン軌道トルク効果が生じる。従って、本実施形態のスピン流磁化回転素子１００では、スピン軌道トルク配線１２０のみにおいてスピン軌道トルク効果を生じさせる場合よりも更に反転電流を低減し得る。
【００６０】
一実施形態においては、上述のように、強磁性積層膜１１０に含まれる第１非磁性層３のうち少なくとも一つが、複数の第１磁性層１及び少なくとも一つの第２磁性層２のいずれよりも厚くなり得る。このような構成では、電流が強磁性積層膜１１０中に流れ込む際に第１非磁性層３中を最も流れることになり、また、厚い第１非磁性層３内に含まれる重金属の量の増大によって、スピン流を効率的に生成することができる。
【００６１】
本実施形態のスピン流磁化回転素子は後述するように磁気抵抗効果素子に適用することができる。しかしながら、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、これに限られるものではないが例えば、スピン流磁化回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ＳＯＴに置き換えてもよい。
【００６２】
（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、本実施形態のスピン流磁化回転素子１００を備えるものである。
【００６３】
図１０は、本実施形態のスピン流磁化回転素子１００を備える一実施形態に係る磁気抵抗効果素子２００の断面構造を概略的に示す。
【００６４】
図１０に示される磁気抵抗効果素子２００は、本実施形態のスピン流磁化回転素子１００と、磁化方向が固定された固定層２３０と、強磁性積層膜１１０と固定層２３０との間に挟持された非磁性スペーサー層２４０とを有する。ここで、スピン流磁化回転素子は、強磁性積層膜１１０及びスピン軌道トルク配線１２０を有するので、図１０に示す磁気抵抗効果素子２００は、後述する磁気抵抗効果素子部２０５とスピン軌道トルク配線１２０とを有すると言い換えることもできる。
【００６５】
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子２００は、スピン軌道トルク配線１２０を備えることで、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とすることもできるし、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子においてスピン流によるＳＯＴを併用する構成とすることもできる。
【００６６】
図１０においては、磁気抵抗効果素子２００の積層方向に電流を流すための配線２５０と、磁気抵抗効果素子２００を作製するための基板２６０も示している。
【００６７】
＜磁気抵抗効果素子部＞
磁気抵抗効果素子部２０５は、磁化方向が変化する自由層（フリー層、記憶層、記録層等とも呼ばれる）として用いられる本実施形態の強磁性積層膜１１０と、磁化方向が固定された固定層２３０（ピン層、ピンド層等とも呼ばれる）と、強磁性積層膜１１０と固定層と２３０の間に挟持された非磁性スペーサー層２４０とを有する。
【００６８】
磁気抵抗効果素子部２０５では、固定層２３０の磁化が一方向に固定され、強磁性積層膜１１０の磁化の向きが相対的に変化する。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、固定層２３０の保磁力は自由層（強磁性積層膜１１０）の保磁力よりも大きいものである。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、固定層２３０は追加の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。
【００６９】
また、非磁性スペーサー層２４０が絶縁体からなる場合、磁気抵抗効果素子部２０５はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。非磁性スペーサー層２４０が金属からなる場合、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。
【００７０】
本実施形態が備える磁気抵抗効果素子部２０５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。磁気抵抗効果素子部２０５は、この例に限定されるものではないが例えば、強磁性積層膜１１０以外の各層も複数の層からなるものでもよいし、固定層２３０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。
【００７１】
自由層としての強磁性積層膜１１０は膜面に垂直な磁化を有する垂直磁化膜であることが好ましい。そのため、固定層２３０は、磁化の方向が層に対して垂直な方向の垂直磁化膜として構成されることが好ましい。
また、強磁性積層膜１１０の磁化は、膜積層方向に対して傾いていても効果的である。自由層として用いられる強磁性積層膜１１０の磁化の向きが傾いていると、ＳＯＴ、ＳＴＴとして用いられたとき、磁化反転電流値を低くすることができる。すなわち、磁化反転をするために必要な電流を低減できる。また、ＳＯＴとして用いられたときであっても、強磁性積層膜１１０の磁化の向きが傾いていると、無磁場での磁化反転が可能となる。
【００７２】
固定層２３０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等が固定層２３０の材料として挙げられる。
【００７３】
また、固定層２３０の材料として、より高い出力を得るために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、Ｘ，Ｙ，Ｚをそれぞれ以下とし場合に、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む合金である。ここで、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素又は貴金属元素である。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る。Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。すなわち、これらに限定されるものではないが、ホイスラー合金の例としてはＣｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００７４】
また、固定層２３０の強磁性積層膜１１０に対する保磁力をより大きくするために、非磁性スペーサー層２４０に接する面の反対側の面において固定層２３０と接する層（ピニング層）として、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料の層を用いてもよい。さらに、固定層２３０の漏れ磁場を強磁性積層膜１１０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。
【００７５】
非磁性スペーサー層２４０には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性スペーサー層２４０が絶縁体からなる場合（つまり、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、非磁性スペーサー層２４０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。
【００７６】
また、磁気抵抗効果素子部２０５は、その他の層をさらに有していてもよい。これらに限定されるものではないが例えば、強磁性積層膜１１０の非磁性スペーサー層２４０と反対側の面に下地層をさらに有していてもよい。また、固定層２３０の非磁性スペーサー層２４０と反対側の面にキャップ層をさらに有していてもよい。
【００７７】
＜配線＞
配線２５０は、固定層２３０に電気的に接続される。例えば、図１０においては、配線２５０とスピン軌道トルク配線１２０と電源（図示略）とで閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子部２０５の積層方向に電流が流される。
【００７８】
配線２５０は、導電性の高い材料であれば特に問わない。これらに限定されるものではないが、配線２５０は、例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
【００７９】
＜基板＞
基板２６０は、平坦性に優れることが好ましい。すなわち、その他の条件が同じであれば、凹凸の大きなものよりも小さなものの方が好ましい。基板２６０は、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。
【００８０】
磁気抵抗効果素子部２０５のスピン軌道トルク配線１２０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２６０上に積層される各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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で各層の結晶性を高め、磁気特性を改善することができる。
【００８６】
また、上述のように、磁気抵抗効果を増大させるために、上記強磁性積層膜１１０と非磁性スペーサー層２４０との間にＣｏ‐Ｆｅ‐Ｂ合金等の追加の強磁性金属膜を挿入してもよい。さらに、上記強磁性積層膜１１０と上記追加の強磁性金属膜の結晶成長を切断する非磁性挿入層を、上記強磁性積層膜１１０と上記追加の強磁性金属膜との間に挿入してもよい。磁気抵抗効果素子部２０５の構成は、これらに限定されるものではないが例えば配線２５０に近い側から順に、強磁性積層膜１１０／非磁性挿入層／追加の強磁性金属膜／非磁性スペーサー層２４０／固定層２３０となる。
【００８７】
図に示した磁気抵抗効果素子は、基板２６０から遠い側（図面上部）に固定層２３０が位置するいわゆるトップピン構造として示されているが、磁気抵抗効果素子の構造は特に限定されるものではなく、基板に近い側（図面下部）に固定層が位置するボトムピン構造であってもよい。
【００８８】
（他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子）
上記スピン流磁化回転素子を備える磁気抵抗効果素子においては、本実施形態の強磁性積層膜を自由層として用いた。しかしながら、本実施形態に係る強磁性積層膜は、磁気抵抗効果素子における固定層としても使用可能である。尚、本実施形態の強磁性積層膜を固定層として用いる磁気抵抗効果素子としては、従来のＳＴＴ方式のみによると考えられる。一方、上記図１０に示す本実施形態の強磁性積層膜を自由層として用いた場合の磁気抵抗効果素子２００は、ＳＯＴ方式のみ又はＳＴＴ方式とＳＯＴ方式を併用する方式のいずれも可能である。
【００８９】
図１１は、そのような本実施形態の強磁性積層膜を固定層として用いる場合の磁気抵抗効果素子３００の断面構造の一例を概略的に示す模式図を示す。図１１は、固定層が図面下部に位置するボトムピン構造として示されるが、固定層が図面上部に位置するトップピン構造であってもよい。
【００９０】
磁気抵抗効果素子３００は、本実施形態では、磁化方向が固定された固定層として用いられる強磁性積層膜３１０と、磁化方向が変化する自由層３２０と、強磁性積層膜と固定層との間に挟持された非磁性スペーサー層３３０とを有する。強磁性積層膜３１０と自由層３２０と非磁性スペーサー層３３０とは適宜加えられた層と併せて磁気抵抗効果素子部３０５を形成する。
【００９１】
図１１では、磁気抵抗効果素子部３０５は反強磁性結合層３４０と界面強磁性金属層３５０とを任意で更に備えるものとして図示されている。また、図１１には、強磁性積層膜３１０に電気的に接続された第１配線（下部配線）３６０と、自由層３２０に電気的に接続された第２配線（上部配線）３７０も示されている。
【００９２】
＜強磁性積層膜＞
強磁性積層膜３１０は、磁化が固定した固定層として用いられる。強磁性積層膜３１０は、上記の実施形態に係る強磁性積層膜である。すなわち、強磁性積層膜３１０は、例えば図１から図７に示される強磁性積層膜１０から１６のいずれかであり、図１に示す強磁性積層膜１０であっても良いし、図２に示す強磁性積層膜１１であってもよい。上述のように、磁気抵抗効果素子を保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Ｐｓｅｕｄｏ  ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅ  型）のＭＲＡＭに適用する場合には、固定層の保磁力は自由層の保磁力よりも大きいものとされる。ここで、固定層として用いられる強磁性積層膜３１０は、高い磁気異方性と高い飽和磁化とを兼ね備えるものである。また、固定層として用いられる強磁性積層膜３１０は、保持力に優れ、ひいては熱安定性に優れる。
【００９３】
本実施形態の強磁性積層膜を固定層として備える磁気抵抗効果素子においても、公知の磁気抵抗効果素子の構成を用いることができる。例えば、強磁性積層膜３１０以外の各層も複数の層からなる構成を用いることができる。
【００９４】
固定層として用いられる強磁性積層膜３１０は膜面に垂直な磁化を有する垂直磁化膜であることが好ましい。そのため、自由層３２０も磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜として構成される。固定層として用いられる強磁性積層膜３１０の磁化が垂直磁化であると、反強磁性体を用いたピニング層を用いる必要性がなくなるため、３５０℃以上の熱処理に耐えることができ、高い磁気抵抗効果が得られるため好ましい。
尚、強磁性積層膜３１０の磁化の向きは、膜積層方向に対して傾いていることも好ましい。ＳＯＴの固定層として用いられる強磁性積層膜３１０の磁化の向きが膜積層方向に対して傾いていると、自由層３２０への、強磁性積層膜３１０からの漏れ磁場が傾き、無磁場での磁化反転が可能となる。
【００９５】
自由層３２０の材料として、強磁性材料を適用することができる。また、自由層３２０の材料としては特に軟磁性材料を好適に適用できる。自由層の材料は、これらに限定されるものではないが例えば、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。自由層３２０は上述の材料のうち、Ｃｏ‐Ｆｅ、Ｃｏ‐Ｆｅ‐Ｂ、Ｎｉ‐Ｆｅが挙げられ、Ｃｏ‐Ｆｅ‐Ｂが特に好ましい。
【００９６】
非磁性スペーサー層３３０の材料は、上記非磁性スペーサー層２４０の材料と同じである。非磁性スペーサー層３３０の材料は例えば、ＭｇＯが好ましい。
【００９７】
磁気抵抗効果素子部３０５は、反強磁性結合層３４０及び界面強磁性金属層３５０を更に備えて、合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を形成してもよい。このようなＳＡＦ構造では、強磁性積層膜３１０と界面強磁性金属層３５０とが、反強磁性結合層３４０を介してＲＫＫＹ相互作用によって反強磁性結合し、これら二つの強磁性体の磁化の向きが互いに反平行となる。
【００９８】
反強磁性結合層３４０は非磁性層である。反強磁性結合層を構成する材料は、例えば、非磁性金属であるＲｕ、Ｒｈ又はＩｒである。
【００９９】
界面強磁性金属層３５０は、強磁性層であり、参照層とも呼ばれる。界面強磁性金属層３５０を構成する材料は、自由層３２０を構成する材料と同じであってもよい。界面強磁性層３５０を構成する材料は、好ましくは、Ｃｏ‐Ｆｅ‐Ｂである。
【０１００】
第１配線（下部配線）３６０は強磁性積層膜３１０に電気的に接続される。第２配線（上部配線）３７０は自由層３２０に電気的に接続される。図１１において、第１配線３６０と第２配線３７０と電源（図示略）とは閉回路を構成し、磁気抵抗効果素子３０５の積層方向に電流が流される。
【０１０１】
第１配線３６０は、導電性の高い材料であればよく、特に限定されるものではない。第１配線３６０は、例えば、アルミニウム、銀、銅、金等であってもよい。
【０１０２】
第２配線３７０も、導電性の高い材料であればよく、特に限定されるものではない。第２配線３７０は、第１配線３６０と同様な材料を用いることができ、第１配線３６０の材料と、第２配線３７０の材料とは同じ材料であっても良い。第１配線３６０の材料と第２配線３７０の材料とが同じである場合、磁気抵抗効果素子３００は、例えば従来のＳＴＴ方式のみで磁化反転を行うものとなる。代替実施形態として、第２配線３７０を上記のようなスピン軌道トルク配線として構成し、磁気抵抗効果素子３００においてＳＯＴ方式による磁化反転を利用するようにしてもよい。
【０１０３】
（強磁性積層膜の製造方法）
本実施形態の強磁性積層膜の製造方法は、特に限定されるものではなく、公知の成膜法を用いることができる。成膜法は、例えば、物理的気相成長（ＰＶＤ）法として、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、イオンプレーティング法、イオンビームデポジション法、スパッタリング法等を用いることができる。あるいは、化学的気相成長（ＣＶＤ）法として、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法等を用いることもできる。
【０１０４】
得られた強磁性積層膜は、アニール処理することが好ましい。反応性スパッタで形成した層は、アモルファスであり結晶化する必要がある。
【０１０５】
アニール処理して製造した強磁性積層膜は、アニール処理しないで製造した強磁性積層膜と比較して、磁気抵抗比が向上する。
【０１０６】
アニール処理としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度で、５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。
【０１０７】
強磁性積層膜を所定の形状にする方法としては、特に限定されないが、フォトリソグラフィー等の加工手段を利用できる。まず強磁性積層膜を積層した後、その上にレジストを塗工する。そして、所定の部分のレジストを硬化し、不要部のレジストを除去する。レジストが硬化した部分は、強磁性積層膜の保護膜となる。レジストが硬化した部分は、最終的に得られる強磁性積層膜の形状と一致する。
【０１０８】
そして、保護膜が形成された面に、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の処理を施す。保護膜が形成されていない部分は除去され、所定の形状の強磁性積層膜が得られる。
【０１０９】
本発明は、上記実施形態にかかる構成及び製造方法に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能であり、種々の実施形態を組み合わせて実施してもよい。
【０１１０】
（磁気メモリ）
本実施形態の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本実施形態の磁気抵抗効果素子を複数備える。
【符号の説明】
【０１１１】
１…第１磁性層、２…第２磁性層、３…第１非磁性層、４…第３磁性層、１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１１０，３１０…強磁性積層膜、１００…スピン流磁化回転素子、１２０…スピン軌道トルク配線、１３０…電源、２００，３００…磁気抵抗効果素子、２０５，３０５…磁気抵抗効果素子部、２３０…固定層、２４０，３３０…非磁性スペーサー層、２５０…配線、２６０…基板、３２０…自由層、３４０…反強磁性結合層、３５０…界面強磁性金属層、３６０…第１配線、３７０…第２配線
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月20日(2019.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１磁性層と、
少なくとも一つの第２磁性層と、
少なくとも一つの第１非磁性層とを備え、
前記第１磁性層が前記第２磁性層又は前記第１非磁性層と交互に積層されていて、前記第１磁性層を構成する材料が前記第２磁性層を構成する材料と異なり、
前記第１磁性層と前記第１非磁性層と前記第２磁性層とは、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、かつ前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に界面磁気異方性が発生する材料組み合わせであり、
前記第１非磁性層のうち少なくとも一つが、前記複数の第１磁性層及び前記第２磁性層のいずれよりも厚い、強磁性積層膜。
【請求項２】
前記第１磁性層がＣｏ及びＦｅのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、
前記第２磁性層がＮｉを含む強磁性材料で構成され、
前記第１非磁性層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されている、請求項１に記載の強磁性積層膜。
【請求項３】
前記第１磁性層がＣｏ及びＦｅのうち一方又は両方を含む強磁性材料で構成され、
前記第２磁性層がＮｉを含む強磁性材料で構成され、
前記第１非磁性層がＶ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ及びＷのうち少なくとも一種を含む非磁性材料で構成されている、請求項１に記載の強磁性積層膜。
【請求項４】
前記第１磁性層が前記第２磁性層又は前記第１非磁性層と交互に積層された積層順が、前記強磁性積層膜の膜面面直の第１方向に対して非対称な積層順である、請求項１から３のいずれか一項に記載の強磁性積層膜。
【請求項５】
前記第１磁性層と前記第２磁性層と前記第１磁性層と前記第１非磁性層と前記第１磁性層とが順に前記第１方向に積層された非対称な五層構造を少なくとも一つ備える、請求項４に記載の強磁性積層膜。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の強磁性積層膜と、
前記強磁性積層膜の膜面面直の第１方向に対して交差する第２方向に延在し、前記強磁性積層膜の前記第１方向に位置するスピン軌道トルク配線と、を備えるスピン流磁化回転素子。
【請求項７】
請求項６に記載のスピン流磁化回転素子と、
磁化の向きが固定されている固定層と、
前記強磁性積層膜と前記固定層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを備える磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか一項に記載の強磁性積層膜を磁化方向が固定されている固定層として備え、
自由層と、
前記強磁性積層膜と前記自由層との間に挟持された非磁性スペーサー層とを更に備える磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記強磁性積層膜と前記非磁性スペーサー層との間に反強磁性結合層及び界面強磁性金属層とを更に備える請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記反強磁性結合層がＲｕ、Ｒｈ又はＩｒを含む、請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記強磁性積層膜の磁化が垂直磁化であることを特徴とする、請求項７から１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記強磁性積層膜の磁化が積層方向に対して傾いていることを特徴とする、請求項７から１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求項７から１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える磁気メモリ。
【国際調査報告】
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