(57)【要約】【課題】純スピン流を効率的に発生させ、反転電流密度を低減させることが可能なスピン流磁化反転素子、磁気メモリを提供する。【解決手段】本発明のスピン流磁化反転素子１００は、磁化の向きが可変な第１強磁性金属層１０１と、第１強磁性金属層１０１に接合し、第１強磁性金属層１０１の面直方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線層１０２と、を備え、スピン軌道トルク配線層１０２が、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐのうち少なくとも１つの軽元素Ｌ、およびＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうちいずれか１つの希ガス元素を含む。【選択図】図１
2019046976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きを変化させることができる第１強磁性金属層と、
前記第１強磁性金属層に接合し、前記第１強磁性金属層の面直方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線層が、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐのうち少なくとも１つの軽元素、およびＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含むことを特徴とするスピン流磁化反転素子。
【請求項２】
前記第１強磁性金属層の内部、または前記前記第１強磁性金属層と前記スピン軌道トルク配線層との間に、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔのうち少なくとも１つを含む挿入層を有することを特徴とする請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項３】
前記スピン軌道トルク配線層の内部に、酸素、窒素のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項４】
前記第１強磁性金属層を挟んで前記スピン軌道トルク配線層と反対側において、前記第１強磁性金属層に非磁性層、第２強磁性金属層が順に積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子を、複数備えていることを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流磁化反転素子、磁気メモリに関する。
【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、および、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が高く、その磁気抵抗（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、磁気ヘッドおよ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。ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転はエネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるための反転電流密度が高い。ＴＭＲ素子の耐久性を向上させるためには、この反転電流密度は低いことが好ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
【０００４】
そこで近年、ＳＴＴとは異なったメカニズムで反転電流を低減する手段として、スピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（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。また、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でも、同様のＳＯＴによる磁化反転を起こす。ただし、これらのメカニズムについては、まだ明らかになっていない。純スピン流は、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子とが、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り、磁気抵抗効果素子にダメージを与えない。
【０００５】
ただし、現状の素子構造でのＳＯＴによる反転電流密度は、ＳＴＴによる反転電流密度と同程度であることが、非特許文献１で報告されている。純スピン流を生み出す電流の流れは、磁気抵抗効果素子にダメージを与えないが、駆動効率の観点から、反転電流密度の低減が求められている。反転電流密度の低減のために、純スピン流をより効率的に発生させる必要がある。非特許文献２では、純スピン流の発生効率が、発生させる部材であるスピン軌道トルク配線の抵抗率が大きいほど、高くなることについて開示されている。純スピン流の発生効率が高まれば、磁化反転させるための電流密度（反転電流密度）を小さく抑えることができることになり、これを実現するために、スピン軌道トルク配線の抵抗率を大きくする技術が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，  Ｃ．Ｚｈａｎｇ，  Ｓ．ＤｕｔｔａＧｕｐｔａ，  Ａ．Ｋｕｒｅｎｋｏｖ  ａｎｄ  Ｈ．Ｏｈｎｏ，  Ｎａｔｕｒｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  （２０１６）．  ＤＯＩ：  １０．１０３８／ＮＭＡＴ４５６６
【非特許文献２】Ｍ．Ｈ．Ｎgｕｙｅｎ，  Ｄ．Ｃ．Ｒａｌｐｈ，  Ｒ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎ，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １１６，  １２６６０１  （２０１６）ＤＯＩ：１０．１１０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、純スピン流を効率的に発生させ、反転電流密度を低減させることが可能なスピン流磁化反転素子、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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【０００９】
（１）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、磁化の向きを変化させることができる第１強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層に接合し、前記第１強磁性金属層の面直方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線層が、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐのうち少なくとも１つの軽元素、およびＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含む。
【００１０】
（２）上記（１）に記載のスピン流磁化反転素子において、前記第１強磁性金属層の内部、または前記前記第１強磁性金属層と前記スピン軌道トルク配線層との間に、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔのうち少なくとも１つを含む挿入層を、内部に有していてもよい。
【００１１】
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線層の内部に、酸素、窒素のうち少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００１２】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記第１強磁性金属層を挟んで前記スピン軌道トルク配線層と反対側において、前記第１強磁性金属層に非磁性層、第２強磁性金属層が順に積層されていてもよい。
【００１３】
（５）本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載ののスピン流磁化反転素子を、複数備えている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のスピン軌道トルク配線層は、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐのうち少なくとも１つの軽元素を含むことにより、その結晶構造の基本骨格が歪められ、周期構造が崩れ、アモルファス化または微結晶化している。さらに、本発明のスピン軌道トルク配線層は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうち少なくとも１つの希ガス元素を含むことにより、内部に粒界が発生し、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐが粒界拡散しやすくなっており、軽元素によるスピン軌道トルク配線層のアモルファス化または微結晶化をアシスト（促進）する構成となっている。したがって、本発明のスピン軌道トルク配線層は、当該軽元素および希ガス元素を含まない場合に比べて抵抗率が高く、純スピン流が発生しやすい状態となっている。そのため、これを用いて本発明のスピン流磁化反転素子を動作させた場合に、第１強磁性金属層の磁化を反転させるための電流の密度（反転電流密度）を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構成を、模式的に示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は断面図である。
【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】本発明の第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構成を、模式的に示す斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子に対する、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子１００の構成を模式的に示す図であり、スピン流磁化反転素子１００は、磁化の向きを変化させることができる第１強磁性金属層１０１と、第１強磁性金属層１０１の一面に接合し、第１強磁性金属層１０１の面直方向（ｚ方向）に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線層１０２と、を備えている。ここでは、スピン軌道トルク配線層１０２が、第１強磁性金属層１０１の面直方向と直交する方向（ｘ方向）に延在する場合を例示している。
【００１８】
図１（ａ）は、スピン流磁化反転素子１００を第１強磁性金属層１０１側から見た場合の平面図である。図１（ｂ）は、スピン流磁化反転素子１００を、第１強磁性金属層１０１、スピン軌道トルク配線層１０２の積層方向に平行に切断した場合の断面図である。
【００１９】
スピン流磁化反転素子１００は、純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用して強磁性金属層の磁化反転を行う素子であって、磁気抵抗効果素子等に組み込んで用いることができる。一方、スピン流磁化反転素子１００は、従来のＳＴＴを利用する磁気抵抗効果素子において強磁性金属層の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできる。
【００２０】
第１強磁性金属層１０は、自由層、フリー層等と呼ばれるものであり、強磁性を有する公知の材料（好ましくは軟磁性材料）、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、およびこれらの金属を１種類以上含む強磁性合金等からなる。また、第１強磁性金属層１０は、これらの金属と、Ｂ、Ｃ、およびＮのうち、少なくとも１種類以上の元素とを含む合金（具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ）等からなる場合もある。
【００２１】
また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ等が挙げられる。
【００２２】
第１強磁性金属層１０１は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔのうち少なくとも１つを含む挿入層１０１Ａを、内部に有することが好ましい。挿入層１０１Ａは、Ｂを吸収する機能を有しているため、第１強磁性金属層１０１からスピン軌道トルク配線層１０２へのＢの拡散を防ぎ、スピン軌道トルク配線層１０２の組成比が乱れるのを防ぐことができる。
【００２３】
比較しやすいように、段落番号は変更しておりません（以下も同様です）。
さらに、挿入層１０１Ａは、その界面磁気異方性により第１強磁性金属層１０１に垂直磁気異方性を付与することができる。
【００２４】
さらに、挿入層１０１Ａは磁気抵抗効果に大きく寄与する第１強磁性金属層の下地層にもなり得る。アモルファス化または微結晶化したスピン軌道トルク配線層上から結晶配向するより、挿入層１０１Ａを介して第１強磁性金属層１０１が結晶配向した方が、磁気抵抗効果をあげることができる。
【００２５】
挿入層１０１Ａは、第１強磁性金属層１０１中のどの位置にあってもよく、また、スピン軌道トルク配線層１０２との界面にあってもよく、その厚さは０．１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
スピン軌道トルク配線層１０２は、電流が流れる際のスピンホール効果によって純スピン流を発生させる機能を有する合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。
【００２７】
図２は、図１のスピン軌道トルク配線層１０２で生じるスピンホール効果について説明するための模式図であり、スピン軌道トルク配線層１０２をｘ方向に沿って切断した際の断面図である。図２に基づき、スピンホール効果によって純スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
【００２８】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線層１０２の延在方向（−ｘ方向）に電流Ｉを流すと、−ｙ方向に配向した第１スピンＳ１と＋ｙ方向に配向した第２スピンＳ２は、それぞれ電流Ｉの向き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。ところが、通常のホール効果は磁場が存在する場合のみ発生するのに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、空間反転対称性の崩れから生じる内場によって電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で発生する点で大きく異なる。
【００２９】
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。
【００３０】
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については同じである。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層１０２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。
【００３１】
ここで、第１スピンＳ１のスピンの流れをＪ↑、第２スピンＳ２のスピンの流れを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％の純スピンの流れである。
【００３２】
図１に示すように、スピン軌道トルク配線層１０２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、第１強磁性金属層１０１にスピンが注入される。
【００３３】
本実施形態に係るスピン流磁化反転素子１００は、このようにスピン軌道トルク配線層１０２に電流を流して純スピン流を発生させ、その純スピン流を、スピン軌道トルク配線層１０２に接する第１強磁性金属層１０１に拡散させることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果に伴った、第１強磁性金属層１０１の磁化反転を引き起こすものである。
【００３４】
純スピン流の発生効率の観点から、スピン軌道トルク配線層１０２の材料としては、最外殻にｄ電子またはｆ電子を有し、スピン軌道相互作用が大きい原子番号３９以上の重金属元素を用いることが好ましい。原子番号が小さい金属に電流を流した場合、すべての内部電子が各々のスピンの向きによらず、電流と逆向きに動く。これに対して、最外殻にｄ電子またはｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属に電流を流した場合、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、電子の動く方向が各々のスピンの向きに依存し、純スピン流が発生しやすい。
【００３５】
本実施形態に係るスピン軌道トルク配線層１０２は、Ｐｔ等の重金属元素の結晶構造を基本骨格とし、添加元素として、これにＢ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ等のうち少なくとも１つの軽元素Ｌ、およびＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等のうち少なくとも１つの希ガス元素（不図示）を含む構成を有している。
【００３６】
上記軽元素および希ガス元素の添加は、公知の方法、例えば、イオン注入法、プラズマドーピング法、レーザードーピング法、同時スパッタリング法、イオンガンアシスト成膜法等を用いて行うことができる。
各ドーピング法では、軽元素の注入は容易であるが、侵入深さの制限や注入元素の濃度分布が生じることがある。スピン流生成の観点からは、この濃度分布が生じても良い。
合金ターゲットを用いたスパッタリング法では、軽元素を濃度分布なく添加することもできる。しかし、合金ターゲットは軽元素を添加すると脆くなるため、添加量に制限が生じる可能性があるが、例えば、重金属元素ターゲットと軽元素ターゲットの同時スパッタリング法を用い、それぞれのスパッタリング条件を調整することで添加量を調整することができる。
さらに、スパッタリング時に使用する希ガスの量を増やすことで希ガスを添加することも可能であるが、使用する希ガスを２種類（Ａｒ＋Ｋｒ）に増やしたりすることで、より効率的に添加することができる。
さらに、スパッタリング時にＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどのプラズマイオンを照射しながら成膜するイオンガンアシスト成膜法を用いることで、より希ガスを添加することができる。
【００３７】
スピン軌道トルク配線層１０２に含まれる軽元素の比率は、５ａｔｍ％以上５０ａｔｍ％以下であることが好ましい。
【００３８】
軽元素の含有比率が５ａｔｍ％以上である場合、スピン軌道トルク配線層１０２の構成材料は、合金化せずに金属間化合物となり、粒界にＢ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐが偏析しやすくなる。そのため、スピン軌道トルク配線層１０２の微結晶化がより促進され、電気抵抗率が増大することになる。
【００３９】
軽元素の含有比率が１０ａｔｍ％以上である場合には、スピン軌道トルク配線層１０２の構成材料の一部が合金化することになり、スピン軌道トルク配線層１０２の電気抵抗率がさらに増大することになる。
【００４０】
スピン軌道トルク配線層１０２は、原子半径が大きい元素（酸素、窒素等）のうち少なくとも１つを含むことが好ましい。この場合、スピン軌道トルク配線層１０２内に粒界が発生し、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐが粒界拡散しやすくなるため、アモルファス化、微結晶化がより促進されることになる。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係るスピン軌道トルク配線層１０２は、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐのうち少なくとも１つの軽元素を含むことにより、その結晶構造の基本骨格が歪められ、周期構造が崩れ、アモルファス化または微結晶化している。さらに、本実施形態に係るスピン軌道トルク配線層１０２は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうちいずれか１つの希ガス元素を含むことにより、内部に粒界が発生し、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐが粒界拡散しやすくなっており、軽元素によるスピン軌道トルク配線層１０２のアモルファス化または微結晶化をアシスト（促進）する構成となっている。したがって、スピン軌道トルク配線層１０２は、当該軽元素および希ガス元素を含まない場合に比べて電気抵抗率が高く、純スピン流が発生しやすい状態となっている。そのため、これを用いて本実施形態のスピン流磁化反転素子１００を動作させた場合に、第１強磁性金属層１０１の磁化を反転させるための電流の密度（反転電流密度）を低減させることができる。
【００４２】
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係るスピン流磁化反転素子２００の構成を模式的に示す斜視図である。スピン流磁化反転素子２００は、スピン軌道トルク配線層２０２上に、第１強磁性金属層２０１、非磁性層２０３、第２強磁性金属層２０４、配線層２０５を順に積層してなる。さらに、上記３つの層２０１、２０３、２０４からなる磁気抵抗効果素子２０６の積層方向Ｄ１に電流を流す第１電源２０７と、スピン軌道トルク配線層２０２の長手方向Ｄ２に電流を流す第２電源２０８とを備えている。磁気抵抗効果素子２０６は、配線層２０５を介して基板２０９で支持されている。
【００４３】
スピン流磁化反転素子２００は、第１強磁性金属層２０１の磁化の反転を、スピン軌道トルク配線層２０２に電流を流して発生するＳＯＴのみを利用して動作させてもよいし、このＳＯＴと、磁気抵抗効果素子２０６に電流を流して発生するＳＴＴとを併用して動作させてもよい。
【００４４】
磁気抵抗効果素子２０６は、非磁性層２０３が絶縁体からなる場合には、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子に相当し、非磁性層２０３が金属からなる場合には、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子に相当する。
【００４５】
磁気抵抗効果素子２０６は、第２強磁性金属層２０４の磁化が一方向に固定され、第１強磁性金属層２０１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、第２強磁性金属層２０４の保磁力を第１強磁性金属層２０１の保磁力よりも大きくする。また、交換バイアス型（スピンバルブ；ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅ型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性金属層２０４の磁化を、反強磁性層との交換結合によって固定する。
【００４６】
本実施形態の第１強磁性金属層２０１、スピン軌道トルク配線層２０２は、それぞれ、第１実施形態の第１強磁性金属層１０１、スピン軌道トルク配線層１０２と同様の構成を有している。したがって、本実施形態のスピン流磁化反転素子２００においても、第１実施形態のスピン流磁化反転素子１００と同等の効果を得ることができる。
【００４７】
第２強磁性金属層２０４および第１強磁性金属層２０１は、各層の表面に対して、磁化方向が平行な面内磁化膜であってもよいし、垂直な垂直磁化膜であってもよい。
【００４８】
第２強磁性金属層２０４の材料には、公知のものを用いることができ、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉからなる群から選択される金属、およびこれらの金属を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、および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。例えば、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
【００４９】
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の化学組成を有する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族の遷移金属元素であり、Ｘの元素種を除くこともでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ等が挙げられる。
【００５０】
また、第１強磁性金属層２０１に対する第２強磁性金属層２０４の保磁力をより大きくするために、第２強磁性金属層１０４の上に、ピニング層として、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性材料の層を用いてもよい。さらに、第２強磁性金属層２０４の漏れ磁場が第１強磁性金属層２０１に影響し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。
【００５１】
さらに第２強磁性金属層２０４の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第２強磁性金属層２０４は、［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。（）内の数値は膜厚を示している。
【００５２】
第１強磁性金属層２０１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第１強磁性金属層２０１の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第１強磁性金属層２０１に付加した垂直磁気異方性を維持する上で、第１強磁性金属層２０１は薄い方が好ましい。
【００５３】
非磁性層２０３には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層２０３が絶縁体からなる場合、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、および、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、ＭｇＡｌ２Ｏ４は、コヒーレントトンネルを実現する材料であるため、スピンを効率よく注入することができる。また、非磁性層２０３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。
【００５４】
基板２０９は、平坦性に優れていることが好ましく、その材料として、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃ等を用いることができる。
【００５５】
基板２０９と配線層２０６との間には、下地層（図示略）が形成されていてもよい。下地層を設けることにより、磁気抵抗効果素子２０６を構成する各層の結晶性（結晶配向性、結晶粒径等）を制御することができる。
【００５６】
配線層２０５等に流れる電流が散逸しないようにするため、下地層は絶縁性を有していることが好ましい。下地層としては、一例として、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む、窒化物の層を用いることができる。
【００５７】
他の例として、下地層には、ＸＹＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を用いることができる。ここで、サイトＸは、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＹは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【００５８】
他の例として、下地層には、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層を用いることができる。
【００５９】
他の例として、下地層には、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。
【００６０】
また、下地層は単層である必要はなく、上述した層を複数積層したものであってもよい。下地層の構成を工夫することにより、磁気抵抗効果素子２０６の各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。
【００６１】
配線層２０５は、第２強磁性金属層２０５に電気的に接続され、図３に示すように、配線層２０５とスピン軌道トルク配線層２０２と第１電源２０７とで閉回路をなし、磁気抵抗効果素子２０６の積層方向に電流が流れるように構成されている。
【００６２】
配線層２０５の材料としては、導電性の高いものであればよく、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等を用いることができる。
【００６３】
上述した本実施形態では、磁気抵抗効果素子２０６において、積層順が後になり基板２０９から遠い側に配置する第１強磁性金属層２０１が磁化自由層とされ、積層順が先であり基板２０９に近い側に配置する第２強磁性金属層２０４が磁化固定層（ピン層）とされている、いわゆるボトムピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子２０６の構造は特に限定されるものではなく、いわゆるトップピン構造であってもよい。
【００６４】
第１電源２０７および第２電源２０８の材料としては、公知のものを用いることができる。第１電源２０７は、配線層２０５とスピン軌道トルク配線層２０２とに接続される。第１電源２０７は、磁気抵抗効果素子２０６の積層方向Ｄ１に流れる電流を制御することができる。第２電源２０８は、スピン軌道トルク配線２０２の長手方向Ｄ２における両端に接続されている。第２電源２０８は、磁気抵抗効果素子２０６の積層方向Ｄ１に対して直交する方向Ｄ２に流れる電流を制御することができる。
【００６５】
上述のように、磁気抵抗効果素子２０６の積層方向Ｄ１に流れる電流はＳＴＴを誘起し、スピン軌道トルク配線２０２の長手方向Ｄ２に流れる電流はＳＯＴを誘起する。ＳＴＴおよびＳＯＴは、いずれも第１強磁性金属層２０１の磁化反転に寄与する。
【００６６】
磁気抵抗効果素子２０６を流れる電流量、スピン軌道トルク配線層２０２を流れる電流量を、それぞれ、第１電源２０７、第２電源２０８を用いることにより、ＳＯＴ、ＳＴＴ寄与率を、自由に制御することができる。
【００６７】
例えば、デバイスに大電流を流すことができない場合には、磁化反転に対するエネルギー効率の高いＳＴＴが主に寄与するように制御する。すなわち、第１電源２０７による電流量を増やし、第２電源２０８による電流量を減らす。また、例えば薄いデバイスを作製する必要があり、非磁性層２０３の厚みを薄くせざるを得ない場合には、非磁性層２０３に流れる電流を少なくすることが求められる。この場合には、第１電源２０７による電流量を減らし、第２電源２０８による電流量を増やし、ＳＯＴの寄与率を高める。
【００６８】
上述のように、ＳＴＴ方式およびＳＯＴ方式を併用できるように構成された本実施形態の磁気抵抗効果素子によれば、ＳＴＴおよびＳＯＴの寄与率を、第１電源２０７および第２電源２０８から供給される電流量により、自由に制御することができる。そのため、本実施形態のスピン流磁化反転素子２００は、デバイスに要求される性能に応じて、ＳＴＴとＳＯＴの寄与率を自由に制御することができ、より汎用性の高い磁気抵抗効果素子として機能することができる。
【００６９】
本実施形態に係るスピン流磁化反転素子２００は、上述した以外にも、例えば、空間光変調器、磁気センサ等に適用することができる。空間光変調器に適用する場合、上記のスピン流磁化反転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調することができる。磁気センサに適用する場合には、磁石の保磁力によるヒステリシスの影響を避けるため、磁石の磁化容易軸に印可する磁場発生源をスピン軌道トルク配線に置き換えてもよい。
【００７０】
（製造方法）
本発明のスピン流磁化反転素子、およびそれを備えた磁気抵抗効果素子の製造方法は、特に限定されるものではなく、物理的気相成長（ＰＶＤ）法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の成膜法を用いることができる。物理的気相成長法としては、例えば、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、イオンプレーティング法、イオンビームデポジション法、スパッタリング法等を用いることができる。化学的気相成長（ＣＶＤ）法としては、例えば、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法等を用いることができる。以下では、スピン流磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子の製造方法の一例について説明することにより、スピン流磁化反転素子の製造方法の説明も兼ねる。
【００７１】
まず、支持体となる基板上に、例えばスパッタリング法を用いて、スピン軌道トルク配線層の膜を形成する。次いで、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、形成したスピン軌道トルク配線層の膜を所定の形状に加工する。
【００７２】
そして、スピン軌道トルク配線層以外の部分は、例えばＣＶＤ法を用いて酸化膜等の絶縁膜で覆う。あるいは、スピン軌道トルク配線層の表面を酸化または窒化し、スピン軌道トルク配線層の表面に、絶縁層もしくは高抵抗層を形成してもよい。この場合、少なくとも高抵抗化されたスピン軌道トルク配線層の表面が、酸化膜等の絶縁膜で覆われるようにする。スピン軌道トルク配線層、絶縁膜（絶縁層、高抵抗層）の露出面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨することが好ましい。
【００７３】
次いで、例えばスパッタリング法を用いて、スピン軌道トルク配線層上に、第１強磁性金属層、非磁性層、第２強磁性金属層を順に積層し、磁気抵抗効果素子の機能部を形成する。機能部がＴＭＲ素子の場合、例えばトンネルバリア層は、第１強磁性金属層上にスパッタリング法により、最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のマグネシウム、アルミニウム、および複数の非磁性元素の二価の陽イオンからなる金属薄膜を形成し、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理を行うことによって得られる。
【００７４】
反応性スパッタで形成した層は、アモルファスであり結晶化する必要があるため、得られた機能部は、アニール処理することが好ましい。例えば、強磁性金属層としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる場合は、Ｂの一部がアニール処理により外部に抜けて結晶化する。
【００７５】
アニール処理して製造した機能部は、アニール処理しないで製造した機能部と比較して、磁気抵抗比が向上する。これはアニール処理によって、非磁性層（トンネルバリア層）の結晶サイズの均一性および配向性が向上するためであると考えられる。
【００７６】
アニール処理としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度範囲で、５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。
【００７７】
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層と反対側の面に、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。
【００７８】
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。
【００７９】
本発明は、上記実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転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。
【００８０】
（磁気メモリ）
本発明の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）は、本発明の磁気抵抗効果素子を複数備える。
【００８１】
（磁化反転方法）
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線層に流れる電流密度が１×１０７Ａ／ｃｍ２未満とすることができる。スピン軌道トルク配線層に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線層に流れる電流によって熱が生じる。熱が第２強磁性金属層に加わると、第２強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線層に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線層に流す電流の電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。
【００８２】
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、ＳＴＴ方式及びＳＯＴ方式を併用する構成の場合、スピン軌道トルク配線層の電源に電流を印可した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印可してもよい。
【００８３】
ＳＯＴ磁化反転工程とＳＴＴ磁化反転工程は、同時に行ってもよいし、ＳＯＴ磁化反転工程を事前に行った後にＳＴＴ磁化反転工程を加えて行ってもよい。第１電源２０７と第２電源２０８から電流を同時に供給してもよいし、第２電源２０８から電流を供給後に、加えて第１電源２０７から電流を供給してもよいが、ＳＯＴを利用した磁化反転のアシスト効果をより確実に得るためには、スピン軌道トルク配線層の電源に電流が印可した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印可することが好ましい。すなわち、第２電源２０８から電流を供給後に、加えて第１電源２０７から電流を供給することが好ましい。
【実施例】
【００８４】
以下、実施例により、本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００８５】
＜実施例１＞
上述した方法により、本発明のスピン流磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子を作製した。まず、スパッタリング法を用いて、下地基板上に下地層を形成した後、イオンガンアシスト法を用いたＡｒイオンを照射しつつ、Ｐｔからなるスピン軌道トルク配線層を、Ａｒを用いたスパッタリング法にて形成した。続いてイオン注入法を用い、加工したスピン軌道トルク配線層に対し、軽元素としてＢ（１０ａｔｍ％）を添加した。
【００８６】
次に、スパッタリング法を用いて、軽元素Ｂおよび希ガス元素Ａｒを含むスピン軌道トルク配線層上に、第１強磁性金属層、非磁性層、第２強磁性金属層を順に積層し、磁気抵抗素子の機能部を形成した。第１強磁性金属層の材料としては、ＣｏＦｅＢを用いた。非磁性体の材料としては、ＭｇＯを用いた。第２強磁性金属層の材料としては、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／[Ｃｏ／Ｐｔ]ｎを用いた。形成した機能部に対し、３００℃、１２０分のアニール処理を行った。その後、所定の形状に加工した。
【００８７】
なお、各元素の添加量を確認するために、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）にて断面観察後、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）を用いて組成分布を確認した。組成分布のグラフを図４に示す。ＥＤＸの結果から、スピン軌道トルク配線層にＢとＡｒが添加されていることが確認できた。
【００８８】
次に、第２強磁性金属配線層上に、板状の配線層の少なくとも一部を重ね、接着剤等で固定した。さらに、第１電源の一端側をスピン軌道トルク配線層に、第１電源の他端側を第２強磁性金属層に、それぞれ電気的に接続した。また、第２電源の一端側をスピン軌道トルク配線層の一端側に、第２電源の他端側をスピン軌道トルク配線層の他端側に、それぞれ電気的に接続した。以上のようにして、磁気抵抗効果素子のサンプルを得た。
【００８９】
＜実施例２＞
スピン軌道トルク配線層に対し、軽元素としてＣを添加した以外は、実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子のサンプルを作製した。
【００９０】
＜実施例３＞
スピン軌道トルク配線層に対し、軽元素としてＳｉを添加し、Ｋｒイオンガンアシスト法を用いた以外は、実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子のサンプルを作製した。
【００９１】
＜実施例４＞
スピン軌道トルク配線層に対し、軽元素としてＰを添加し、Ｘｅイオンガンアシスト法を用いた以外は、実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子のサンプルを作製した。
【００９２】
＜比較例１＞
スピン軌道トルク配線層に対し、軽元素を添加しなかった以外は、実施例１と同様にして磁気抵抗効果素子のサンプルを作製した。
【００９３】
実施例１〜４、および比較例１で得た磁気抵抗効果素子のサンプルについて、スピン軌道トルク配線層に含まれる軽元素、スピン軌道トルク配線層の電気抵抗率、動作時の反転電流密度について、表１に示す。
【００９４】
なお、抵抗率測定は、Ｐｔの膜厚を１０ｎｍに固定し、太さの異なる細線をいくつか加工し、４端子測定により実測した。希ガスを添加しないＰｔの抵抗率は２９．７μΩ・ｃｍであった。
【００９５】
【表１】
2019046976.tif 000003
【００９６】
軽元素としてＢ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐを添加したスピン軌道トルク配線層（実施例１〜４）は、いずれも、軽元素を添加していないスピン軌道トルク配線層（比較例１）に比べて、電気抵抗率が増大しており、純スピン流が発生しやすい状態となった結果として、第１強磁性金属層の磁化に対する反転電流密度が低減できていることが分かる。
【符号の説明】
【００９７】
１００、２００・・・スピン流磁化反転素子
１０１、２０１・・・第１強磁性金属層
１０１Ａ・・・挿入層
１０２、２０２・・・スピン軌道トルク配線層
２０３・・・非磁性層
２０４・・・第２強磁性金属層
２０５・・・配線層
２０６・・・磁気抵抗効果素子
２０７・・・第１電源
２０８・・・第２電源
２０９・・・基板
Ｄ１・・・機能部の積層方向
Ｄ２・・・スピン軌道トルク配線層の長手方向
Ｉ・・・電流
Ｊｓ・・・スピン流
Ｌ・・・軽元素
Ｓ１・・・第１スピン
Ｓ２・・・第２スピン
【図１】
2019046976.tif 000004
【図２】
2019046976.tif 000005
【図３】
2019046976.tif 000006
【図４】
2019046976.tif 000007