(57)【要約】【課題】磁気記録性に優れ、磁化反転に必要な電流量の小さいスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。【解決手段】このスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記第２強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記第２強磁性金属層の磁化の向きが、前記磁気抵抗効果素子の積層方向であり、前記第２強磁性金属層は形状異方性を有し、前記第１の方向に沿った長さが、前記第１の方向及び前記積層方向に直交する第２の方向に沿った長さより長い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記第２強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記第２強磁性金属層の磁化の向きが、前記磁気抵抗効果素子の積層方向であり、
前記第２強磁性金属層は形状異方性を有し、前記第１の方向に沿った長さが、前記第１の方向及び前記積層方向に直交する第２の方向に沿った長さより長い、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁気抵抗効果素子を前記積層方向から見た平面形状に内接する楕円領域と、前記楕円領域より前記第１の方向の外側に位置する外部領域と、を有する請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子は、前記積層方向から見て長方形である請求項１又は２のいずれかに記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１の方向に沿った長さが、６０ｎｍ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記スピン軌道トルク配線の前記第２の方向の端部を第１端部及び第２端部とし、
前記磁気抵抗効果素子の前記第２の方向の端部であり、第１端部に近い側の端部を第３端部、第２端部に近い側の端部を第４端部とした際に、
前記第１端部と前記第３端部との距離及び前記第２端部と前記第４端部との距離は、それぞれ０より大きく、少なくともいずれか一方が前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記第２端部と前記第４端部との距離と異なる請求項５に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第１強磁性金属層と、前記非磁性層及び前記第２強磁性金属層を有する積層体を形成する工程と、
前記積層体を一の方向に加工する工程と、
前記一の方向に加工後の前記積層体を、前記一の方向と交差する二の方向に加工する工程と、を有するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第１強磁性金属層と、前記非磁性層及び前記第２強磁性金属層を有する積層体を形成する工程と、
前記積層体の一面に、前記積層体の積層方向から見て、楕円を内接することができる長方形領域と、前記長方形領域の角部又は長辺部に位置し、前記長方形領域から突出する突出領域と、を有するマスクを形成する工程と、
前記マスクを介して前記積層体を加工する工程と、を有するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。
【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、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗は高いが、磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子より大きい。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は、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとＴＭＲ素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。
【０００４】
近年、ＭＲＡＭは、高集積化が求められている（例えば、特許文献１参照）。ＭＲＡＭの集積度を高めるためには、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。磁化の安定性の低下は、熱等の影響によるデータの書き換わりの原因となる（例えば、特許文献２）。ＭＲＡＭはデータの長期保存を目的としており、データが勝手に書き換わることは許されない。
【０００５】
磁化の安定性を高める方法として、強磁性層の体積を大きくする方法、強磁性層の磁気異方性エネルギーを高める方法が考えられる。しかしながら、磁気異方性エネルギーは、材料固有のものであり、強磁性層に用いる材料及び強磁性層とその他の層との界面状態に依存する。データの長期保存を実現する為には、強磁性層の体積を所定のサイズ以上にすることが求められる。そのため、これらの制限を無視して磁気異方性エネルギーを増大させることは難しい。なお、強磁性層は薄膜であり、体積は面積とほぼ同値である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−２０７４６９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１３８６０４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
スピントランスファートルク（ＳＴＴ）の大きさは、磁気抵抗効果素子の積層方向に流れる電流の電流密度によって決まる。そのため、ＳＴＴにより磁化反転を行うためには、電流密度が所定の値以上であることが求められる。一方で、磁気抵抗効果素子の熱安定性を高めるには「所定のサイズ以上の面積」が必要である。そのため、ＳＴＴにより磁化反転する素子を駆動するためには、「所定の値以上の電流密度」に「所定のサイズ以上の面積」を乗じた電流量の電流を磁気抵抗効果素子の積層方向に流す必要がある。
【０００９】
しかしながら、一つのＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子に流す電流量が多くなると、素子の寿命に影響を及ぼす。例えば、ＴＭＲ素子の絶縁層が絶縁破壊し、素子がデータを記録できなくなる。
【００１０】
また一つのＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子に流す電流量が多くなると、ＭＲＡＭ全体として必要な電流量が大きくなる。例えば、素子を並列に接続した場合、ＭＲＡＭ全体では「一つの素子に必要な電流量」×「素子数」の総電流が必要になる。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁気記録性に優れ、磁化反転に必要な電流量の小さいスピン軌道トルク型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】
【００１２】
近年、スピン軌道相互作用または異種材料の界面におけるラシュバ効果によって生じた純スピン流を利用した磁化反転が知られている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流または異種材料の界面におけるラシュバ効果は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴにより磁化反転を起こす。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロである。
【００１３】
本発明者らは、このようなＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子を用いると、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を印加することが無く、素子の駆動に必要な電流量が磁気抵抗効果素子の大きさによらないことを見出した。その上で、ＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子の磁化反転に必要な電流量を低減できる構成を見出した。
すなわち、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。
【００１４】
（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記第２強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記第２強磁性金属層の磁化の向きが、前記磁気抵抗効果素子の積層方向であり、前記第２強磁性金属層は形状異方性を有し、前記第１の方向に沿った長さが、前記第１の方向及び前記積層方向に直交する第２の方向に沿った長さより長い。
【００１５】
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁気抵抗効果素子を前記積層方向から見た平面形状に内接する楕円領域と、前記楕円領域より前記第１の方向の外側に位置する外部領域と、を有してもよい。
【００１６】
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記磁気抵抗効果素子は、前記積層方向から見て長方形であってもよい。
【００１７】
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記磁気抵抗効果素子の前記第１の方向に沿った長さが、６０ｎｍ以下であってもよい。
【００１８】
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記スピン軌道トルク配線の前記第２の方向の端部を第１端部及び第２端部とし、前記磁気抵抗効果素子の前記第２の方向の端部であり、第１端部に近い側の端部を第３端部、第２端部に近い側の端部を第４端部とした際に、前記第１端部と前記第３端部との距離及び前記第２端部と前記第４端部との距離が、それぞれ０より大きく、少なくともいずれか一方が前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長以下であってもよい。
【００１９】
（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記第２端部と前記第４端部との距離と異なってもよい。
【００２０】
（７）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第１強磁性金属層と、前記非磁性層及び前記第２強磁性金属層を有する積層体を形成する工程と、前記積層体を一の方向に加工する工程と、前記一の方向に加工後の前記積層体を、前記一の方向と交差する二の方向に加工する工程と、を有する。
【００２１】
（８）第３の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第１強磁性金属層と、前記非磁性層及び前記第２強磁性金属層を有する積層体を形成する工程と、前記積層体の一面に、前記積層体の積層方向から見て、楕円を内接することができる長方形領域と、前記長方形領域の角部又は長辺部に位置し、前記長方形領域から突出する突出領域と、を有するマスクを形成する工程と、前記マスクを介して前記積層体を加工する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００２２】
上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子によれば、磁気記録の長期安定性を高め、磁化反転に必要な電流量を小さくできる。
【００２３】
上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、磁気記録性に優れ、磁化反転に必要な電流量の小さいスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
【図２】スピンホール効果について説明するための模式図である。
【図３】ＳＴＴを用いたスピントランスファートルク型磁気抵抗効果素子の模式図である。
【図４】磁気抵抗効果素子が形状異方性を有さない場合のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の模式図である。
【図５】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をｚ方向から見た図である。
【図６】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をｘ方向から見た図である。
【図７】フォトマスクの形状と、得られる磁気抵抗効果素子のｚ方向からの平面形状の対応関係を示した図である。
【図８】長方形状の磁気抵抗効果素子の作製手順を説明するための模式図である。
【図９】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗化素子を複数集積した集積回路を模式的に示した図である。
【図１０】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗化素子を複数集積した集積回路を模式的に示した図である。
【図１１】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子に用いられる制御素子の要部を示した斜視模式図である。
【図１２】一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と二つの制御素子を配置するために必要なセルサイズを説明するための図である。
【図１３】図１２の配置に従って、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び二つの制御素子を配置した場合の単位セルの素子構造を示す斜視模式図である。
【図１４】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の集積性を高めるための配置を示す図である。
【図１５】一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と二つの制御素子を配置するために必要なセルサイズを説明するための図である。
【図１６】図１５の配置に従って、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び二つの制御素子を配置した場合の単位セルの素子構造を示す斜視模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図１は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
以下、磁気抵抗効果素子１０の積層方向をｚ方向、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向のいずれにも直交する第２の方向をｙ方向とする。
【００２７】
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子１０は、磁化方向が固定された第１強磁性金属層１と、磁化方向が変化する第２強磁性金属層２と、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２に挟持された非磁性層３とを有する。
【００２８】
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１の磁化が一方向に固定され、第２強磁性金属層２の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、磁気抵抗効果素子の第１強磁性金属層の保磁力を第２強磁性金属層の保磁力よりも大きくする。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、磁気抵抗効果素子における第１強磁性金属層の磁化を、反強磁性層との交換結合によって固定する。
【００２９】
磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層３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３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
【００３０】
磁気抵抗効果素子の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第１強磁性金属層１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１強磁性金属層１は固定層や参照層、第２強磁性金属層２は自由層や記憶層などと呼ばれる。
【００３１】
第１強磁性金属層１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。
【００３２】
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族の遷移金属又は上記のＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００３３】
また、第１強磁性金属層１の第２強磁性金属層２に対する保磁力をより大きくするために、第１強磁性金属層１と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第１強磁性金属層１の漏れ磁場を第２強磁性金属層２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。
【００３４】
さらに第１強磁性金属層１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第１強磁性金属層１は、非磁性層３側から順にＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（０．２ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６とすることができる。
【００３５】
第２強磁性金属層２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。
【００３６】
第２強磁性金属層２の磁化の向きはｚ方向に（積層面に対して垂直に）配向している。第２強磁性金属層２の磁化の向きがｚ方向に配向することで、磁気抵抗効果素子１０の大きさを小さくできる。第２強磁性金属層２の磁化の向きは、第２強磁性金属層２を構成する結晶構造及び第２強磁性金属層２の厚みの影響を受ける。第２強磁性金属層２の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。垂直磁気異方性は第２強磁性金属層２の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第２強磁性金属層２の膜厚は薄い方が好ましい。
【００３７】
非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
非磁性層３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。
【００３８】
また、磁気抵抗効果素子１０は、その他の層を有していてもよい。例えば、第２強磁性金属層２の非磁性層３と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第１強磁性金属層１の非磁性層３と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。
【００３９】
スピン軌道トルク配線２０と磁気抵抗効果素子１０との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２０から伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。
【００４０】
またこの層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２０から伝播するスピンを磁気抵抗効果素子１０に十分伝えることができる。
【００４１】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
【００４２】
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線２０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。
【００４３】
図２は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図２は、図１に示すスピン軌道トルク配線２０をｘ方向に沿って切断した断面図である。図２に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。
【００４４】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０の延在方向に電流Ｉを流すと、紙面奥側に配向した第１スピンＳ１と紙面手前側に配向した第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。
【００４５】
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。
【００４６】
強磁性体中に電流を流した場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方で、強磁性体中では第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点が異なる。従って、スピン軌道トルク配線２０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。
【００４７】
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。
【００４８】
図１において、スピン軌道トルク配線２０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。すなわち、磁気抵抗効果素子１０にスピンが注入される。
【００４９】
スピン軌道トルク配線２０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２０は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
【００５０】
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２０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。
【００５１】
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。
【００５２】
また、スピン軌道トルク配線２０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２０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２０は、反強磁性金属だけからなってもよい。
【００５３】
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。
【００５４】
また、スピン軌道トルク配線２０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２０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に生成することができる。
【００５５】
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
【００５６】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０とスピン軌道トルク配線２０以外の構成要素を有していてもよい。例えば、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
【００５７】
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の原理）
次いで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の動作原理について説明すると共に、磁気抵抗効果素子１０の具体的な構成及び磁気抵抗効果素子１０とスピン軌道トルク配線２０の関係について説明する。
【００５８】
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉ１を印加すると、純スピン流Ｊｓ(図２参照)がｚ方向に生じる。スピン軌道トルク配線２０のｚ方向には、磁気抵抗効果素子１０が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層２にスピンが注入される。注入されたスピンは、第２強磁性金属層２の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与え、磁化反転が生じる。
【００５９】
磁気抵抗効果素子１０の磁化反転は、注入されるスピンの量に依存する。スピンの量は、スピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉ１の電流密度Ｉｃ１によって決まる。スピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉ１の電流密度Ｉｃ１は、スピン軌道トルク配線２０を流れる電流を、電流の流れ方向に直交する面の面積で割ったものである。そのため、図１においては、電流密度Ｉｃ１＝Ｉ１／ＷＨである。ここで、Ｗはスピン軌道トルク配線２０のｙ方向の長さ（幅）であり、Ｈはスピン軌道トルク配線２０のｚ方向の厚みである。
【００６０】
この電流密度Ｉｃ１は、磁気抵抗効果素子のｘ方向の長さＬ１の成分を有しておらず、スピン軌道トルク配線２０によって決定されている。この点は非常に注目すべき点である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、動作に必要な電流量を磁気抵抗効果素子１０の面積（ｚ方向から見た面積）に依らず設定できる。
【００６１】
図３は、ＳＴＴを用いたスピントランスファートルク型磁気抵抗効果素子１０１の模式図である。スピントランスファートルク型磁気抵抗効果素子１０１は、磁気抵抗効果素子１１と、第１配線３０と、第２配線４０を有する。第１配線３０及び第２配線４０は、任意の導体を用いることができる。
【００６２】
第１配線３０と第２配線４０の間に電位差を与えると、磁気抵抗効果素子１１の積層方向に電流Ｉ２が流れる。電流Ｉ２はＳＴＴを生じ、第２強磁性金属層２の磁化を反転させる。
【００６３】
ＳＴＴの大きさは、磁気抵抗効果素子１１の積層方向に流れる電流Ｉ２の電流密度Ｉｃ２によって決まる。磁気抵抗効果素子１１の積層方向に流れる電流Ｉ２の電流密度Ｉｃ２は、磁気抵抗効果素子１１の積層方向に流れる電流Ｉ２を、電流の流れ方向に直交する面の面積（磁気抵抗効果素子１１の断面積Ｓ）で割ったものである。そのため、図３においては、電流密度Ｉｃ２＝Ｉ２／Ｓである。
【００６４】
この電流密度Ｉｃ２は、磁気抵抗効果素子１１の断面積Ｓをパラメータとして有している。そのためスピントランスファートルク型磁気抵抗効果素子１０１の動作に必要な電流量は、磁気抵抗効果素子１１の面積（ｚ方向から見た面積）に依存する。
【００６５】
磁気抵抗効果素子１１の断面積Ｓが小さいと、第２強磁性金属層２の磁化が熱擾乱等の影響により磁化反転する確率が高まる。そのため、磁気抵抗効果素子１１の断面積Ｓは、磁気記録の安定性の観点から所定の大きさ以上が必要である。つまり、スピントランスファートルク型磁気抵抗効果素子１０１を動作させるためには、「磁化反転に必要な電流密度」に「安定的に磁化を維持できる面積」を乗じた電流量が必要になる。
【００６６】
これに対し、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を動作させるためには、「磁化反転に必要な電流密度」に「スピン軌道トルク配線２０の断面積」を乗じた電流量が必要になる。「スピン軌道トルク配線２０の断面積」は、任意に設定できる。そのため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、動作に必要な電流の総量を小さくすることができる。
【００６７】
ここで、図１に示すようにスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の第２強磁性金属層２は、形状異方性を有する。第２強磁性金属層２のｘ方向の長さＬ１は、ｙ方向の長さ（幅）Ｌ２より長い。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００をこのような構成にすることで、動作に必要な電流の総量をより小さくすることができる。以下、その理由について説明する。
【００６８】
図４は、磁気抵抗効果素子１２の第２強磁性金属層２が形状異方性を有さない場合のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２の模式図である。図４に示す磁気抵抗効果素子１２における第２強磁性金属層２のｘ方向の長さＬ１’とｙ方向の長さ（幅）Ｌ２’は等しい。すなわち、磁気抵抗効果素子１２は、ｚ方向から見て正方形である。
【００６９】
一般に、限られた空間内に限られたサイズの部材を導入する場合、対称性の高い部材の方が効率よく配設できる。そのため、ＭＲＡＭの集積度を高めようとすると、磁気抵抗効果素子の対称性を高めようとすることが通常である。つまり、集積部材として用いられる磁気抵抗効果素子は、ｚ方向から見て対称性の高い正方形（図４参照）や、円形が選択される。
【００７０】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２を動作させるためには、「磁化反転に必要な電流密度Ｉｃ３」に「スピン軌道トルク配線２０の断面積（Ｗ’Ｈ）」を乗じた電流Ｉ３が必要になる。すなわち、Ｉ３＝Ｉｃ３×Ｗ’Ｈが成り立つ。
【００７１】
ここで、上述のように、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を動作させるためには、「磁化反転に必要な電流密度Ｉｃ１」に「スピン軌道トルク配線２０の断面積（ＷＨ）」を乗じた電流Ｉ１が必要である。すなわち、Ｉ１＝Ｉｃ１×ＷＨが成り立つ。
【００７２】
磁気抵抗効果素子１０、１２の層構成はいずれも同一であるため、電流密度Ｉｃ１と電流密度Ｉｃ３はほぼ一致する。熱安定性を確保するために磁気抵抗効果素子の面積を同等にする必要があることを考慮すると、磁気抵抗効果素子１２はｙ方向の長さＬ２’ を長くする必要があり、それに伴って、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅Ｗ’も広くなる。すなわち、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２のｙ方向の幅Ｗ’は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｙ方向の幅Ｗより広い。つまり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を動作するために必要な電流Ｉ１は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０２を動作するために必要な電流Ｉ３より小さくなる。
【００７３】
この観点から考えると、磁気抵抗効果素子１０の幅Ｗは狭ければ狭い程好ましい。しかしながら、現状のフォトリソグラフィー等の加工技術を考慮すると、７ｎｍが限界である。またスピン軌道トルク配線２０の厚みＨも薄ければ薄い程好ましいが、十分な電流量を流すためには、１０ｎｍ以上の厚みを有することが好ましい。
【００７４】
なお、スピン軌道トルク配線２０の断面積が小さくなると、抵抗が大きくなることが想定される。しかしながら、スピン軌道トルク配線２０は金属であり、抵抗が素子の動作に影響を与える程大きくなることは想定されない。ＳＴＴで磁化反転を行うＴＭＲ素子のように、トンネルバリア層に電流を流す場合と比べると、抵抗増加量は微々たるものである。
【００７５】
スピン軌道トルク配線２０の磁気抵抗効果素子１０とｚ方向から見て重畳する部分の抵抗値は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値より小さくすることが好ましい。ここで、「磁気抵抗効果素子１０の抵抗値」とは、磁気抵抗効果素子のｚ方向に電流を流した場合の抵抗値である。また、磁気抵抗効果素子がＴＭＲである場合、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値の大部分はトンネルバリア層の抵抗が占める。抵抗値をこのような関係にすることで、スピン軌道トルク配線２０に流す電流Ｉ１が磁気抵抗効果素子１０内に流れることを抑制できる。すなわち、スピン軌道トルク配線２０に流す電流Ｉ１をより効率的に純スピン流の発生に寄与させることができる。
【００７６】
また磁気抵抗効果素子１０における第２強磁性金属層２が形状異方性を有すると、第２強磁性金属層２の磁化反転が容易になるという利点もある。ｚ方向に第２強磁性金属層２の磁化が配向すると、ＳＯＴで磁化回転を行うためには、磁化回転のきっかけを与える必要がある。磁化回転のきっかけは、外部磁場等を加えることにより実現できる。しかしながら、磁場の発生源を素子外部に設けると、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００全体のサイズが大きくなる。そこで、磁気抵抗効果素子１０に形状異方性を与えることで、磁化回転のきっかけを無磁場の環境下でも生み出すことができる。
【００７７】
磁気抵抗効果素子１０における第２強磁性金属層２が形状異方性を有すると、磁気抵抗効果素子１０の長軸方向（長さＬ１方向）と、短軸方向（長さＬ２方向）とで反磁場の大きさが異なる。すなわち、反磁場の大きさに分布が生じる。
【００７８】
反磁場は、磁性体の端部に生じる磁極によって強磁性体内部に生じる逆向きの磁場である。そのため、反磁場の大きさは、磁極の分極率が大きいほど、磁極間の距離が短いほど、大きくなる。図１に示す磁気抵抗効果素子１０の場合、短軸方向（長さＬ２方向）の反磁場の大きさは、長軸方向（長さＬ１方向）の反磁場の大きさより大きい。
【００７９】
反磁場は、第２強磁性金属層の磁化が磁化回転し始めた際に元の状態に戻そうとする復元力を生み出す。復元力は磁化回転に対する反作用であり、復元力が大きい程、磁化は回転し難くなる。
【００８０】
そのため、長軸方向に沿った回転方向（以下、第１回転方向という）と、短軸方向に沿った回転方向（以下、第２回転方向という）とでは、第２強磁性金属層２の磁化の回転しやすさが異なる。磁化が回転する際に受ける復元力の大きさは短軸方向の方が大きい。そのため、磁化は、第２回転方に沿って回転するより第１回転方向に沿って回転する方が、回転しやすい。つまり、第１回転方向が磁化反転容易方向となる。
【００８１】
図３に示すように、ｚ方向から見た平面視が正方形の磁気抵抗効果素子１２は磁化反転容易方向を有さない。また熱安定性を確保するために磁気抵抗効果素子の面積を同等にする必要があることを考慮すると、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の長さＬ１は、磁気抵抗効果素子１２のｘ方向の長さＬ１’より長い。つまり、磁気抵抗効果素子１０を磁化反転するために必要なエネルギーは、磁気抵抗効果素子１２を磁化反転させるのに必要なエネルギーより小さくなる。
【００８２】
ここで、磁気抵抗効果素子１０の長軸方向の長さＬ１は、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましく、短軸方向の長さＬ２は、Ｌ１より小さいことが好ましい。磁気抵抗効果素子１０の大きさが大きいと、第２強磁性金属層２内に磁区が形成される。磁区が形成されると、第２強磁性層の磁化の安定性が低下する。また磁気抵抗効果素子１０の長軸方向の長さは、短軸方向の長さの２倍以上であることが好ましく、４倍以上であることがより好ましい。磁気抵抗効果素子１０の長軸方向と短軸方向の比が当該範囲内であれば、反磁場による復元力の違いが十分得られる。
【００８３】
図５は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をｚ方向から見た図である。図５（ａ）は、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００をｚ方向から見た図に対応する。磁気抵抗効果素子の形状は、ｘ方向の長さＬ１が、ｙ方向の長さ（幅）Ｌ２より長ければ特に問わない。図５（ａ）に示す磁気抵抗効果素子１０のように長方形状でも、図５（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１３のように楕円形状でもよい。
【００８４】
また図５（ｃ）に示す磁気抵抗効果素子１４のように、ｚ方向から見た平面形状が内接する楕円領域Ｅを有し、その楕円領域Ｅのｘ方向の外側に外部領域Ａを有する構成でもよい。外部領域Ａを確保することで、磁気抵抗効果素子１４の面積を大きくできる。磁気抵抗効果素子１４の面積が大きくなると、磁化の安定性が高まり、熱擾乱等により磁化反転が生じることが避けられる。
【００８５】
また図５（ｄ）に示す磁気抵抗効果素子１５のように、磁気抵抗効果素子１０の長軸が、スピン軌道トルク配線２０の延在方向（ｘ方向）に対して角度θだけ傾いていてもよい。
【００８６】
上述のように磁化反転容易方向は、磁気抵抗効果素子１０の長軸方向に形成される。すなわち、磁気抵抗効果素子１５においては、磁化反転容易方向はｙ方向の成分を有する。
【００８７】
ここで、スピン軌道トルク配線２０内にスピンホール効果で生じるスピンは、スピン軌道トルク配線２０の外表面に沿って配向する。つまり、スピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０に注入するスピンはｙ軸方向に配向している。すなわち、スピンはｙ方向に成分を有する磁化の磁化反転に最も効率的に寄与する。
【００８８】
つまり、磁気抵抗効果素子１５の磁化反転容易方向がｙ方向の成分を有することで、磁化は、ｙ方向に作用するＳＯＴの影響を強く受けることができる。すなわち、ＳＯＴが磁化反転に効率的に作用し、外部磁場等の外力を印加しなくとも磁化を反転できる。
【００８９】
図６は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をｘ方向から見た図である。図６（ａ）は、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００をｘ方向から見た図に対応する。図６（ａ）では、スピン軌道トルク配線２０と磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の端部間距離が、両側で一致している。すなわち、以下の関係が成り立つ。
【００９０】
スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の二つの断部を第１端部ｅ１と第２端部ｅ２とする。また、磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の二つの端部を第３端部ｅ３と第４端部ｅ４とする。ここで、第３端部ｅ３は第１端部ｅ１側の端部であり、第４端部ｅ４は第２端部ｅ２側の端部である。第１端部ｅ１と第３端部ｅ３間の距離Ｄ１と、第２端部ｅ２と第４端部ｅ４間の距離Ｄ２とは等しい。
【００９１】
第１端部ｅ１と第３端部ｅ３間の距離Ｄ１及び第２端部ｅ２と第４端部ｅ４間の距離Ｄ２は、それぞれ０より大きく、少なくともいずれか一方がスピン軌道トルク配線２０のスピン拡散長以下であることが好ましい。
【００９２】
スピン軌道トルク配線２０に電流を流した際には、第１端部ｅ１と第３端部ｅ３間及び第２端部ｅ２と第４端部ｅ４間でも純スピン流が発生する。これらの領域で発生したスピンは、スピン拡散長以下の距離の範囲内であれば伝搬できる。そのため、第１端部ｅ１と第３端部ｅ３間の距離Ｄ１及び第２端部ｅ２と第４端部ｅ４間の距離Ｄ２が、０より大きければこれらの領域で発生したスピンも磁化の回転に利用できる。またこれらの距離が、スピン軌道トルク配線２０のスピン拡散長以下であれば、発生したスピンを漏れなく磁化反転に利用できる。
【００９３】
また図６（ｂ）は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の別の例をｘ方向から見た図である。図６（ｂ）では、第１端部ｅ１と第３端部ｅ３間の距離Ｄ１は、第２端部ｅ２と第４端部ｅ４間の距離Ｄ２より大きい。すなわち、第１端部ｅ１と第３端部ｅ３間の距離Ｄ１と、第２端部ｅ２と第４端部ｅ４間の距離Ｄ２と、が異なっている。
【００９４】
第１端部ｅ１と第３端部ｅ３間で生じるスピンの総量は、第２端部ｅ２と第４端部ｅ４間で生じるスピンの総量より多い。生じたスピンがいずれも磁気抵抗効果素子１０に供給されたとすると、磁気抵抗効果素子１０の第３端部ｅ３側の方が第４端部ｅ４側より供給されるスピンの量が多くなる。つまり磁気抵抗効果素子１０の磁化を回転させようとするＳＯＴの大きさは、ｙ方向に対称性が崩れている。
【００９５】
上述のように、スピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０に注入するスピンはｙ軸方向に配向している。すなわち、スピンはｙ方向に成分を有する磁化反転に最も効率的に寄与する。そのため、磁気抵抗効果素子１０の磁化に加わるＳＯＴの大きさの対称性がｙ方向に崩れていると、磁化反転がより容易になる。その結果、ＳＯＴが磁化反転に効率的に作用し、外部磁場等の外力を印加しなくとも磁化を反転できる。
【００９６】
本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子によれば、動作に必要な電流の総量をより小さくできる。そのため、集積化した素子を所定の容量の電源と接続した際に、より多くの素子に電流を分配できる。
【００９７】
また本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要が無い。そのため、磁気抵抗効果素子の寿命を長寿命化することができる。
【００９８】
また本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の形状異方性に伴い、反磁場の分布が生じる。その結果、磁気抵抗効果素子に磁化反転容易方向が形成され、磁化反転を容易に行うことができる。
【００９９】
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法）
次いで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
【０１００】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法等の成膜技術と、フォトリソグラフィー等の形状加工技術を用いて得ることができる。
【０１０１】
まず支持体となる基板上に、スピン軌道トルク配線を作製する。スピン軌道トルク配線を構成する金属を、スパッタリング等の公知の成膜手段で成膜する。次いで、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、スピン軌道トルク配線を所定の形状に加工する。スピン軌道トルク配線以外の部分は、酸化膜等の絶縁膜で覆う。スピン軌道トルク配線及び絶縁膜の露出面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨することが好ましい。
【０１０２】
次いで、磁気抵抗効果素子を作製する。磁気抵抗効果素子はスパッタリング等の公知の成膜手段を用いて作製できる。磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子の場合、例えば、トンネルバリア層は第２強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のマグネシウム、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リングし、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。成膜法としてはスパッタリング法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等が挙げられる。
【０１０３】
磁気抵抗効果素子を所定の形状にする方法としては、フォトリソグラフィー等の加工手段を利用できる。まず磁気抵抗効果素子を積層した後、磁気抵抗効果素子のスピン軌道トルク配線と反対側の面に、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、磁気抵抗効果素子の保護膜となる。レジストが硬化した部分は、最終的に得られる磁気抵抗効果素子の形状と一致する。
【０１０４】
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、所定の形状の磁気抵抗効果素子が得られる。
【０１０５】
ここで、レジストを所定の形状に硬化させる方法について具体的に説明する。
まず一つ目の方法として、マスクを用いてレジストを感光する方法がある。例えば、ポジレジストを用いて、硬化したい部分上にフォトマスクを配設する。そしてフォトマスクを介して露光することで、所定の形状にレジストを加工できる。
【０１０６】
磁気抵抗効果素子は、高集積化のために素子サイズの微細化が求められている。そのため、磁気抵抗効果素子のサイズが、露光の解像度限界に近づく場合がある。この場合、図７に示すように、四角形状に加工したフォトマスクＰＭを複数組み合わせて、レジストを所定の形状に硬化させる。一つのフォトマスクＰＭの１辺は、現状の技術レベルで数ｎｍ程度まで小さくできる。
【０１０７】
図７は、フォトマスクＰＭの形状と、得られる磁気抵抗効果素子１３のｚ方向からの平面形状の対応関係を示した図である。図７（ａ）に示すように、１つのフォトマスクＰＭの形状が四角形の場合でも、磁気抵抗効果素子１３の平面形状は楕円等の形状になる。これは、フォトマスクＰＭを通過後の光が、一部拡散してレジストを硬化するためである。またイオンミリング等のエッチング処理において、角となる部分はエッチングが進行しやすいためである。
【０１０８】
また図５（ｃ）に示すように、楕円領域Ｅの外側に外部領域Ａを形成する場合は、フォトマスクの形状を図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示す形状とする。図７（ｂ）に示すフォトマスクＰＭ１は、楕円を内接できる長方形領域Ｒｅと、長方形領域Ｒｅの角部Ｅｄに突出領域Ｐｒ１とを有する。また図７（ｃ）に示すフォトマスクＰＭ２は、楕円を内接できる長方形領域Ｒｅと、長方形領域Ｒｅの長辺部Ｓｄに突出領域Ｐｒ２とを有する。図７（ｂ）及び（ｃ）における長方形領域Ｒｅは、図７（ａ）に示すフォトマスクに対応する。
【０１０９】
図７（ｂ）に示すように角部Ｅｄに突出領域Ｐｒ１を設けると、エッチング処理における角部Ｅｄのエッチングの進行を遅らせることができる。その結果、図５（ｃ）に示すように外部領域Ａを形成できる。また図７（ｃ）に示すように辺部Ｓｄに突出領域Ｐｒ２を設けると、エッチング処理における長辺部Ｓｄと角部Ｅｄとのエッチング速度差をより大きくできる。その結果、図５（ｃ）に示すように外部領域Ａを形成できる。
【０１１０】
また別の方法として、レーザー等の指向性を有する光を用いてスポット露光してもよい。例えば、ネガレジストを用いて、硬化したい部分だけに光を当て、所定の形状にレジストを加工する。この場合も同様に、露光するスポットの形状が四角形の場合でも、得られる形状が楕円形となる。
【０１１１】
上述のように、フォトマスクＰＭの形状が四角形の場合でも、磁気抵抗効果素子１３の形状は楕円等のエッジを有さない形状となる。そのため、図５（ａ）に示すように磁気抵抗効果素子１０のｚ方向からの平面形状を長方形状にする場合は工夫が必要である。
【０１１２】
磁気抵抗効果素子１０のｚ方向からの平面形状を長方形状にする場合は、２回に分けて磁気抵抗効果素子１０を加工する。すなわち、第１強磁性金属層と、非磁性層及び第２強磁性金属層を有する積層体を一の方向に加工する第１工程と、一の方向に加工後の積層体を、一の方向と交差する二の方向に加工する第２工程と、に分けて行う。
【０１１３】
図８は、長方形状の磁気抵抗効果素子の作製手順を説明するための模式図である。図８（ａ）に示すように、スピン軌道トルク配線２０と絶縁体５０の一面に、第２強磁性金属層２、非磁性層３、第１強磁性金属層１を順に積層し、積層体を得る。
【０１１４】
次いで、得られた積層体を一の方向に加工する。一の方向は、任意の方向を選択できる。例えば、スピン軌道トルク配線２０が延在するｘ方向としてもよいし、ｘ方向と直交するｙ方向としてもよいし、ｘ方向及びｙ方向のいずれからも傾いた方向としてもよい。
【０１１５】
積層体の加工は、フォトリソグラフィーを用いた方法、レーザー等を用いた方法等の公知の加工手段を用いることができる。加工後の積層体は、一の方向にある程度の長さを有する為、フォトマスクの形状等をそのまま反映させることができる。つまり、積層体はｘ方向に直線状に加工できる。
【０１１６】
次いで、得られた積層体を二の方向に加工する。二の方向は、一の方向と交差する任意の方向を選択できる。図８（ｃ）では、スピン軌道トルク配線２０が延在するｘ方向に対して直交するｙ方向に加工している。
【０１１７】
二の方向への加工も、フォトリソグラフィーを用いた方法、レーザー等を用いた方法等の公知の加工手段を用いることができる。二の方向への加工の際も、二の方向にある程度の長さを有するフォトマスク等を用いることができるため、フォトマスク等の形状等を加工後の形状にそのまま反映させることができる。つまり、積層体はｙ方向に直線状に加工できる。
【０１１８】
このように、２段階に分けて加工することで、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向から見た際の平面形状を長方形状にすることができる。
【０１１９】
そして、得られた磁気抵抗効果素子１０の外側面を絶縁体で覆ってもよい。絶縁体は、酸化膜、窒化膜等の公知の絶縁体を用いることができる。
【０１２０】
ここまで、スピン軌道トルク配線と磁気抵抗効果素子を順に作製する方法について説明した。一方で、スピン軌道トルク配線と磁気抵抗効果素子を同時に作製してもよい。
【０１２１】
まずスピン軌道トルク配線を構成する金属層及び磁気抵抗効果素子を構成する各層を面上に順に積層する。次いで、スピン軌道トルク配線及び磁気抵抗効果素子をフォトリソグラフィーにより一度に加工する。一度の加工で、スピン軌道トルク配線と、磁気抵抗効果素子の第１の方向への加工が同時に完了する。その後、磁気抵抗効果素子を第１の方向と異なる第２の方向に加工することで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子が得られる。
【０１２２】
本発明は、上記実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の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る。
【０１２３】
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の集積性）
次いで、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の集積性について説明する。
【０１２４】
＜回路構造＞
図９及び図１０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を複数集積した集積回路を模式的に示した図である。図９に示す集積回路２００及び図１０に示す集積回路２０１はいずれも、書込み時及び読込み時の電流リークは僅かであり、十分素子として機能する。図９及び図１０の回路上では、スピン軌道トルク配線２０を抵抗２１、２２として図示している。
【０１２５】
図９に示す集積回路２００及び図１０に示す集積回路２０１において、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００には、読出し用制御素子１１０と、素子選択用制御素子１２０と、書込み用制御素子１３０が接続されている。これらの制御素子には、ＦＥＴ（field-effect transistor）等の公知のトランジスタ等が用いられる。
【０１２６】
読出し用制御素子１１０と素子選択用制御素子１２０とを動作させる（「ＯＮ」状態にする）と、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流を流すことができ、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化を読出すことができる。また書込み用制御素子１３０と素子選択用制御素子１２０を動作させる（「ＯＮ」状態にする）と、スピン軌道トルク配線２０に電流を流すことができ、磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層２の磁化反転（書込み）を行うことができる。
【０１２７】
図９に示す集積回路２００では、書込み用制御素子１３０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００に渡っており、集積基板の端部等にまとめて設けることができる。換言すると、図９に示す集積回路２００において書込み用制御素子１３０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の集積性に大きな影響を及ぼさない。
【０１２８】
同様に、図１０に示す集積回路２０１では、読出し用制御素子１１０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００に渡っており、集積基板の端部等にまとめて設けることができる。換言すると、読出し用制御素子１１０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の集積性に大きな影響を及ぼさない。
【０１２９】
そのため、集積回路の集積性に影響を与える一つの単位セルは、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と二つの制御素子とによって構成されていると言える。二つの制御素子は、図９に示す集積回路２００では、読出し用制御素子１１０と素子選択用制御素子１２０であり、図１０に示す集積回路２０１では、素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０である。
【０１３０】
従来、ＳＯＴを用いたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００には、それぞれ３つの制御素子が必要と考えられていたが、配置によっては集積性に影響を及ぼす制御素子を２つに収めることができる。
【０１３１】
＜単位セルサイズの検討＞
次いで、一つの単位セルの大きさについて検討する。一つの単位セルは、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と二つの制御素子とによって決定される。そのため、これらの素子をどのように配置するかが問題になる。またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００及び二つの制御素子を適切に動作させるために必要なそれぞれの素子サイズを見積もる必要がある。
【０１３２】
まず、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００及び二つの制御素子を適切に動作させるために必要なそれぞれの素子サイズを見積もる。
【０１３３】
「スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子のサイズ」
スピントランスファートルクを用いたＳＲＡＭ（Static Randam Access Memory、以下「ＳＴＴ−ＳＲＡＭ」と言う）では、一例として直径９０ｎｍの円柱状の磁気抵抗効果素子が用いられる。この場合、磁気抵抗効果素子を積層方向から見た際の断面積は、（９０／２）２×π＝６３６１ｎｍ２となる。このサイズの断面積を有する磁気抵抗効果素子は、熱擾乱等の影響を受けても１０年間安定的にデータを保持できる。
【０１３４】
安定的にデータを保持するために必要な磁気抵抗効果素子の断面積は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００でも同等である。そのため、磁気抵抗効果素子を積層方向から見た際の断面積としては、６３００ｎｍ２程度が必要である。この断面積は、図１では「ｘ方向の長さＬ１」に「ｙ方向の長さＬ２」を乗じた値に対応する。
【０１３５】
ｘ方向の長さＬ１とｙ方向の長さＬ２は、任意に設定できる。現状の半導体における最小加工寸法（feature size：Ｆ）は７ｎｍと言われている。そのため、ｙ方向の長さＬ２は最低でも７ｎｍであり、この場合はｘ方向の長さは９００ｎｍとなる。この他にも以下の表１に示すように、ｘ方向の長さＬ１及びｙ方向の長さＬ２を設定できる。いずれにおいても、「ｙ方向の長さＬ２」×「ｘ方向の長さＬ１」≒６３００ｎｍ２であり、安定的にデータを保持できる。
【０１３６】
一方で、記憶素子として用いるためには、データを書き換えることができる必要がある。
【０１３７】
ＳＴＴ−ＳＲＡＭにおいて磁気抵抗効果素子の磁化を反転させる（データを書き換える）ためには、「磁気抵抗効果素子の断面積」に「磁化反転に必要な電流密度」を乗じた電流量が必要である。例えば、この電流量を４００μＡとすると、磁化反転に必要な電流密度は４００μＡ／６３６１ｎｍ２＝６．２×１０６Ａ／ｃｍ２となる。
【０１３８】
本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００では、データを書き換えるためには、「磁化反転に必要な電流密度」に「スピン軌道トルク配線２０の断面積（ＷＨ）」を乗じた電流が必要になる。
【０１３９】
「磁化反転に必要な電流密度」は、磁気抵抗効果素子の断面積が同等であるため、ＳＴＴ−ＳＲＡＭにおける磁気抵抗効果素子を磁化反転させるのに必要な電流密度と大きく変わらない。すなわち、６．２×１０６Ａ／ｃｍ２とすることができる。
【０１４０】
「スピン軌道トルク配線２０の断面積（ＷＨ）」は、以下のように決定される。スピン軌道トルク配線２０の幅Ｗは、磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の長さＬ２以上である必要がある。またスピン軌道トルク配線２０の厚みＨは、スピン軌道トルク配線２０の幅Ｗにもよるが十分な電流を流すためには、１０ｎｍ程度必要である。
【０１４１】
すなわち、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００においてデータを書き換えるのに必要な最小電流は、「磁化反転に必要な電流密度」に「ｙ方向の長さＬ２（＝スピン軌道トルク配線２０の幅Ｗ）」と「スピン軌道トルク配線２０の厚みＨ」を乗じた値となる。
【０１４２】
表１に、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の長さＬ１及びｙ方向の長さＬ２を変えた場合のそれぞれにおいて必要な電流量を示した。いずれの電流量も、同程度のデータ保持性を有するＳＴＴ−ＳＲＡＭの磁化反転に必要な４００μＡと比較して十分小さい値である。
【０１４３】
【表１】
2018074138.tif 000003
【０１４４】
「制御素子のサイズ」
一方で、磁化反転に必要な電流の制御は、それぞれの制御素子によって行われる。換言すると、それぞれの制御素子は、磁化反転に必要な電流を流すだけの能力が必要である。すなわち、磁化反転に必要な電流量からそれぞれの制御素子に必要な素子サイズを見積もることができる。
【０１４５】
図１１は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子に用いられる制御素子の要部を示した斜視模式図である。読出し用制御素子１１０、素子選択用制御素子１２０及び書込み用制御素子１３０には、同じものを用いることができるため、以下、制御素子Ｔとして説明する。図１１に示すように、制御素子Ｔは、ソース電極Ｓと、ドレイン電極Ｄと、チャネルＣとを有する。
【０１４６】
ソース電極Ｓの幅、ドレイン電極Ｄの幅及びソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの距離を最小加工寸法Ｆで固定すると、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間に流すことができる単位幅Ｗａ当りの所定の電流量は決まる。単位幅を１μｍの場合、一例として所定の電流量は０．５ｍＡとなる。この場合、表１に示す実施例１のように磁化反転に必要な反転電流が４μＡであれば、制御素子の幅Ｗｃは８μｍ以上にする必要がある。表１には、その他の例における必要な制御素子の幅Ｗｃも示した。
【０１４７】
上述のように、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００及び二つの制御素子Ｔを適切に動作させるために必要なそれぞれの素子サイズを見積もることができる。次いで、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と二つの制御素子Ｔとをどのように配置するかを検討する。
【０１４８】
「各素子の配置：第１配置」
図１２は、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と二つの制御素子を配置するために必要なセルサイズを説明するための図である。
【０１４９】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の大きさを最小加工寸法で表すと、ｘ方向の長さＬ１はｎ１Ｆ、ｙ方向の長さＬ２はｎ２Ｆとなる。ｎ１及びｎ２は設計値であるが、表１に示すような相対関係を有する。
【０１５０】
一方で、制御素子Ｔの一辺の長さは、ソース電極の幅、ドレイン電極の幅、及び、ソース電極とドレイン電極間のチャネル領域を確保するために、３Ｆが必要となる。これに対し、もう一辺の長さｎ３ＦはチャネルＣに流す電流量によって決まる（表１参照）。
【０１５１】
これらの素子を所定の領域Ｒ内に配設する。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と制御素子Ｔとは同一平面上に加工する必要はなく、ｚ方向から見て重畳させることができる。これに対し、制御素子Ｔは配線等の取り回しの関係上、ｙ方向に並列させる。
【０１５２】
図１３は、図１２の配置に従って、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び二つの制御素子を配置した場合の単位セルの素子構造を示す斜視模式図である。図１３では制御素子として、素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０とを単位セルに組み込んでおり、図１０の回路図に従った構造である。図１３に示すように、３つの制御素子を繋ぐ配線は、互いに短絡することなく取り回されている。すなわち、図１２に示す制御素子の配置は、立体構造を考慮しても可能であることが分かる。なお、図９の回路図に従った場合（図視略）でも、立体構造をとることが可能であることは確認した。
【０１５３】
図１２及び図１３に示すように、同一平面に存在する隣接する素子間には、素子同士の短絡を避けるためのスペースが必要である。このスペースには、最小加工寸法Ｆ分だけの間隔が必要となる。すなわち、集積回路の単位セルとしてｙ方向には８Ｆ分の幅が必要である。
【０１５４】
集積回路の単位セルのｘ方向には、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｘ方向の長さ（ｎ１Ｆ）または制御素子Ｔのｘ方向の長さ（ｎ３Ｆ）のいずれか大きい方以上の大きさが必要である。実際には貫通ビアＢ（図１２参照）を作製するスペース（２Ｆ）、隣接する素子間の距離を確保するスペース（１Ｆ）として、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｘ方向の長さ（ｎ１Ｆ）または制御素子Ｔのｘ方向の長さ（ｎ３Ｆ）のいずれか大きい方の値に３Ｆを足した分の幅が必要になる。
【０１５５】
ここで、貫通ビアＢのサイズは一方向に最小加工寸法分Ｆだけ必要と仮定している。しかしながら、現実には貫通ビアＢを作製するのに必要とするサイズは、メーカーの使用によって異なる。そのため、貫通ビアＢを作製するのに必要なサイズが異なる場合は、そのサイズを２倍した値をｘ方向に足す必要がある。２倍するのは貫通ビアが二つ必要なためである。またｙ方向についても貫通ビアＢを制御素子とｚ方向から見て重畳させることができない場合は、その分のサイズ分を８Ｆに足す必要がある。
【０１５６】
なお、貫通ビアサイズの追加はセル面積の絶対値には影響を及ぼすが、相対関係には影響を及ぼすものではない。そのため、仮定の数値を用いて計算しても大小関係が変わることはない。
【０１５７】
表１に示すように、実施例１１を除くほとんどの場合で、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｘ方向の長さ（ｎ１Ｆ）が、集積回路の単位セルに必要なｘ方向の大きさを決定する。
【０１５８】
上述のように、集積回路の単位セルに必要なセル面積は、８Ｆ×｛（ｎ１Ｆ又はｎ３Ｆ）＋３｝となる。ここで、「ｎ１Ｆ又はｎ３Ｆ」はいずれか大きい方が選択される。磁気抵抗効果素子の形状を変えた際に必要なセル面積は、表１に示した。
【０１５９】
セル面積は、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の幅Ｌ１（ｎ１Ｆ）と、制御素子Ｔのｘ方向の長さ（ｎ３Ｆ）の差が大きくなるほど大きくなる。これは、図１２に示すように、素子が形成されないデッドスペースＤＳが増えるためである。すなわち、集積性の観点からは、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の幅Ｌ１（ｎ１Ｆ）と、制御素子Ｔのｘ方向の長さ（ｎ３Ｆ）の差は小さい方が好ましい。なお、図１４に示すように、デッドスペースＤＳを埋めるように、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００及び制御素子Ｔを配設し、集積度を高めてもよい。
【０１６０】
一方で、反転電流量を小さくするという観点からは、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の幅Ｌ１（ｎ２Ｆ）と、制御素子Ｔのｘ方向の長さ（ｎ３Ｆ）の差が大きくなっても、磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の幅Ｌ２（ｎ２Ｆ）を小さくすることが好ましい。
【０１６１】
また最小加工寸法Ｆを１０ｎｍとして同様の検討を行った結果を表２に、最小加工寸法Ｆを２８ｎｍとして同様の検討を行った結果を表３に示す。表２及び表３においても同様の結果が確認できた。
【０１６２】
【表２】
2018074138.tif 000004
【０１６３】
【表３】
2018074138.tif 000005
【０１６４】
なお、比較例１〜５では、磁気抵抗効果素子のｙ方向の幅Ｌ２がｘ方向の幅Ｌ１より大きく、磁化反転に必要な反転電流量が大きい。また集積回路のセル面積のｘ方向の幅が、制御素子の大きさに起因しており、集積度が悪くなっている。
【０１６５】
「各素子の配置：第２配置」
上述の第１配置では、制御素子をｙ方向に並列配置したが、制御素子Ｔをｘ方向に並列配置することもできる。
【０１６６】
図１５は、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子と二つの制御素子を配置するために必要なセルサイズを説明するための図である。図１６は、図１５の配置に従って、一つのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び二つの制御素子を配置した場合の単位セルの素子構造を示す斜視模式図である。
【０１６７】
図１６では制御素子として、素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０とを単位セルに組み込んでおり、図１０の回路図に従った構造である。図１６に示すように、３つの制御素子を繋ぐ配線は、互いに短絡することなく取り回されている。すなわち、図１６に示す制御素子の配置は、立体構造を考慮しても可能であることが分かる。なお、図９の回路図に従った場合（図視略）でも、立体構造をとることが可能であることは確認した。
【０１６８】
図１５に示すように、各素子の大きさは変わらない。一方で、配置が変化することで、二つの制御素子を設けるのに必要なｘ方向の幅が変化する。二つの制御素子に必要なｘ方向の幅は、各素子のｘ方向の幅（３Ｆ）の２倍に、素子間の距離（ｎ４Ｆ）を足したものとなる。素子間の距離は最短でＦが必要なため、二つの制御素子に必要なｘ方向の幅は最低でも７Ｆ以上である必要がある。また、隣の単位セルとの間隔を確保するため、１Ｆが必要であるため、８Ｆ以上が必要となる。
【０１６９】
すなわち、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｘ方向の長さに貫通ビア分のスペース（２Ｆ）及びセル間のスペース（Ｆ）を足した値（ｎ１Ｆ＋２Ｆ＋Ｆ）が、制御素子Ｔのｘ方向の最小長さ（８Ｆ）より大きい場合は、前者（ｎ１Ｆ＋２Ｆ＋Ｆ）の大きさが集積回路の単位セルのｘ方向に必要である。一方で、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｘ方向の長さに貫通ビア二つ分のスペースを足したもの（ｎ１Ｆ＋２Ｆ）が、制御素子Ｔのｘ方向の最小長さ（８Ｆ）より小さい場合は、後者（８Ｆ）の大きさが集積回路の単位セルのｘ方向に必要である。
【０１７０】
これに対し、集積回路の単位セルのｙ方向には、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｙ方向の長さ（ｎ２Ｆ）または制御素子Ｔのｙ方向の長さ（ｎ３Ｆ）のいずれか大きい方以上の大きさが必要である。実際には隣接する素子間の距離を確保するスペース（１Ｆ）として、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のｙ方向の長さ（ｎ２Ｆ）または制御素子Ｔのｙ方向の長さ（ｎ３Ｆ）のいずれか大きい方の値にＦを足した分の幅が必要になる。
【０１７１】
そのため、集積回路の単位セルに必要なセル面積は、｛（ｎ１Ｆ＋２Ｆ＋Ｆ）又は８Ｆ｝×｛（ｎ２Ｆ＋Ｆ）又は（ｎ３Ｆ＋Ｆ）｝となる。このセル面積の測定計算における「又は」では、それぞれいずれか大きい方が選択される。
【０１７２】
最小加工寸法Ｆを７ｎｍとして、磁気抵抗効果素子の形状を変えた際に必要なセル面積を表４に、最小加工寸法Ｆを１０ｎｍとして、磁気抵抗効果素子の形状を変えた際に必要なセル面積を表５に、最小加工寸法Ｆを２８ｎｍとして、磁気抵抗効果素子の形状を変えた際に必要なセル面積を表６に示す。なお、各素子の寸法は変化していないため、集積回路のセルサイズ以外の値は表１〜表３と一致する。
【０１７３】
【表４】
2018074138.tif 000006
【０１７４】
【表５】
2018074138.tif 000007
【０１７５】
【表６】
2018074138.tif 000008
【符号の説明】
【０１７６】
１…第１強磁性金属層、２…第２強磁性金属層、３…非磁性層、１０，１１，１２，１３，１４，１５…磁気抵抗効果素子、２０…スピン軌道トルク配線、３０…第１配線、４０…第２配線、５０…絶縁体、１００，１０２…スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、１０１…スピントランスファートルク型磁気抵抗効果素子、１１０…読出し用制御素子、１２０…素子選択用制御素子、１３０…書込み用制御素子、Ｔ…制御素子、Ｓ…ソース電極、Ｄ…ドレイン電極、Ｃ…チャネル、ｅ１…第１端部、ｅ２…第２端部、ｅ３…第３端部、ｅ４…第４端部、Ｓ１…第１スピン、Ｓ２…第２スピン、Ｉ…電流、Ｊｓ…純スピン流、ＰＭ…フォトマスク
【図１】
2018074138.tif 000009
【図２】
2018074138.tif 000010
【図３】
2018074138.tif 000011
【図４】
2018074138.tif 000012
【図５】
2018074138.tif 000013
【図６】
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【図７】
2018074138.tif 000015
【図８】
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【図９】
2018074138.tif 000017
【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】
2018074138.tif 000023
【図１６】
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