(57)【要約】【課題】反転電流を下げることができ集積度を向上させることができる磁気メモリを提供することを目的とする。【解決手段】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をそれぞれ備え、情報を保持する複数の磁気抵抗効果素子と、情報の読み込みを制御する複数の第１制御素子であり複数の第１強磁性金属層毎に１つが接続される第１制御素子と、複数のスピン軌道トルク配線であり磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し第２強磁性金属層毎に１つが接合するスピン軌道トルク配線と、スピン軌道トルク配線に流れる電流を制御する複数の第２制御素子であってスピン軌道トルク配線の第１接続点毎に１つが接続される第２制御素子と、複数のスピン軌道トルク配線の第２接続点それぞれに接続され情報の書き込みを制御する第３制御素子と、を備える。【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、をそれぞれ備え、情報を保持する複数の磁気抵抗効果素子と、
前記情報の読み込みを制御する複数の第１制御素子であって、複数の前記第１強磁性金属層毎に１つが接続される第１制御素子と、
複数のスピン軌道トルク配線であって、前記磁気抵抗効果素子の積層方向である第１方向に対して交差する第２方向に延在し、前記第２強磁性金属層毎に１つが接合するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に流れる電流を制御する複数の第２制御素子であって、前記スピン軌道トルク配線の第１接続点毎に１つが接続される第２制御素子と、
複数の前記スピン軌道トルク配線の第２接続点それぞれに接続され、前記情報の書き込みを制御する第３制御素子と、
を備える磁気メモリ。
【請求項２】
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、をそれぞれ備え、情報を保持する複数の磁気抵抗効果素子と、
複数の前記第１強磁性金属層それぞれに接続され、前記情報の読み込みを制御する第１制御素子と、
複数のスピン軌道トルク配線であって、前記磁気抵抗効果素子の積層方向である第１方向に対して交差する第２方向に延在し、前記第２強磁性金属層毎に１つが接合するスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に流れる電流を制御する複数の第２制御素子であって、前記スピン軌道トルク配線の第１接続点毎に１つが接続される第２制御素子と、
前記情報の書き込みを制御する複数の第３制御素子であって、前記スピン軌道トルク配線の第２接続点毎に１つが接続される第３制御素子と、
を備える磁気メモリ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１方向に垂直の面における長軸が、前記第２方向である、請求項１または請求項２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記第１制御素子と前記第２制御素子が、前記第１方向と前記第２方向と交差する第３方向に近接して配置されている、請求項１または請求項２に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記第２制御素子と前記第３制御素子が、前記第１方向と前記第２方向と交差する第３方向に近接して配置されている、請求項１または請求項２に記載の磁気メモリ。
【請求項６】
１ビットの前記情報を記憶するために必要な空間的な構成において、回路構成における長さの最小加工寸法の単位をＦとした場合、前記第３方向の長さが８Ｆである、請求項４または請求項５に記載の磁気メモリ。
【請求項７】
１ビットの前記情報を記憶するために必要な空間的な構成において、回路構成における長さの最小加工寸法の単位をＦとした場合、回路構成に必要な前記第２方向と前記第３方向の平面の面積は１６Ｆ２〜１０５６Ｆ２である、請求項４から請求項６のうち１項に記載の磁気メモリ。
【請求項８】
前記第２制御素子及び前記第３制御素子に流れる最大電流が、前記第１制御素子に流れる最大電流よりも大きい、請求項４から請求項７のうち１項に記載の磁気メモリ。
【請求項９】
前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が、前記磁気抵抗効果素子に接する前記スピン軌道トルク配線層の抵抗値よりも高い、請求項４から請求項８のうち１項に記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
前記第１制御素子の抵抗が前記磁気抵抗効果素子の抵抗よりも小さい、請求項４から請求項９のうち１項に記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
前記磁気抵抗効果素子が前記第２方向に等間隔で配置されている、請求項４から請求項１０のうち１項に記載の磁気メモリ。
【請求項１２】
１ビットの前記情報を記憶するために必要な領域が、前記第２方向に等間隔で近接して配置されている、請求項４から請求項１１のうち１項に記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
１ビットを構成するために必要な領域が前記第３方向に等間隔で配置されている、請求項４から請求項１２のうち１項に記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
前記磁気抵抗効果素子に接する絶縁層が設置され、前記絶縁層を挟んで前記磁気抵抗効果素子の磁化方向に垂直な方向に磁場を印可するための磁場提供配線が設置される、請求項４から請求項１３のうち１項に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関する。
【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】
また、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ことが考えられる。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ためには、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。
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、反転電流（リーク電流）が増え、このリーク電流を防止する回路構成が必要になる。これにより、集積回路の集積率が低下する。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、反転電流を下げることができ、集積度を向上させることができる磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００）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強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層（３）と、をそれぞれ備え、情報を保持する複数の磁気抵抗効果素子（１０）と、前記情報の読み込みを制御する複数の第１制御素子（読出し用制御素子１１０）であって、複数の前記第１強磁性金属層毎に１つが接続される第１制御素子と、複数のスピン軌道トルク配線（２０）であって、前記磁気抵抗効果素子の積層方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、前記第２強磁性金属層毎に１つが接合するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に流れる電流を制御する複数の第２制御素子（素子選択用制御素子１２０）であって、前記スピン軌道トルク配線の第１接続点（抵抗２２の他端）毎に１つが接続される第２制御素子と、複数の前記スピン軌道トルク配線の第２接続点（抵抗２１の他端）それぞれに接続され、前記情報の書き込みを制御する第３制御素子（書込み用制御素子１３０）と、を備える。
【００１３】
（２）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００Ａ）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強磁性金属層及び第２強磁性金属層に挟持された非磁性層（３）と、をそれぞれ備え、情報を保持する複数の磁気抵抗効果素子（１０）と、複数の前記第１強磁性金属層それぞれに接続され、前記情報の読み込みを制御する第１制御素子（読出し用制御素子１１０）と、複数のスピン軌道トルク配線（２０）であって、前記磁気抵抗効果素子の積層方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、前記第２強磁性金属層毎に１つが接合するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に流れる電流を制御する複数の第２制御素子（素子選択用制御素子１２０）であって、前記スピン軌道トルク配線の第１接続点（抵抗２２の他端）毎に１つが接続される第２制御素子と、前記情報の書き込みを制御する複数の第３制御素子（書込み用制御素子１３０）であって、前記スピン軌道トルク配線の第２接続点（抵抗２１の他端）毎に１つが接続される第３制御素子と、を備える。
【００１４】
（３）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）において、前記磁気抵抗効果素子（１０）の前記第１方向（ｚ方向）に垂直の面における長軸が、前記第２方向（ｘ方向）であるようにしてもよい。
【００１５】
（４）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００）は、前記第１制御素子（読出し用制御素子１１０）と前記第２制御素子（素子選択用制御素子１２０）が、前記第１方向（ｚ方向）と前記第２方向（ｘ方向）と交差する第３方向（ｙ方向）に近接して配置されているようにしてもよい。
【００１６】
（５）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００Ａ）は、前記第２制御素子（素子選択用制御素子１２０）と前記第３制御素子（書込み用制御素子１３０）が、前記第１方向（ｚ方向）と前記第２方向（ｘ方向）と交差する第３方向（ｙ方向）に近接して配置されているようにしてもよい。
【００１７】
（６）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）は、1ビットの前記情報を記憶するために必要な空間的な構成において、回路構成における長さの最小加工寸法の単位をＦとした場合、前記第３方向（ｙ方向）の長さが８Ｆであるようにしてもよい。
【００１８】
（７）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）は、１ビットの前記情報を記憶するために必要な空間的な構成において、回路構成における長さの最小加工寸法の単位をＦとした場合、回路構成に必要な前記第２方向（ｘ方向）と前記第３方向（ｙ方向）の平面の面積は１６Ｆ２〜１０５６Ｆ２である。
【００１９】
（８）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）において、前記第２制御素子（素子選択用制御素子１２０）及び前記第３制御素子（書込み用制御素子１３０）に流れる最大電流が、前記第１制御素子（読出し用制御素子１１０）に流れる最大電流よりも大きいようにしてもよい。
【００２０】
（９）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）において、前記磁気抵抗効果素子（１０）の抵抗値が、前記磁気抵抗効果素子に接する前記スピン軌道トルク配線（２０）層の抵抗値よりも高いようにしてもよい。
【００２１】
（１０）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）において、前記第１制御素子（読出し用制御素子１１０）の抵抗値が前記磁気抵抗効果素子（１０）の抵抗値よりも小さいようにしてもよい。
【００２２】
（１１）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）において、前記磁気抵抗効果素子（１０）が前記第２方向（ｘ方向）に等間隔で配置されているようにしてもよい。
【００２３】
（１２）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）において、１ビットの前記情報を記憶するために必要な領域が、前記第２方向（ｘ方向）に等間隔で近接して配置されているようにしてもよい。
【００２４】
（１３）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００または２００Ａ）において、１ビットの前記情報を記憶するために必要な領域が前記第３方向（ｙ方向）に等間隔で配置されているようにしてもよい。
【００２５】
（１４）また、本発明の一態様に係る磁気メモリ（２００Ｂ）において、前記磁気抵抗効果素子１０に接する絶縁層（１８１）が設置され、前記絶縁層を挟んで前記磁気抵抗効果素子の磁化方向に垂直な方向に磁場を印可するための磁場提供配線（１８２）が設置されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の一態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子によれば、反転電流を下げることができ、集積度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係る磁気メモリの一例の回路図である。
【図２】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、読出し用制御素子、素子選択用制御素子、及びスピン軌道トルク配線を三次元的に配置したときの射視図である。
【図３】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４】第１実施形態に係る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５】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の集積性を高めるための配置を示す図である。
【図６】実施形態に係る磁気メモリにおける２ビット分の集積回路の配置イメージ図である。
【図７】第２実施形態に係る磁気メモリの一例の回路図である。
【図８】第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、素子選択用制御素子、読み出し用制御素子、及びスピン軌道トルク配線を三次元的に配置したときの射視図である。
【図９】第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、素子選択用制御素子、書込み用制御素子、スピン軌道トルク配線、及び磁場提供配線を三次元的に配置したときの変形例の射視図である。
【図１０】図９に示した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１１】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１２】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１３】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１４】比較例における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１５】第３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１６】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。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明で用いる図面は、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。以下の説明で用いる図面は、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構成の一部を抜き出している場合がある。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、実施形態はそれらに限定されるものではなく、実施形態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。
【００２９】
＜第１実施形態＞
磁気メモリ２００の回路例を説明する。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の動作原理等については、後述する。
図１は、第１実施形態に係る磁気メモリ２００の一例の回路図である。図１において、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。
【００３０】
図１に示す磁気メモリ２００は、スピン軌道トルク（Ｓｐｉｎ−Ｏｒｂｉｔ  Ｔｏｒｑｕｅｓ；ＳＯＴ）型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ）、読出し用制御素子１１０（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ；第１制御素子）、素子選択用制御素子１２０（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ；第２制御素子）、及び書込み用制御素子１３０（１３０ａ，１３０ｃ；第３制御素子）を備える。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ａは、磁気抵抗効果素子１０ａ、及びスピン軌道トルク配線２０ａを備える。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ｂは、磁気抵抗効果素子１０ｂ、及びスピン軌道トルク配線２０ｂを備える。
【００３１】
磁気抵抗効果素子１０ａは、磁化方向が固定された第１強磁性金属層１、磁化方向が変化する第２強磁性金属層２、及び第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を備える。スピン軌道トルク配線２０ａは、抵抗２１ａ、及び抵抗２２ａを備える。磁気抵抗効果素子１０ｂは、第１強磁性金属層１、第２強磁性金属層２、及び非磁性層３を備える。スピン軌道トルク配線２０ｂは、抵抗２１ｂ、及び抵抗２２ｂを備える。また、スピン軌道トルク配線２０は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、第２強磁性金属層２に接合している。また、磁気メモリ２００において、磁気抵抗効果素子１０の第１方向（ｚ方向）に垂直の面における長軸が、第２方向（ｘ方向）である。
【００３２】
以下の説明において、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄのうちの１つを特定しない場合は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００という。読出し用制御素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄのうちの１つを特定しない場合は、読出し用制御素子１１０という。素子選択用制御素子１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄのうちの１つを特定しない場合は、素子選択用制御素子１２０という。書込み用制御素子１３０（１３０ａ，１３０ｃ）のうちの１つを特定しない場合は、書込み用制御素子１３０という。磁気抵抗効果素子１０ａ，１０ｂのうちの１つを特定しない場合は、磁気抵抗効果素子１０という。スピン軌道トルク配線２０ａ，２０ｂのうちの１つを特定しない場合は、スピン軌道トルク配線２０という。
【００３３】
［磁気メモリ２００の接続関係］
ここで、磁気メモリ２００の接続関係を説明する。
読出し用制御素子１１０ａは、ドレイン電極Ｄと、チャネルＣ（ゲート電極Ｇともいう）と、ソース電極Ｓとを備える。ドレイン電極Ｄは不図示の電源に接続される端子に接続され、チャネルＣは不図示の制御装置に接続される端子に接続され、ソース電極Ｓは磁気抵抗効果素子１０ａの第１強磁性金属層１に接続される。
磁気抵抗効果素子１０ａの第２強磁性金属層２は、スピン軌道トルク配線２０ａに接合され、抵抗２１ａと抵抗２２ａとの間の中間接続点に接続される。
【００３４】
抵抗２１ａの一端（中間接続点と反対側の端部、以下「第２接続点」という）は、書込み用制御素子１３０ａのソース電極Ｓと、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ｂが備えるスピン軌道トルク配線２０ｂの抵抗２１ｂの第２接続点と、基準電位に接続される端子とに接続される。
抵抗２２ａの一端（中間接続点と反対側の端部、以下「第１接続点」という）は、素子選択用制御素子１２０ａのドレイン電極Ｄに接続される。
【００３５】
素子選択用制御素子１２０ａは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続され、ソース電極Ｓが素子選択用制御素子１２０ｂのソース電極Ｓと、データを読み出す読出端子に接続される。
書込み用制御素子１３０ａは、ドレイン電極Ｄが不図示の電源に接続される端子に接続され、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
【００３６】
読出し用制御素子１１０ｂは、ドレイン電極Ｄが不図示の電源に接続される端子に接続され、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続され、ソース電極Ｓが磁気抵抗効果素子１０ｂの第１強磁性金属層１に接続される。
磁気抵抗効果素子１０ｂの第２強磁性金属層２は、抵抗２１ｂと抵抗２２ｂとの間の中間接続点に接続される。
抵抗２２ｂの第１接続点は、素子選択用制御素子１２０ｂのドレイン電極Ｄに接続される。
素子選択用制御素子１２０ｂは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
【００３７】
なお、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ｃ，１００ｄ）、読出し用制御素子１１０（１１０ｃ、１１０ｄ）、素子選択用制御素子１２０（１２０ｃ，１２０ｄ）、及び書込み用制御素子１３０ｃの接続関係は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ）、読出し用制御素子１１０（１１０ａ、１１０ｂ）、素子選択用制御素子１２０（１２０ａ，１２０ｂ）、及び書込み用制御素子１３０ａの接続関係と同様である。
【００３８】
磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、磁気抵抗効果素子１０に接するスピン軌道トルク配線２０の抵抗値よりも高くしてもよい。このような構成にすると、スピン軌道トルク配線から磁気抵抗効果素子に電流が流れにくくなる。その結果、スピン軌道トルク配線から供給されるスピン量が大きくなり、少ない電流による磁化反転が可能になる。
また、磁気メモリ２００において、読出し用制御素子１１０の抵抗値を磁気抵抗効果素子１０の抵抗値よりも小さくしてもよい。このような構成にすることで、読み込み時の磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＭＲ）が大きくなり、読み込みエラーを低減できる。
【００３９】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ）は、スピン軌道トルクを利用した磁気抵抗効果素子であり、データを保持する素子である。
読出し用制御素子１１０（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ、１１０ｄ）、素子選択用制御素子１２０（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ）、及び書込み用制御素子１３０（１３０ａ，１３０ｃ）それぞれは、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子である。
【００４０】
図１に示した回路図は一例であり、これに限られない。例えば、磁気抵抗効果素子１０は、縦方向に２つ以上であってもよく、横方向に２つ以上であってもよい。例えば、横方向に３つであり、さらに磁気抵抗効果素子１０ｅと磁気抵抗効果素子１０ｆを備えているようにしてもよい。この場合、書込み用制御素子１３０ａのソース電極Ｓは、磁気抵抗効果素子１０ｅに接続される抵抗２２を介して第２強磁性金属層２に接続され、書込み用制御素子１３０ｂのソース電極Ｓは、磁気抵抗効果素子１０ｆに接続される抵抗２２を介して第２強磁性金属層２に接続される。
【００４１】
［読み出し動作時のリーク電流、書き込み動作時のリーク電流］
次に、磁気メモリ２００におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ）、読出し用制御素子１１０（１１０ａ，１１０ｂ）、素子選択用制御素子１２０（１２０ａ，１２０ｂ）、及び書込み用制御素子１３０ａの動作について説明する。
【００４２】
まず、データの読み込み時の動作例を説明する。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ｂへのデータの読み込み時には、読出し用制御素子１１０ｂと素子選択用制御素子１２０ｂとがオン状態に制御される。この際、他の制御素子はオフ状態である。データの読み込み時には、読出し用制御素子１１０ｂから磁気抵抗効果素子１０ｂの積層方向に電流を流すことができ、磁気抵抗効果素子１０ｂの抵抗値変化を読出すことができる。
【００４３】
ここで、読出し用制御素子１１０ｂのドレインから供給される電流値が１ｍＡの場合は、磁気抵抗効果素子１０ｂに１ｍＡの電流が流れ、そのほとんどが素子選択用制御素子１２０ｂから読み出される。スピン軌道トルク配線２０ｂの抵抗２１ｂ側には、約０．１３［ｎＡ（ナノアンペア）］が流れる。そして、横方向で近接する素子選択用制御素子１２０ａに約１．７［ｐＡ（ピコアンペア）］のリーク電流が流れる。すなわち、本実施形態の磁気メモリ２００は、読み込み時の電流リークは僅かである。
【００４４】
次に、データの書き込み時の動作例を説明する。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ｂへのデータの書き込み時には、素子選択用制御素子１２０ｂと書込み用制御素子１３０ａとがオン状態に制御され、書込み用制御素子１３０ａのソースからスピン軌道トルク配線２０ｂに電流が流れる。この際、他の制御素子はオフ状態である。これにより、磁気抵抗効果素子１０ｂ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。
【００４５】
ここで、書込み用制御素子１３０ａのソースから電流値が１ｍＡの場合は、スピン軌道トルク配線２０ｂにほぼ１ｍＡの電流が流れる。横方向で近接する素子選択用制御素子１２０ａに流れるリーク電流は僅かに約１．７［ｐＡ］である。すなわち、本実施形態の磁気メモリ２００は、書き込み時の電流リークは僅かである。
【００４６】
［集積度］
次に、集積度について説明する。
図１に示す磁気メモリ２００では、例えば書込み用制御素子１３０ａが、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ）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１に示す磁気メモリ２００において書込み用制御素子１３０ａは、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ）の集積性に大きな影響を及ぼさない。このため、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、磁気メモリ２００における読出し用制御素子１１０と素子選択用制御素子１２０である。
【００４７】
従来、ＳＯＴを用いたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子には、それぞれ３つの制御素子が必要と考えられていたが、上述のように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。
【００４８】
次に、磁気メモリ２００を集積回路にしたときの構成例と配置例を説明する。
図２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１００、読出し用制御素子１１０、素子選択用制御素子１２０、及びスピン軌道トルク配線２０を三次元的に配置したときの射視図である。図２において、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。また、図２において、符号１５１〜符号１５７それぞれは、各層に設けられる配線を表している。また、符号１６１は、配線と配線とを接続する貫通ビアを表している。
なお、図２に示した配置例は一例であり、これに限られない。
【００４９】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０に磁気抵抗効果素子１０が接合されている。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１が配線１５１〜配線１５３と貫通ビア１６１とを介して、読出し用制御素子１１０に接続されている。
スピン軌道トルク配線２０は、一端（第１接続点）が配線１５４と貫通ビア１６１とを介して、素子選択用制御素子１２０に接続されて、他端（第２接続点）が貫通ビア１６１を介して配線１５５に接続されている。なお、配線１５５には、書込み用制御素子１３０（図１）が接続されている。
【００５０】
図２に示すように、集積化された磁気メモリ２００は、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の下方に読出し用制御素子１１０と素子選択用制御素子１２０とが配置されている。集積化された磁気メモリ２００は、書込み用制御素子１３０がビット共通に接続されている。ビットとは情報の単位であり、実施形態では、１ビットの情報を読み出し・書き込みできる回路構成を１つの固まりとする。
【００５１】
図２に示すように、磁気メモリ２００は、素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０が、第１方向（ｚ方向）と第２方向（ｘ方向）と交差する第３方向（ｙ方向）に近接して配置されている。
【００５２】
磁気メモリ２００において、素子選択用制御素子１２０及び書込み用制御素子１３０に流れる最大電流が、読出し用制御素子１１０に流れる最大電流よりも大きくしてもよい。
図２において読出し用制御素子１１０のｘ方向の長さを素子選択用制御素子１２０と同じ長さで示しているが、読出し用制御素子１１０のｘ方向の長さは、配線１５６と絶縁空間分と配線１５３を足したｘ方向の長さであればよい。例えば、回路構成における長さの最小加工寸法をＦとすると、読出し用制御素子１１０のｘ方向の最小の長さは、３Ｆである。また、読出し用制御素子１１０のｙ方向の最小の長さは、３Ｆである。これにより、読出し用制御素子１１０を他の制御素子より小さく構成することができる。
【００５３】
次に、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。
【００５４】
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。
スピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）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。
【００５５】
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、ｘ方向の長さがＬ１でｙ方向の長さがＬ２の立方体形状の磁気抵抗効果素子において「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。
【００５６】
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。この場合は、ｙ方向の長さＬ２は最低でも７ｎｍであり、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。
【００５７】
表１は、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す表である。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。
【００５８】
【表１】
2018074141.tif 000003
【００５９】
また、表１に示すように、１ビットの情報を記憶するために必要な空間的な構成において、回路構成における長さの最小加工寸法の単位をＦとした場合、回路構成に必要な第２方向（ｘ方向）と第３方向（ｙ方向）の平面の面積の最大値は１０５６Ｆ２である。また、磁気抵抗効果素子を素子の微細化可能なサイズまで減少させることができると仮定したが、磁気抵抗効果素子は１Ｆ２で作製できることとなる。制御素子の最小サイズは３Ｆ２で作製でき、制御素子は少なくとも２つ必要である。よって、制御素子が並ぶ方向には７Ｆ２が必要である。構成するセル同士を分ける領域として、少なくとも第２方向（ｘ方向）と第３方向（ｙ方向）にそれぞれ１Ｆ２が必要であるため、１ビットの情報を記憶するために必要な空間的な構成は（１＋１）×（７＋１）Ｆ２となり、１６Ｆ２が必要である。つまり、第２方向（ｘ方向）と第３方向（ｙ方向）の平面の面積の最小値は１６Ｆ２である。
【００６０】
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。
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。
【００６１】
本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。
「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。
また、「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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
図３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３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とを備える。
【００６５】
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が決まる。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。
【００６６】
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。
【００６７】
図４は、第１実施形態に係る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。
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に正規化して表すと、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、上述した表１に示すような相対関係を有する。
【００６８】
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）。
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方向に並列に近接して配置する。
【００６９】
同一平面に存在する近接する素子間には、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、少なくとも最小加工寸法Ｆ分だけの間隔が必要となる。このように、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。すなわち、1ビットの前記情報を記憶するために必要な空間的な構成において、回路構成における長さの最小加工寸法の単位をＦとした場合、第３方向（ｙ方向）の長さが８Ｆである。
【００７０】
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。実際には貫通ビアを作製するスペース（２Ｆ）、近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。
【００７１】
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。
このように、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に示したようになる。
【００７２】
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。この理由は、図４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５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。
【００７３】
図５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の集積性を高めるための配置を示す図である。図５に示す例は、３組の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を配置した例である。
【００７４】
図５に示すように、磁気メモリ２００において、磁気抵抗効果素子１０が第２方向（ｘ方向）および第３方向（ｙ方向）のうち少なくとも１つの方向に等間隔で配置されているようにしてもよい。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、図５に示すように、磁気メモリ２００において、１ビットの情報を記憶するために必要な領域が、第２方向（ｘ方向）に等間隔で近接して配置されているようにしてもよい。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、図５に示すように、磁気メモリ２００において、１ビットの情報を記憶するために必要な領域が第３方向（ｙ方向）に等間隔で配置されているようにしてもよい。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
【００７５】
図６は、本実施形態に係る磁気メモリ２００における２ビット分の集積回路の配置イメージ図である。図６の座標系は、図２と同様である。図２では、図１に示した回路のうち、磁気抵抗効果素子１０ａと磁気抵抗効果素子１０ｂに関する回路による２ビット分の集積回路の配置例をイメージ図として示している。
図６に示しように、デッドスペースに各配線、各貫通ビア、各制御素子を各層の空間に配置することができることを示している。このように配置することで、ｘｙ平面で見たとき図５で説明したように配置することができる。
また、図６に示した例は、読出し用制御素子１１０の大きさが素子選択用制御素子１２０の大きさより小さい例でもある。
【００７６】
また、図６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１の回路図に従った構造である。図６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５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１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。
【００７７】
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。
ここで、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においても表１の結果と同様の結果が確認できた。
【００７８】
【表２】
2018074141.tif 000004
【００７９】
【表３】
2018074141.tif 000005
【００８０】
なお、比較例１〜５（表３）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。
また、表１〜表３に示した例は、情報（データ）を１０年間、保持し続けられる条件で算出している。
【００８１】
ＭＲＡＭをキャッシュ等に用いる場合、情報が保持される時間は短い。このため、一例として、情報が保持される時間が１秒の場合の例を表４〜表６に示す。
表４は、情報が保持される時間が１秒の場合の磁気抵抗効果素子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す表である。
表４は、最小加工寸法Ｆが７ｎｍであり、表１に対応する表である。いずれの電流量も、同程度のデータ保持性を有するＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁化反転に必要な４００μＡと比較して十分小さい値である。
【００８２】
【表４】
2018074141.tif 000006
【００８３】
表５は、情報が保持される時間が１秒の場合の磁気抵抗効果素子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す表である。
表５は、最小加工寸法Ｆが１０ｎｍであり、表２に対応する表である。
【００８４】
【表５】
2018074141.tif 000007
【００８５】
表６は、情報が保持される時間が１秒の場合の磁気抵抗効果素子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す表である。
表６は、最小加工寸法Ｆが２８ｎｍであり、表３に対応する表である。表５及び表６においても表４の結果と同様の結果が確認できた。
【００８６】
【表６】
2018074141.tif 000008
【００８７】
以上のように、本実施形態の磁気メモリ２００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、をそれぞれ備え、情報（データ）を保持する複数の磁気抵抗効果素子１０と、情報の読み込みを制御する複数の第１制御素子（読出し用制御素子１１０）であって、複数の第１強磁性金属層１毎に１つが接続される第１制御素子と、複数のスピン軌道トルク配線２０であって、磁気抵抗効果素子１０の積層方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、第２強磁性金属層２毎に１つが接合するスピン軌道トルク配線２０と、スピン軌道トルク配線２０に流れる電流を制御する複数の第２制御素子（素子選択用制御素子１２０）であって、スピン軌道トルク配線２０の第１接続点（抵抗２２の他端）毎に１つが接続される第２制御素子と、複数のスピン軌道トルク配線２０の第２接続点（抵抗２１の他端）それぞれに接続され、情報の書き込みを制御する第３制御素子（書込み用制御素子１３０）と、を備える。
【００８８】
この構成によって、本実施形態の磁気メモリ２００は、反転電流を下げることができる。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、本実施形態の磁気メモリ２００Ａは、スピン軌道トルク配線から磁気抵抗効果素子に電流が流れにくくなり、スピン軌道トルク配線層から供給されるスピン量が大きくなり、少ない電流での磁化反転が可能となる。
また、本実施形態の磁気メモリ２００は、読み込み時の磁気抵抗を大きくとり、読み込みエラーを低減することができる。
【００８９】
また、本実施形態の磁気メモリ２００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。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、本実施形態の磁気メモリ２００は、読出し用制御素子１１０を他の制御素子より小さく構成することができる。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
【００９０】
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、書込み用制御素子１３０がマトリックスとして見たとき横方向に並ぶ複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００に共通に設けられている例を説明した。本実施形態では、読出し用制御素子１１０がマトリックスとして見たとき縦方向に並ぶ複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００に共通に設けられている例を説明する。
【００９１】
図７は、第２実施形態に係る磁気メモリ２００Ａの一例の回路図である。図７において、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。
【００９２】
図７に示す磁気メモリ２００Ａは、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ）、読出し用制御素子１１０（１１０ａ，１１０ｂ；第１制御素子）、素子選択用制御素子１２０（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ；第２制御素子）、及び書込み用制御素子１３０（１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ；第３制御素子）を備える。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ａは、磁気抵抗効果素子１０ａ、及びスピン軌道トルク配線２０ａを備える。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ｂは、磁気抵抗効果素子１０ｂ、及びスピン軌道トルク配線２０ｂを備える。第１実施形態の磁気メモリ２００と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いる。スピン軌道トルク配線２０は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、第２強磁性金属層２に接合している。磁気メモリ２００Ａにおいて、磁気抵抗効果素子１０の第１方向（ｚ方向）に垂直の面における長軸が、第２方向（ｘ方向）である。
【００９３】
［磁気メモリ２００Ａの接続関係］
ここで、磁気メモリ２００Ａの接続関係を説明する。
読出し用制御素子１１０ａは、ドレイン電極ＤとチャネルＣとソース電極Ｓとを備える。ドレイン電極Ｄは不図示の電源に接続される端子に接続され、チャネルＣは不図示の制御装置に接続される端子に接続され、ソース電極Ｓは磁気抵抗効果素子１０ａの第１強磁性金属層１と磁気抵抗効果素子１０ｃの第１強磁性金属層１とに接続される。
磁気抵抗効果素子１０ａの第２強磁性金属層２は、スピン軌道トルク配線２０ａに接合され、抵抗２１ａと抵抗２２ａとの間に接続される。
【００９４】
抵抗２１ａの第２接続点は、書込み用制御素子１３０ａのソース電極Ｓに接続される。
抵抗２２ａの第１接続点は、素子選択用制御素子１２０ａのドレイン電極Ｄに接続される。
【００９５】
素子選択用制御素子１２０ａは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続され、ソース電極Ｓが素子選択用制御素子１２０ｂのソース電極Ｓと、データを読み出す読出し端子に接続される。
書込み用制御素子１３０ａは、ドレイン電極Ｄが書込み用制御素子１３０ｂのドレイン電極Ｄと不図示の電源に接続される端子とに接続され、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
【００９６】
読出し用制御素子１１０ｂは、ドレイン電極Ｄが不図示の電源に接続される端子に接続され、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続され、ソース電極Ｓが磁気抵抗効果素子１０ｂの第１強磁性金属層１と磁気抵抗効果素子１０ｄの第１強磁性金属層１とに接続される。
磁気抵抗効果素子１０ｂの第２強磁性金属層２は、スピン軌道トルク配線２０ｂに接合され、抵抗２１ｂと抵抗２２ｂとの間の中間接続点に接続される。
【００９７】
抵抗２１ｂの第２接続点は、書込み用制御素子１３０ｂのソース電極Ｓに接続される。
抵抗２２ｂの第１接続点は、素子選択用制御素子１２０ｂのドレイン電極Ｄに接続される。
【００９８】
素子選択用制御素子１２０ｂは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
書込み用制御素子１３０ｂは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
【００９９】
磁気抵抗効果素子１０ｃの第２強磁性金属層２は、スピン軌道トルク配線２０ｃに接合され、抵抗２１ｃと抵抗２２ｃとの間の中間接続点に接続される。
抵抗２１ｃの第２接続点は、書込み用制御素子１３０ｃのソース電極Ｓに接続される。
抵抗２２ｃの第１接続点は、素子選択用制御素子１２０ｃのドレイン電極Ｄに接続される。
【０１００】
素子選択用制御素子１２０ｃは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続され、ソース電極Ｓが素子選択用制御素子１２０ｄのソース電極Ｓと、データを読み出す読出端子に接続される。
書込み用制御素子１３０ｃは、ドレイン電極Ｄが書込み用制御素子１３０ｄのドレイン電極Ｄと不図示の電源に接続される端子とに接続され、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
【０１０１】
磁気抵抗効果素子１０ｄの第２強磁性金属層２は、スピン軌道トルク配線２０ｄに接合され、抵抗２１ｄと抵抗２２ｄとの間の中間接続点に接続される。
抵抗２１ｄの第２接続点は、書込み用制御素子１３０ｄのソース電極Ｓに接続される。
抵抗２２ｄの第１接続点は、素子選択用制御素子１２０ｄのドレイン電極Ｄに接続される。
【０１０２】
素子選択用制御素子１２０ｄは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
書込み用制御素子１３０ｄは、チャネルＣが不図示の制御装置に接続される端子に接続される。
【０１０３】
磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、磁気抵抗効果素子１０に接するスピン軌道トルク配線２０層の抵抗値よりも高くしてもよい。このような構成にすると、スピン軌道トルク配線から磁気抵抗効果素子に電流が流れにくくなる。その結果、スピン軌道トルク配線層から供給されるスピン量が大きくなり、少ない電流による磁化反転が可能となる。
また、磁気メモリ２００において、読出し用制御素子１１０の抵抗値が磁気抵抗効果素子１０の抵抗値よりも小さくしてもよい。このような構成にすることで、読み込み時の磁気抵抗を大きくとり、読み込みエラーを低減できる。
【０１０４】
図７に示した回路図は一例であり、これに限られない。例えば、磁気抵抗効果素子１０は、縦方向に２つ以上であってもよく、横方向に２つ以上であってもよい。例えば、縦方向に３つであり、さらに磁気抵抗効果素子１０ｅと磁気抵抗効果素子１０ｆを備えているようにしてもよい。この場合、読出し用制御素子１１０ａのソース電極Ｓは、磁気抵抗効果素子１０ｅの第１強磁性金属層１に接続され、読出し用制御素子１１０ｂのソース電極Ｓは、磁気抵抗効果素子１０ｆの第１強磁性金属層１に接続される。
【０１０５】
［読み出し動作時のリーク電流、書き込み動作時のリーク電流］
次に、磁気メモリ２００Ａにおけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｂ）、読出し用制御素子１１０（１１０ａ，１１０ｂ）、素子選択用制御素子１２０（１２０ａ，１２０ｂ）、及び書込み用制御素子１３０（１３０ａ，１３０ｂ）の動作について説明する。
【０１０６】
まず、データの読み込み時の動作例を説明する。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ｂへのデータの読み込み時には、読出し用制御素子１１０ｂと素子選択用制御素子１２０ｂとがオン状態に制御される。この際、他の制御素子はオフ状態である。データの読み込み時には、読出し用制御素子１１０ｂから磁気抵抗効果素子１０ｂの積層方向に電流を流すことができ、磁気抵抗効果素子１０ｂの抵抗値変化を読出すことができる。
【０１０７】
ここで、読出し用制御素子１１０ｂのドレインから供給される電流値が１ｍＡの場合は、素子選択用制御素子１２０ｂがオン状態になっている磁気抵抗効果素子１０ｂにほぼ１ｍＡの電流が流れ、素子選択用制御素子１２０ｄがオフ状態になっている磁気抵抗効果素子１０ｄに電流が流れない。このため、素子選択用制御素子１２０ｂに横方向で近接する素子選択用制御素子１２０ａへのリーク電流は、ほぼ０［Ａ］である。すなわち、本実施形態の磁気メモリ２００Ａは、読み込み時の電流リークは、ほぼ０［Ａ］である。
【０１０８】
次に、データの書き込み時の動作例を説明する。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００ｂへのデータの書き込み時には、素子選択用制御素子１２０ｂと書込み用制御素子１３０ｂとがオン状態に制御され、書込み用制御素子１３０ｂのソースからスピン軌道トルク配線２０ｂに電流が流れる。この際、他の制御素子はオフ状態である。これにより、磁気抵抗効果素子１０ｂ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。
【０１０９】
ここで、書込み用制御素子１３０ｂのソースに流れる電流値が１ｍＡの場合は、磁気抵抗効果素子１０に約０．９７６ｍＡの電流が流れる。縦方向に近接する磁気抵抗効果素子１０ｄに流れるリーク電流は僅かに約０．８ｐＡである。また、素子選択用制御素子１２０ａと書込み用制御素子１３０ａとがオフ状態に制御されているため、横方向に近接する磁気抵抗効果素子１０ａに流れるリーク電流は、僅かに約１．７ｐＡである。すなわち、本実施形態の磁気メモリ２００Ａは、書き込み時の電流リークは僅かである。
【０１１０】
［集積度］
次に、集積度について説明する。
図７に示す磁気メモリ２００Ａでは、例えば読出し用制御素子１１０ａが、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｃ）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７に示す磁気メモリ２００Ａにおいて読出し用制御素子１１０ａは、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（１００ａ，１００ｃ）の集積性に大きな影響を及ぼさない。
このため、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、磁気メモリ２００Ａにおける素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０である。
本実施形態においても、上述のように配置によっては、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。
【０１１１】
次に、磁気メモリ２００Ａを集積回路にしたときの構成例と配置例を説明する。
図８は、第２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、素子選択用制御素子１２０、書込み用制御素子１３０、及びスピン軌道トルク配線２０を三次元的に配置したときの射視図である。なお、座標系は、図２と同様である。図８において、符号１７１〜符号１７４それぞれは、各層に設けられる配線を表している。符号１６１は、配線と配線とを接続する貫通ビアを表している。
図８に示した配置例は一例であり、これに限られない。
【０１１２】
図８に示すように、スピン軌道トルク配線２０に磁気抵抗効果素子１０が接合されている。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１が、配線１７１に接続されている。また、配線１７１は、図７に示したように近接する複数の磁気抵抗効果素子１０に接続されている。なお、配線１７１には、読出し用制御素子１１０（図７）が接続されている。
スピン軌道トルク配線２０は、一端が配線１７２と貫通ビア１６１とを介して素子選択用制御素子１２０（図７）に接続されて、他端が配線１７３と貫通ビア１６１を介して書込み用制御素子１３０（図７）に接続されている。
【０１１３】
図８に示すように、集積化された磁気メモリ２００Ａは、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の下方に素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０とが配置されている。集積化された磁気メモリ２００Ａは、読出し用制御素子１１０がビット共通に接続されている。
【０１１４】
図８に示すように、磁気メモリ２００Ａは、素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０が、第１方向（ｚ方向）と第２方向（ｘ方向）と交差する第３方向（ｙ方向）に近接して配置されている。
【０１１５】
磁気メモリ２００Ａにおいて、素子選択用制御素子１２０及び書込み用制御素子１３０に流れる最大電流が、読出し用制御素子１１０に流れる最大電流よりも大きくなるようにしてもよい。
図８において読出し用制御素子１１０のｘ方向の長さを素子選択用制御素子１２０と同じ長さで示しているが、読出し用制御素子１１０のｘ方向の長さは、配線１５６と絶縁空間分と配線１５３を足したｘ方向の長さであればよい。例えば、回路構成における長さの最小加工寸法をＦとすると、読出し用制御素子１１０のｘ方向の最小の長さは、３Ｆである。また、読出し用制御素子１１０のｙ方向の最小の長さは、３Ｆである。これにより、読出し用制御素子１１０を他の制御素子より小さく構成することができる。
【０１１６】
図８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。
【０１１７】
第２実施形態の磁気メモリ２００Ａの集積回路は、第１実施形態で図４、図５を用いて説明したのと同様に構成することができる。
このため、磁気メモリ２００Ａにおいても、磁気抵抗効果素子１０が第２方向（ｘ方向）および第３方向（ｙ方向）のうち少なくとも１つの方向に等間隔で配置されているようにしてもよい。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、磁気メモリ２００Ａにおいても、１ビットの情報を記憶するために必要な領域が、第２方向（ｘ方向）に等間隔で近接して配置されているようにしてもよい。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、磁気メモリ２００Ａにおいても、１ビットの情報を記憶するために必要な領域が第３方向（ｙ方向）に等間隔で配置されているようにしてもよい。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
【０１１８】
以上のように、本実施形態の磁気メモリ２００Ａ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、をそれぞれ備え、情報（データ）を保持する複数の磁気抵抗効果素子１０と、複数の第１強磁性金属層１それぞれに接続され、情報の読み込みを制御する第１制御素子（読出し用制御素子１１０）と、複数のスピン軌道トルク配線２０であって、磁気抵抗効果素子１０の積層方向である第１方向（ｚ方向）に対して交差する第２方向（ｘ方向）に延在し、第２強磁性金属層２毎に１つが接合するスピン軌道トルク配線２０と、スピン軌道トルク配線２０に流れる電流を制御する複数の第２制御素子（素子選択用制御素子１２０）であって、スピン軌道トルク配線２０の第１接続点（抵抗２２の他端）毎に１つが接続される第２制御素子と、情報の書き込みを制御する複数の第３制御素子（書込み用制御素子１３０）であって、スピン軌道トルク配線２０の第２接続点（抵抗２１の他端）毎に１つが接続される第３制御素子と、を備える。
【０１１９】
この構成によって、本実施形態の磁気メモリ２００Ａは、上述したように反転電流（リーク電流）を下げることができる。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、本実施形態の磁気メモリ２００Ａは、スピン軌道トルク配線層から磁気抵抗効果素子に電流が流れにくくなり、スピン軌道トルク配線から供給されるスピン量が大きくなり、少ない電流での磁化反転が可能となる。
また、本実施形態の磁気メモリ２００Ａは、読み込み時の磁気抵抗を大きくとり、読み込みエラーを低減することができる。
【０１２０】
また、本実施形態の磁気メモリ２００Ａ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。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
また、本実施形態の磁気メモリ２００Ａは、読出し用制御素子１１０を他の制御素子より小さく構成することができる。これにより、本実施形態によれば、集積度を向上させることができる。
【０１２１】
＜第３実施形態＞
ここで、実施形態の磁気メモリを磁場アシストＳＯＴ−ＭＲＡＭに適用する例を説明する。
図９は、第３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、書込み用制御素子１３０、素子選択用制御素子１２０、スピン軌道トルク配線２０、及び磁場提供配線１９２を三次元的に配置したときの変形例の射視図である。本実施形態において、書込み用制御素子１３０と素子選択用制御素子１２０のチャンネルの向きがｘ方向である。なお、座標系は、図２と同様である。図９において、符号１８１〜符号１８３それぞれは、各層に設けられる配線を表している。符号１６１は、配線と配線とを接続する貫通ビアを表している。符号１９１は、絶縁層である。符号１９２は、磁気抵抗効果素子１０の磁化方向に垂直な方向に磁場を印可するための磁場提供配線である。
図９に示した配置例は一例であり、これに限られない。
【０１２２】
図９に示すように、スピン軌道トルク配線２０に磁気抵抗効果素子１０が接合されている。
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１が、配線１８１に接続されている。配線１８１と磁場提供配線１９２との間に絶縁層１９１が形成されている。また、配線１８１には、読出し用制御素子１１０が接続されている。配線１８１に通電している時に、書込み用制御素子１３０と素子選択用制御素子１２０がオン状態になることによって書き込み動作が行われる。
スピン軌道トルク配線２０は、一端が貫通ビア１６１を介して素子選択用制御素子１２０に接続されて、他端が貫通ビア１６１を介して書込み用制御素子１３０に接続されている。素子選択用制御素子１２０には、配線１８２が接続されている。書込み用制御素子１３０には、配線１８３が接続されている。
【０１２３】
図９に示した例では、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の上部に読出し用制御素子１１０がされる配線１８１を配置し、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の下部に書込み用制御素子１３０と素子選択用制御素子１２０を配置する例を示したが、これに限られない。
磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の上部に書込み用制御素子１３０が接続される配線１８３を配置し、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の下部に素子選択用制御素子１２０と読出し用制御素子１１０を配置するようにしてもよい。
【０１２４】
図９の構成によれば、図２等の構成と比較してシンプルに磁気抵抗効果素子１０と各制御素子とを接続することができるので、磁気メモリ２００Ｂを低コストでの作成が可能である。
【０１２５】
図９に示す集積化された磁気メモリ２００Ｂは、図８に示した磁気メモリ２００Ａと同様に、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の下方に素子選択用制御素子１２０と書込み用制御素子１３０とが配置されている。集積化された磁気メモリ２００Ｂは、読出し用制御素子１１０がビット共通に接続されている。
【０１２６】
図９に示した構成は一例であり、図２や図８の主旨と同様に配置するようにしてもよい。これにより、本実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
第１実施形態または第２実施形態では制御素子をｙ方向に並列配置したが、図９と同様の主旨で制御素子Ｔをｘ方向に並列配置することもできる。
【０１２７】
ここで、磁気メモリ２００Ｂを配置するために必要なセルサイズを、図９を参照しつつ図１０を用いて説明する。
図１０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。
【０１２８】
この８Ｆの大きさは、２つの制御素子の大きさ（３×３）、制御素子同士の間隔（１）、隣のセルとのスペース（１）によって構成される。よって、スピン軌道トルク配線の長さは最低でも７Ｆとなる。スピン軌道トルク配線に面内の電流を流すには、下からコンタクトされる貫通ビア１６１（１）の２Ｆ分のスペースが必要であり、その内側に磁気抵抗効果素子が設置される。よって、７Ｆのスピン軌道トルク配線に許容される磁気抵抗効果素子のサイズは５Ｆとなる。一方で、磁気抵抗効果素子のサイズが５Ｆ以下だった場合でも、、スピン軌道トルク配線の長さは７Ｆ分必要である。磁気抵抗効果素子のサイズが５Ｆ以上の場合は、スピン軌道トルク配線の長さは磁気抵抗効果素子のサイズに３Ｆ（１＋２）を足した分が必要となる。
ｙ方向の長さは制御素子（１）とセル間のスペース（１）であるので、必要な電流から見積られたサイズに１Ｆを足せばｙ方向の長さとなる。この結果、ｘ方向の長さは最低８Ｆ必要となる。
【０１２９】
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７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８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９に示す。表７〜表９に示すように、制御素子のチャンネルの方向とＭＴＪの長軸は直交する組み合わせの方が、集積度が高くなる。また、表７〜表９に示した例は、情報（データ）を１０年間、保持し続けられる条件で算出している。
【０１３０】
【表７】
2018074141.tif 000009
【０１３１】
【表８】
2018074141.tif 000010
【０１３２】
【表９】
2018074141.tif 000011
【０１３３】
以上のように、本実施形態の磁気メモリ２００Ｂは、磁気抵抗効果素子１０に接する絶縁層１８１が設置され、絶縁層を挟んで磁気抵抗効果素子の磁化方向に垂直な方向に磁場を印可するための磁場提供配線１８２が設置される。
【０１３４】
これにより、本実施形態によれば、第１実施形態の磁気メモリ２００または第２実施形の磁気メモリ２００Ａの一部を磁場アシストＳＯＴ−ＭＲＡＭに適用することができる。
この結果、本実施形態によれば、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、反転電流を下げることができ、集積化を向上させることができる。
【０１３５】
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００、磁気抵抗効果素子１０の説明＞
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００について説明する。
図１１は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を模式的に示した斜視図である。
図１１に示すように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とを備える。なお、図１１の座標は図２と同様である。
【０１３６】
次に、磁気抵抗効果素子１０について説明する。
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とを備える。
【０１３７】
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（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；磁気抵抗メモリ）に適用する場合には、第１強磁性金属層１の保磁力を第２強磁性金属層２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１の磁化を、反強磁性層との交換結合によって固定する。
【０１３８】
また、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。
【０１３９】
磁気抵抗効果素子１０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。
【０１４０】
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。第１強磁性金属層１の材料には、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。第１強磁性金属層１の材料には、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。また、第１強磁性金属層１の材料には、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。第１強磁性金属層１の材料には、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【０１４１】
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と接する材料には、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、第１強磁性金属層１の第２強磁性金属層２との構造は、シンセティック強磁性結合の構造であってもよい。
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。
【０１４２】
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。
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
なお、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。
【０１４５】
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。
また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。この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。
【０１４６】
次に、スピン軌道トルク配線２０について説明する。
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。
【０１４７】
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。ここで、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。
【０１４８】
ここで、図１２を参照して、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。
図１２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。また、図１２は、図１１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。
【０１４９】
図１２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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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１２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。
【０１５３】
図１１に戻って、スピン軌道トルク配線２０の説明を続ける。
図１１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。
【０１５４】
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構成されていてもよい。この場合、非磁性の重金属は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。かかる非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。スピン軌道トルク配線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。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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。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。
【０１５８】
なお、図１１に示したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の構成は一例であり、これに限られない。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。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、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。
【０１５９】
［スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の原理］
次に、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の原理を、図１１を参照して説明する。
図１１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を与え、磁化反転が生じる。
【０１６０】
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１１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。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。
【０１６１】
図１３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。図１３の座標系は、図１１と同様である。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。
【０１６２】
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。
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１３においては、電流密度Ｉｃ２＝Ｉ２／Ｓである。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
これに対し、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。
【０１６６】
ここで、図１１に示すようにスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の磁気抵抗効果素子１０は、形状異方性を有する。磁気抵抗効果素子１０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。
【０１６７】
次に、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理由について説明する。
図１４は、比較例における磁気抵抗効果素子１２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１４の座標系は、図１１と同様である。図１４に示す磁気抵抗効果素子１２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。
【０１６８】
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１３参照）や、円形が選択される。
【０１６９】
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。
【０１７０】
磁気抵抗効果素子１０（図１１）、磁気抵抗効果素子１２（図１４）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。
【０１７１】
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。例えば、フォトリソグラフィー等の加工技術で可能な最小の幅が好ましい。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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
また磁気抵抗効果素子１０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。
【０１７５】
磁気抵抗効果素子１０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。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１１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。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。
【０１７６】
このため、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。図１４に示したような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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
図１５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１５（ａ）は、図１１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１５（ａ）に示す磁気抵抗効果素子１０のように長方形状でも、図１５（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。
【０１７９】
また図１５（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。
また図１５（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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
すなわち、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することができる。
【０１８２】
図１５に示すように、一方向に異方性を有する磁気抵抗効果素子は、フォトリソグラフィー等により作製することができる。
【０１８３】
図１６は、フォトマスクＰＭの形状と、得られる磁気抵抗効果素子１０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１６（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１０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。
【０１８４】
また図１５（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１６（ｂ）及び図１６（ｃ）に示す形状とする。図１６（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１６（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１６（ｂ）及び（ｃ）における長方形領域Ｒｅは、図１６（ａ）に示すフォトマスクに対応する。
【０１８５】
図１６（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１５（ｃ）に示すように外部領域Ａを形成できる。また図１６（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１５（ｃ）に示すように外部領域Ａを形成できる。
【０１８６】
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。
【０１８７】
また図１５（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、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。
【０１８８】
なお、図１１〜図１６に示した図は、原理や構成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や形状などは実際とは異なっていることがある。また、図１１〜図１６に示した図は、原理や構成をわかりやすくするために便宜上特徴となる構成の一部を抜き出している。
【符号の説明】
【０１８９】
２００，２００Ａ，２００Ｂ…磁気メモリ、１…第１強磁性金属層、２…第２強磁性金属
層、３…非磁性層、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１１，１
２，１３，１４，１５…磁気抵抗効果素子、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…ス
ピン軌道トルク配線、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２２，２２ａ，２２ｂ，
２２ｃ，２２ｄ…抵抗、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，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、１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ…読出し用制御素子、１２０
，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ…素子選択用制御素子、１３０，１３０ａ，
１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ…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、１５１〜１５７，１７１〜１７３，１８１…配線、１６
１…貫通ビア、１９１…絶縁層、１９２…磁場提供配線
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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