(57)【要約】【課題】磁化反転できるスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリを提供することを目的とする。【解決手段】このスピン流磁化反転素子は、第１方向に延在されて該第１方向に延びたスピン流を発生させるスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の面直方向である第２方向に積層され、磁化方向が変化する第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線及び前記第１強磁性層と離間配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を印可する第１垂直磁場印可層とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に延在されて該第１方向に延びたスピン流を発生させるスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線と交差する方向である第２方向に積層され、磁化方向が変化する第１強磁性層と、
前記スピン軌道トルク配線及び前記第１強磁性層と離間配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を印可する第１垂直磁場印可層とを備えたスピン流磁化反転素子。
【請求項２】
前記第１強磁性層の磁化容易軸が前記第１方向である請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項３】
前記第１垂直磁場印可層の磁化容易軸が前記第２方向であり、前記第１垂直磁場印可層が発生させる磁界に少なくとも前記第２方向の成分を有する請求項１または請求項２に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項４】
前記第１垂直磁場印可層が前記第１強磁性層に対し電気的に分離された請求項１〜請求項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】
第１方向に延在されて該第１方向に延びたスピン流を発生させるスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線と交差する方向である第２方向に積層され、磁化方向が変化する第１強磁性層と、
前記スピン軌道トルク配線と交差する方向である第２方向であって、前記第１強磁性層とともに前記スピン軌道トルク配線を挟む位置に前記スピン軌道トルク配線に接するように配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を印可する絶縁性の第１垂直磁場印可層とを備えたスピン流磁化反転素子。
【請求項６】
前記スピン軌道トルク配線が前記第１強磁性層と前記第１垂直磁場印可層の間に配置された請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項７】
前記第１垂直磁場印可層の面積が前記第１強磁性層の面積よりも大きい請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項８】
前記スピン軌道トルク配線に対し前記第１垂直磁場印加層が配置されている側と反対側に第２垂直磁場印可層が配置され、前記第１垂直磁場印可層の磁化の向きと前記第２垂直磁場印可層の磁化の向きが一致された請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項９】
前記第１垂直磁場印可層のみが設けられている場合は、前記第２方向に沿って前記第１強磁性層の外側に磁気シールド層が設けられ、前記第１垂直磁場印可層と前記第２垂直磁場印可層が設けられている場合は、第２方向に沿って前記第１垂直磁場印可層と前記第２垂直磁場印可層の少なくとも一方の外側に磁気シールド層が設けられた請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項１０】
前記スピン軌道トルク配線の膜厚の値が、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長の値より小さい値である請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項１１】
前記第１垂直磁場印可層の膜厚が前記第２垂直磁場印可層の膜厚より大きい請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項１２】
前記第１垂直磁場印可層と前記第２垂直磁場印可層が前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向に沿って位置ずれ配置された請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、
前記第１強磁性層において前記スピン軌道トルク配線に接する側と反対側の面に接するように形成され、磁化方向が固定された第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層に挟持された非磁性層を備えたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
【請求項１５】
請求項１３に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備えた高周波磁気素子。
【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、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び高周波磁気素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子として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素子の素子抵抗は、ＧＭＲ素子と比較して大きいが、磁気抵抗（ＭＲ）比は、ＧＭＲ素子より大きい利点がある。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】
ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転はエネルギー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に必要な反転電流密度が高いといわれている。
ＴＭＲ素子の長寿命化の観点からはこの反転電流密度は低いことが望ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
【０００５】
そこで近年、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、及び、異種材料の界面におけるラシュバ効果が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴによる磁化反転をひき起こす。これらのメカニズムについての詳細はこれまでに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り、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いることで磁気抵抗効果素子を長寿命化することが期待されている。
【０００６】
一方で、ＳＯＴを用いた磁化反転には、外部磁場を印加することで、磁化反転する磁化の対称性を乱す必要があると言われている（例えば、非特許文献２）。外部磁場を印加するためには外部磁場の発生源が必要である。外部磁場の発生源を外部に別途設けることは、スピン流磁化反転素子を含む集積回路の集積度の低下につながる。そのため、外部磁場を印加せずにＳＯＴを用いた磁化反転を可能とする手法も研究されている。
【０００７】
例えば、非特許文献３には、磁化反転する強磁性体と結合する酸化膜の酸素量を変更することで、磁化の強度の対称性が崩れることが記載されている。磁化の強度の対称性が崩れると、磁化回転しやすくなり、無磁場下であってもＳＯＴを用いた磁化反転が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【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,VOL476,189(2011).
【非特許文献２】S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
【非特許文献３】Guoqiang Yu, et al., Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2014.94.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献３に記載された方法では、酸素量の制御が難しい問題がある。特に、薄膜プロセスで作製されるそれぞれの素子において、同様の酸素量の傾斜を形成することは、量産において困難である。また、磁気抵抗効果素子の面内方向における磁気異方性の大きさが異なると、意図しない外力（外部磁場、熱等）が加わった際、磁気異方性の小さい部分の磁化が反転する場合がある。意図しない磁化の反転は、データのノイズとなり、データの長期保存を阻害する。特に磁気抵抗効果素子の強磁性体の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、磁気異方性の小さい部分の磁化反転が、その他の部分の磁化反転も誘発し、データを書き換えてしまうおそれがある。
【００１０】
また、磁化反転する磁化の対称性を乱すための構造として、素子を形成した回路の内部に配線を形成し、この配線から磁化反転を補助する磁場を発生する構造を採用することが考えられる。しかし、配線を利用して磁化反転を補助する構造を採用すると、配線で消費する電力が大きくなり、配線を形成するために回路の集積度が低下する問題がある。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、消費電力の増大を引き起こすことなく磁化反転を誘起できる構成のスピン流磁化反転素子であって、集積度の低下を招くことがないスピン流磁化反転素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述の優れたスピン流磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子と磁気メモリ、高周波磁気素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
（１）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、第１方向に延在されて該第１方向に延びたスピン流を発生させるスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線と交差する方向である第２方向に積層され、磁化方向が変化する第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線及び前記第１強磁性層と離間配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を印可する第１垂直磁場印可層とを備えたことを特徴とする。
（２）前記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第１強磁性層の磁化容易軸が前記第１方向である構成を採用しても良い。
（３）前記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第１垂直磁場印可層の磁化容易軸が前記第２方向であり、前記第１垂直磁場印可層が発生させる磁界に少なくとも前記第２方向の成分を有する構成を採用しても良い。
【００１３】
（４）前記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第１垂直磁場印可層が前記第１強磁性層に対し電気的に分離された構成を採用しても良い。
（５）本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、第１方向に延在されて該第１方向に延びたスピン流を発生させるスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線と交差する方向である第２方向に積層され、磁化方向が変化する第１強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線と交差する方向である第２方向であって、前記第１強磁性層とともに前記スピン軌道トルク配線を挟む位置に前記スピン軌道トルク配線に接するように配置され、前記第１強磁性層の磁化反転を補助するアシスト磁場を印可する絶縁性の第１垂直磁場印可層とを備えた構成を採用しても良い。
（６）前記態様にかかる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が前記第１強磁性層と前記第１垂直磁場印可層の間に配置された構成を採用しても良い。
【００１４】
（７）前記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第１垂直磁場印可層の面積が前記第１強磁性層の面積よりも大きい構成を採用しても良い。
【００１５】
（８）前記態様にかかる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に対し前記第１垂直磁場印加層が配置されている側と反対側に第２垂直磁場印可層が配置され、前記第１垂直磁場印可層の磁化の向きと前記第２垂直磁場印可層の磁化の向きが一致された構成を採用しても良い。
【００１６】
（９）前記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第１垂直磁場印可層のみが設けられている場合は、前記第２方向に沿って前記第１強磁性層の外側に磁気シールド層が設けられ、前記第１垂直磁場印可層と前記第２垂直磁場印可層が設けられている場合は、第２方向に沿って前記第１垂直磁場印可層と前記第２垂直磁場印可層の少なくとも一方の外側に磁気シールド層が設けられた構成を採用しても良い。
（１０）前記態様にかかる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の膜厚の値が、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長の値より小さい値である構成を採用しても良い。
【００１７】
（１１）前記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第１垂直磁場印可層の膜厚が前記第２垂直磁場印可層の膜厚より大きい構成を採用しても良い。
（１２）前記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記第１垂直磁場印可層と前記第２垂直磁場印可層が前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向に位置ずれ配置された構成を採用しても良い。
（１３）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は、先のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子と、前記第１強磁性層において前記スピン軌道トルク配線に接する側と反対側の面に接するように形成され、磁化方向が固定された第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層に挟持された非磁性層を備えたことを特徴とする。
【００１８】
（１４）本発明の一態様に係る磁気メモリは、先に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備えたことを特徴とする。
（１５）本発明の一態様に係る高周波磁気素子は、先に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
上述した態様にかかるスピン流磁化反転素子によれば、消費電力を上げることなく磁化反転できるとともに、集積度の低下を引き起こすこともないスピン流磁化反転素子を提供できる。また、このような優れたスピン流磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、高周波磁気素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図２】同スピン流磁化反転素子を磁気抵抗効果素子に適用した第２実施形態の構造を模式的に示した斜視図。
【図３】第３実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図４】第４実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図５】第５実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図６】第６実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図７】第７実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図８】第８実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図９】図２に示す磁気抵抗効果素子を製造する工程の一例を示すもので、（ａ）は基板上に第１垂直磁化印可層の基となる層を成膜し、垂直磁化アニールした状態を示す部分断面図、（ｂ）は第１垂直磁化印可層の形状を作り込みした状態を示す部分断面図、（ｃ）は作り込みした層の周囲に絶縁層を設けた状態を示す部分断面図、（ｄ）は絶縁層の一部をＣＭＰ研磨した状態を示す部分断面図、（ｅ）は磁気抵抗効果素子とスピン軌道トルク配線の基となる層を積層した状態を示す部分断面図、（ｆ）は磁気抵抗効果素子の要部を形成した状態を示す部分断面図、（ｇ）は同状態を示す平面略図、（ｈ）はスピン軌道トルク配線を形成した状態を示す部分断面図、（ｉ）は同状態を示す平面略図、（ｊ）はコンタクト層を形成した状態を示す部分断面図、（ｋ）は同状態を示す平面略図。
【図１０】第９実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図１１】第１０実施形態に係るスピン流磁化反転素子の構造を模式的に示した斜視図。
【図１２】本実施形態に係るスピン流磁化反転素子を複数備えた磁気メモリの一例を示す構成図。
【図１３】本実施形態に係るスピン流磁化反転素子を複数備えた高周波磁気素子の一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。  第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２と、第１垂直磁場印可層３を有する。図１の形態では、帯状のスピン軌道トルク配線２の上面中央部にスピン軌道トルク配線２と同じ幅の平面視長方形状の第１強磁性層１が積層され、スピン軌道トルク配線２の下面中央側に第１垂直磁場印可層３が絶縁層４を介し形成されている。また、スピン軌道トルク配線２の上面両端部に電極層５が形成されている。図１の形態において第１垂直磁場印可層３は第１強磁性層１と平面視同等幅で同等長さに形成されている。
以下、スピン軌道トルク配線２が延在する第１方向をｘ方向、ｘ方向に直交し、スピン軌道トルク配線２に対する第１強磁性層１の積層方向（第２方向）をｚ方向、スピン軌道トルク配線２が延在する面内方向であって第１方向と直交する第３方向をｙ方向と規定して説明する。
【００２３】
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１はその磁化の向きが相対的に変化することで機能する。
第１強磁性層１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を例示できる。
【００２４】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１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２は、第１強磁性層１に直接接続されていてもよいし、キャップ層などの他の層を介し接続されていてもよい。
【００２５】
スピン軌道トルク配線２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２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。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について説明する。
【００２６】
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２のｘ方向の両端に電位差を与えるとｘ方向に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、紙面奥側（図１のｙ方向）に配向した第１スピンＳ１と紙面手前側（図１の−ｙ方向）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。
【００２７】
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。
【００２８】
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２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。
【００２９】
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１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。
図１において、スピン軌道トルク配線２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強磁性層１にスピンが注入される。
【００３０】
スピン軌道トルク配線の材料としては、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及び、それらの金属を少なくとも１つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなるものとすることができる。また、タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合に、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、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くなり、効率的にスピン流を発生できる。
スピン軌道トルク配線２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２は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
【００３１】
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２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。
【００３２】
仮に、スピントルク配線２に通電するための接続配線の部分を構成する低抵抗部がＣｕ（１．７μΩｃｍ）からなるものとすると、原子番号３９以上でかつＣｕよりも電気抵抗率が２倍以上大きい材料としては、Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｃｄ，Ｌａ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｈｇ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕが挙げられる。
【００３３】
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。特に、非磁性の重金属としてＩｒを用いると、スピンホール効果が大きい。さらに、Ｉｒと第１強磁性層１の界面において従来材料よりも大きな垂直磁気異方性を第１強磁性層１に付加することができる。
【００３４】
また、スピン軌道トルク配線２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２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２は、反強磁性金属だけからなっていてもよい。
【００３５】
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。そのため、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。
【００３６】
また、スピン軌道トルク配線２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２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。
【００３７】
＜第１垂直磁場印可層＞
第１垂直磁場印可層３は図１のｚ方向への成分を有する垂直磁場を第１強磁性層１に印可するために設けられている。
第１垂直磁場印可層３は図１の形態では保持力の高い強磁性体の多層膜からなり、例えば、ＣｏＮｉ多層膜あるいはＣｏＰｔ多層膜からなる。
【００３８】
他に、垂直の磁化を示す磁性材料（ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ等の合金；ＧｄＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ等の希土類及び遷移金属の合金）、又は界面によって誘導される垂直磁気異方性効果を示す磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＣｏＮｉ）などの何れかを用いることができる。例えば、磁性半導体材料、例えばＧａＭｎＡｓ（すなわちＭｎドープのＧａＡｓ）等の非金属性の磁性材料等を採用することも可能である。
第１垂直磁場印可層３は絶縁層４を介しスピン軌道トルク配線２の下方に設けられているので、自身が発生させる垂直磁界（磁化の向きが第１強磁性層１の膜面に対して垂直な磁界）を第１強磁性層１に印可することができる。
【００３９】
＜絶縁層＞
絶縁層４はスピン軌道トルク配線２と第１垂直磁場印可層３を電気的に分離するために設けられている。スピン軌道トルク配線２と第１垂直磁場印可層３を電気的に分離しておくと、スピン軌道トルク配線２に電流を流した場合に第１垂直磁場印可層３にも電流が流れ、電流が散逸して電流密度が低下することを防ぐことができる。
このため、絶縁層４を設けてスピン軌道トルク配線２と第１垂直磁場印可層３を電気的に分離する。
【００４０】
スピン流磁化反転素子１０は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２と第１垂直磁場印可層３と絶縁層４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。
また、本実施形態は、必ずしも上記構成に限定されるものではなく、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。
【００４１】
（スピン流磁化反転素子の原理）
次いで、スピン流磁化反転素子１０の原理について説明すると共に、第１強磁性層１の磁化Ｍ１がｘ方向に向き、更に、第１垂直磁場印可層３の垂直磁界によりｘ方向から若干傾斜されていることにより無磁場下での磁化反転が可能となる理由について説明する。
【００４２】
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを印加すると、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とがスピンホール効果によって曲げられる。その結果、純スピン流Ｊｓがｚ方向に生じる。
【００４３】
スピン軌道トルク配線２のｚ方向には、第１強磁性層１が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線２から第１強磁性層１にスピンが注入される。注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化Ｍ１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与え、磁化反転が生じる。ここで、注入されたスピンが磁化Ｍ１を磁化反転させるだけのエネルギーを与えられるかが問題になる。
【００４４】
第１垂直磁場印可層３からの垂直磁界が作用していない場合、第１強磁性層１の磁化の向きＭ１はｘ方向に向けて揃えられている。そのため、ＳＯＴが加わっても、第１強磁性層１の磁化は、９０゜しか回転できず、磁化反転は、確率的にしか生じない。一方で、第１垂直磁場印可層３からの垂直磁界が作用している場合は、磁化Ｍ１がｘ方向から若干ずれた方向に傾斜する。その結果、ＳＯＴにより９０゜回転した磁化の反転確率が非対称となる。その結果、少ないエネルギーで磁化Ｍ１を磁化反転させることができる。
【００４５】
上述のように、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０によれば、素子内部に第１垂直磁場印可層３を備えるため、外部磁場等の外力を印加しなくても第１強磁性層１（自由層）の磁化Ｍ１を反転できる。これは、垂直磁化の印可に伴い、磁化Ｍ１がｚ方向に傾いたためである。
【００４６】
上述したスピン流磁化反転素子１０によれば、磁化Ｍ１を傾斜させるための磁界を印加する配線などは不要となり、消費電力を上げることなくスピン軌道トルク配線２に通電することで磁化反転できる構成を提供できる。また、磁化Ｍ１を傾斜させるための磁界を印加するための配線などは不要となり、集積度の低下を引き起こすことがなく、製造コストの増大を引き起こすことのないスピン流磁化反転素子１０を提供できる。
【００４７】
上述の第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０は、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、高周波部品、磁気センサなどへの適用が可能である。
【００４８】
「第２実施形態」
＜磁気抵抗効果素子＞
図２は第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０を用いて磁気抵抗効果素子１１を構成した第２実施形態を示すもので、第１強磁性層１の上（ｚ方向）に積層された非磁性層６と、非磁性層６の上（ｚ方向）に積層された第２強磁性層７を有し、第２強磁性層７上に電極層８を設けてなる。その他の構成は第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同等であり、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２と、第１垂直磁場印可層３と絶縁層４と電極層５を有している。磁気抵抗効果素子１１において、第１強磁性層１と非磁性層６と第２強磁性層７の積層体により磁気抵抗効果素子コア部１２が構成されている。
磁気抵抗効果素子１１において、例えば、電極層５、５にはスピン軌道トルク配線２に電気を流すための図示略の第１電源が接続され、電極層５、８には第１強磁性層１、非磁性層６、第２強磁性層７の積層方向に電流を流すための第２電源が接続される。
【００４９】
磁気抵抗効果素子１１は、第２強磁性層７の磁化Ｍ２が一方向（ｘ方向）に固定され、第１強磁性層１の磁化Ｍ１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強磁性層７の保磁力は第１強磁性層１の保磁力よりも大きいものであり、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強磁性層７は反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。
また、磁気抵抗効果素子１１において、非磁性層６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６が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
【００５０】
磁気抵抗効果素子１１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２強磁性層７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２強磁性層７は固定層や参照層、第１強磁性層１は自由層や記憶層などと呼ばれる。
【００５１】
第２強磁性層７の材料には、公知の材料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。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。
【００５２】
また、より高い出力を得るためには第２強磁性層７の材料にＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、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族の遷移金属または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。
【００５３】
第２強磁性層７の第１強磁性層１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層７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２強磁性層７の漏れ磁場を第１強磁性層１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。
【００５４】
非磁性層６には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層６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６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。
【００５５】
磁気抵抗効果素子１１は、その他の層を有していてもよい。例えば、第１強磁性層１の非磁性層６と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第２強磁性層７の非磁性層６と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。
【００５６】
スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２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、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２から伝播するスピンを第１強磁性層１に十分伝えることができる。
【００５７】
また、図２に示す構造において、スピン軌道トルク配線２に第１電源を接続した場合、スピン軌道トルク配線２に流れる電流を制御することができ、電極層５、８に第２電源を接続した場合、磁気抵抗効果素子コア部１２の厚さ方向に流れる電流を制御できる。スピン軌道トルク配線２に沿って電流を流すことで書き込み動作が行われ、磁気抵抗効果素子コア部１２の積層方向に電流を流すことで読み出し動作が行われる。
その他の作用効果については第１実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００５８】
「第３実施形態」
図３は第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０に対し、第２垂直磁場印可層１５を設け、第１強磁性層１に対し印可する垂直磁場を均一化した構成の第３実施形態のスピン流磁化反転素子１６を示す。
この第３実施形態の構造は、第１強磁性層１の上（ｚ方向）に絶縁層１７を介し第２垂直磁場印可層１５を設けた点に特徴を有する。
その他の構造は第１実施形態の構造と同等であり、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２と、第１垂直磁場印可層３と絶縁層４と電極層５を有している。
【００５９】
第２垂直磁場印可層１５は、第１垂直磁場印可層３と同等の材料からなり、幅と長さ、厚さについて第１垂直磁場印可層３と同等に形成されている。また、第２垂直磁場印可層１５の設置位置については、第１垂直磁場印可層３とともに第１強磁性層１を上下から挟むことができる位置に設定されている。また、第２垂直磁場印可層１５の磁化の向きは第１垂直磁場印可層３の磁化の向きと一致、つまり同一方向に設定されている。ここで、第２垂直磁場印加層１５の磁化の向きは、完全に一致している必要はなく、その機能を発現するためにおおよそ一致していればよい。
【００６０】
第３実施形態のスピン流磁化反転素子１６は、第１強磁性層１を上下から挟むように第１垂直磁場印可層３と第２垂直磁場印可層１５を設けているので、第１強磁性層１を上下に通過する磁化の向きを均一に揃えることができる。
これによって第１強磁性層１に生じている磁化の向きを乱す効果を第１強磁性層１の全ての位置で均等に生じさせることができ、第１強磁性層１の面方向全ての位置で均一に磁化の反転が生じるように制御できる。
その他の作用効果については第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
「第４実施形態」
図４は第４実施形態のスピン流磁化反転素子２０を示すもので、この第４実施形態のスピン流磁化反転素子２０は、スピン軌道トルク配線２の上方（ｚ方向）のみに絶縁層２１を介し第１垂直磁場印可層２２を設けた構造である。第１垂直磁場印可層２２は磁化の向きを上方に向けることで第１実施形態の構造と同様に第１強磁性層１に生じる磁化の向きを乱すことができる。
その他の構造は第１実施形態の構造と同等であり、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２と電極層５を有している。
【００６２】
第１垂直磁場印可層２２は、先の実施形態の第１垂直磁場印可層３と同等の材料からなり、幅と長さ、厚さについて第１垂直磁場印可層３と同等に形成されている。また、第１垂直磁場印可層２２の設置位置については、第１強磁性層１の真上に形成されている。
【００６３】
第１垂直磁場印可層２２においても第１垂直磁場印可層３と同様に第１強磁性層１に生じる磁化の向きを乱すことができ、第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同等の作用効果を得ることができる。
【００６４】
「第５実施形態」
図５は第５実施形態のスピン流磁化反転素子２５を示すもので、この第５実施形態のスピン流磁化反転素子２５は、スピン軌道トルク配線２の下方のみに絶縁層２６を介し第１垂直磁場印可層２７を設けた構造であるが、第１実施形態の第１垂直磁場印可層３よりもｘ方向に長い第１垂直磁場印可層２７を有している点に特徴を有する。この例では１つの例として第１垂直磁場印可層２７の端部を電極層５の端部下方まで延出されている。
【００６５】
第１垂直磁場印可層２７は磁化の向きをｚ方向に向けることで第１強磁性層１に生じる磁化の向きを乱すことができるが、この実施形態の第１垂直磁場印可層２７はその両端を電極層５の下方位置まで延出された長さに形成され、幅は先の第１実施形態の第１強磁性層１と同等に形成されている。
その他の構造は第１実施形態の構造と同等であり、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２と電極層５を有している。
【００６６】
第５実施形態の第１垂直磁場印可層２７は第１実施形態の第１垂直磁場印可層３よりも面積が大きく、第１強磁性層１よりも面積が大きいので、第１強磁性層１に均一な垂直磁場を与え、第１強磁性層１の磁化反転を全域で均等に誘起することができる。このため、第１実施形態の構造より反転効率の高い磁化反転を実現することができる。ここで、面積とは、スピン軌道トルク配線２に対する第１強磁性層１の積層方向（ここではｚ方向）から各々の層を投影した場合に、一番小さい面をいう。
その他の作用効果については第１実施形態の構造で得られる作用効果と同等である。
【００６７】
「第６実施形態」
図６は第６実施形態のスピン流磁化反転素子３０を示すもので、この第６実施形態のスピン流磁化反転素子３０の構造は、先の第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０に対し磁気シールド層３１を付加した構成である。
その他の構成は第１実施形態の構造と同等であり、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２と電極層５を有し、第１垂直磁場印可層３と絶縁層４を有している。
磁気シールド層３１はスピン流磁化反転素子１０の全体の上面を覆うように第１強磁性層１の外側に形成されている。
【００６８】
第１垂直磁場印可層３は磁化の向きを上方に向けることで第１強磁性層１に生じる磁化の向きを乱すことができるが、この実施形態の第１垂直磁場印可層３が発生させた磁束を磁気シールド層３１に流すことができ、これによって第１強磁性層１に均一な磁界を印可することができようになる。このため、第１実施形態の構造より反転効率の高い磁化反転を実現することができる。
【００６９】
また、磁気シールド層３１を配置することで、外部磁場の影響を受け難く、外部磁場によってスピン流の反転に影響を受けない安定性に優れたスピン流磁化反転素子３０を提供できる。
その他の作用効果については第１実施形態の構造で得られる作用効果と同等である。
【００７０】
「第７実施形態」
図７は第７実施形態のスピン流磁化反転素子３５を示すもので、この第７実施形態のスピン流磁化反転素子３５の構造は、先の第５、第６実施形態に適用されていた第１垂直磁場印可層３、２７を更にｘ方向に長くしてスピン軌道トルク配線２の下面全域に対応する長さに形成し、しかも、絶縁層を設けることなくスピン軌道トルク配線２の下面に直に接触するように第１垂直磁場印可層３６を設けた構成である。第１垂直磁場印可層３６は第１強磁性層１とともにスピン軌道トルク配線２を挟む位置に形成されている。
その他の構成は第１実施形態の構造と同等であり、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２と電極層５を有している。
【００７１】
スピン軌道トルク配線２の下面に直に接触するように第１垂直磁場印可層３６を設けた場合、電気が流れる材料で第１垂直磁場印可層３６を構成すると、スピン軌道トルク配線２に流した電流が第１垂直磁場印可層３６にも分流するので、スピン軌道トルク配線２を流れる電流の密度が低下し、目的とするスピンホール効果が不足するおそれがある。
このため、図７に示すスピン流磁化反転素子３５では、第１垂直磁場印可層３６が絶縁材料からなる。
【００７２】
垂直磁場を発生できる材料であって、絶縁材料である材料として、フェライトなどを用いることができる。フェライトを形成時に基板に対して垂直磁場を印可した状態で成膜することにより、成膜したフェライト層は垂直磁化材料として機能する。また、フェライト層の膜厚は１００ｎｍ以上あることが好ましい。膜厚が１００ｎｍ以上であるとフェライト層表面のデットレイヤーが存在しても強磁性材料であるフェライトとしての効果を十分発揮できる。デットレイヤーとは強磁性材料において磁化を示さない薄膜の層であり、強磁性層と接する界面から強磁性層の内側に向かって生じる。
【００７３】
絶縁材料であって、垂直磁場を発生できる材料からなる第１垂直磁場印可層３６を用いることで第７実施形態の構造においても、先の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７４】
「第８実施形態」
図８はスピン軌道トルク配線２の下方（−ｚ方向）に第１強磁性層１を設け、その下方に絶縁層４１を介し第１垂直磁場印可層４２を設けた構造の第８実施形態にかかるスピン流磁化反転素子４０を示す。
この第８実施形態の構造は、スピン軌道トルク配線２の下方に該層と電気的に分離した状態で第１垂直磁場印可層４２を設けた点に特徴を有する。
スピン軌道トルク配線２は第１実施形態に適用したスピン軌道トルク配線２と同じものであり、第１強磁性層１も第１実施形態に適用した第１強磁性層１と同じものでありそれらの形成位置のみが異なる。
【００７５】
第８実施形態においてスピン軌道トルク配線２に通電することにより、その下に接続されている第１強磁性層１にスピンホール効果により純スピン流を注入でき、第１強磁性層１に第１垂直磁場印可層４３から常時垂直磁界を印加できるので、第１磁性層１の磁化に目的の乱れを生じさせて磁化反転を促進できる効果を奏する。
その他の作用効果について、第１実施形態のスピン磁化反転素子１０と同等の作用効果を得ることができる。
【００７６】
なお、ここまで説明した各々の実施形態においては、スピン軌道トルク配線２の構成について特に領域区分などを施していない構造について説明したが、スピン軌道トルク配線２において第１強磁性層１と接する領域のみに純スピン流を生成しやすい材料を適用し、その他の領域はＣｕなどの低抵抗金属からなる低抵抗配線部としても良い。
純スピン流を生成しやすい材料である重金属は、通常の配線として用いられる金属に比べて電気抵抗が大きく、ジュール熱の発生量が多い。そのため、電気抵抗が小さい低抵抗配線部を設けることで、スピン流磁化反転素子の発熱を抑えることができる。
【００７７】
スピン軌道トルク配線２において第１強磁性層１と接しているスピン流生成部は、上述した純スピン流を生成しやすい材料から構成されていればよい。
低抵抗配線部は、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。低抵抗配線部は、スピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
【００７８】
なお、低抵抗配線部において純スピン流が生成されても構わない。また、スピン軌道トルク配線２において純スピン流を生成する主要部以外の部分であって、その主要部より電気抵抗が小さい部分は低抵抗配線部として、スピン流生成部と区別することができる。
また、第１垂直磁場印可層３からは、ｚ方向（第２方向）に配向したスピンがスピン軌道トルク配線２に拡散する。スピン軌道トルク配線２が薄いと、この拡散したスピンの一部が第１強磁性層１に注入される。この注入されるスピンと、スピン流により第１強磁性層１に注入されるスピンとはスピンの向きが直交する。従って、実質的には第１強磁性層１に斜め方向に配向したスピンを注入でき、第１強磁性層１の磁化反転を起こし易くすることができる。
したがって、スピン軌道トルク配線２の膜厚の値が、前記スピン軌道トルク配線２のスピン拡散長の値より小さい値であることが好ましい。
【００７９】
「製造方法」
図９は図２に示す磁気抵抗効果素子１１を製造する一例工程の概要を示す工程説明図である。
図示略の基板上に形成された図９（ａ）に示すＳｉＯｘあるいはＳｉＮｘなどの絶縁層５０の上に複数の強磁性層を積層し、垂直磁化アニールすることで第１垂直磁場印可層の基となる磁性層５１を形成する。
図９（ｂ）に示すように磁性層５１を必要な形状にエッチングなどの手法により加工することで第１垂直磁場印可層５２を形成する。
【００８０】
図９（ｃ）に示すように絶縁層５０の上面と第１垂直磁場印可層５２を囲むようにＳｉＯｘあるいはＳｉＮｘなどからなる絶縁層５３を形成する。
図９（ｄ）に示すようにＣＭＰ研磨（chemical mechanical polishing）により絶縁層５３の上面を必要厚さ除去し、第１垂直磁場印可層５２上に必要な厚さの絶縁層５５を形成する。
【００８１】
図９（ｅ）に示すようにスピン軌道トルク配線の基となる層５６と第１強磁性層の基となる層５７と非磁性層の基となる層５８と第２強磁性層の基となる層５９を積層する。
図９（ｆ）、（ｇ）に示すように層５７〜５９をエッチングなどの手法により形状を整えて第１強磁性層６０と非磁性層６１と第２強磁性層６２を形成する。
【００８２】
図９（ｈ）、（ｉ）に示すようにスピン軌道トルク配線６３を形成して埋め戻し、図９（ｊ）、（ｋ）に示すようにコンタクト層を形成し、必要な形状に加工することでスピン軌道トルク配線６３の端部上に電極層６５を形成し、第２強磁性層６１上に電極層６６を形成する。
以上説明の工程を行うことで図２に示す磁気抵抗効果素子と同等構造の磁気抵抗効果素子６７を製造することができる。
【００８３】
「第９実施形態」
図１０は、図３に示す第３実施形態のスピン流磁化反転素子１０に対し類似構造を有する第９実施形態のスピン流磁化反転素子７０の概要を示す斜視図である。
図３に示すスピン流磁化反転素子１０と同様に、スピン軌道トルク配線２を上下から（ｚ方向に沿って）挟むように第１垂直磁場印可層３と第２垂直磁場印可層７１を有するが、この実施形態の第２垂直磁場印可層７１は第１垂直磁場印可層３よりも薄く形成されている点に特徴を有する。
その他の構造は第３実施形態のスピン流磁化反転素子１０の構造と同等である。
【００８４】
第９実施形態の構造ではスピン軌道トルク配線２をｚ方向に沿って挟むように第１垂直磁場印可層３と第２垂直磁場印可層７１を設けているので、ｚ方向に磁場を均一かつ確実に印可できる。また、この構造では第２垂直磁場印可層７１を第１垂直磁場印可層３よりも薄く形成しているので素子が占める全体厚を小さくすることができ、素子を集積化した場合の集積性に優れる特徴を有する。
【００８５】
また、仮に、第１強磁性層１の上に非磁性層を介して第２強磁性層を配置し、その上に第２垂直磁場印可層７１を設ける構造を採用する場合、固定磁性層となる第２強磁性層の磁場に悪影響を与えないとするならば、第２垂直磁場印可層７１を薄くして第２強磁性層に対する第２垂直磁場印可層７１の磁場の影響を弱くしておくことが望ましい。
【００８６】
「第１０実施形態」
図１１は、図３に示す第３実施形態のスピン流磁化反転素子１６に対し類似構造を有する第１０実施形態のスピン流磁化反転素子７５の概要を示す斜視図である。
図３に示すスピン流磁化反転素子１６と同様に、スピン軌道トルク配線２を上下から挟むように第１垂直磁場印可層３と第２垂直磁場印可層７６を有するが、この実施形態において第１垂直磁場印可層３と第２垂直磁場印可層７６の形成位置がｙ方向に位置ずれされている点に特徴を有する。
【００８７】
即ち、スピン軌道トルク配線２をｙ方向に沿って斜め方向上下から挟むように第１垂直磁場印可層３と第２垂直磁場印可層７６が配置されている。図１１の例では、第１強磁性層１の真下に対し第１垂直磁場印可層３が−ｙ方向に位置ずれされ、第１強磁性層１の真上に対し第２垂直磁場印可層７６が＋ｙ方向に位置ずれされている。
その他の構造は第３実施形態のスピン流磁化反転素子１０の構造と同等である。
【００８８】
第１０実施形態の構造ではスピン軌道トルク配線２をｙ方向に沿って挟むように第１垂直磁場印可層３と第２垂直磁場印可層７６を設けているので、ｚ方向に磁場を印可できるとともに、ｙ方向に傾斜した磁化の向きを与えることができる。第１強磁性層１の磁化にｙ方向（第３方向）の磁場を加えると、９０゜回転した磁化がいずれの方向に倒れるかの確率分布がより非対称になり、磁化反転の確率がより高くなる。
【００８９】
「磁気メモリ」
図１２は、複数のスピン流磁化反転素子を備える磁気メモリ２００を模式的に示した図である。図１２に示す磁気メモリ２００は、磁気抵抗効果素子１１が３×３のマトリックス配置をしている。図１２は、磁気メモリの一例であり、磁気抵抗効果素子１１の数及び配置は任意である。
【００９０】
磁気メモリ２００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、１本のソースラインＳＬ１〜３が接続されている。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びソースラインＳＬ１〜３を選択することで、任意の磁気抵抗効果素子１１のスピン軌道トルク配線２に電流を流すことができる。
【００９１】
スピン軌道トルク配線２に電流が流れると、磁気抵抗効果素子１１の第１強磁性層１の磁化がＳＯＴ効果により反転する。このようにして、複数の磁気抵抗効果素子１１にデータを書込みすることができ、これら複数の磁気抵抗効果素子１１の積層方向に電流を流すことでデータを読み出すことができ、メモリとしての活用ができる。
【００９２】
「高周波磁気素子」
図１３は、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を備える高周波磁気素子の断面模式図である。図１３に示す高周波磁気素子３００は、図２に示す磁気抵抗効果素子１１と、磁気抵抗効果素子１１に接続された直流電源３０１とを備える。
【００９３】
高周波磁気素子３００の入力端子３０２から高周波電流が入力される。高周波電流は、高周波磁場を生み出す。またスピン軌道トルク配線２に高周波電流が流れると、純スピン流が誘起され、第１強磁性層１にスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、高周波磁場及び注入されるスピンにより振動する。
【００９４】
第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、入力端子３０２から入力される高周波電流の周波数が強磁性共鳴周波数の場合に、強磁性共鳴する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が強磁性共鳴すると、磁気抵抗効果コア部１２の抵抗値変化は大きくなる。この抵抗値変化は、直流電源３０１により直流電流又は直流電圧を印加することで、出力端子３０３から読み出される。
【００９５】
つまり、入力端子３０２から入力される信号の周波数が第１強磁性層１の磁化Ｍ１の強磁性共鳴周波数の際には、出力端子３０３から出力される抵抗値変化は大きくなり、それ以外の周波数の際には、出力端子３０３から出力される抵抗値変化は小さくなる。この抵抗値変化の大小を利用して、高周波磁気素子は高周波フィルタとして機能する。
【００９６】
また、第１垂直磁化印加層３により第１強磁性層１に磁場を印加することで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が振動しやすくなる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が振動しやすくなれば、抵抗値変化量が大きくなり、出力端子３０３から出力される信号強度が大きくなる。
【符号の説明】
【００９７】
１…第１強磁性層、２…スピン軌道トルク配線、３、２２、２７、３６、４２…第１垂直磁場印可層、４、１７、２１、２６、４１…絶縁層、５…電極層、６…非磁性層、７…第２強磁性層、８…電極層、１０、１６、２０、２５、３０、３５、４０…スピン流磁化反転素子、１１…磁気抵抗効果素子、１２…磁気抵抗効果素子コア部、１５…第２垂直磁場印可層、３１…磁気シールド層、５２…第１垂直磁場印可層、６０…第１強磁性層、６２…非磁性層、６３…第２強磁性層、６３…スピン軌道トルク配線、６５、６６…電極層、７０、７５…スピン流磁化反転素子、７１、７６…第２垂直磁場印可層、
２００…磁気メモリ、３００…高周波磁気素子。
【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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