(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回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び集積性に優れた磁気メモリを提供する。【解決手段】このスピン軌道トルク型磁化回転素子は、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の一面に積層された第１強磁性層と、平面視において前記第１強磁性層を挟む位置で前記スピン軌道トルク配線と接続された第１電極及び第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極とのうち少なくとも一方は、所定の閾値電圧を境界に高抵抗状態と低抵抗状態とが変化し、双方向に電流を流すことができるスイッチング層を内部に有する。【選択図】図１
2019161175.tif 000002
【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の一面に積層された第１強磁性層と、
平面視において前記第１強磁性層を挟む位置で前記スピン軌道トルク配線と接続された第１電極及び第２電極と、を備え、
前記第１電極と前記第２電極とのうち少なくとも一方は、所定の閾値電圧を境界に高抵抗状態と低抵抗状態とが変化し、双方向に電流を流すことができるスイッチング層を内部に有する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項２】
前記第１電極及び前記第２電極が前記スイッチング層を内部に有する、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項３】
前記第１電極における前記スイッチング層と、前記第２電極における前記スイッチング層との閾値電圧が異なる、請求項２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項４】
読み出し時に通電される前記第１電極又は前記第２電極と前記第１強磁性層との間における前記スピン軌道トルク配線の抵抗値をＲｒ、読み出し時に通電される前記第１電極又は前記第２電極における前記スイッチング層の低抵抗状態での抵抗値をＲｏｎ、読み出し時に通電される前記第１電極又は前記第２電極と前記第１強磁性層との間に読み出し時に印加する電圧をＶｒ、前記第１強磁性層を磁化反転させるのに必要な臨界閾値電流をＩｃとした際に、
Ｒｒ＋Ｒｏｎ＞Ｖｒ／Ｉｃ
の関係が成り立つ、請求項１から３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項５】
前記スイッチング層はカルコゲン元素を含む合金である、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回転素子。
【請求項６】
前記スイッチング層は金属絶縁体転移する遷移金属を含む酸化物である、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回転素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項７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。
【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回転素子、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、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。
【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によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、特許文献１）。ＳＯＴは、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により誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００８／１２３０２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子は、データを書き込む際の電流の流れと、データを読み出す際の電流の流れが異なる。データを書き込む際には、上述のように磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に電流を流す。これに対し、データを読み出す際には、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す。データの書き込み及びデータの読み出しをいずれも制御するためには、素子に接続される３つの端子が必要であり、それぞれの端子に接続される制御素子が必要である。制御素子には、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等が用いられる。
【０００８】
磁気抵抗効果素子はデータを記録する記録領域であり、実使用では複数の素子を集積して用いることが多い。しかしながら、複数の素子を用いる場合、それぞれの素子に３つの制御素子が接続されると、一つの素子に必要な面積が広くなり、集積性を高めることが困難である。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、集積性を高めることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び集積性に優れた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】
【００１０】
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。
【００１１】
（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、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の一面に積層された第１強磁性層と、平面視において前記第１強磁性層を挟む位置で前記スピン軌道トルク配線と接続された第１電極及び第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極とのうち少なくとも一方は、所定の閾値電圧を境界に高抵抗状態と低抵抗状態とが変化し、双方向に電流を流すことができるスイッチング層を内部に有する。
【００１２】
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記第１電極及び前記第２電極が前記スイッチング層を内部に有してもよい。
【００１３】
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記第１電極における前記スイッチング層と、前記第２電極における前記スイッチング層との閾値電圧が異なってもよい。
【００１４】
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、読み出し時に通電される前記第１電極又は前記第２電極と前記第１強磁性層との間における前記スピン軌道トルク配線の抵抗値をＲｒ、読み出し時に通電される前記第１電極又は前記第２電極における前記スイッチング層の低抵抗状態での抵抗値をＲｏｎ、読み出し時に通電される前記第１電極又は前記第２電極と前記第１強磁性層との間に読み出し時に印加する電圧をＶｒ、前記第１強磁性層を磁化反転させるのに必要な臨界閾値電流をＩｃとした際に、Ｒｒ＋Ｒｏｎ＞Ｖｒ／Ｉｃの関係が成り立つ構成でもよい。
【００１５】
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スイッチング層はカルコゲン元素を含む合金であってもよい。
【００１６】
（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スイッチング層は金属絶縁体転移する遷移金属を含む酸化物であってもよい。
【００１７】
（７）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軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える。
【００１８】
（８）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】
【００１９】
上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子及びスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子によれば、集積性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
【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の別の例の断面模式図である。
【図３】第１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動作時のタイミングチャートである。
【図４】第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。
【図５】第３実施形態に係る磁気メモリを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図１は、第１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１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３からなる機能部１０と、スピン軌道トルク配線２０と、第１電極３０と、第２電極４０とを備える。
【００２３】
以下、スピン軌道トルク配線２０が延びる第１方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２０が存在する面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する方向をｚ方向とする。図１においてｚ方向は、機能部１０の積層方向及びスピン軌道トルク配線２０の厚み方向と一致する。
【００２４】
＜機能部＞
機能部１０は、一般の磁気抵抗効果素子と同様の構成である。機能部１０は、非磁性層３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、非磁性層３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。第２強磁性層２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。
【００２５】
機能部１０は、第２強磁性層２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。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２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２の磁化を反強磁性層との交換結合によって固定する。
【００２６】
機能部１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、第２強磁性層２の磁化方向を固定するための反強磁性層、機能部１０の結晶性を高める下地層等が挙げられる。
【００２７】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２には、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を例示できる。また第１強磁性層１が面内磁化膜の場合は、例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）等を用いることが好ましい。
【００２８】
第１強磁性層１及び第２強磁性層２には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたは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。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有し、機能部のＭＲ比を高めることができる。
【００２９】
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。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。
【００３０】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延びる。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０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。
【００３１】
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スピン流を生み出す。スピンホール効果とは、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スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
【００３２】
スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流が流れる。電流が流れると、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とが、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対しｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して−ｚ方向に曲げられる。
【００３３】
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。
【００３４】
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＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と−ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
【００３５】
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。スピン流ＪＳは、図中のｚ方向に流れる。図１において、スピン軌道トルク配線２０の上面には第１強磁性層１が存在する。そのため、第１強磁性層１にスピンが注入される。
【００３６】
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によって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。
【００３７】
スピン軌道トルク配線２０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。
【００３８】
電子は、一般に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、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流ＪＳが発生しやすい。
【００３９】
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。
【００４０】
一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した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。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
【００４１】
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。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。
【００４２】
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。
【００４３】
＜第１電極、第２電極＞
第１電極３０及び第２電極４０は、平面視（ｚ方向から見て）で機能部１０を挟む位置に設けられる。第１電極３０及び第２電極４０は、スピン軌道トルク配線２０の機能部１０側に設けられてもよいし、その反対の面に設けられてもよい。機能部１０のスピン軌道トルク配線２０と反対側に接続される上部電極（図示略）と第１電極３０と第２電極４０との３端子で素子が駆動する。データを書き込む際は第１電極３０と第２電極４０間に電流を流し、データを読み出す際は上部電極（図示略）と第１電極３０または第２電極４０との間に電流を流す。
【００４４】
図１に示す第１電極３０は内部に第１スイッチング層３２を有し、第２電極４０は内部に第２スイッチング層４２を有する。第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２は、所定の閾値電圧を境界に高抵抗状態と低抵抗状態とが変化する層である。
【００４５】
データを書き込む際には、第１電極３０と第２電極４０との間に電位差を与える。電位差が所定の閾値を超えると、第１スイッチング層３２と第２スイッチング層４２は低抵抗になる。第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２が低抵抗状態になると、スピン軌道トルク配線２０内に電流が流れ、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が磁化反転する（データが書き込まれる）。
【００４６】
データを読み出す際には、上部電極と第１電極３０または第２電極４０との間に電位差を与える。電位差が所定の閾値を超えると、電位差が与えられた側に位置する第１スイッチング層３２または第２スイッチング層４２が低抵抗になる。第１スイッチング層３２または第２スイッチング層４２が低抵抗状態になると、機能部１０の積層方向に電流が流れ、機能部１０の抵抗値の大小が情報として読み出される（データが読み出される）。
【００４７】
このように第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２は、電流の流れを制御する。つまり、第１電極３０及び第２電極４０に第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２が内蔵されると、第１電極３０及び第２電極４０の外部に制御素子を接続する必要がなくなる。制御素子のために設けられていたスペースを有効活用することができ、集積性を高めることができる。
【００４８】
第１スイッチング層３２の閾値電圧と第２スイッチング層４２の閾値電圧とは異なることが好ましい。例えば、第１スイッチング層３２の閾値電圧を第１閾値電圧とし、第２スイッチング層４２の閾値電圧を第２閾値電圧とする。また第１閾値電圧は第２閾値電圧より大きいとする。
【００４９】
この場合、第１電極３０と第２電極４０との間に、第１閾値電圧を超える電圧を印加すると、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れる（データが書き込まれる）。これに対して、上部電極と第２電極４０との間に、第２閾値電圧を超える電圧を印加すると、機能部１０の積層方向に電流が流れる（データが読み出される）。つまり、第１スイッチング層３２の閾値電圧と第２スイッチング層４２の閾値電圧とが異なると、データの書き込み時と読み出し時とで、素子に印加する電圧を変えることができる。
【００５０】
データを書き込む際に必要な電流密度とデータを読み出す際に必要な電流密度とは、異なる。データを読み出す際に必要な電流密度は、データを書き込む際に必要な電流密度と比較して小さい。データを読み出す際は、機能部１０の積層方向に電流を流す必要があり、機能部１０の特性を劣化させるおそれがある。データの書き込み時よりデータの読み出し時の閾値電圧が小さければ、機能部１０に加わる負荷を低減できる。
【００５１】
第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２は、閾値電圧を境界に高抵抗状態と低抵抗状態とが変化し、双方向に電流を流すことができる層である。第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２には、例えば、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用したもの、金属絶縁体転移スイッチのようにバンド構造の変化を利用したもの、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用したもの、原子位置の変化に伴い伝導性が変化するもの等を用いることができる。一方で、データの書き換え時には、スピン軌道トルク配線２０に流す電流の向きが変わるため、ＰＮダイオードのように一方向のみに整流する素子は用いることができない。
【００５２】
第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２の具体例として、カルコゲン元素を含む合金を用いることができる。カルコゲン元素は、周期律表の第１６族の元素であり、具体的には、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）及びリパモリウム（Ｌｖ）が該当する。
【００５３】
カルコゲン元素を含む合金は、カルコゲン元素のほかに、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、ヒ素（Ａｓ）等を含んでいることが好ましい。例えばＧｅＴｅ、ＧｅＳｂＴｅ、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、ＳｉＡｓＴｅ、ＧｅＳｉＡｓＴｅ、ＧｅＳｉＡｓＳｅ、ＧｅＳｅ、ＧｅＳｂＳｅ、ＳｉＡｓＳｅ、Ａｓ２Ｓｅ３、ＧｅＳ、ＧｅＳｂＳまたはＳｉＡｓＳ等のカルコゲナイドによって構成されていることが好ましい。またこれらに酸素（Ｏ）や窒素（Ｎ）が添加されていてもよい。例えば、ＳｉＯ２Ａｓがある。
【００５４】
カルコゲン元素を含む合金は、上記元素以外の添加元素として、例えばアルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、イットリウム（Ｙ）および希土類元素等の金属元素を含んでいてもよい。
【００５５】
カルコゲン元素を含む合金は、環境温度により非晶質相（より抵抗性）から結晶相（より導電性）に又はその逆に相変化する。第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２にカルコゲン元素を含む合金を用いた場合は、電圧が加えられることで発熱し、相変化が生じる。カルコゲン元素を含む合金は、相変化により比抵抗の大きさが２桁以上変化する。
【００５６】
カルコゲン元素を含む合金を構成する元素種、元素量、厚み等を変えることで、閾値電圧を変化させることができる。
【００５７】
第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２の別の具体例として、金属絶縁体転移する遷移金属を含む酸化物を用いることができる。金属絶縁体転移する遷移金属を含む酸化物としては、モット絶縁体、アンダーソン転移体等が挙げられる。具体的には、モット絶縁体としてはＮｉＯ、ＳｍＮｉＯ３、ＶＯ２、ＷＯ３、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＮｂＯ２、ＰｒＣａＭｎＯ３、ＣａＲｕＯ４等を、アンダーソン転移体としてはＮａＷＴａＯ３、ＬａＳｒＯ３等を用いることができる。
【００５８】
遷移金属を含む酸化物は、環境温度によりバンド構造が変化する。第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２に遷移金属を含む酸化物を用いた場合は、電圧が加えられることで発熱し、金属絶縁体転移が生じる。
【００５９】
遷移金属を含む酸化物は、構成する元素種、元素量、厚み等を変えることで、閾値電圧を変化させることができる。
【００６０】
第１スイッチング層３２と第２スイッチング層４２とは、上述の同じ構成からなってもよいし、それぞれ異なる構成でもよい。
【００６１】
また図２に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１のように、スイッチング層は第１電極３０又は第２電極４０のいずれか一方のみに設けられていてもよい。図２に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１０１は、第１電極３０のみに第１スイッチング層３２が設けられ、第２電極４０にはスイッチング層が設けられていない。この場合でも、少なくとも書き込みを制御する制御素子を接続する必要がなくなり、素子の集積性を高めることができる。
【００６２】
第１電極３０及び第２電極４０の第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２以外の部分は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔａ、ＴｉＮ及びＴａＮからなる群のいずれかを含むことが好ましい。これらの材料は熱伝導性に優れ、スピン軌道トルク配線２０に蓄積された熱を効率的に排熱できる。
【００６３】
上述のように、第１電極３０と第２電極４０とのうち少なくとも一方が、所定の電圧閾値を境界に高抵抗状態と低抵抗状態とが変化するスイッチング層を内部に有すると、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００、１０１の外部に接続され、動作を制御する制御素子の数を減らすことができる。制御素子のために設けられていたスペースを有効活用することができ、集積性を高めることができる。
【００６４】
またスイッチング層は閾値電圧を超えると、高抵抗状態から低抵抗状態に抵抗値が大きく変化する。スイッチング層が低抵抗状態になると、電流が急に流れる。書き込み時の電流の流れ方向と機能部の積層方向とが一致するＳＴＴ型の磁気抵抗効果素子の場合、この電流量の変化が機能部に大きな負荷を与える。これに対し、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００の場合、書き込み時においてスイッチング層が低抵抗状態になった場合に、大きな電流が流れるのは機能部１０の積層方向と交差する方向（スピン軌道トルク配線２０に沿った方向）である。そのため、機能部１０への影響を考慮せずに、スイッチング層の高抵抗状態と低抵抗状態との抵抗値変化量を大きく設定できる。なお、上述のように、読み出し時に要する電流量は書き込み時と比較して小さいため、電流の流れ方向と機能部１０の積層方向とが一致しても与える影響は小さい。
【００６５】
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の動作）
上記でスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の動作について概略を説明したが詳細について説明する。図３は、第１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動作時のタイミングチャートである。図３の左側が書き込み時におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の電圧、抵抗、電流変化であり、右側が読み出し時におけるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の電圧、抵抗、電流変化である。
【００６６】
上述のように、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子はデータの書き込み時と読み出し時とで挙動が異なる。まず、データの書き込み時について図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を例に説明する。
【００６７】
データの書き込み時には、まず第１電極３０と第２電極４０との間に電圧を印加する。印加する電圧が、第１スイッチング層３２及び第２スイッチング層４２の閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点で、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れる。第１スイッチング層３２の第１閾値電圧Ｖｔｈ１と第２スイッチング層４２の第２閾値電圧Ｖｔｈ２とが異なる場合は、高い方の閾値電圧を超えた時点でスピン軌道トルク配線２０に電流が流れる。以下、簡単のため、第１スイッチング層３２と第２スイッチング素子４２は等しいものとして説明する。
【００６８】
閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点で、第１電極３０と第２電極４０との間の抵抗値は、ＲＳＯＴ＋２ＲｏｆｆからＲＳＯＴ＋２Ｒｏｎとなる。ＲＳＯＴはスピン軌道トルク配線２０の抵抗値であり、Ｒｏｎは低抵抗状態における第１スイッチング素子３２及び第２スイッチング素子４２のそれぞれの抵抗値であり、Ｒｏｆｆは高抵抗状態における第１スイッチング素子３２及び第２スイッチング素子４２のそれぞれの抵抗値である。第１電極３０と第２電極４０との間の抵抗値は、第１スイッチング素子３２及び第２スイッチング素子４２が低抵抗状態である限り、大きく変動しない。
【００６９】
第１電極３０と第２電極４０との間に印加される電圧が閾値電圧Ｖｔｈからさらに大きくなると、スピン軌道トルク配線２０に流れる電流量が大きくなる。スピン軌道トルク配線２０に流れる書き込み電流Ｉｗが第１強磁性層１を磁化反転させるのに必要な臨界閾値電流Ｉｃを超えると第１強磁性層１が磁化反転する。
【００７０】
すなわち書き込み電流Ｉｗが臨界閾値電流Ｉｃより大きくなる書き込み電圧Ｖｗを印加することで、データの書き込み処理が行われる。書き込み電圧Ｖｗは、閾値電圧Ｖｔｈより大きい。
【００７１】
これに対し、データの読み出し時には、まず第１電極３０又は第２電極４０と機能部１０の上部に設けられる上部電極（図示略）との間に電圧を印加する。以下、第１電極３０と上部電極との間に電圧を印加する場合を例に説明する。
【００７２】
印加する電圧が、第１スイッチング層３２の閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点で、第１電極３０と上部電極との間に電流が流れる。閾値電圧Ｖｔｈを超えた時点で、第１電極３０と第２電極４０との間の抵抗値は、書き込み時と同様にＲＳＯＴ＋２Ｒｏｎとなる。一方で、読み出し時に電流が流れるのは、第１電極３０と上部電極との間であり、この間の抵抗値はＲｒ＋Ｒｏｎである。Ｒｒは読み出し時に通電される第１電極３０又は第２電極４０と第１強磁性層１との間におけるスピン軌道トルク配線２０の抵抗値であり、ここでは第１電極と第１強磁性層１との間におけるスピン軌道トルク配線２０の抵抗値に対応する。第１電極３０と上部電極との間の抵抗値は、第１スイッチング素子３２が低抵抗状態である限り、大きく変動しない。
【００７３】
第１電極３０と上部電極との間に印加される電圧が閾値電圧Ｖｔｈからさらに大きくなると、第１電極３０と上部電極との間に流れる電流量が大きくなる。第１電極３０と上部電極との間に流れる電流量が読み出し電流Ｉｒを超えた時点でデータが読み出される。
【００７４】
読み出し電流Ｉｒは、図３に示すように臨界閾値電流Ｉｃより小さいことが好ましい。読み出し電流Ｉｒの一部は、スピン軌道トルク配線２０に沿って流れる。スピン軌道トルク配線２０に沿って流れる電流は、スピンホール効果によりスピン流を生み出す。書き込み電流Ｉｒが臨界閾値電流Ｉｃより大きいと、読み出し時に誤書き込みの原因となる。
【００７５】
読み出し電流Ｉｒを流すために、第１電極３０と上部電極との間に印加する電圧を書き込み電圧Ｖｒとすると、Ｖｒ＝Ｉｒ（Ｒｒ＋Ｒｏｎ）の関係が成り立つ。Ｉｒ＜Ｉｃの関係を満たすためにはスピン軌道トルク配線２０及び第１スイッチング素子３２の抵抗値が、Ｒｒ＋Ｒｏｎ＞Ｖｒ／Ｉｃの関係を満たすことが好ましい。第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０の長さ方向の中央に位置することが多く、上式はＲＳＯＴ／２＋Ｒｏｎ＞Ｖｒ／Ｉｃと書き換えることができる。
【００７６】
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、Ｉｃ＜Ｉｗの関係も満たす。書き込み電流Ｉｗは書き込み電圧Ｖｗとの間で、Ｖｗ＝Ｉｗ（ＲＳＯＴ＋２Ｒｏｎ）の関係が成り立つ。Ｉｃ＜Ｉｗの関係を満たすためにはスピン軌道トルク配線２０及び第１スイッチング素子の抵抗値が、ＲＳＯＴ＋２Ｒｏｎ＜Ｖｗ／Ｉｃの関係を満たすことが好ましい。上記の読み出し時の関係式と合わせて記載すると、Ｖｒ／Ｉｃ＜ＲＳＯＴ／２＋Ｒｏｎ＜Ｖｗ／Ｉｃの関係を満たすように、スピン軌道トルク配線２０及びスイッチング素子（第１スイッチング素子３２、第２スイッチング素子４２）の抵抗値を決定することが好ましい。
【００７７】
「第２実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図４は、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点のみが、図１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００と異なる。
【００７８】
スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、上述のように磁気抵抗効果素子として用いることができる。またスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０は、単独でも異方性磁気センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として利用できる。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
【００７９】
本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１電極３０と第２電極４０とのうち少なくとも一方が、所定の電圧閾値を境界に高抵抗状態と低抵抗状態とが変化するスイッチング層を内部に有する。そのためスピン軌道トルク型磁化回転素子１１０の外部に接続され、動作を制御する制御素子の数を減らすことができる。制御素子のために設けられていたスペースを有効活用することができ、集積性を高めることができる。
【００８０】
「第３実施形態」
（磁気メモリ）
図５は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００（図１参照）を備える磁気メモリ２００の模式図である。図１は、図５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５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５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の構成、数及び配置は任意である。
【００８１】
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〜ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１〜ＲＬ３が接続されている。
【００８２】
ワードラインＷＬ１〜ＷＬ３とビットラインＢＬ１〜ＢＬ３との間に所定値以上の電圧差を与えることで、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２０に電流が流れ、書き込み動作が行われる。またリードラインＲＬ１〜ＲＬ３とビットラインＢＬ１〜ＢＬ３との間に所定値以上の電圧差を与えることで、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１０の積層方向に電流が流れ、読み出し動作を行う。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。
【００８３】
また本実施形態にかかる磁気メモリ２００は、印加する電圧を制御するのみで、データを書き込む又は読み出す素子を選択できる。そのため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を高密度に集積することが可能であり、集積性に優れた磁気メモリが実現できる。
【００８４】
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】
【００８５】
１  第１強磁性層
２  第２強磁性層
３  非磁性層
１０  機能部
２０  スピン軌道トルク配線
３０  第１電極
３２  第１スイッチング層
４０  第２電極
４２  第２スイッチング層
１００、１０１  スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
１１０  スピン軌道トルク型磁化回転素子
２００  磁気メモリ
Ｍ１、Ｍ２  磁化
【図１】
2019161175.tif 000003
【図２】
2019161175.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019161175.tif 000006
【図５】
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