(57)【要約】【課題】集積性を高めることができるスピン軌道トルク型磁化反転素子を提供する。【解決手段】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子は、磁化方向が変化する強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層に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の前記強磁性金属層と反対側の面から交差する方向に延在し、半導体回路に接続される２つのビア配線と、を備え、前記２つのビア配線の前記第１の方向におけるビア間距離は、前記強磁性金属層の前記第１の方向における幅より短い。【選択図】図１
2019047001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が変化する強磁性金属層と、
前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層に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の前記強磁性金属層と反対側の面から交差する方向に延在し、半導体回路に接続される２つのビア配線と、を備え、
前記２つのビア配線の前記第１の方向におけるビア間距離は、前記強磁性金属層の前記第１の方向における幅より短い、スピン軌道トルク型磁化反転素子。
【請求項２】
前記スピン軌道トルク配線は、積層方向に積層構造を有し、
前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層側の第１層の抵抗値は、前記ビア配線側の第２層の抵抗値より低い、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
【請求項３】
前記ビア配線と前記スピン軌道トルク配線との間に平坦化層をさらに備える、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
【請求項４】
前記平坦化層がＴｉ又はＴａを含む窒化物である、請求項３に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
【請求項５】
前記強磁性金属層が積層される積層面において、前記２つのビア配線と、前記２つのビア配線の間を絶縁する層間絶縁部とのビッカース硬度差が３ＧＰａ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化反転素子。
【請求項６】
前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、非磁性層と、前記強磁性金属層に対して磁化の向きが固定された磁化固定層とをさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
【請求項７】
前記強磁性金属層を前記鉛直方向から平面視した際の面積が、前記磁化固定層を前記鉛直方向から平面視した際の面積より大きい、請求項６に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化反転素子を複数備える磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン軌道トルク型磁化反転素子及び磁気メモリに関するものである。
【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。これらは、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、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ＧＭＲ素子又は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素子の長寿命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）。このメカニズムはまだ十分には明らかになっていないが、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は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、磁化反転が生じると考えられている。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、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
【０００６】
これらの磁性素子は単独で用いられることより、複数の素子を集積して用いられることが多い。複数の素子のそれぞれは、半導体回路に接続され集積回路（ＩＣ）となる。磁気抵抗効果素子は、数原子層レベルの層が積層してなる。そのため、従来の集積回路に組み込まれていたキャパシタやダイオード等と比較して、集積回路内に組み込むためにはより精密な制御が求められる。
【０００７】
例えば、磁気抵抗効果素子が積層される積層面の僅かな凹凸は磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率の低下や特性のばらつきを引き起こす。そのため、特許文献１〜３に記載の磁性素子は、ビア配線を形成する位置と、磁気抵抗効果素子が積層される積層面とを面内方向にずらしている（例えば、特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１０４８５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８６３７２号公報
【特許文献３】特開２０１４−８２３５３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【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】
【００１０】
しかしながら、磁気抵抗効果素子とビア配線とが面内方向の異なる位置に存在すると、磁気抵抗効果素子とビア配線のそれぞれの面積を確保する必要があり、多数の素子を一つの集積回路内に効率的に集積化することができない。
【００１１】
またビア配線を磁気抵抗効果素子の面内位置と重なるように配置することは、磁気抵抗効果素子が積層される積層面の平坦性が乱れる可能性が高く、当業者からは忌避されている。
【００１２】
特にスピン軌道トルク型磁化反転素子の場合において、このような配置は忌避されている。スピン軌道トルク型磁化反転素子は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する位置に延在するスピン軌道トルク配線に電流を流すための２つのビア配線が必要である。２つのビア配線と磁気抵抗効果素子との面内位置が重なると、積層面が異なる複数の部材により構成されることになり、積層面の平坦性が乱れる可能性がより高まる。さらに、スピン軌道トルク配線に流れる電流は、磁気抵抗効果素子との積層界面に対して直交する方向に流れることが理想的だが、ビア配線と磁気抵抗効果素子との面内位置が重なるとスピン軌道トルク配線に流れる電流が斜めに流れる成分を持ちやすくなる。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルク型磁化反転素子の集積性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、鋭意検討の結果、２つのビア配線と磁気抵抗効果素子との面内位置が重なるように配設した場合においても、スピン軌道トルク型磁化反転素子が充分な性能を示すことを見出した。すなわち、当業者にとって忌避されていた２つのビア配線と磁気抵抗効果素子との面内位置を重ねることが可能であることを見出し、集積回路内にスピン軌道トルク型磁化反転素子を効率的に集積化できることを見出した。
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。
【００１５】
（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子は、磁化方向が変化する強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層に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の前記強磁性金属層と反対側の面から交差する方向に延在し、半導体回路に接続される２つのビア配線と、を備え、前記２つのビア配線の前記第１の方向におけるビア間距離は、前記強磁性金属層の前記第１の方向における幅より短い。
【００１６】
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、積層方向に積層構造を有し、前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層側の第１層の抵抗値は、前記ビア配線側の第２層の抵抗値より低くてもよい。
【００１７】
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記ビア配線と前記スピン軌道トルク配線との間に平坦化層をさらに備えてもよい。
【００１８】
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記平坦化層がＴｉ又はＴａを含む窒化物であってもよい。
【００１９】
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の前記強磁性金属層が積層される積層面において、前記２つのビア配線と、前記２つのビア配線の間を絶縁する層間絶縁部とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であってもよい。
【００２０】
（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、非磁性層と、前記強磁性金属層に対して磁化の向きが固定された磁化固定層とをさらに備えてもよい。
【００２１】
（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子において、前記強磁性金属層を前記鉛直方向から平面視した際の面積が、前記磁化固定層を前記鉛直方向から平面視した際の面積より大きい構成でもよい。
【００２２】
（８）第２実施形態にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子を複数備える。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、集積性を高めることができるスピン軌道トルク型磁化反転素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の断面模式図である。
【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】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の断面模式図である。
【図４】第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の要部を拡大した断面模式図である。
【図５】第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の断面模式図である。
【図６】第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の断面模式図である。
【図７】第１実施形態〜第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子を含む磁気メモリの模式図である。
【図８】比較例１にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子の断面模式図である。
【図９】実施例１及び比較例１の検討結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２６】
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化反転素子）
図１は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０と、２つのビア配線３０とを有する。
以下、ビア配線３０がスピン軌道トルク配線２０から延在する鉛直方向を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の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、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。第２強磁性金属層２と非磁性層３の界面で、第２強磁性金属層２に垂直磁気異方性を付加することができる。また、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、Ｇａ２Ｏ３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。さらに、ＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇがＺｎに置換された材料や、ＡｌがＧａやＩｎ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は他の層との格子整合性が高い。
非磁性層３が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｇ等を用いることができる。また、Ａｇ−ＳｎやＡｇ−Ｍｇなどの合金も用いることができる。さらに、非磁性層３が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２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,（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】
＜ビア配線＞
ビア配線３０は、スピン軌道トルク配線２０の第２強磁性金属層２と反対側の面からスピン軌道トルク配線２０と交差する方向に延在する。図１では、スピン軌道トルク配線２０の鉛直方向に延在する。ビア配線３０のスピン軌道トルク配線２０と反対側の端部は、半導体回路に接続される。ビア配線３０が接続される半導体回路には、例えば、トランジスタ、抵抗素子、キャパシタ等が接続される。
【００５７】
図１に示すように、２つのビア配線３０のｘ方向におけるビア間距離Ｇは、第２強磁性金属層２のｘ方向における幅ｄより短い。ビア間距離Ｇが第２強磁性金属層２のｘ方向の幅ｄが短いと、ｚ方向から見てビア配線３０と磁気抵抗効果素子１０とが重畳する。
【００５８】
磁気抵抗効果素子１０とビア配線３０とがｚ方向から見て重畳しない場合は、１つの素子のために磁気抵抗効果素子１０とビア配線３０のそれぞれの面積を足した分の面積が必要である。これに対して、ビア配線３０と磁気抵抗効果素子１０とがｚ方向から見て一部で重畳すると、１つの素子に必要な面積が、その重畳している面積分だけ小さくなる。すなわち、複数の素子をより効率的に集積回路内に集積することができる。
【００５９】
ビア配線３０のｘ方向及びｙ方向の幅は、設計されており自由に変更することはできない。例えば、現状の半導体における最小加工寸法（feature size：Ｆ）は７ｎｍと言われており、ビア配線３０のｘ方向及びｙ方向の幅は最小で７ｎｍである。換言すると、ビア配線３０のｘ方向及びｙ方向の幅は、このサイズ以上に小さくすることは難しく、ビア配線３０の面積を変えることで集積性を高めることは難しい。
【００６０】
ビア配線３０には、導電性の高い材料を用いることができる。例えば、銅、アルミニウム、銀等が挙げられる。またこの他、導電性を有する窒化膜等を用いることができる。
【００６１】
二つのビア配線３０の間は、層間絶縁部３１により絶縁されている。層間絶縁部３１は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。層間絶縁部３１には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等が用いられる。
【００６２】
層間絶縁部３１とビア配線３０とのビッカース硬度差は３ＧＰａ以下であることが好ましい。層間絶縁部３１とビア配線３０とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であると、化学機械研磨（ＣＭＰ）等によりスピン軌道トルク配線２０が積層される積層面３０ａの研磨状態を一定にすることができる。その結果、スピン軌道トルク配線２０が積層される積層面３０ａを平坦化することができる。また積層面３０ａが平坦化されれば、磁気抵抗効果素子１０が積層される積層面２０ａの平坦性も高まる。
【００６３】
ＣＭＰは、物理力と化学力を用いて、１つの面内に異なる物質がある場合でも同様に研磨ができる手法の一つである。そのため、層間絶縁部３１とビア配線３０とのビッカース硬度差が大きくても、平坦性を高めることはできる。しかしながら、磁気抵抗効果素子１０を構成する各層は厚みが数ｎｍ程度であり、僅かな段差も磁気抵抗効果素子１０の特性（例えば、磁気抵抗効果素子１０の磁化の配向性）に影響を及ぼす。層間絶縁部３１とビア配線３０とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であれば、磁気抵抗効果素子１０の特性に影響を及ぼす程度の僅かな段差の発生も抑制できる。
【００６４】
ここで、僅かな段差もない十分な平坦性の指標としては、以下の第１条件又は第２条件の少なくとも一方を満たすことが好ましい。
【００６５】
第１の条件は、ビア配線３０と層間絶縁部３１とのｚ方向の高さ位置の差が、１．５ｎｍ以下であることである。この高さ位置の差は１．２ｎｍ以下であることが好ましく、１．０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００６６】
ここで、ビア配線３０と層間絶縁部３１とのｚ方向の高さ位置の差とは、ビア配線３０のｚ方向の最高点から層間絶縁部３１の高さ方向の平均面に下した垂線の長さを意味する。層間絶縁部３１の高さ方向の平均面は、層間絶縁部３１のｚ方向の平均高さ位置に延在する面を意味する。
【００６７】
第２の条件は、ビア配線３０と層間絶縁部３１とのｚ方向の高さ位置の差を層間絶縁部３１の幅ｄで割った凸度が０．０１５以下であることである。凸度は０．０１２以下であることが好ましく、０．０１０以下であることがより好ましい。ここで凸度は、層間絶縁部３１の方がビア配線３０より突出する場合は突出方向への凸度を意味し、層間絶縁部３１の方がビア配線３０より窪む場合は窪み方向への凸度を意味する。
【００６８】
層間絶縁部３１とビア配線３０とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下となる具体的な組み合わせとしては以下のような組合せが考えられる。
例えば、層間絶縁部３１が酸化シリコンの場合は、ビア配線３０に窒化バナジウムを用いることができる。
また例えば、層間絶縁部３１が酸化ジルコニウムの場合は、ビア配線３０にＮｂ、Ｖ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、層間絶縁部３１が窒化シリコンの場合は、ビア配線３０にＮｂ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、層間絶縁部３１に窒化クロム、単窒化珪素、酸化アルミニウムのいずれかの場合は、ビア配線３０にＴｉ又はＺｒを含む窒化物を用いることができる。
【００６９】
（スピン軌道トルク型磁化反転素子の動作）
スピン軌道トルク型磁化反転素子１００は、スピン軌道トルク配線２０から注入されたスピンが誘起するスピン軌道トルク（ＳＯＴ）により第２強磁性金属層２の磁化の向きを制御する。
【００７０】
二つのビア配線３０間に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０が延在するｘ方向に電流が流れる。スピン軌道トルク配線２０内に電流が流れると、スピンホール効果が生じる。スピンホール効果により生じた一方向に配向したスピンは、第２強磁性金属層２内に注入される。第２強磁性金属層２内に注入されたスピンは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第２強磁性金属層２の磁化に与え、第２強磁性金属層２の磁化の向きが変化する（書込み動作）。
【００７１】
第１強磁性金属層１の磁化の向きと第２強磁性金属層２の磁化の向きとの相対角の変化に応じて、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は変化する。磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化を検出することで、データを読み出すことができる。
【００７２】
「第２実施形態」
図３は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１０１の断面模式図である。図３に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子１０１は、スピン軌道トルク配線２０とビア配線３０との間に平坦化層３２が形成されている点が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と異なる。図３において、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
【００７３】
平坦化層３２は導電性を有し、スピン軌道トルク配線２０が積層される積層面３０ａの平坦性を高めるための層である。平坦化層３２には、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。これらの中でも平坦化層３２には、Ｔｉ又はＴａを含む窒化物を用いることが好ましい。
【００７４】
層間絶縁部３１と平坦化層３２とのビッカース硬度差は３ＧＰａ以下であることが好ましい。平坦化層３２を設けることで、ビア配線３０を構成する材料の選択性を高めることができる。層間絶縁部３１と平坦化層３２とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下となる具体的な組み合わせは、上述の層間絶縁部３１とビア配線３０との関係と同一である。
【００７５】
平坦化層３２により積層面３０ａの平坦性を高めることで、磁気抵抗効果素子１０の特性に影響を及ぼす程度の僅かな段差の発生をより抑制できる。またビア配線３０に用いることができる材料の選択性が高まり、より導電性の高い物質をビア配線３０に用いることができる。
【００７６】
「第３実施形態」
図４は、第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１０２の要部を拡大した断面模式図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子１０２は、スピン軌道トルク配線２１が２層になっている点が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と異なる。図４において、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
【００７７】
図４に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子１０２は、スピン軌道トルク配線２１がｚ方向に積層構造を有している。図４に示すスピン軌道トルク配線２１は、第２強磁性金属層２側の第１層２１Ａと、ビア配線３０側の第２層２１Ｂとを備える。図４ではスピン軌道トルク配線２１の積層構造を２層で図示したが、３層以上の積層構造でもよい。
【００７８】
第１層２１Ａの抵抗値は、第２層２１Ｂの抵抗値より低い。第１層２１Ａの抵抗値が第２層２１Ｂの抵抗値より低いと、電流は第１層２１Ａ側を流れようとする。そのため、電流Ｉ２は、ビア配線３０からｚ方向にまず第１層２１Ａに向かって流れた後、ｘ方向に流れる。これに対し、スピン軌道トルク配線が１層の場合（第１実施形態）、ビア配線３０及びスピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉ１は、最短距離を流れる。
【００７９】
電流Ｉ２は、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向直下の領域において、電流Ｉ１よりｘ方向の成分を多く有する。スピンホール効果は、電流の流れ方向と直交する方向に生じる。そのため、電流Ｉ２がｘ方向の成分を多く持つと、第２強磁性金属層２にスピンを効率的に注入することができる。
【００８０】
「第４実施形態」
図５は、第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１０３の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子１０３は、磁気抵抗効果素子１１の断面が、第１強磁性金属層１から第２強磁性金属層２に向かって拡幅している点が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と異なる。図５において、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
【００８１】
図５に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子１０３は、磁気抵抗効果素子１１の断面が、第１強磁性金属層１から第２強磁性金属層２に向かって拡幅している。２つのビア配線のｘ方向におけるビア間距離Ｇは、第２強磁性金属層２のｘ方向における幅ｄより短い。ここで、第２強磁性金属層２のｘ方向における幅ｄは、スピン軌道トルク配線２０との積層界面における幅を意味する。
【００８２】
また第２強磁性金属層２をｚ方向から平面視した際の面積が、第１強磁性金属層１をｚ方向から平面視した際の面積より大きい。すなわち、第２強磁性金属層２の体積は、第１強磁性金属層１の体積より大きい。第２強磁性金属層２の体積が大きいと、第２強磁性金属層２の磁化の安定性が高まる。第２強磁性金属層２の磁化は、第１強磁性金属層１の磁化より磁化方向が変わりやすい。第２強磁性金属層２の磁化方向が変化すると、磁気抵抗効果素子１１が保持するデータが書き換わる。第２強磁性金属層２の磁化が安定化すると、データを安定的に長期間保持できる。
【００８３】
また第１強磁性金属層１のｘ方向の幅Ｄは、ビア間距離Ｇより狭いことが好ましい。ここで、第１強磁性金属層１のｘ方向の幅Ｄとは、スピン軌道トルク配線２０から最も離れた面における第１強磁性金属層１のｘ方向の幅を意味する。
【００８４】
第１強磁性金属層１のｘ方向の幅Ｄが狭くなると、第１強磁性金属層１が高抵抗になる。つまりスピン軌道トルク配線２０を流れる電流の一部が、磁気抵抗効果素子１１の積層方向（ｚ方向）に分流することを抑制できる。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流のｘ成分を高まると、より効率的にＳＯＴにより第２強磁性金属層２の磁化を回転させることができる。
【００８５】
「第５実施形態」
図６は、第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１０４の断面模式図である。図６に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子１０４は、非磁性層３と第１強磁性金属層１とを有さない点が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と異なる。図６において、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
【００８６】
図６に示す第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１０４は、非磁性層３と第１強磁性金属層１とを有さない。スピン軌道トルク型磁化反転素子１０４は、これらの層を有さなくても素子として機能する。例えば、ＡＭＲ（磁気異方性）センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した空間光変調器として用いることができる。
【００８７】
上述のように、第１実施形態〜第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子は、ビア配線と磁気抵抗効果素子とがｚ方向から見て一部で重畳する。そのため、１つの素子に必要な面積を、その重畳している面積分だけ小さくすることができ、複数の素子をより効率的に集積回路内に集積することができる。また第１実施形態〜第５実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子を複数備えることで、集積性に優れる磁気メモリ２００を得ることができる（図７）。
【００８８】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００８９】
（実施例１）
図１に示すように、ビア配線３０と磁気抵抗効果素子１０とがｚ方向から見て一部で重畳するように配設されたスピン軌道トルク型磁化反転素子１００を作製した。
【００９０】
スピン軌道トルク型磁化反転素子１００において、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層２の磁化方向がｚ方向を向くように、各層の構成及び厚みを以下のようにした。磁気抵抗効果素子１０のｚ方向からの平面形状は円形とし、その直径ｄを１００ｎｍとした。第１強磁性金属層１はＣｏＦｅＢからなり、厚みを１ｎｍとした。非磁性層３はＭｇＯからなり、厚みを１ｎｍとした。第２強磁性金属層２はＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｗ（０．１５ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６とした。またスピン軌道トルク配線２０はＷからなり、厚みを３ｎｍ、Ｙ方向の幅は２００ｎｍとした。ビア配線３０と層間絶縁部３１は、それぞれＣｕとＳｉＯ２により作製し、ビア間距離Ｇを９０、８０、７０、６０、５０ｎｍとした。
【００９１】
実施例１にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００の反転電流値を測定した。反転電流値とビア間距離Ｇは表１に示した。なお、反転電流は５ｎｓｅｃのパルスであり、書込み電流Ｉｗを流し、ｘ方向に５０Ｏｅの磁場を印可して測定を行った。磁化の向きは積層方向に読込み電流Ｉｒを流すことによって生じる磁気抵抗効果によって判定した。したがって、反転電流値は書込み電流Ｉｗと読込み電流Ｉｒを交互に印可し、書込み電流Ｉｗを増大させた後に読込み電流Ｉｒから求められる抵抗変化から反転電流値を見積もった。
【００９２】
【表１】
2019047001.tif 000003
【００９３】
（比較例１）
比較例１では、図８に示すように、ビア配線３０と磁気抵抗効果素子１０とがｚ方向から見て一部で重畳しないスピン軌道トルク型磁化反転素子１０５を作製した。
【００９４】
図８に示すスピン軌道トルク型磁化反転素子１０５は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０と、ビア配線３０と、層間絶縁部３１と、半導体回路４０とを備えある。半導体回路４０に繋がるビア配線３０は、スピン軌道トルク配線２０の磁気抵抗効果素子１０が積層されている面と同一面の磁気抵抗効果素子と異なる位置に接続されている。比較例１における各構成に用いられる材料等は、実施例１と同一とした。またビア間距離Ｇは１８０、１６０、１４０、１２０、１００ｎｍとし、またスピン軌道トルク配線２０はＷからなり、厚みを３ｎｍ、Ｙ方向の幅は２００ｎｍとした。磁気抵抗効果素子１０のｚ方向からの平面形状は円形とし、その直径ｄを１００ｎｍとした。
【００９５】
比較例１にかかるスピン軌道トルク型磁化反転素子１００の反転電流値を測定した。反転電流値とビア間距離Ｇは表２に示した。なお、反転電流は５ｎｓｅｃのパルスであり、書込み電流Ｉｗを流し、ｘ方向に５０Ｏｅの磁場を印可して測定を行った。磁化の向きは積層方向に読込み電流Ｉｒを流すことによって生じる磁気抵抗効果によって判定した。したがって、反転電流値は書込み電流Ｉｗと読込み電流Ｉｒを交互に印可し、書込み電流Ｉｗを増大させた後に読込み電流Ｉｒから求められる抵抗変化から反転電流値を見積もった。
【００９６】
【表２】
2019047001.tif 000004
【００９７】
図９に実施例１と比較例１の結果を示す。実施例１は、ビア配線３０と磁気抵抗効果素子１０とがｚ方向から見て一部で重畳させているのにも関わらず、反転電流値の減少が観測された。一般的に、ビア配線３０と磁気抵抗効果素子１０とがｚ方向から見て重畳している部分はｘ方向の電流成分がほとんどないため、重畳している部分は磁化反転を起こしにくいと考えることができる。しかしながら、図９では反転電流値とビア間距離Ｇが磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の長さｄよりも狭い領域でも反転電流値が減少している。また、一つのメモリセルに必要な面積はビア間距離Ｇが磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の幅よりも小さくすることで減少するため、従来よりも高い集積度の磁気メモリを形成することができる。すなわち、当業者にとって忌避されていた構成であっても十分な特性を示しており、当該構成によれば十分な特性を確保しつつ、集積性を高めることができることが確認できた。
【符号の説明】
【００９８】
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…磁気抵抗効果素子、２０，２１…スピン軌道トルク配線、２１Ａ…第１層、２１Ｂ…第２層、３０…ビア配線、３１…層間絶縁部、３２…平坦化層、４０…半導体回路、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５…スピン軌道トルク型磁化反転素子
【図１】
2019047001.tif 000005
【図２】
2019047001.tif 000006
【図３】
2019047001.tif 000007
【図４】
2019047001.tif 000008
【図５】
2019047001.tif 000009
【図６】
2019047001.tif 000010
【図７】
2019047001.tif 000011
【図８】
2019047001.tif 000012
【図９】
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