(57)【要約】【課題】磁化反転に必要な反転電流密度を低減することができるスピン流磁化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供する。【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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、  前記第１強磁性層は、複数の強磁性構成層と、隣接する強磁性構成層間に挟まれた少なくとも１層の挿入層とを有し、前記複数の強磁性構成層のうち少なくとも１つの強磁性構成層を挟む層のスピンホール角の極性が異なる。【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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記第１強磁性層は、複数の強磁性構成層と、隣接する強磁性構成層間に挟まれた少なくとも１層の挿入層とを有し、
前記複数の強磁性構成層のうち少なくとも１つの強磁性構成層を挟む層のスピンホール角の極性が異なる、スピン流磁化反転素子。
【請求項２】
前記強磁性構成層を挟む層が前記スピン軌道トルク配線と前記挿入層である、請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項３】
前記スピン軌道トルク配線及び前記複数の挿入層のスピンホール角の極性が、積層方向に交互に異なる、請求項１又は２に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項４】
前記スピン軌道トルク配線及び前記複数の挿入層のうち、
正の極性のスピンホール角を有する層は、第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族のいずれかに属する金属元素を主として有し、
負の極性のスピンホール角を有する層は、第３族、第４族、第５族及び第６族のいずれかに属する金属元素を主として有する、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】
前記複数の強磁性構成層において、隣接する少なくとも２つの強磁性構成層が反強磁性結合している、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。
【請求項６】
前記複数の強磁性構成層の磁化が、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３の方向に配向している、請求項５に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項７】
前記複数の強磁性構成層のうち、前記スピン軌道トルク配線に最も近い強磁性構成層が、他の強磁性構成層に比べて薄い、請求項１〜６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】
前記複数の強磁性構成層において、同一方向に磁化が配向した強磁性構成層の飽和磁化と膜厚の積の総量が、反対方向に磁化が配向した強磁性構成層の飽和磁化と膜厚の積の総量と等しい、請求項１〜７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】
請求項１〜８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と接する面と反対側の面に積層された非磁性層と、
前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項９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、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び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）素子が磁気抵抗効果素子として知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高く、磁気抵抗（ＭＲ）比が大きい。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】
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、ＳＴＴとは異なったメカニズムで磁化反転を行う、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、ＳＯＴにより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】
例えば、特許文献１には、ＳＯＴを利用して書き込み（磁化反転）を行う磁気抵抗メモリが記載されている。特許文献１に記載の磁気抵抗メモリは、スピンホール効果により注入されたスピンによるＳＯＴを利用して機能的磁気結合層の磁化を反転させ、さらに機能的磁気結合層と磁気的に結合した記録層の磁化を反転させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０３１２４４１号明細書
【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,476,189(2011).
【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、ＳＯＴを利用して磁化を反転させるために必要な反転電流密度は、ＳＴＴを利用して磁化を反転させるために必要な反転電流密度と同程度であると言われている。ＳＯＴを利用した素子は、磁気抵抗効果素子の積層方向に流す必要がないため、磁気抵抗効果素子へのダメージを抑制できるという利点はある。一方で、素子の駆動効率を高めるためには、ＳＯＴを利用して磁化を反転させるために必要な反転電流密度を低減することが求められている。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁化反転に必要な反転電流密度を低減することができるスピン流磁化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び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】
【００１１】
本発明者らは、スピン軌道トルク配線を備えたＳＯＴ方式の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線に沿って流す電流の一部が強磁性金属層内に侵入することを見出した。そこで、強磁性金属層内にもスピンホール効果を生み出すための層を挿入し、ＳＯＴを生み出すスピンを多く発生させることを検討した。そして、挿入層のスピンホール角の極性を制御することで、ＳＯＴが打ち消されることを回避又は低減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。
【００１２】
（１）第１の態様にかかるスピン流磁化反転素子は、第１方向に延在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と交差する第２方向に積層された第１強磁性層と、を備え、前記第１強磁性層は、複数の強磁性構成層と、隣接する強磁性構成層間に挟まれた少なくとも１層の挿入層とを有し、前記複数の強磁性構成層のうち少なくとも１つの強磁性構成層を挟む層のスピンホール角の極性が異なる。
【００１３】
（２）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性構成層を挟む層が前記スピン軌道トルク配線と前記挿入層であってもよい。
【００１４】
（３）上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及び前記複数の挿入層のスピンホール角の極性が、積層方向に交互に異なっていてもよい。
【００１５】
（４）上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及び前記複数の挿入層のうち、正の極性のスピンホール角を有する層は、第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族のいずれかに属する金属元素を主として有し、負の極性のスピンホール角を有する層は、第３族、第４族、第５族及び第６族のいずれかに属する金属元素を主として有していてもよい。
【００１６】
（５）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子の前記複数の強磁性構成層において、隣接する少なくとも２つの強磁性構成層が反強磁性結合していてもよい。
【００１７】
（６）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子の前記複数の強磁性構成層の磁化が、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３の方向に配向していてもよい。
【００１８】
（７）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記複数の強磁性構成層のうち、前記スピン軌道トルク配線に最も近い強磁性構成層が、他の強磁性構成層に比べて薄くてもよい。
【００１９】
（８）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子の前記複数の強磁性構成層において、同一方向に磁化が配向した強磁性構成層の飽和磁化と膜厚の積の総量が、反対方向に磁化が配向した強磁性構成層の飽和磁化と膜厚の積の総量と等しくてもよい。
【００２０】
（９）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる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と接する面と反対側の面に積層された非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える。
【００２１】
（１０）第３の態様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気抵抗効果素子を複数備える。
【発明の効果】
【００２２】
磁化反転に必要な反転電流密度を低減することができるスピン流磁化反転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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断面図である。
【図２】スピン軌道トルク配線と挿入層のスピンホール角の極性が等しいスピン流磁化反転素子の断面模式図である。
【図３】強磁性構成層が垂直磁化膜の場合の例のスピン流磁化反転素子を模式的に示した図である。
【図４】強磁性構成層が面内磁化膜であり、磁化がｘ方向に配向している場合の例のスピン流磁化反転素子を模式的に示した図である。
【図５】強磁性構成層が面内磁化膜であり、磁化がｙ方向に配向している場合の例のスピン流磁化反転素子を模式的に示した図である。
【図６】第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面模式図である。
【図７】第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の別の例の断面模式図である。
【図８】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の断面模式図である。
【図９】複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を備える磁気メモリの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本実施形態について、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、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。
【００２５】
（スピン流磁化反転素子）
「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断面図である。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とを有する。
以下、スピン軌道トルク配線２が延在する第１の方向をｘ方向、第１強磁性層１の積層方向（第２の方向）をｚ方向、ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向と規定して説明する。
【００２６】
＜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、他の層を介し接続されていてもよい。
【００２７】
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。スピン軌道トルク配線２は、単体の元素からなる材料に限らず、純スピン流を生成しやすい材料で構成される部分と純スピン流を生成しにく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。
【００２８】
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、電流の向きと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。
【００２９】
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方向に沿って電流が流れる。電流が流れると、−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はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。なお、図１では第１スピンＳ１が第１強磁性層１側に曲げられるものとして図示したが、曲げられる方向は逆向きでもよい。すなわち、第１スピンＳ１が−ｚ方向に曲げられ、第２スピンが＋ｚ方向に曲げられる構成でもよい。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。一方で、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くても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。純スピン流ＪＳは、図中のｚ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。
【００３３】
スピン軌道トルク配線２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金属、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。
【００３４】
スピン軌道トルク配線２の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。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を意味する。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。これらの非磁性金属は、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。
【００３５】
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。これに対し、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く生じスピンホール効果が強く作用する。そのため、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の場合、電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存する。つまり、これらの非磁性金属は、純スピン流Ｊｓが発生しやすい。
【００３６】
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の散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線２の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
【００３７】
一方で、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、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総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。
【００３８】
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の主構成は、トポロジカル絶縁体でもよい。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。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。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できる。
【００３９】
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。
【００４０】
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層の磁化の向きは、スピン軌道トルク配線２から注入されるスピンによるＳＯＴを受けて変化する。第１強磁性層は、複数の強磁性構成層と、隣接する強磁性構成層間に挟まれた少なくとも１層の挿入層とを有する。図１に示す第１強磁性層１は、２つの強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂとこれらの間に挟まれた挿入層１Ｂａとを備える。
【００４１】
［強磁性構成層］
第１強磁性層１を構成する強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの材料としては、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。
【００４２】
より高い出力を得るために、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂに用いてもよい。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、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
【００４３】
強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの膜厚はそれぞれ１．５ｎｍ以下とすることが好ましく、１．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの膜厚を薄くすると、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂと挿入層１Ｂａ又はスピン軌道トルク配線２との界面で、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂに垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を付加できる。すなわち、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化の向きを積層面に対して垂直にできる。界面垂直磁気異方性は強磁性構成層の膜厚を厚くすることによって効果が減衰する。
【００４４】
また強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの膜厚が薄いと、ＳＯＴにより強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化を反転させるのに必要な反転電流密度を低下させることができる。ＳＯＴによる反転電流密度は強磁性金属層の膜厚に比例する。
【００４５】
複数の強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂのうち、スピン軌道トルク配線２に最も近い強磁性構成層１Ａａは他の強磁性構成層１Ａｂと比較して薄いことが好ましい。詳細は後述するが、スピン流磁化反転素子１０においてスピン流を生み出すのは、スピン軌道トルク配線２と挿入層１Ｂａである。スピン軌道トルク配線２に流れる電流量は挿入層１Ｂａに流れる電流量より多く、スピン軌道トルク配線２で発生するスピン流は挿入層１Ｂａで発生するスピン流より多い。他方、上述のように、ＳＯＴによる反転電流密度は強磁性金属層の膜厚に比例し、膜厚の薄い層は磁化反転しやすい。すなわち、最も多くのスピンが注入される層を薄くし、磁化反転しやすくしておくことで、反転電流密度をより低減できる。
【００４６】
［挿入層］
挿入層１Ｂａは、スピン流を生成する層（スピン流生成層）である。図１において、挿入層１Ｂａは、スピン軌道トルク配線２と強磁性構成層１Ａａを挟む。
【００４７】
挿入層１Ｂａのスピンホール角の極性は、スピン軌道トルク配線２のスピンホール角の極性と異なる。スピンホール効果では、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。第１スピンＳ１は、ｚ方向に曲げられる場合と−ｚ方向に曲げられる場合とがある。これを示すのが「スピンホール角の極性」である。ｚ方向に曲げられる場合を正の極性、−ｚ方向に曲げられる場合を負の極性とする。スピンホール角の極性は、スピン軌道トルク配線２及び挿入層１Ｂａを構成する材料種、添加元素種、添加元素量等により設定できる。
【００４８】
また「スピンホール角」は、スピンホール効果の強さの指標の一つであり、スピン軌道トルク配線２に沿って流す電流に対する発生するスピン流の変換効率を示す。すなわち、スピンホール角の絶対値が大きいほど、第１スピンＳ１又は第２スピンＳ２が第１強磁性層１に多く注入される。
【００４９】
挿入層１Ｂａは、スピン軌道トルク配線２に用いられる材料と同様のものを用いることができる。これらの材料の中で、スピン軌道トルク配線２とスピンホール角の極性が異なるようになる材料を選択する。例えば、スピン軌道トルク配線２が正の極性のスピンホール角を有する場合は、挿入層１Ｂａを負の極性のスピンホール角となる材料を主として含むようにする。
【００５０】
スピン軌道トルク配線２又は挿入層１Ｂａを正の極性のスピンホール角を有する層とするためには、第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族のいずれかに属する金属元素を主として用いることが好ましい。またスピン軌道トルク配線２又は挿入層１Ｂａを負の極性のスピンホール角を有する層とするためには、第３族、第４族、第５族及び第６族のいずれかに属する金属元素を主として用いることが好ましい。例えばスピン軌道トルク配線２がＴａを主として含み正の極性のスピンホール角を有する場合は、挿入層１Ｂａを主として構成する材料を負の極性のスピンホール角を有するＲｕにする。
【００５１】
挿入層１Ｂａの膜厚は、０．３〜２．０ｎｍとすることが好ましい。０．３ｎｍ未満の厚みは、１原子層を切る膜厚である。そのため、均質な層を作製することが難しくなる。また厚みが２．０ｎｍを超えると、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ間の磁気結合が切れてしまい、第１強磁性層１が一つの強磁性体として振る舞わなくなることが懸念される。
【００５２】
＜動作原理＞
第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０の動作原理について、図１を基に説明する。スピン軌道トルク配線２に沿って電流が流れると、スピンホール効果により第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とが互いに反対方向に曲げられ、スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線２が正の極性のスピンホール角を有する場合は、第１スピンＳ１が第１強磁性層１の強磁性構成層１Ａａに注入される。
【００５３】
第１強磁性層１は金属により構成されているため、スピン軌道トルク配線２に流れる電流の一部は第１強磁性層１内に侵入する。侵入した電流は、挿入層１Ｂａに沿って流れる。挿入層１Ｂａに沿って電流が流れると、挿入層１Ｂａ内でもスピンホール効果によって第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とが互いに反対方向に曲げられ、スピン流が生じる。挿入層１Ｂａは、スピン軌道トルク配線２と異なる極性（例えば、負の極性）のスピンホール角を有する。そのため挿入層１Ｂａにおける第１スピンＳ１と第２スピンＳ２は、スピン軌道トルク配線２における第１スピンＳ１と第２スピンＳ２と逆向きに曲げられる。挿入層１Ｂａが負の極性のスピンホール角を有する場合は、第１スピンＳ１が強磁性構成層１Ａａに注入され、第２スピンＳ２が強磁性構成層１Ａｂに注入される。
【００５４】
つまり図１に示すように、強磁性構成層１Ａａには、スピン軌道トルク配線２及び挿入層１Ｂａから第１スピンＳ１が注入される。強磁性構成層１Ａａに注入されるスピン量が増えると、大きなＳＯＴが強磁性構成層１Ａａの磁化に作用し、強磁性構成層１Ａａの磁化が容易に磁化反転する。強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとは磁気的に結合しているため、強磁性構成層１Ａａの磁化が反転すると、強磁性構成層１Ａｂの磁化も反転する。
【００５５】
これに対し、図２はスピン軌道トルク配線２と挿入層１Ｂａのスピンホール角の極性が等しいスピン流磁化反転素子１１の断面模式図である。スピンホール角の極性が等しい場合、強磁性構成層１Ａａにスピン軌道トルク配線２から注入されるスピン（例えば、第１スピンＳ１）の向きと、挿入層１Ｂａから注入されるスピン（例えば、第２スピンＳ２）の向き、とが反対である。第１スピンＳ１が生み出すＳＯＴにより強磁性構成層１Ａａの磁化が回転しようとする回転方向と、第２スピンＳ２が生み出すＳＯＴにより強磁性構成層１Ａａの磁化が回転しようとする回転方向と、は逆向きである。すなわち、互いの力が打ち消し合い、効率的な磁化反転を阻害する。
【００５６】
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は、スピンホール角の極性が異なる層により強磁性構成層１Ａａを挟むことで、この強磁性構成層の磁化を効率的に反転させることができる。また他の強磁性構成層は、この強磁性構成と磁気的に結合しているため、効率的に磁化反転する。その結果、第１強磁性層１全体として、磁化の向きが効率的に変化する。すなわち、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、少ない電流量で大きなＳＯＴを発現することができ、反転電流密度を下げることができる。
【００５７】
ここまでは、注入されるスピン量を増やすという点のみを基に議論を進めたが、さらに強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化の配向方向との関係を基に磁化反転方式の違いについて説明する。
【００５８】
強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化の配向方向は大きく分けて、ｚ方向に配向する垂直配向と、ｘｙ面内に配向する面内配向がある。またｘｙ面内配向の中でも注入されるスピンの向きと直交するｘ方向に配向する場合と、注入されるスピンの向きと平行なｙ方向に配向する場合とがある。
【００５９】
図３は、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂが垂直磁化膜の場合の例のスピン流磁化反転素子を模式的に示した図である。図３（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１０Ａは、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが強磁性カップリングしており、図３（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１０Ｂは強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが反強磁性カップリングしている。
【００６０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）のいずれの場合においても、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂの配向方向（ｚ方向）に対して、注入されるスピンの向き（±ｙ方向）は直交している。そのため、注入されたスピンによるＳＯＴは、磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂを±ｙ方向に向けて９０°回転させる力を作用する。磁化Ｍ１Ａａは−ｙ方向に９０°回転する力をＳＯＴにより受け、磁化Ｍ１Ａｂは＋ｙ方向に９０°回転する力をＳＯＴにより受ける。つまり、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが強磁性カップリングする場合でも、反強磁性カップリングする場合でも、ＳＯＴはｚ方向に配向した磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂを倒す方向に作用する。９０°に倒れた磁化は磁場の力で反転する。ここで述べる磁場は、外部機構から印加される磁場でもよいし、交換結合や形状磁気異方性から発生する有効磁界でもよいし、参照層からの漏れ磁界でもよい。
【００６１】
つまり、強磁性構成層１Ａａに注入されるスピン（第１スピンＳ１）と強磁性構成層１Ａｂに注入されるスピン（第２スピンＳ２）との向きが逆向きであることは問題にならない。強磁性構成層１Ａａに注入されるスピン（第１スピンＳ１）は、磁化Ｍ１Ａａを−ｙ方向に回転する力を生み出し磁化反転を進め、強磁性構成層１Ａｂに注入されるスピン（第１スピンＳ１）は、磁化Ｍ１Ａｂを＋ｙ方向に回転する力を生み出し磁化反転を進める。これは強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂが強磁性カップリングしているか、反強磁性カップリングしているかを問わない。
【００６２】
図４は、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂが面内磁化膜であり、磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂがｘ方向に配向している場合の例のスピン流磁化反転素子を模式的に示した図である。図４（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１０Ｃは、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが強磁性カップリングしており、図４（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１０Ｄは強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが反強磁性カップリングしている。
【００６３】
この場合も強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂの配向方向（ｘ方向）に対して、注入されるスピンの向き（±ｙ方向）は直交している。そのため、注入されたスピンによるＳＯＴは、磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂを±ｙ方向に向けて９０°回転させる力を作用する。従って、強磁性構成層１Ａａに注入されるスピン（第１スピンＳ１）と強磁性構成層１Ａｂに注入されるスピン（第２スピンＳ２）との向きが逆向きであることは問題にならない。強磁性構成層１Ａａに注入されるスピン（第１スピンＳ１）は、磁化Ｍ１Ａａを−ｙ方向に回転する力を生み出し磁化反転を進め、強磁性構成層１Ａｂに注入されるスピン（第１スピンＳ１）は、磁化Ｍ１Ａｂを＋ｙ方向に回転する力を生み出し磁化反転を進める。これは強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂが強磁性カップリングしているか、反強磁性カップリングしているかを問わない。
【００６４】
図５は、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂが面内磁化膜であり、磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂがｙ方向に配向している場合の例のスピン流磁化反転素子を模式的に示した図である。図５（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１Ｅは、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが強磁性カップリングしており、図５（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１０Ｆは強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが反強磁性カップリングしている。
【００６５】
この場合、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂの配向方向（ｙ方向）に対して、注入されるスピンの向き（±ｙ方向）が一致している。そのため、磁化反転の挙動は、上記の２パターンとは異なる。
【００６６】
図５（ａ）に示すように、＋ｙ方向に配向した磁化Ｍ１Ａａをもつ強磁性構成層１Ａａには、−ｙ方向に配向したスピン（第１スピンＳ１）が注入される。注入されたスピンは、＋ｙ方向に配向した磁化Ｍ１Ａａを１８０°回転させる力（ＳＯＴ）を作用する。従って、強磁性構成層１Ａａの磁化Ｍ１Ａａは、−ｙ方向に磁化反転する。この場合、回転する力のみで反転するため無磁場で磁化反転することができる。一方で、＋ｙ方向に配向した磁化Ｍ１Ａｂをもつ強磁性構成層１Ａｂには、＋ｙ方向に配向したスピン（第２スピンＳ２）が注入される。注入されたスピンは、＋ｙ方向に配向した磁化Ｍ１Ａｂを維持する方向に力（ＳＯＴ）が作用する。
【００６７】
このように、図５（ａ）の構成の場合、強磁性構成層１Ａａに注入されるスピン（第１スピンＳ１）と強磁性構成層１Ａｂに注入されるスピン（第２スピンＳ２）との向きが逆向きであることは問題となる。強磁性構成層１ＡａにおいてはＳＯＴが磁化Ｍ１Ａａの磁化反転を促す方向に作用するが、強磁性構成層１ＡｂにおいてはＳＯＴが磁化Ｍ１Ａｂの磁化反転を阻害する方向に作用する。
【００６８】
一方で、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとは磁気的に結合している。磁気的な結合により磁化の向きを変える力は、ＳＯＴにより磁化の向きを変える力より大きい。強磁性構成層１Ａａの磁化Ｍ１Ａａが磁化反転すれば、ＳＯＴにより磁化Ｍ１Ａｂの磁化反転が多少阻害されたとしても、強磁性構成層１Ａｂの磁化Ｍ１Ａｂは磁化反転する。つまり、図５（ａ）の構成の場合でも、第１強磁性層１全体としては磁化反転がし易くなっている。
【００６９】
これに対し図５（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１０Ｆは、ｙ方向に配向した磁化Ｍ１Ａａをもつ強磁性構成層１Ａａには−ｙ方向に配向したスピン（第１スピンＳ１）が注入される。また、−ｙ方向に配向した磁化Ｍ１Ａｂをもつ強磁性構成層１Ａｂには、＋ｙ方向に配向したスピン（第２スピンＳ２）が注入される。すなわちいずれの強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂにおいても、磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂを１８０°回転させる力（ＳＯＴ）が作用する。
【００７０】
強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂが何れの方向に配向している場合（図３〜図５）でも、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとは反強磁性カップリングしていることが好ましい。反強磁性カップリングすることで、第１強磁性層１からの漏れ磁場を抑制することができる。また磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂがｙ方向に配向している場合には、反転電流密度を特に低減することができるため、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとは反強磁性カップリングしていることがより好ましい。
【００７１】
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１０Ａ〜１０Ｆは、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂに注入されるスピンの向きと、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂの磁化Ｍ１Ａａ、Ｍ１Ａｂの向きとが、どのような関係にある場合でも磁化反転が促進される。すなわち、すなわち、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０Ａ〜１０Ｆによれば、少ない電流量で大きなＳＯＴを発現することができ、反転電流密度を下げることができる。
【００７２】
また第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、第１強磁性層１が内部に複数の界面を有する。すなわち、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、界面ラシュバ効果により生じるスピン流も作用するため、より磁化反転が効率的に生じる。
【００７３】
界面ラシュバ効果の詳細なメカニズムについては明らかでないが、以下のように考えられる。異種材料間の界面においては、空間反転対称性が破れており、面直方向にポテンシャル勾配が存在しているとみなされる。このような面直方向にポテンシャル勾配がある界面に沿って電流が流れる場合、つまり電子が２次元の面内を運動する場合、電子の運動方向と垂直且つ面内の方向において有効磁場がスピンに作用する。そして、その有効磁場の方向にスピンの向きが揃う。これにより、界面にスピン蓄積が形成される。そして、このスピン蓄積は、面外に拡散する純スピン流を生じさせる。この純スピン流も磁化反転に寄与する。
【００７４】
第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、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。また例えば単独で、磁気異方性センサや、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として用いることができる。
【００７５】
（スピン流磁化反転素子）
「第２実施形態」
図６は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子２０の断面模式図である。第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子２０は、挿入層１Ｂａ、１Ｂｂが２層である点が、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０と同様であり、同様な構成については同一の符号を付し、説明を省く。
【００７６】
図６に示すスピン流磁化反転素子２０は、スピン軌道トルク配線２、挿入層１Ｂａ、１Ｂｂのスピンホール角の極性が、積層方向に交互に異なる。そのため、各強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃに注入されるスピンの向きは揃っている。したがって、いずれの強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃにおいても磁化反転を効率的に行うことができる。
【００７７】
各強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃは、隣接する強磁性構成層と磁気的に結合している。そのため、全ての強磁性構成層に注入されるスピンの向きが必ずしもそろっていなくてもよい。図７は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の別の例の断面模式図である。
【００７８】
図７（ａ）に示すスピン流磁化反転素子２１は、強磁性構成層１Ａａを挟むスピン軌道トルク配線２と挿入層１Ｂａのスピンホール角の極性が異なっている。そのため、強磁性構成層１Ａａの磁化が効率的に反転する。強磁性構成層１Ａｂ、１Ａｃの磁化は、強磁性構成層１Ａａとの磁気的な結合により効率的に反転する。
【００７９】
また図７（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子２２は、強磁性構成層１Ａｂを挟む二つの挿入層１Ｂａ、１Ｂｂのスピンホール角の極性が異なっている。そのため、強磁性構成層１Ａｂの磁化が効率的に反転する。強磁性構成層１Ａａ、１Ａｃの磁化は、強磁性構成層１Ａａとの磁気的な結合により効率的に反転する。
【００８０】
第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子２０においても、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃの磁化の配向方向は特に問わない。隣接する強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃ間の磁気的な結合も、強磁性カップリングでも反強磁性カップリングでもよい。また例えば、強磁性構成層１Ａａと強磁性構成層１Ａｂとが強磁性カップリングし、強磁性構成層１Ａｂと強磁性構成層１Ａｃとが反強磁性カップリングしていてもよい。
【００８１】
強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃの磁化の向きがｙ方向に配向している場合は、隣接する強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃのうち少なくとも２つの強磁性構成層が反強磁性結合していることが好ましい。
【００８２】
また複数の強磁性構成層において、同一方向に磁化が配向した強磁性構成層の飽和磁化と膜厚の積の総量が、反対方向に磁化が配向した強磁性構成層の飽和磁化と膜厚の積の総量と等しいことが好ましい。例えば、強磁性構成層１Ａａ、１Ａｃの磁化が同一方向に配向し、強磁性構成層１Ａｂの磁化が反対方向に配向する場合は、（Ｈ１Ａａ×ｔ１Ａａ）＋（Ｈ１Ａｃ×ｔ１Ａｃ）＝Ｈ１Ａｂ×ｔ１Ａｂの関係を満たすことが好ましい。ここで、Ｈ１Ａａ、Ｈ１Ａｂ、Ｈ１Ａｃは各強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃの飽和磁化であり、ｔ１Ａａ、ｔ１Ａｂ、ｔ１Ａｃは各強磁性構成層１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃの膜厚である。上記関係を満たすことで、第１強磁性層１からの漏れ磁場を抑制することができる。
【００８３】
上述のように、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子２０は、スピンホール角の極性が異なる層により少なくとも１層の強磁性構成層を挟むことで、この強磁性構成層の磁化を効率的に反転させることができる。また他の強磁性構成層は、この強磁性構成と磁気的に結合しているため、効率的に磁化反転する。その結果、第１強磁性層１全体として、磁化の向きが効率的に変化する。すなわち、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子２０によれば、少ない電流量で大きなＳＯＴを発現することができ、反転電流密度を下げることができる。
【００８４】
図６及び図７では、挿入層１Ｂａ、１Ｂｂが２層の場合を例に説明したが、挿入層の数は２層より多くてもよい。この場合も、上述の関係を満たすことが好ましい。
【００８５】
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
「第３実施形態」
図８は、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１００の断面模式図である。図８に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１０と、非磁性層５と、第２強磁性層６とを備える。スピン流磁化反転素子１０は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子としてもよい。第１実施形態のスピン流磁化反転素子１０と同等の構成については、説明を省く。
【００８６】
第１強磁性層１と非磁性層５と第２強磁性層６とが積層された積層体（機能部３０）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部３０は、第２強磁性層６の磁化が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。ここで機能部３０の抵抗値変化として出力されるのは、非磁性層５を挟む２つの強磁性層の磁化の相対角に依存するため、第１強磁性層１の磁化の向きとは、最も非磁性層５側の強磁性構成層１Ａｂの磁化の向きを意味する。
【００８７】
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６の保磁力を第１強磁性層１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、第２強磁性層６の磁化Ｍ６を反強磁性層との交換結合によって固定する。
【００８８】
また機能部３０は、非磁性層５が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
【００８９】
機能部３０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６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６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。
【００９０】
第２強磁性層６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。
【００９１】
また、より高い出力を得るためには第２強磁性層６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、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
【００９２】
第２強磁性層６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６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６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。
【００９３】
非磁性層５には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層５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５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。さらに、非磁性層５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。
【００９４】
機能部３０は、その他の層を有していてもよい。第１強磁性層１の非磁性層５と反対側の面に下地層を有していてもよい。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。
【００９５】
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は、上述のスピン流磁化反転素子を備えるため、第１強磁性層１の磁化の向きを効率的に反転させることができる。すなわち、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１００によれば、少ない電流量で大きなＳＯＴを発現することができ、反転電流密度を下げることができる。
【００９６】
（製造方法）
上述のスピン流磁化反転素子及びそれを備える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、公知の成膜法を用いることができる。成膜法は、例えば、物理的気相成長（ＰＶＤ）法として、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。また化学的気相成長（ＣＶＤ）法として、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）法等を用いることもできる。更に、極薄（原子半径の２倍以下）の挿入層を形成するために、単原子層ドーピング法（デルタドーピング法）を用いることもできる。
【００９７】
スピン軌道トルク配線２及び第１強磁性金属層１は、例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて成膜することができる。成膜後、スピン流磁化反転素子を作成したい部分にレジストまたは保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部分を除去する。
【００９８】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の機能部３０がＴＭＲ素子の場合、酸化物からなるターゲットを用いて非磁性層５を積層してもよいし、金属層を積層後に酸化により非磁性層５を作成してもよい。金属層を積層後に酸化する場合は、第１強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度のマグネシウム、アルミニウム、及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンとなる金属薄膜をスパッタリングする。そして、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理によって非磁性層５を形成する。
【００９９】
得られた積層膜（機能部３０）は、アニール処理することが好ましい。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。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抜けて結晶化する。
【０１００】
アニール処理して製造した磁気抵抗効果素子は、アニール処理しないで製造した磁気抵抗効果素子と比較して、磁気抵抗比が向上する。アニール処理によって、非磁性層５の結晶サイズの均一性及び配向性が向上するためと考えられる。
【０１０１】
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。
【０１０２】
機能部３０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。まず機能部３０となる層を積層した後、機能部３０となる層のスピン軌道トルク配線２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、機能部３０の保護膜となる。レジストが硬化した部分は、最終的に得られる機能部３０の形状と略一致する。
【０１０３】
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。
【０１０４】
「第４実施形態」
＜磁気メモリ＞
図９は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（図８参照）を備える磁気メモリ２００の平面図である。図８は、図９におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を切断した断面図に対応する。図９に示す磁気メモリ２００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図９は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の数及び配置は任意である。
【０１０５】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００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、１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。
【０１０６】
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、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線２に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜３及びソースラインＳＬ１〜３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の機能部６０の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３、ソースラインＳＬ１〜３、及びリードラインＲＬ１〜３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。
【０１０７】
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。
【符号の説明】
【０１０８】
１  第１強磁性層
１Ａａ、１Ａｂ、１Ａｃ  強磁性構成層
１Ｂａ、１Ｂｂ  挿入層
２  スピン軌道トルク配線
５  非磁性層
６  第２強磁性層
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１１、２０、２１、２２  スピン流磁化反転素子
３０  機能部
１００  スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
２００  磁気メモリ
Ｓ１  第１スピン
Ｓ２  第２スピン
【図１】
2019057626.tif 000003
【図２】
2019057626.tif 000004
【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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