(57)【要約】      （修正有）【課題】自由磁性層のスイッチングがより容易な磁気素子を提供する。【解決手段】磁気素子２は、第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層１０と、導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層２０と、固定された磁化方向性を有し、導電層の第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を導電層に注入するスピンフィルタ構造体１１と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層と、
前記導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層と、及び
固定された磁化方向性を有し、前記導電層の前記第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体と、を含むことを特徴とする磁気素子。
【請求項２】
前記スピンフィルタ構造体のスピン分極ＳＰ（ｓｐｉｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が０より大きく１以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記スピンフィルタ構造体は、半金属強磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記半金属強磁性体は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、及びランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記スピンフィルタ構造体は、強磁性体を含み、 
前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、前記強磁性層の磁化方向と平行又は反平行し、
前記強磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
前記スピンフィルタ構造体が前記導電層の両側面に配置された場合、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、両側で互いに反平行することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項７】
前記導電層のスピンフリップ拡散の長さは、３ないし４ ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記導電層と前記強磁性層は、互いに整列されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項９】
固定磁性層、自由磁性層、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層を備える磁気トンネル接合と、 
面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターンと、及び
面内電流が印加される方向で、前記導電パターンの両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含み、
前記スピンフィルタ構造体は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターンに提供することを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
前記スピンフィルタ構造体のスピン分極ＳＰ（ｓｐｉｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が０より大きく１以下であることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１１】
前記スピンフィルタ構造体は、半金属強磁性体であることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１２】
前記半金属強磁性体は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、及びランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１３】
前記スピンフィルタ構造体は、強磁性体を含み、
前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、前記自由磁性層の磁化方向と平行又は反平行することを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１４】
前記スピンフィルタ構造体が前記導電パターンの両側面に配置された場合、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、両側で互いに反平行することを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１５】
前記導電パターンと前記自由磁性層は、互いに整列されることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１６】
前記自由磁性層は、垂直磁気異方性ＰＭＡ（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を有することを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１７】
前記導電パターンのスピンフリップ拡散の長さは、３ないし４ ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１８】
前記固定磁性層は、順に積層された第１固定磁性層、固定磁性層用非磁性層、及び第２固定磁性層からなる反磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造として、
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含み、
前記固定磁性層用非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１９】
前記固定磁性層は、順に積層された反強磁性層、第１固定磁性層、固定磁性層用非磁性層、及び第２固定磁性層からなる交換バイアスされた反磁性体構造として、
前記反強磁性層は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｆｅ、Ｍｎ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなり、
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなり、
前記固定磁性層用非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２０】
前記トンネル障壁層は、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘ、ＺｒＯｘ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２１】
前記導電パターンは、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、
前記導電パターンは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質からなることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２２】
前記自由磁性層は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２３】
前記面内電流を印加する導電パターンは、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向を有し、
前記導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２４】
前記固定磁性層磁性体に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、
前記双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性層磁性体に隣接して配置され、
前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２５】
前記導電パターンと前記自由磁性層との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２６】
前記導電パターンは、順に積層された導線非磁性層及び導線強磁性層を含み、
前記導線強磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２７】
前記導電パターンは、順に積層された導線強磁性層及び導線非磁性層を含み、
前記導電強磁性層と前記自由磁性層との間に配置された非磁性層を含むことを特徴とする 請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２８】
マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合と、
前記磁気トンネル接合の自由磁性層に隣接して配置された第１導電パターンと、及び
前記第１導電パターンの両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含み、
前記導電パターンは、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクを提供し、
前記スピンフィルタ構造体は、スピン分極電流を前記導電パターンに提供することを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２９】
前記第１導電パターンは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質からなることを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３０】
前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、反強磁性層を含み、
前記第１導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３１】
前記自由磁性層は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３２】
前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向を有し、
前記第１導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３３】
前記固定磁性層に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、
前記非磁性層は、前記固定磁性層に隣接して配置されることを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３４】
前記第１導電パターンと前記自由磁性層との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３５】
前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン非磁性層及び第１導電パターン磁性層を含み、
前記第１導電パターン磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３６】
前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン磁性層及び第１導電パターン非磁性層を含み、
前記第１導電パターン磁性層と前記自由磁性層との間に配置された非磁性層をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３７】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に並んで進行し、
第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層に電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される第２導電パターンをさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３８】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層に電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、及び
前記第２方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの他端に連結され、前記第２方向に延長される第４導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３９】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４０】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記２方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４１】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結され、第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１導電パターンそれぞれの他端に連結される選択トランジスタと、 
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４２】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層にそれぞれ連結される選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインにそれぞれ連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端に連結され、前記第１方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４３】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結され、前記第１方向に垂直な第２方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結された第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの他端にそれぞれ連結された第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された前記第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第２選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲートと第２選択トランジスタのゲートを互いに連結して、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４４】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層にそれぞれ連結される第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結される第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端をそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第２選択トランジスタのソース／ドレインをそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、 
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、及び
前記第２方向に配列された第２選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第６導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気トンネル接合素子に関するものとして、より詳細には、スピン軌道トルクを誘発する磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体は、外部で強い磁場を印加しなくても、自発的に磁化が形成されている物質をいう。２つの強磁性体の間に絶縁体を挿入した磁気トンネル接合構造（第１磁性体／絶縁体／第２磁性体）で２つの磁性体の相対的な磁化方向によって電気抵抗が変わるトンネル磁気抵抗効果が発生する。磁気トンネル接合構造でアップスピンとダウンスピンの電子が絶縁体をトンネリングして流れる程度が異なるため、トンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＴＭＲ）効果が発生する。
【０００３】
一方、ニュートンの第３法則である作用・反作用の法則によって、相対的磁化方向が電流の流れを制御できれば、その反作用で電流を印加して２つの磁性体の相対的磁化方向を制御することも可能である。磁気トンネル接合構造に膜面の垂直方向に電流を印加すれば、第１磁性体（磁化固定磁性層、以下、固定磁性層）によってスピン分極された電流が第２磁性体（磁化自由磁性層、以下、自由磁性層）を通過すると同時に、自身のスピン角運動量を伝達することになる。このようなスピン角運動量の伝達によって磁化が感じるトルクをスピン伝達トルクＳＴＴ（ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）という。スピン伝達トルクを用いて自由磁性層の磁化を反転又は持続的に回転させる素子、或いは自由磁性層の磁区壁を移動させる素子の製作が可能である。
【０００４】
また、磁気トンネル接合は、自由磁性層に隣接した導線内に流れる面内電流が流れるとき、スピンホール効果（ｓｐｉｎ  Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）やラシュバ効果（Ｒａｓｈｂａ ｅｆｆｅｃｔ）によって発生したスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を用いて、自由磁性層の磁化反転又は磁区構造の移動を誘導することができる。
【０００５】
スピン軌道トルクを用いた磁化反転素子は、ＵＳ ８４１６６１８ Ｂ２に開示されている。
【０００６】
モバイルとモノのインターネット（ＩｏＴ）電子装置の活用が増加するにつれて、低電力、低面積、超高速、不揮発性メモリが注目されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、自由磁性層に接触して面内電流を提供する導電層にスピンフィルタＳＦ（ｓｐｉｎ−ｆｉｌｔｅｒ）構造体を通じてスピン分極（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）電流を提供し、導電層と自由磁性層との間の界面にスピン蓄積（ｓｐｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）を追加的に提供し、一方、スピンフィルタ構造体の磁化方向を面垂直方向で設定する時、外部磁場の印加が不要な無磁場（ｆｉｅｌｄ−ｆｒｅｅ）スイッチングが可能な磁気素子を提供することにある。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、自由磁性層に接触して面内電流を提供する導電層にスピンフィルタ構造体を通じたスピン分極電流を提供して導電層／自由磁性層界面にスピンホール効果によるスピン蓄積が増加して自由磁性層のスイッチングがより容易な磁気素子を提供することにある。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、自由磁性層に接触して面内電流を提供する導電層にスピンフィルタ構造体を通じたスピン分極電流を提供して導電層と自由磁性層との間の界面にスピンホール効果によるスピン蓄積と面内方向を有したスピン蓄積を提供する磁気素子を提供することにある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、自由磁性層に接触して面内電流を提供する導電層にスピン分極電流を提供して導電層と自由磁性層との間の界面にスピン蓄積を提供する磁気素子を提供することにある。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、スピン分離効率を高めて、スピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）の効果を増強する素子構造を提供することにある。
【００１２】
本発明が解決しようとする他の課題は、磁気メモリの構造を改善することにある。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、上述した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一実施例による磁気素子は、第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層と、前記導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層と、及び、固定された磁化方向性を有し、前記導電層の前記第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体と、を含む。
【００１５】
本発明の一実施例において、前記スピンフィルタ構造体のスピン分極ＳＰ（ｓｐｉｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が０より大きく１以下である。スピン分極は、（アップスピン−ダウンスピン）／（アップスピン＋ダウンスピン）と定義される。
【００１６】
本発明の一実施例において、前記スピンフィルタ構造体は、半金属強磁性体である。
【００１７】
本発明の一実施例において、前記半金属強磁性体は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、及びランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）のうち少なくとも一つを含む。
【００１８】
本発明の一実施例において、前記スピンフィルタ構造体は、強磁性体を含み、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、前記強磁性層の磁化方向と平行又は反平行し、前記強磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
本発明の一実施例において、前記スピンフィルタ構造体が前記導電層の両側面に配置された場合、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、両側で互いに反平行する。
【００１９】
本発明の一実施例において、前記導電層と前記強磁性層は、互いに整列される。
【００２０】
本発明の一実施例において、前記自由磁性層は、垂直磁気異方性ＰＭＡ（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を有する。
【００２１】
本発明の一実施例において、前記導電層のスピンフリップ拡散の長さは、３ないし４ｎｍである。
【００２２】
本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子は、固定磁性層、自由磁性層、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層を備える磁気トンネル接合と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターンと、及び、面内電流が印加される方向で、前記導電パターンの両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記スピンフィルタ構造体は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターンに提供する。
【００２３】
本発明の一実施例において、前記固定磁性層は、順に積層された第１固定磁性層、固定磁性層用非磁性層、及び第２固定磁性層からなる反磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造である。前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含み、前記固定磁性層用非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。
【００２４】
本発明の一実施例において、前記固定磁性層は、順に積層された反強磁性層、第１固定磁性層、非磁性層、及び第２固定磁性層からなる交換バイアスされた反磁性体構造である。前記反強磁性層は、Ｉｒ、Pｔ、Ｍｎ、及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなり、前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなり、前記非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなる。
【００２５】
本発明の一実施例において、前記トンネル障壁層は、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘ、ＺｒＯｘ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。
【００２６】
本発明の一実施例において、前記導電パターンは、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記導電パターンは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質からなる。
【００２７】
本発明の一実施例において、前記自由磁性層は、少なくとも一つの磁区構造を含む。
【００２８】
本発明の一実施例において、前記面内電流を印加する導電パターンは、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、前記反強磁性層は、前記自由磁性層に隣接して配置され、前記強磁性層は、面内磁化方向を有し、前記導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
【００２９】
本発明の一実施例において、前記固定磁性層磁性体に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、前記双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性層磁性体に隣接して配置される。前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
【００３０】
本発明の一実施例において、前記導電パターンと前記自由磁性層との間に配置された補助絶縁層をさらに含む。
【００３１】
本発明の一実施例において、前記導電パターンは、順に積層された導線非磁性層及び導線強磁性層を含み、前記導線強磁性層は、面内磁化方向成分を含む。
【００３２】
本発明の一実施例において、前記導電パターンは、順に積層された導線強磁性層及び導線非磁性層を含み、前記導電強磁性層と前記自由磁性層との間に配置された非磁性層を含む。
【００３３】
本発明の一実施例による磁気メモリ素子は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合と、前記磁気トンネル接合の自由磁性層に隣接して配置された第１導電パターンと、及び、前記第１導電パターンの両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターンは、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクを提供し、前記スピンフィルタ構造体は、スピン分極電流を前記導電パターンに提供する。
【００３４】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質からなる。
【００３５】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、反強磁性層を含み、前記第１導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供する。
【００３６】
本発明の一実施例において、前記自由磁性層は、少なくとも一つの磁区構造を含む。
【００３７】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含む。前記反強磁性層は、前記自由磁性層に隣接して配置され、前記強磁性層は、面内磁化方向を有し、前記第１導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
【００３８】
本発明の一実施例において、前記固定磁性層に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、前記非磁性層は、前記固定磁性層に隣接して配置される。
【００３９】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンと前記自由磁性層との間に配置された補助絶縁層をさらに含む。
【００４０】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン非磁性層及び第１導電パターン磁性層を含み、前記第１導電パターン磁性層は、面内磁化方向成分を含む。
【００４１】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン磁性層及び第１導電パターン非磁性層を含み、前記第１導電パターン磁性層と前記自由磁性層との間に配置された非磁性層をさらに含む。
【００４２】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に並んで進行し、第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層に電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される第２導電パターンをさらに含む。
【００４３】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層に電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される第２導電パターンと、前記第１方向に配列された前記第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、及び、前記第２方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの他端に連結され、前記第２方向に延長される第４導電パターンと、をさらに含む。
【００４４】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、前記磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、前記第１方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される第２導電パターンと、及び、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、をさらに含む。
【００４５】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、前記磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記２方向に延長される第２導電パターンと、及び、前記第１方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、をさらに含む。
【００４６】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結され、第１方向に延長される第２導電パターンと、前記第１方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される第３導電パターンと、前記第１導電パターンそれぞれの他端に連結される選択トランジスタと、前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含む。
【００４７】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、前記磁気トンネル接合の固定磁性層にそれぞれ連結される選択トランジスタと、前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインにそれぞれ連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第３導電パターンと、前記第１方向に配列された第１導電パターンそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び、前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端に連結され、前記第１方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含む。
【００４８】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結され、前記第１方向に垂直な第２方向に延長される第２導電パターンと、前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結された第１選択トランジスタと、前記第１導電パターンの他端にそれぞれ連結された第２選択トランジスタと、前記第１方向に配列された前記第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、前記第１方向に配列された前記第２選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲートと第２選択トランジスタのゲートを互いに連結して、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含む。
【００４９】
本発明の一実施例において、前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層にそれぞれ連結される第１選択トランジスタと、前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結される第２選択トランジスタと、前記第１方向に配列された第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端をそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、前記第１方向に配列された第２選択トランジスタのソース／ドレインをそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、及び、前記第２方向に配列された第２選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第６導電パターンと、をさらに含む。
【発明の効果】
【００５０】
本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子は、既存ＳＯＴ接合構造で導線の側のスピン分極ＳＰ（ｓｐｉｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が０より大きく１以下である磁性層で構成されたスピンフィルタＳＦ（ｓｐｉｎ−ｆｉｌｔｅｒ）構造を付け加えて注入した電流に応じて発生するスピンの量と方向を制御してスピン蓄積を増加させるか、又はスピン軌道トルク効率を向上させることができる。これによって、注入電流が減少して消費電力を減少させることができる。また、スピンフィルタＳＦ（ｓｐｉｎ−ｆｉｌｔｅｒ）の磁化方向と自由磁性層の磁化方向が平行又は反平行する場合、外部磁場の印加が不要な無磁場（ｆｉｅｌｄ−ｆｒｅｅ）スイッチングが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】従来のスピン軌道トルクを用いた磁気素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例によるスピンフィルタ構造体を備えた磁気素子を示す概念図である。
【図３】図２の磁気素子で位置によるスピン蓄積（ｓｐｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）を示す。
【図４】４つのパラメータθＳＨ、ｔＮ、
【数１】
2018110207.tif 000003
、そしてωによるダンピング−ライク・スピン・トルクＴＤ（ｄａｍｐｉｎｇ−ｌｉｋｅ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ）の依存性を示す。
【図５】４つのパラメータθＳＨ、ｔＮ、
【数２】
2018110207.tif 000004
、そしてωによるフィールド−ライク・スピン・トルクＴＦ（ｆｉｅｌｄ−ｌｉｋｅ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ）の依存性を示す。
【図６】本発明の他の実施例によるスピンフィルタ構造体を備えた磁気素子を示す概念図である。
【図７】本発明のまた他の実施例による磁気素子を示す図面である。
【図８】本発明のまた他の実施例による磁気素子を示す図面である。
【図９】本発明のまた他の実施例による磁気素子を示す図面である。
【図１０】本発明のまた他の実施例によるスピンフィルタ構造体と強磁性体の磁化方向によるスピン蓄積を示す図面である。
【図１１】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル素子を示す図面である。
【図１２】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル素子を示す図面である。
【図１３】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図１４】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図１５】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図１６】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図１７】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図１８】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図１９】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図２０】本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
【図２１】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【図２２】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【図２３】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【図２４】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【図２５】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【図２６】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【図２７】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【図２８】本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
最近、強磁性体ＦＭ（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）と非磁性体ＮＭ（ｎｏｎ−ｍａｇｎｅｔ）からなった二重層構造で非磁性体の強いスピン軌道結合ＳＯＣ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によるスピンホール効果（ｓｐｉｎ  Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）や強磁性体／二重層界面のラシュバ効果（Ｒａｓｈｂａ ｅｆｆｅｃｔ）によるスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）から、ＦＭの磁化方向を低いエネルギで容易に反転（スイッチング）させて、メモリの記録性能を著しく高める素材と素子技術が注目されている。
【００５３】
図１は、従来のスピン軌道トルクを用いた磁気素子を示す斜視図である。
図１に示すように、ｘ軸方向に面内電流ｊｘが非磁性層１０に注入された場合、非磁性層内部で発生するスピンホール効果（ｓｐｉｎ  Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）によってｙ軸方向に分極された（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）スピンがｚ軸方向に移動するスピン電流が発生し、これによって非磁性層１０／自由磁性層２０界面にスピン蓄積を提供する。前記非磁性層１０の上部面で蓄積されたスピンの分極方向は＋ｙ軸方向であり、前記非磁性層１０の下部面で蓄積されたスピンの分極方向は−ｙ軸方向である。非磁性層１０／自由磁性層２０界面にラシュバ効果（Ｒａｓｈｂａ ｅｆｆｅｃｔ）が存在するなら、これもまたｘ軸方向に面内電流ｊｘが非磁性層１０に注入された場合、前記非磁性層１０の上部面に＋ｙ方向（或いは、−ｙ方向）に分極されたスピン蓄積を提供する。
【００５４】
非磁性層１０に流れる面内電流は、非磁性層内部のスピンホール効果（ｓｐｉｎ  Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）又は強磁性／非磁性界面のラシュバ効果（Ｒａｓｈｂａ ｅｆｆｅｃｔ）に起因したスピン蓄積を発生させ、蓄積されたスピンは、強磁性体にスピントルクを提供する。スピンホール効果やラシュバ効果は、いずれも強いスピン軌道結合から起因するため、これらから発生したスピントルクをスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｑｕｅ）という。したがって、強磁性／非磁性異種構造で面内電流を印加した時に発生するスピン軌道トルクから強磁性層の面外磁化（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）をスイッチングする。ＳＯＴスイッチングメカニズムは、スイッチング及び素子安定性を提供する。しかし、ＳＯＴスイッチングメカニズムは、いくつかの短所を有する。ＳＯＴスイッチングのために要求されるスイッチング電流は、通常のスピン伝達トルクのための電流より大きいと報告される。
【００５５】
面内電流（ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）を注入する場合、スピン軌道結合効果は、強磁性／非磁性界面にスピン蓄積を発生させ、このスピン蓄積が強磁性層にスピン軌道トルクを誘発する。したがって、スイッチング電流を減少させる適切な素子構造を提供する一方法は、強磁性／非磁性界面にスピン蓄積を増加させることである。このために、我々は強磁性スピンフィルタ構造体が非磁性層の側面に付け加えた構造を提案する。このスピンフィルタ構造体を通じて提供された電流は、非磁性／強磁性界面にスピンホール効果とは別に、スピンフィルタ構造体の磁化方向と一致するスピン蓄積を発生させる。すなわち、導線に面内電流を印加した時、スピンフィルタ構造体は、自体的に前記強磁性層にスピンフィルタ構造体の磁化方向と一致するスピン伝達トルク（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）を誘発する。したがって、前記スピンフィルタ構造体が付け加えた非磁性／強磁性異種構造で面内電流を印加した時に現れるスピントルクは、近似的にスピン軌道結合に起因したスピン軌道トルクとスピンフィルタ効果から発生するスピン伝達トルクのベクトルの和によって与えられる。前記スピンフィルタ構造体は、追加的にスピン蓄積を提供することによって、スピン軌道トルク又はスピン伝達トルクを印加する。これによって、臨界電流が減少して、消費電力が減少する。
【００５６】
スピンフィルタ構造体の磁化方向を適切に調節することによって、スピンフィルタ構造体から発生するスピン蓄積は、スピンホール効果に起因したスピン蓄積と付加的に（ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ）結合する。例えば、スピンホール効果によるスピン方向がｙ軸方向である場合、スピンフィルタ構造体の磁化方向をｙ軸方向に整列すると、スピン蓄積はｙ軸方向に合算される。したがって、スピンフィルタ構造体からの付加的スピン蓄積は、強磁性層に作用するスピントルクを増加させる。
【００５７】
スピンフィルタ構造体の磁化方向がｚ軸方向である場合、スピン分極電流はｚ軸方向のスピン蓄積を提供し、スピンホール効果に起因したスピン蓄積はｙ軸方向にスピン蓄積を提供する。ベクトルの和によって総スピントルクの大きさを増加させるのみならず、外部磁場無しに前記自由磁性層（強磁性層）の磁化反転を誘導する。
【００５８】
非磁性体ＮＭ（ｎｏｎ−ｍａｇｎｅｔ）−強磁性体ＦＭ（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）接合構造で、前記非磁性体ＮＭに面内電流を注入すれば、前記非磁性体ＮＭと前記強磁性体ＦＭとの間の強いスピン軌道結合ＳＯＣ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に起因するスピン軌道トルクを誘導し、前記強磁性体ＦＭの磁化方向を容易にスイッチングさせる。
【００５９】
既存方法の場合、前記非磁性体ＮＭに面内電流を注入する時、スピン軌道結合力ＳＯＣの効果によってスピン分離が生じる。総スピン数の中で非磁性体層と接合されている強磁性体層には１／２のスピンが移動し、反対方向には残りの１／２のスピンが移動する。この中で前記強磁性体層に移動するスピンがスピン軌道トルクＳＯＴを誘発して、前記強磁性体層の磁化（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ、Ｍ）方向を変える役割をする。ただ、既存の構造では前記非磁性体層に電流が注入されるため、スピン分離効率が５０%を超えない。
【００６０】
本発明の一実施例による磁気素子は、強磁性層と非磁性層の積層構造を有する。前記非磁性層から面内電流が流れる方向の少なくとも一側にスピンフィルタＳＦ（ｓｐｉｎ−ｆｉｌｔｅｒ）構造体が付け加えた（ａｂｕｔｔｅｄ）。前記スピンフィルタ構造体は、前記スピンフィルタ構造体に注入された電流を一方向にスピン分極されたスピン電流に変換する。スピン分極の方向は、スピンフィルタ構造体の磁化方向に依存する。これによって、前記非磁性層は、前記スピンフィルタ構造体によって特定方向により多く分極されたスピン電流を提供される。前記スピン電流は、前記強磁性層の磁化方向に分極されたスピン電流である。つまり、前記スピンフィルタ構造体は、スピンの量と方向を制御して、前記強磁性層と前記非磁性層との間のスピン軌道トルクの効率を高める。スピン分極電流は、前記スピンフィルタ構造体から強磁性層／非磁性層界面に追加的なスピン化学ポテンシャル差を生成し、前記強磁性層にスピン伝達トルクＳＴＴ（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）を誘発する。
【００６１】
前記スピンフィルタ構造体の適切な磁化方向は、磁化スイッチングのために要求される外部磁場を除去する。
【００６２】
以下に、添付された図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。以下に、好ましい実施例を挙げて発明をより詳細に説明する。しかし、これらの実施例は、本発明をより具体的に説明するためのもので、実験条件、物質種類などによって本発明が制限又は限定されないということは、当業界の通常の知識を有する者にとって自明である。本発明は、ここで説明される実施例に限定されず、他の形で具体化される。むしろ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底的かつ完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝えられるように提供される。図面において、構成要素は、明確性を期するために誇張される。明細書全体にわたって同一の参照番号で表示した部分は、同一の構成要素を示す。
【００６３】
本発明で、我々は非磁性／強磁性異種構造にスピンフィルタ構造体の効果を理論的に分析した。以下、本発明の動作原理を説明する。
【００６４】
図２は、本発明の一実施例によるスピンフィルタ構造体を備えた磁気素子を示す概念図である。
図２に示すように、磁気素子２は、第１方向（ｘ軸方向）に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層１０と、前記導電層１０に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層２０と、及び、固定された磁化方向性を有し、前記導電層１０の前記第１方向（ｘ軸方向）の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１のスピン分極ＳＰ（ｓｐｉｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）は、０より大きく１以下である。前記スピンフィルタ構造体１１は、半金属強磁性体である。
【００６５】
前記導電層１０と前記強磁性層２０は互いに積層され、前記導電層１０はｘ軸方向（第１方向）に延長され、第１方向の幅と厚さを有する。前記導電層１０と強磁性層２０は、垂直（ｚ軸）方向に整列される。前記導電層１０のｘ方向の一端に固定された磁化方向の強磁性を有したスピンフィルタ構造体１１が配置される。前記スピンフィルタ構造体１１の磁化方向はｙ軸方向である。前記スピンフィルタ構造体１１の長さはＬである。前記スピンフィルタ構造体１１の厚さは、前記導電層の厚さと同一である。電流はｘ方向に流れ、ｚ軸は前記導電層１０と前記強磁性層２０の厚さ方向である。前記導電層１０と強磁性層２０の界面は、ｚ＝０である。前記導電層１０の第１方向の幅はｗであり、厚さはｔＮである。前記強磁性層２０の第１方向の幅はｗであり、厚さはｔＦである。前記導電層１０は、前記スピンフィルタ構造体によって、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向に整列されたスピン分極電流の提供を受ける。
【００６６】
前記導電層１０は、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する。前記導電層は、非磁性金属又は反磁性物質を含む。前記非磁性物質は、スピンホール効果を誘発し、タングステンＷ、タンタルＴａ、又は白金Ｐｔである。前記反磁性物質は、スピンホール効果を誘発し、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ又はＦｅＭｎである。
【００６７】
例えば、ｙ軸方向のスピン分極電流は、前記導電層の不純物の散乱によってスピンホール効果を発生させてｙ軸に整列された電子を上部面に提供し、−ｙ軸に整列された電子を下部面に提供する。前記導電層の上部面に配置されたスピン蓄積は、スピン軌道トルクを誘発して前記強磁性層の磁化方向を反転させる。
【００６８】
補助導電層は、前記スピンフィルタ構造体に連結されて前記スピンフィルタ構造体に電流を提供する。前記補助導電層は、前記導電層より高い電気伝導度を有した物質である。
【００６９】
前記強磁性層２０は、スイッチングされる磁化方向性を有した強磁性体を含む。前記強磁性層２０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄのうち少なくとも一つを含む。前記強磁性層は、これらの組み合わせで構成された多層薄膜である。前記強磁性層２０は、ＣｏＦｅＢを含む。前記強磁性層は垂直磁気異方性を有し、面外方向に磁化される。
【００７０】
前記スピンフィルタ構造体は、半金属強磁性体である。前記半金属強磁性体は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、及びランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）のうち少なくとも一つを含む。前記スピンフィルタ構造体は、スピン分極ＳＰ＝１である半金属（ｈａｌｆ−ｍｅｔａｌ）である。半金属のエネルギ準位で、多数バンド（ｍａｊｏｒｉｔｙ ｂａｎｄ）と少数バンド（ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｂａｎｄ）が分離されるうち、 一つのスピン状態を有する場合、電子の流れが円滑な導体である。しかし、反対方向のスピン状態を有する場合、不導体又は半導体の特性を有する。
【００７１】
半金属強磁性体の例は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）及び合金、ランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ及び合金などの物質がある。ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金は、次の通りである。
Ｃｕ２ＭｎＡｌ、Ｃｕ２ＭｎＩｎ、Ｃｕ２ＭｎＳｎ、 
Ｎｉ２ＭｎＡｌ、Ｎｉ２ＭｎＩｎ、Ｎｉ２ＭｎＳｎ、Ｎｉ２ＭｎＳｂ、Ｎｉ２ＭｎＧａ
Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＮｉＧａ
Ｐｄ２ＭｎＡｌ、Ｐｄ２ＭｎＩｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｎ、Ｐｄ２ＭｎＳｂ
Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ
Ｆｅ２ＶＡｌ
Ｍｎ２ＶＧａ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ
【００７２】
前記スピンフィルタ構造体１１は、スピン分極ＳＰ＞０.５である強磁性体である。スピン分極ＳＰの値に比例してスピン分離効率は増加する。前記スピンフィルタ構造体は強磁性体を含み、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は前記非磁性層の配置平面（ｘｙ平面）内で前記非磁性層の延長方向（ｘ軸方向）に垂直（ｙ軸方向）である。これによって、前記スピンフィルタ構造体１１は面内電流の提供を受けて、前記非磁性層１０にｙ軸方向のスピン方向性を有した電子を提供する。
［モデル計算方法］
まず、我々は、ＳＦ／ＮＭ構造に対してスピン蓄積を計算する。ＳＦはスピンフィルタ構造体１１を示し、ＮＭは非磁性層又は導電層１０を示す。この計算では、単純化のために磁性層２０を無視（ＳＦ／ＮＭ界面で界面散乱が無視される）した。ＳＦ／ＮＭ界面にスピンフィルタドリフト-拡散方程式（ｄｒｉｆｔ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ）を解けば、我々は非磁性層でスピン蓄積のｙ成分を得る。
【数３】
2018110207.tif 000005
【００７３】
ここで、ρＦは固定された磁化方向を有するスピンフィルタ構造体ＳＦの比抵抗を示し、ρＮは非磁性層ＮＭの比抵抗を示す。Ｌはスピンフィルタ構造体ＳＦの長さであり、
【数４】
2018110207.tif 000006
はそれぞれ強磁性体で構成されたスピンフィルタ構造体１１及び非磁性層ＮＭのスピンフリップ拡散の長さ（ｓｐｉｎ−ｆｌｉｐ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈｓ）である。Ｅｘはｘ−軸方向に印加された電長であり、
【数５】
2018110207.tif 000007
はスピンフィルタ構造体１１のスピン分極である。便宜上ｘ＝０がスピンフィルタ構造体／非磁性金属層の界面に選択される。
【００７４】
次に、我々はＮＭ／ＦＭ構造に集中する。ＮＭは非磁性層を示し、前記ＦＭは強磁性層を示す。我々がｘ軸方向に外部電場を印加する場合、非磁性層からｚ軸方向に流れる電荷及びスピン電流密度（ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｓｐｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ）は、次のように与えられる。
【数６】
2018110207.tif 000008
【００７５】
ここで、ｉとｊは座標系の成分を示す。σは非磁性層の電気伝導度であり、eは電子の電荷量であり、
【数７】
2018110207.tif 000009
は電気化学ポテンシャル（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）であり、
【数８】
2018110207.tif 000010
はｊ−成分の偏極方向を有するスピン蓄積（ｊ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｐｉｎ ａｃｃｕｌｕａｔｉｏｎ）であり、σＳＨ は非磁性層のスピンホール電気伝導度である。εｉｊ は数学と物理学でよく使われるｌｅｖｉ−ｃｉｖｉｔａ記号である。
【００７６】
明確化のために、前記［数学式２］のスピン電流の定義が通常的な定義
【数９】
2018110207.tif 000011
と定数倍ほど異なるということを事前に明らかにしておく。ここで、下付きのｉとｚは、スピン電流のスピン偏極方向と流れ方向をそれぞれ示す。強磁性層２０について、電荷及びスピン電流に対する方程式は、次の通りである。
【数１０】
2018110207.tif 000012
【００７７】
ここで、
【数１１】
2018110207.tif 000013
は磁化に沿う単位ベクトル（ｕｎｉｔ ｖｅｃｔｏｒ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）であり、β０は強磁性層２０のスピン分極（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）である。
【００７８】
スピンフィルタ構造体１１は、非磁性層に付加的なスピン蓄積を提供する。このスピン蓄積は、ｘ方向で指数関数的に減少する。２−次元スピン拡散方程式に対する解析解（ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を得難い。したがって、我々は、近似的に、ｚ軸方向で拡散方程式の解にスピンフィルタ構造体１１から平均スピン蓄積を単純に加えて非磁性層ＮＭでスピン蓄積に対してアンサツ（ａｎｓａｔｚ）を得る。
【数１２】
2018110207.tif 000014
【００７９】
ここで、我々は次のような近似を使用する。
【数１３】
2018110207.tif 000015
【００８０】
ここで、ｗは非磁性層の幅であり、数学式２及び４から、我々は
【数１４】
2018110207.tif 000016
を得る。試料がｙ軸方向に無限大であり、ｚ軸方向に十分に薄いと仮定する。正常状態（ｊＸ＝定数、ｊＺ＝０）の場合、連続方程式
【数１５】
2018110207.tif 000017
は、
【数１６】
2018110207.tif 000018
を誘導する。この方程式の解は
【数１７】
2018110207.tif 000019
である。ここで、Ｃは定数であり、Ｆ（ｘ）は外部電場寄与（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を示す（Ｆ（ｘ）〜ｅＥＸＸ）。ｚ軸方向に流れる電流がゼロである場合ｊＺ＝０、次のように与えられる。
【数１８】
2018110207.tif 000020
上記式は、次のように表現される。
【数１９】
2018110207.tif 000021
【００８１】
数学式２、４、６を使用すると、我々は次のような式を得る。
【数２０】
2018110207.tif 000022
【００８２】
ＮＭ／ＦＭ界面で、電荷及びスピン電流は、次のように与えられる。
【数２１】
2018110207.tif 000023
【００８３】
ここで、下付きＴとＬは、垂直成分（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）と平面（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）成分をそれぞれ示す。
【数２２】
2018110207.tif 000024
はｍａｊｏｒｉｔｙ（ｍｉｎｏｒｉｔｙ）ｓｐｉｎの界面伝導度（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）であり、
【数２３】
2018110207.tif 000025
はｓｐｉｎ ｍｉｘｉｎｇ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅである。
【数２４】
2018110207.tif 000026
は界面上側と下側の電荷（スピン）化学ポテンシャル差（ｃｈａｒｇｅ（ｓｐｉｎ）ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｒｏｐ）である。ここで、我々は強磁性層でスピン位相離脱の長さ（ｓｐｉｎ ｄｅｐｈａｓｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ）は非常に短くて、垂直方向スピン電流、
【数２５】
2018110207.tif 000027
は、ＮＭ／ＦＭ界面で全部吸収されると仮定する。したがって、スピントルクは、次のように述べられる。
【数２６】
2018110207.tif 000028
【００８４】
ここで、γは ジャイロマグネティック比（ｇｙｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｔｉｏ）であり、ＭＳは単位体積当たりの磁化である。スピントルクは、次のようにダンピング−ライクトルク（ｄａｍｐｉｎｇ−ｌｉｋｅ ｔｏｒｑｕｅ）とフィールドライクトルク（ｆｉｅｌｄ−ｌｉｋｅ ｔｏｒｑｕｅ）として述べられる。
【数２７】
2018110207.tif 000029
【００８５】
ここで、ＴＤ（ＴＦ）はダンピング−ライク（フィールド−ライク）トルクの係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）である。境界条件（ｊＺ＝０そして
【数２８】
2018110207.tif 000030
）を有し、強磁性層の上部面（ｚ＝ｔＦ）と非磁性層の下部面（ｚ＝−ｔＮ）で、上述のバルク方程式を解くと、我々は次のように得る。
【数２９】
2018110207.tif 000031
及び
【数３０】
2018110207.tif 000032
【００８６】
ここで、θＳＨ＝σＳＨ／σはスピン・ホール・アングルから定義される量であり、
【数３１】
2018110207.tif 000033
である。数学式１１及び１２で、ＮＭ／ＦＭの界面で局所化されたスピントルクは、強磁性層の厚さｔＦについて平均化される。各トルクの第１項（ｆｉｒｓｔ  ｔｅｒｍ）は、スピンフィルタ構造体１１がない場合のスピンホール寄与分に対応する。
【００８７】
スピンフィルタ構造体１１の効果は、第２項（ｓｅｃｏｎｄ ｔｅｒｍ）に反映される。非磁性層ＮＭでスピンはスピンフィルタ構造体によって部分的に分極（ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）されるため、スピンホール効果がない場合にも、ＮＭ／ＦＭ界面にゼロでないスピン化学ポテンシャル差（ｎｏｎ−ＺＥＲＯ ｓｐｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｒｏｐ）が誘導され、これはスピントルクを誘発する。スピンフィルタ構造体１１によって起因したスピン蓄積は、界面に垂直な直接的な電流の流れ（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｆｌｏｗ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）がない場合にも強磁性層２０にトルクを印加する。このような種類のスピントルクは、非局所的幾何学（ｎｏｎ−ｌｏｃａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）で実験的に観測され、不均一磁化（ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）に起因したラテラル・スピン・トルク（ｌａｔｅｒａｌ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ）である。
【００８８】
図３は、図２の磁気素子で位置によるスピン蓄積（ｓｐｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）を示す。
図３に示すように、シミュレーションで次のようなパラメータが使用された。非磁性層ＮＭは白金Ｐｔであり、スピンフィルタ構造体１１はコバルトである。σＦ＝５×１０６ｍ−１Ω−１、σＮ＝５×１０６ｍ−１Ω−１、
【数３２】
2018110207.tif 000034
非磁性層ＮＭに印加された電長はＥＸ＝２×１０４Ｖ／ｍであり、ｘ方向への電荷電流密度は近似的に
【数３３】
2018110207.tif 000035
である。他のパラメータは、次のように選択された。強磁性層１０の磁化はＭＡ／ｍであり、スピンフィルタ構造体１１の長さはＬ＝２０ｎｍであり、非磁性層のスピン・ホール・アングルはθＳＨ＝０−０．９を使用し、スピンフィルタ構造体１１のスピン分極（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）はβ＝０−１．０を使用した。
【００８９】
図３に示すように、θＳＨ＝０．３に対してＮＭ（５  ｎｍ）／ＦＭ（１．５  ｎｍ）構造のＮＭで、ｙ−成分スピン蓄積（ｙ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｐｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ；
【数３４】
2018110207.tif 000036
）が表示される。上部のふちｚ＝０でスピン蓄積の純量（ｎｅｔ ａｍｏｕｎｔ）は、スピン分極が増加するにつれて増加する。これは数学式１１及び１２でスピントルクを増加させる。
【００９０】
図４は、４つのパラメータθＳＨ、ｔＮ、
【数３５】
2018110207.tif 000037
そしてωによるダンピング−ライク・スピン・トルク（ｄａｍｐｉｎｇ−ｌｉｋｅ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅs ＴＤ）の依存性を示す。
図４に示すように、結果的なダンピング−ライク・スピン・トルクは、増加するスピン・ホール・アングルθＳＨにつれて増加する。ダンピング−ライク・スピン・トルクは、非磁性層の厚さｔＮにつれて増加する。ダンピング−ライク・スピン・トルクは、非磁性層のスピンフリップ拡散の長さ
【数３６】
2018110207.tif 000038
につれて最大値を見せている。前記非磁性層ＮＭのスピンフリップ拡散の長さは、３ないし４ ｎｍである。
スピン分極から付加的なスピントルク（ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）は、ｘ方向に減少（ｄｅｃａｙ）する。ゼロでないスピン分極βに対して、ダンピング−ライク・スピン・トルクは、非磁性層の幅ｗに対して減少する。スピン分極は、ダンピング−ライク・スピン・トルクを増加させる。
【００９１】
図５は、４つのパラメータθＳＨ、ｔＮ、
【数３７】
2018110207.tif 000039
そしてωによるフィールド−ライク・スピン・トルク（ｆｉｅｌｄ−ｌｉｋｅ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅs）の依存性を示す。
図５に示すように、フィールド−ライク・スピン・トルク（ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ−ｌｉｋｅ  ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ  ＴＦ）は、ダンピング−ライク・スピン・トルク（ｄａｍｐｉｎｇ−ｌｉｋｅ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ  ＴＤ）より１０倍ほど小さい。なぜなら、媒介変数化（ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）で、
【数３８】
2018110207.tif 000040
が
【数３９】
2018110207.tif 000041
より小さいためである。４つのパラメータθＳＨ、ｔＮ、
【数４０】
2018110207.tif 000042
そしてωに対するフィールド−ライク・スピン・トルクの依存性は、類似する。
【００９２】
図６は、本発明の他の実施例によるスピンフィルタ構造体を備えた磁気素子を示す概念図である。
図６に示すように、磁気素子３は、第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層１０と、前記導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層２０と、及び、固定された磁化方向性を有し、前記導電層１０の前記第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体１１と、を含む。
【００９３】
前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、前記導電層の配置平面に垂直な方向（ｚ軸方向）である。前記強磁性層の磁化方向は、垂直磁化異方性を有した面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）方向である。
【００９４】
前記スピンフィルタ構造体１１のスピン分極は、０.５ないし１である。前記スピンフィルタ構造体１１は、半金属強磁性体である。前記半金属強磁性体は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、及びランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）のうち少なくとも一つを含む。前記スピンフィルタ構造体１１は強磁性体を含み、前記スピンフィルタ構造体１１の磁化方向は、前記導電層１０の配置平面に垂直である。前記スピンフィルタ構造体１１の磁化方向がｚ軸方向に整列された場合、垂直磁気異方性を有した強磁性層２０は、前記導電層１０に流れるスピン分極によって、外部磁場無しに決定論的なスイッチング（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が可能である。
【００９５】
図７は、本発明のまた他の実施例による磁気素子を示す図面である。
図７に示すように、磁気素子４は、第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層１０と、前記導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層２０と、及び、固定された磁化方向性を有し、前記導電層１０の前記第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体１１と、を含む。
【００９６】
前記スピンフィルタ構造体１１は、前記非磁性層１０の前記第１方向の両側面にそれぞれ配置される。左側に配置されたスピンフィルタ構造体１１の磁化方向（＋ｙ軸方向）は、右側に配置されたスピンフィルタ構造体の磁化方向に反平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）に−ｙ軸方向である。これによって、ｙ軸方向のスピン蓄積は、対称的な偶関数（ｅｖｅｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の形を有する。前記スピン分極電流に起因したｙ軸方向のスピン蓄積は、強磁性層にスピントルクを提供する。また、垂直磁気異方性を有した強磁性層２０は、前記スピン分極電流の散乱に起因したｙ軸方向に整列されたスピン蓄積を誘発し、スピンホール効果に起因したｙ方向スピン蓄積は、強磁性層に追加的なスピントルクを提供する。
【００９７】
図８は、本発明のまた他の実施例による磁気素子を示す図面である。
図８に示すように、磁気素子５は、第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層１０と、前記導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層２０と、及び、固定された磁化方向性を有し、前記導電層１０の前記第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１は、前記導電層１０の前記第１方向の両側面にそれぞれ配置される。左側に配置されたスピンフィルタ構造体１１の磁化方向（＋ｚ軸方向）は、右側に配置されたスピンフィルタ構造体の磁化方向に反平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）するように−ｚ軸方向である。これによって、ｙ軸方向のスピン蓄積は、対称的な偶関数（ｅｖｅｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の形を有する。前記スピンフィルタ構造体１１の磁化方向がｚ軸方向に整列された場合、垂直磁気異方性を有した強磁性層２０は、前記導電層１０に流れるスピン分極によって、外部磁場無しに決定論的なスイッチング（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が可能である。
【００９８】
図９は、本発明のまた他の実施例による磁気素子を示す図面である。
図９に示すように、磁気素子６は、第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層１０と、前記導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層２０と、及び、固定された磁化方向性を有し、前記導電層１０の前記第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１は、前記導電層１０の前記第１方向の両側面にそれぞれ配置される。左側に配置されたスピンフィルタ構造体１１の磁化方向（-ｘ軸方向）は、右側に配置されたスピンフィルタ構造体の磁化方向に反平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）に＋ｘ軸方向である。これによって、ｘ軸方向のスピン蓄積は、対称的な偶関数（ｅｖｅｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の形を有する。前記スピンフィルタ構造体１１の磁化方向がｘ軸方向に整列された場合、垂直磁気異方性を有した強磁性層２０は、前記導電層１０に流れるスピン分極によってスピントルクの提供を受ける。また、垂直磁気異方性を有した強磁性層２０は、スピンホール効果によってｙ軸方向に整列されたスピン蓄積によってスピントルクの提供を受ける。
【００９９】
図１０は、本発明のまた他の実施例によるスピンフィルタ構造体と強磁性体の磁化方向によるスピン蓄積を示す図面である。
図１０に示すように、強磁性層が垂直磁気異方性を有した場合、外部磁場無しにスイッチングするために、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向はｚ軸方向である（ａ−２）。
【０１００】
また、強磁性層が面内磁化方向を有し、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向と前記強磁性層の磁化方向が同一である場合、強磁性層は外部磁場がなくてもスイッチングされる（ｂ−１、ｃ−３）。
【０１０１】
図１１は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル素子を示す図面である。
図１１に示すように、磁気トンネル接合素子１００ａ〜１００ｄは、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合１０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン１１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１０２】
磁気トンネル接合素子１００ａ〜１００ｄは、磁気メモリセルの一部を構成する。基板上に順に導電パターン１１０、自由磁性層１２０、トンネル障壁層１３０、及び固定磁性層１４０が積層される。前記固定磁性層１４０は、配線に連結される。前記導電パターンは面内電流を提供し、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する。前記面内電流が流れる方向で、前記導電パターン１１０の少なくとも一側にはスピンフィルタ構造体１１１が配置される。前記補助導電パターン１１２は、前記スピンフィルタ構造体１１１に連結される。面内電流は、前記補助導電パターン１１２、前記スピンフィルタ構造体１１１、及び前記導電パターン１１０を通じて流れる。前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供し、前記導電パターンはスピンホール効果又はラシュバ効果によって前記自由磁性層１２０にスピン軌道トルクを印加して、前記自由磁性層の磁化反転を誘導する。また、前記スピンフィルタ構造体１１１は、前記自由磁性層に前記スピンフィルタ構造体１１１の磁化方向に整列されたスピン蓄積を提供し、前記スピン蓄積は決定論的なスイッチング（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）効果又は追加的なトルクを提供する効果を提供する。
【０１０３】
前記自由磁性層１２０は、前記導電パターン１１０と垂直に整列される。又は、本発明の変形した実施例によると、前記導電パターンは、前記自由磁性層と垂直に整列されない。前記スピンフィルタ構造体は前記自由磁性層と接触する部位を有するように配置されるか、又は、前記スピンフィルタ構造体は前記自由磁性層と接触する部位を有しないように配置される。前記スピンフィルタ構造体は通常のパターニング工程によって形成されて角を有するか、又はコンフォーマル蒸着（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と異方性エッチングによって形成されたサイドウォール・スペーサ（ｓｉｄｅ−ｗａｌｌ ｓｐａｃｅｒ）構造である。
【０１０４】
図１２は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル素子を示す図面である。
図１２に示すように、磁気トンネル接合素子１００ｅ〜１００ｈは、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合１０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合１０１の前記自由磁性層に隣接して前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン１１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１０５】
磁気トンネル接合素子１００ｅ〜１００ｈは、磁気メモリセルの一部を構成する。基板上に順に固定磁性層１４０、トンネル障壁層１３０、自由磁性層１２０、及び導電パターン１１０が積層される。前記固定磁性層１４０は、配線に連結される。前記導電パターン１１０は面内電流を提供し、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する。前記面内電流が流れる方向で、前記導電パターン１１０の少なくとも一側にはスピンフィルタ構造体１１１が配置される。前記補助導電パターン１１２は、前記スピンフィルタ構造体１１１に連結される。面内電流は、前記補助導電パターン１１２、前記スピンフィルタ構造体１１１、及び前記導電パターン１１０を通じて流れる。前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供し、前記導電パターンはスピンホール効果又はラシュバ効果によって前記自由磁性層１２０にスピン軌道トルクを印加して、前記自由磁性層の磁化反転を誘導する。また、前記スピンフィルタ構造体は、前記自由磁性層に前記スピンフィルタ構造体１１１の磁化方向に整列されたスピン蓄積を提供し、前記スピン蓄積は決定論的なスイッチング（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）効果又は追加的なトルクを提供する効果を提供する。
【０１０６】
前記自由磁性層１２０の側面は、前記導電パターン１１０の側面と垂直に整列される。又は、本発明の変形した実施例によると、前記導電パターンは、前記自由磁性層と垂直に整列されない。前記スピンフィルタ構造体は前記自由磁性層と接触する部位を有するように配置されるか、又は、前記スピンフィルタ構造体は前記自由磁性層と接触する部位を有しないように配置される。前記スピンフィルタ構造体は通常のパターニング工程によって形成されて角を有するか、又はコンフォーマル蒸着（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と異方性エッチングによって形成されたサイドウォール・スペーサ（ｓｉｄｅ−ｗａｌｌ ｓｐａｃｅｒ）構造である。
【０１０７】
図１３は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す概念図である。
図１３に示すように、磁気トンネル接合素子２００は、固定磁性層２４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合２０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン１１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１０８】
前記固定磁性層磁性体２４０は、順に積層された第１固定磁性層２４４、固定磁性層用非磁性層２４６、及び第２固定磁性層２４８からなる人為的反磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造である。前記第１固定磁性層２４４及び第２固定磁性層２４８は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。前記固定磁性層用非磁性層２４６は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。
【０１０９】
本発明の変形された実施例によると、前記固定磁性層２４０は、順に積層された反強磁性層２４２、第１固定磁性層２４４、固定磁性層用非磁性層２４６、及び第２固定磁性層２４８からなる交換バイアスされた反磁性体である。前記反強磁性層２４２は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｍｎ、及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなる。前記第１固定磁性層２４４及び第２固定磁性層２４８は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなる。前記固定磁性層用非磁性層２４６は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなる。
【０１１０】
図１４は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合を示す概念図である。
図１４に示すように、磁気トンネル接合素子３００は、固定磁性層１４０、自由磁性層３２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合３０１と、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加し、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン１１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１１１】
前記固定磁性層磁性体１４０は、前記自由磁性層３２０と互いに整列されない。具体的に、前記自由磁性層３２０は、前記導電パターン１１０の延長方向に互いに並んで延長する。前記自由磁性層３２０は、少なくとも一つの磁区構造３２１を含む。前記磁区構造３２１は磁壁又はスキルミオンであり、互いに反対方向に磁化された磁区を分割する。
【０１１２】
図１５は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合を示す概念図である。
図１５に示すように、磁気トンネル接合素子４００は、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合１０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン４１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン４１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１１３】
前記導電パターン４１０は、導電性反強磁性体を含む。具体的に、前記導電パターン４１０は、前記面内電流を印加し、反強磁性層を含む。前記導電パターン４１０は、垂直磁気異方性を有した前記自由磁性層１２０に面内交換バイアス磁場を提供する。具体的に、前記導電パターン４１０は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、又はＦｅＭｎである。前記反強磁性層は、前記自由磁性層１２０に交換バイアス磁場を提供する。これによって、前記磁気トンネル接合素子は、外部磁場を使用せず、垂直磁気異方性を有した自由磁性層の磁化方向をスイッチングする。
【０１１４】
図１６は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
図１６に示すように、磁気トンネル接合素子５００は、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合１０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン５１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン５１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１１５】
前記面内電流を印加する導電パターン５１０は、順に積層された反強磁性層５１０ａ及び強磁性層５１０ｂを含む。前記反強磁性層５１０ａは、前記自由磁性層１２０に隣接して配置される。前記強磁性層５１０ｂは、面内磁化方向又は前記強磁性層が延長される方向の磁化方向を有する。前記反強磁性層５１０ａは、前記自由磁性層１２０に面内交換バイアス磁場を提供する。前記自由磁性層１２０は、外部磁場を使用せずにスイッチングされる。
【０１１６】
前記強磁性層５１０ｂは、面内磁気異方性を有して前記反強磁性層５１０ａを面内方向に反強磁性整列させる機能を提供する。垂直磁気異方性を有する自由磁性層１２０に隣接した反強磁性層５１０ａが垂直磁気異方性を有する自由磁性層１２０に水平方向の交換バイアス磁場を発生させる。具体的に、水平磁場の下に熱的アニーリングする時、面内磁気異方性を有する強磁性層５１０ｂと反強磁性層５１０ａとの間の交換相互作用によって反強磁性層５１０ａに面内方向の反強磁性に整列される。これで、反強磁性規則によって他の方に隣接した垂直磁気異方性を有する自由磁性層１２０に水平方向の交換バイアス磁場が誘導される。前記反強磁性層５１０ａを有する導電パターン５１０に流れる電流は、異常ホール効果（ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）或いはスピンホール効果を通じてスピン軌道スピントルクを発生させる。前記スピンフィルタ構造体は、前記反強磁性層５１０ａの側面のみに配置される。
【０１１７】
図１７は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
図１７に示すように、磁気トンネル接合素子６００は、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合１０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン１１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１１８】
前記固定磁性層磁性体１４０に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層６５２及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層６５４が配置される。前記双極子フィールド非磁性層６５２は、前記固定磁性層磁性体１４０に隣接して配置される。
【０１１９】
前記双極子フィールド非磁性層６５２は、導電性金属として、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。
前記双極子フィールド強磁性層６５４は、面内磁化方向（例えば、−ｘ軸方向）を有し、双極子磁場を生成して前記自由磁性層１２０に面内方向（＋ｘ軸方向）に磁場を生成する。これによって、前記磁気トンネル接合素子の自由磁性層は、外部磁場を使用せず、磁化反転を行う。
【０１２０】
図１８は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
図１８に示すように、磁気トンネル接合素子７００は、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合７０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン１１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン１１０に提供する。
【０１２１】
補助絶縁層７２７が前記導電パターン１１０と前記自由磁性層１２０との間に配置される。前記補助絶縁層７２７は、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘ、ＺｒＯｘ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。前記補助絶縁層７２７は、前記導電パターンに沿って流れる面内電荷電流が前記磁気トンネル接合７０１を直接通じて流れないように抑制し、純粋なスピン電流だけが通るようにする。
【０１２２】
図１９は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
図１９に示すように、磁気トンネル接合素子８００は、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合１０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン８１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン８１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン８１０に提供する。
【０１２３】
前記導電パターン８１０は、順に積層された導線非磁性層８１０ａ及び導線強磁性層８１０ｂを含む。前記導線強磁性層８１０ｂは、面内磁化方向成分を含む。前記導線非磁性層８１０ａは、前記自由磁性層１２０に隣接するよう配置される。前記導線非磁性層８１０ａは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質である。前記導線強磁性層８１０ｂは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。前記導線強磁性層８１０ｂを通じて流れる面内電荷電流によって、前記導線強磁性層８１０ｂの自体的な異常ホール効果或いは異方性磁気抵抗（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を通じてスピン電流を発生させる［Ｔ. Ｔａｎｉｇｕｃｈｉ、Ｊ.Ｇｒｏｌｌｉｅｒ、Ｍ.Ｄ.Ｓｔｉｌｅｓ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａｐｐｌｉｅｄ ３、０４４００１（２０１５）］。また、前記導線強磁性層８１０ｂと前記導線非磁性層８１０ａの界面スピン軌道結合効果によってスピン電流を発生させる［Ｖ. Ｐ.Ａｍｉｎ、Ｍ.Ｄ.Ｓｔｉｌｅｓ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ９４、１０４４１９（２０１６）］。前記スピンフィルタ構造体１１１は、前記導線非磁性層８１０ａの両側面のうち少なくとも一側に配置される。
【０１２４】
図２０は、本発明のまた他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
図２０に示すように、磁気トンネル接合素子９００は、固定磁性層１４０、自由磁性層１２０、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層１３０を備える磁気トンネル接合９０１と、面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターン９１０と、面内電流が印加される方向で、前記導電パターン９１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体１１１と、を含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターン９１０に提供する。
【０１２５】
前記導電パターン９１０は、順に積層された導線強磁性層９１０ａ及び導線非磁性層９１０ｂを含む。前記導電強磁性層９１０ａと前記自由磁性層１２０との間に配置された非磁性層９２７を含む。前記導線強磁性層９１０ａは、前記自由磁性層１２０に隣接して配置される。前記非磁性層９２７は、前記自由磁性層の側面と整列される。
【０１２６】
前記導線非磁性層９１０ｂ及び前記非磁性層９２７は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質である。前記導線強磁性層９１０ａは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む。前記スピンフィルタ構造体１１１は、前記導線非磁性層９１０ｂの両側面のうち少なくとも一側に配置される。
【０１２７】
図２１は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２１に示すように、磁気メモリ素子９１は、複数の磁気トンネル接合１０１を備える。前記磁気トンネル接合１０１又は磁気トンネル接合素子１００は、図２ないし図１４で説明したように様々に変形される。
【０１２８】
前記磁気メモリ素子９１は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
【０１２９】
前記第１導電パターン１１０は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質からなる。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。
【０１３０】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に並んで進行する。第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層１２０は、前記第１導電パターン１１０に隣接して周期的に配置される。第２導電パターン１８２又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層磁性体１４０に電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される。
【０１３１】
前記磁気メモリ素子９１は、クロスポイント・メモリとして動作する。前記磁気メモリ素子９１は、前記第１導電パターン１１０に流れるスピン分極電流、前記スピン分極電流によるスピンホール効果、前記第２導電パターン１８２に印加される電圧による臨界電流減少効果によって動作する。又は、前記磁気メモリ素子９１は、第１導電パターンに流れる電流によるスピン分極電流、前記スピン分極電流によるスピンホール効果及び選択された磁気トンネル接合を通じて流れるスピン伝達トルク効果によって動作する。
【０１３２】
図２２は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２２に示すように、磁気メモリ素子９２は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９２は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
【０１３３】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的にの離隔して配置される。前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層１２０は、前記第１導電パターン１１０に隣接して周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。前記スピンフィルタ構造体１１１は、前記第１導電パターン１１０にスピン分極電流を提供する。
【０１３４】
第２導電パターン２８２又はＷＬは、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層磁性体１４０に電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される。
【０１３５】
第３導電パターン２８３又はＳＬは、前記第１方向に配列された前記第１導電パターン１１０のそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される。
【０１３６】
第４導電パターン２８４又はＢＬは、前記第２方向に配列された第１導電パターン１１０のそれぞれの他端に連結され、前記第２方向に延長される。
【０１３７】
前記磁気メモリ素子９２は、変形されたクロスポイント・メモリで動作する。前記第１導電パターンは、互いに分離して前記自由磁性層にスピン電流を注入する。前記第３導電パターン、前記第１導電パターン、及び第４導電パターンを通じて電流が流れる場合、前記第１導電パターンに流れる面内電流は、前記自由磁性層にスピン電流を注入して前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。
【０１３８】
図２３は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２３に示すように、磁気メモリ素子９３は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９３は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
【０１３９】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に延長され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層１２０は、前記第１導電パターン１１０又はＢＬに隣接して周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。前記第１導電パターン１１０には、周期的にスピンフィルタ構造体１１１が配置される。
【０１４０】
選択トランジスタＴＲは、前記磁気トンネル接合１０１の固定磁性層磁性体１４０それぞれに電気的に連結される。
【０１４１】
第２導電パターン３８２又はＳＬは、前記第１方向に配列された選択トランジスタＴＲそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される。
【０１４２】
第３導電パターン３８３又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された前記選択トランジスタＴＲそれぞれのゲートに連結される。
特定の第１導電パターン１１０、ＢＬ０に電流が流れる場合、前記第１導電パターンに連結された全ての磁気トンネル接合の自由磁性層は、スピン電流の供給を受ける。一方、特定のメモリセルを選択するために、選択トランジスタＴＲのゲートに連結された特定の第３導電パターンに電圧を印加する。これによって、特定のメモリセルは、前記第１導電パターンによるスピン電流及び選択された選択トランジスタによって固定磁性層に電圧又はスピン転移電流の供給を受ける。これによって、特定のメモリセルは、書き込み動作を行う。
【０１４３】
図２４は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２４に示すように、磁気メモリ素子９４は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９４は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
前記第１導電パターン１１０又はＷＢＬは、基板平面で第１方向に延長され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層１２０は、前記第１導電パターン１１０に隣接して周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。前記第１導電パターンの両側には周期的にスピンフィルタ構造体１１１が配置される。
【０１４４】
選択トランジスタＴＲは、前記磁気トンネル接合の固定磁性層磁性体１４０それぞれに電気的に連結される。
【０１４５】
第２導電パターン４８２又はＲＢＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタＴＲそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記２方向に延長される。
【０１４６】
第３導電パターン４８３又はＷＬは、前記第１方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結される。
【０１４７】
特定のメモリセルに書き込み動作を行うために、特定の第１導電パターンが選択され、選択された第１導電パターンに電流が流れる。また、選択されたメモリセルに連結された選択トランジスタのゲートに連結された第３導電パターンが選択され、前記選択トランジスタのソース／ドレインを前記固定磁性層に電圧が印加されるか、又はスピン伝達電流が流れる。これによって、特定のメモリセルは、書き込み動作を行う。
【０１４８】
図２５は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２５に示すように、磁気メモリ素子９５は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９５は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
【０１４９】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。スピンフィルタ構造体１１１は、前記第１導電パターン１１０の少なくとも一側に配置される。
【０１５０】
第２導電パターン５８２又はＲＢＬは、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層磁性体１４０それぞれに電気的に連結され、第１方向に延長される。
【０１５１】
第３導電パターン５８３又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０のそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される。
選択トランジスタＴＲは、前記第１導電パターン１１０それぞれの他端に連結される。
【０１５２】
第４導電パターン５８４又はＳＬは、前記第１方向に配列された選択トランジスタＴＲのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【０１５３】
第５導電パターン５８５又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタＴＲのゲートに連結され、前記第２方向に延長される。
【０１５４】
図２６は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２６に示すように、磁気メモリ素子９６は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９６は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
【０１５５】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。スピンフィルタ構造体１１１は、前記第１導電パターン１１０の少なくとも一側面に配置される。
【０１５６】
選択トランジスタＴＲは、前記磁気トンネル接合の固定磁性層磁性体１４０にそれぞれ連結される 。
【０１５７】
第２導電パターン６８２又はＲＢＬは、前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインにそれぞれ連結され、前記第１方向に延長される。
【０１５８】
第３導電パターン６８３又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタＴＲのゲートに連結され、前記第２方向に延長される。
【０１５９】
第４導電パターン６８４又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０のそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される。
【０１６０】
第５導電パターン６８５又はＳＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０の他端に連結され、前記第１方向に延長される。
【０１６１】
図２７は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２７に示すように、磁気メモリ素子９７は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９７は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
【０１６２】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層１２０は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。
【０１６３】
第２導電パターン７８２は、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層磁性体１４０それぞれに電気的に連結され、前記第１方向に垂直な第２方向に延長される。
【０１６４】
第１選択トランジスタＴＲ１は、前記第１導電パターン１１０の一端にそれぞれ連結される。
【０１６５】
第２選択トランジスタＴＲ２は、前記第１導電パターン１１０の他端にそれぞれ連結される。
【０１６６】
第３導電パターン７８３又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された前記第１選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【０１６７】
第４導電パターン７８４又はＳＬは、前記第１方向に配列された前記第２選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【０１６８】
第５導電パターン７８５は、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタＴＲ１のゲートと第２選択トランジスタＴＲ２のゲートを互いに連結して前記第２方向に延長される。
【０１６９】
図２８は、本発明のまた他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
図２８に示すように、磁気メモリ素子９８は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９８は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１と、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性層１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０と、及び、前記第１導電パターン１１０の両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含む。前記導電パターン１１０は、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、前記スピンフィルタ構造体１１１は、スピン分極電流を前記導電パターン１１０に提供する。
【０１７０】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン電流を提供し、前記自由磁性層１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性層の磁化反転に寄与する。
【０１７１】
第１選択トランジスタＴＲ１は、前記磁気トンネル接合の固定磁性層磁性体１４０にそれぞれ連結される。
【０１７２】
第２選択トランジスタＴＲ２は、前記第１導電パターン１１０の一端にそれぞれ連結される。
【０１７３】
第２導電パターン８８２又はＲＢＬは、前記第１方向に配列された第１選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【０１７４】
第３導電パターン８８３又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０の他端をそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される。
【０１７５】
第４導電パターン８８４又はＳＬは、前記第１方向に配列された第２選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインをそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される。
【０１７６】
第５導電パターン８８５又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタＴＲ１のゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される。
【０１７７】
第６導電パターン８８６又はＷＬは、前記第２方向に配列された第２選択トランジスタＴＲ２のゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される。
【０１７８】
図２１ないし図２８に示すように、前記自由磁性層１２０は、少なくとも一つの磁区構造を含む。前記磁区構造は、磁壁又はスキルミオンである。
図２１ないし図２８に示すように、前記第１導電パターン１１０は、面内電流を印加し、反強磁性層を含む。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供する。
図２１ないし図２８に示すように、前記第１導電パターン１１０は、面内電流を印加し、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、前記反強磁性層は、前記自由磁性層に隣接して配置され、前記強磁性層は、面内磁化方向を有し、前記第１導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
【０１７９】
図２１ないし図２８に示すように、磁気トンネル接合は、前記固定磁性層磁性体１４０に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、前記非磁性層は、前記固定磁性層磁性体に隣接して配置される。前記自由磁性層は、前記双極子フィールド強磁性層から提供される面内の磁場によって、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
【０１８０】
図２１ないし図２８に示すように、磁気トンネル接合は、前記第１導電パターン１１０と前記自由磁性層１２０との間に配置された補助絶縁層をさらに含む。
【０１８１】
図２１ないし図２８に示すように、前記第１導電パターン１１０は、順に積層された第１導電パターン非磁性層及び第１導電パターン磁性層を含み、前記第１導電パターン磁性層は面内磁化方向成分を含む。
【０１８２】
図２１ないし図２８に示すように、前記第１導電パターン１１０は、順に積層された第１導電パターン磁性層及び第１導電パターン非磁性層を含み、前記第１導電パターン磁性層と前記自由磁性層との間に配置された非磁性層を含む。
【０１８３】
上記のように、本発明を特定の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明はこのような実施例に限られず、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で実施することができる多様な形態の実施例を全て含む。
【符号の説明】
【０１８４】
１０  導電層
１１  スピンフィルタ構造体
２０  強磁性体
【図１】
2018110207.tif 000043
【図２】
2018110207.tif 000044
【図３】
2018110207.tif 000045
【図４】
2018110207.tif 000046
【図５】
2018110207.tif 000047
【図６】
2018110207.tif 000048
【図７】
2018110207.tif 000049
【図８】
2018110207.tif 000050
【図９】
2018110207.tif 000051
【図１０】
2018110207.tif 000052
【図１１】
2018110207.tif 000053
【図１２】
2018110207.tif 000054
【図１３】
2018110207.tif 000055
【図１４】
2018110207.tif 000056
【図１５】
2018110207.tif 000057
【図１６】
2018110207.tif 000058
【図１７】
2018110207.tif 000059
【図１８】
2018110207.tif 000060
【図１９】
2018110207.tif 000061
【図２０】
2018110207.tif 000062
【図２１】
2018110207.tif 000063
【図２２】
2018110207.tif 000064
【図２３】
2018110207.tif 000065
【図２４】
2018110207.tif 000066
【図２５】
2018110207.tif 000067
【図２６】
2018110207.tif 000068
【図２７】
2018110207.tif 000069
【図２８】
2018110207.tif 000070
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月5日(2018.3.5)
【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】
第１方向に電流が注入され、スピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電層と、
前記導電層に接触して互いに積層されるように配置され、磁化方向がスイッチングされる強磁性層と、及び
固定された磁化方向性を有し、前記導電層の前記第１方向の両側面のうち少なくとも一側面に配置されて、スピン分極電流を前記導電層に注入するスピンフィルタ構造体と、を含むことを特徴とする磁気素子。
【請求項２】
前記スピンフィルタ構造体のスピン分極ＳＰ（ｓｐｉｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が０より大きく１以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記スピンフィルタ構造体は、半金属強磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記半金属強磁性体は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、及びランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記スピンフィルタ構造体は、強磁性体を含み、 
前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、前記強磁性層の磁化方向と平行又は反平行し、
前記強磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
前記スピンフィルタ構造体が前記導電層の両側面に配置された場合、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、両側で互いに反平行することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項７】
前記導電層のスピンフリップ拡散の長さは、３ないし４ ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記導電層と前記強磁性層は、互いに整列されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項９】
固定磁性層、自由磁性層、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層を備える磁気トンネル接合と、 
面内電流が流れ、前記磁気トンネル接合の前記自由磁性層に隣接して、前記磁気トンネル接合の自由磁性層にスピントルクを印加するようにスピンホール効果又はラシュバ効果を誘発する導電パターンと、及び
面内電流が印加される方向で、前記導電パターンの両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含み、
前記スピンフィルタ構造体は、注入された電流をフィルタリングしてスピンの量と方向を制御して前記導電パターンに提供することを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
前記スピンフィルタ構造体のスピン分極ＳＰ（ｓｐｉｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が０より大きく１以下であることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１１】
前記スピンフィルタ構造体は、半金属強磁性体であることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１２】
前記半金属強磁性体は、ホイスラ（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、及びランタン・ストロンチウム・マンガナイトＬＳＭＯ（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１３】
前記スピンフィルタ構造体は、強磁性体を含み、
前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、前記自由磁性層の磁化方向と平行又は反平行することを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１４】
前記スピンフィルタ構造体が前記導電パターンの両側面に配置された場合、前記スピンフィルタ構造体の磁化方向は、両側で互いに反平行することを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１５】
前記導電パターンと前記自由磁性層は、互いに整列されることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１６】
前記自由磁性層は、垂直磁気異方性ＰＭＡ（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を有することを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１７】
前記導電パターンのスピンフリップ拡散の長さは、３ないし４ ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１８】
前記固定磁性層は、順に積層された第１固定磁性層、固定磁性層用非磁性層、及び第２固定磁性層からなる反磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造として、
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含み、
前記固定磁性層用非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１９】
前記固定磁性層は、順に積層された反強磁性層、第１固定磁性層、固定磁性層用非磁性層、及び第２固定磁性層からなる交換バイアスされた反磁性体構造として、
前記反強磁性層は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｆｅ、Ｍｎ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなり、
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなり、
前記固定磁性層用非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２０】
前記トンネル障壁層は、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘ、ＺｒＯｘ及びこれらの混合物のうち少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２１】
前記導電パターンは、前記自由磁性層と前記導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクＳＯＴ（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を提供し、
前記導電パターンは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質からなることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２２】
前記自由磁性層は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２３】
前記面内電流を印加する導電パターンは、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向を有し、
前記導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２４】
前記固定磁性層磁性層に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、
前記双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性層磁性体に隣接して配置され、
前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２５】
前記導電パターンと前記自由磁性層との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２６】
前記導電パターンは、順に積層された導線非磁性層及び導線強磁性層を含み、
前記導線強磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２７】
前記導電パターンは、順に積層された導線強磁性層及び導線非磁性層を含み、
前記導電強磁性層と前記自由磁性層との間に配置された非磁性層を含むことを特徴とする 請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項２８】
マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合と、
前記磁気トンネル接合の自由磁性層に隣接して配置された第１導電パターンと、及び
前記第１導電パターンの両側面のうち少なくとも一側面に配置されたスピンフィルタ構造体と、を含み、
前記磁気トンネル接合は、固定磁性層、自由磁性層、及び前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に介在されたトンネル障壁層を備える、
前記第１導電パターンは、前記自由磁性層と前記第１導電パターンとの間のスピン軌道結合力に起因するスピン軌道トルクを提供し、
前記スピンフィルタ構造体は、スピン分極電流を前記導電パターンに提供することを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２９】
前記第１導電パターンは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｒｕ及びこれらの混合物のうち選択される物質からなることを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３０】
前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、反強磁性層を含み、
前記第１導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３１】
前記自由磁性層は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３２】
前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向を有し、
前記第１導電パターンは、前記自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性層は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３３】
前記固定磁性層に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、
前記双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性層に隣接して配置されることを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３４】
前記第１導電パターンと前記自由磁性層との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３５】
前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン非磁性層及び第１導電パターン磁性層を含み、
前記第１導電パターン磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３６】
前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン磁性層及び第１導電パターン非磁性層を含み、
前記第１導電パターン磁性層と前記自由磁性層との間に配置された非磁性層をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３７】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に並んで進行し、
第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層に電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される第２導電パターンをさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３８】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性層に電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、及び
第２方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの他端に連結され、前記第２方向に延長される第４導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３９】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４０】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記２方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４１】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結され、第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１導電パターンそれぞれの他端に連結される選択トランジスタと、 
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４２】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層にそれぞれ連結される選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインにそれぞれ連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端に連結され、前記第１方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４３】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性層それぞれに電気的に連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結された第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの他端にそれぞれ連結された第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された前記第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第２選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲートと第２選択トランジスタのゲートを互いに連結して、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４４】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性層は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性層にそれぞれ連結される第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結される第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端をそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第２選択トランジスタのソース／ドレインをそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、 
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、及び
前記第２方向に配列された第２選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第６導電パターンと、をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の磁気メモリ素子。