(57)【要約】【課題】他の素子への影響を及ぼす磁場の発生を抑制できるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】このスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線層と、第１強磁性層と、反強磁性結合層と、第２強磁性層と、非磁性層と、磁化参照層と、がこの順に配置され、前記第１強磁性層の飽和磁化と前記第１強磁性層の膜厚の積の大きさは、前記第２強磁性層の飽和磁化と前記第２強磁性層の膜厚の積の大きさよりも大きい。【選択図】図１
2019204949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン軌道トルク配線層と、
第１強磁性層と、
反強磁性結合層と、
第２強磁性層と、
非磁性層と、
磁化参照層と、をこの順に有し、
前記第１強磁性層の飽和磁化と前記第１強磁性層の膜厚の積の大きさは、前記第２強磁性層の飽和磁化と前記第２強磁性層の膜厚の積の大きさよりも大きい、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１強磁性層は、前記第２強磁性層よりもスピン抵抗が低い、請求項１に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線層側に位置する第１面は、前記第２強磁性層の前記非磁性層側に位置する第２面より面積が大きい、請求項１または２に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１強磁性層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉから選択される少なくとも一つの元素と、少なくとも一つの希土類元素と、を含む合金を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１強磁性層は、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＨｏＦｅ合金、又はＳｍＦｅ合金を含む、請求項４に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１強磁性層の厚さは、前記第２強磁性層の厚さよりも薄い、請求項１から５のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記非磁性層は、スピネル構造の結晶構造を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数有する、磁気メモリ。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか一項に記載のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数有し、
第１のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を構成する第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化容易軸方向が第１方向であり、
前記第１のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子と最近接する第２のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子とを結ぶ方向が、前記第１方向と異なる、磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子、及び磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二つの強磁性層の磁化の相対角の変化に基づく抵抗値変化（磁気抵抗変化）を利用した素子として、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）素子等が知られている。
【０００３】
近年、磁気抵抗変化を利用したスピン素子（スピントロニクスを利用した素子）の中でも、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用したスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子や、磁壁の移動を利用した磁壁移動型磁気記録素子に注目が集まっている。
【０００４】
例えば、非特許文献１にはスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子が記載されている。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。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流れる。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子は、積層方向に電流を流す必要がなく、スピン流磁化回転型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】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８９６３２２２号公報
【特許文献２】特開２０１８−６７７０１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，  Ｔ．Ａｎｅｋａｗａ，  Ｃ．Ｚｈａｎｇ  ａｎｄ  Ｈ．Ｏｈｎｏ，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｎａｎｏ  Ｔｅｃ  （２０１６）．  ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＮＡＮＯ．２０１６．２９．
【非特許文献２】Ｓ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ  ａｎｄ  Ｓ．Ｍａｅｋａｗａ，Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ６７（５）、０５２４０９（２００３）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＳＯＴを用いたトンネル型磁気抵抗効果素子（ＳＯＴ−ＭＴＪ）は、スピン軌道トルク配線層に電流を流し、電流と直交する向きのスピン流を生成することによって、スピン軌道トルク配線層に接する第１強磁性層の磁化を反転させる。非特許文献１では、スピン軌道トルク配線層が延び、電流が流れる方向をＸ方向とし、積層膜の面内においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、積層膜面に垂直な方向をＺ方向としている。スピン軌道トルク配線層のＸ方向に電流を流すと、スピン流が生成される。スピン流によってスピン軌道トルク配線層と第１強磁性層の界面に至るスピンは、Ｙ方向に配向している。第１強磁性層の磁化の向きがＹ方向の場合は、第１強磁性層に注入されるスピンの向きがＹ方向であるため、第１強磁性層の磁化は無磁場環境下でも磁化反転する。第１強磁性層の磁化の向きがＸ方向あるいはＺ方向の場合は、磁化の向きとスピン流を構成するスピンの向きとのそれぞれに直交する成分を持つ磁場を、第１強磁性層に印加することで、第１強磁性層の磁化は磁化反転する。第１強磁性層の磁化の向きがいずれの方向であっても、磁場は磁化反転に影響することが知られている。特に第１強磁性層の磁化の向きがＸ方向あるいはＺ方向の場合は、わずかな磁場でも第１強磁性層の磁化反転がアシストされる。つまり。磁場は、第１強磁性層の磁化反転に影響を及ぼす。
【０００８】
磁気メモリは、例えば、ＳＯＴ−ＭＴＪを集積したものである。ＳＯＴ−ＭＴＪのデータを担う磁化自由層は、データが書き換わる度に磁化方向が反転する。この時、磁化自由層から磁場が発生しており、発生した磁場は隣接する他のＳＯＴ−ＭＴＪに印加される。したがって、集積されたＳＯＴ−ＭＴＪの磁気メモリでは、隣接するＳＯＴ−ＭＴＪからの磁場を無視することが出来ず、磁化反転確率の変化やデータの書き換えなどを生じてしまうという課題があった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、他の素子への影響を及ぼす磁場の発生を抑制できるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子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】
上記の課題を解決するため、以下の手段を提供する。
第１の態様にかかるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線層と、第１強磁性層と、反強磁性結合層と、第２強磁性層と、非磁性層と、磁化参照層と、をこの順に有し、第１強磁性層の飽和磁化と第１強磁性層の膜厚の積の大きさは、第２強磁性層の飽和磁化と第２強磁性層の膜厚の積の大きさよりも大きい。
【００１１】
第１の態様にかかるＳＯＴ−ＭＴＪ素子は、素子内において、第１強磁性層から生じる磁場により第２強磁性層から生じる磁場をキャンセルする。つまり、第１強磁性層から生じる磁場は、第２強磁性層から生じる磁場は、互いに弱めあう関係にある。その結果、ＳＯＴ−ＭＴＪから放出される磁場を弱くし、隣接するＳＯＴ−ＭＴＪへの磁場印加の影響を抑制する。また、第１強磁性層の飽和磁化とその膜厚の積を、第２強磁性層の飽和磁化とその膜厚の積よりも大きくすることにより、磁化参照層への磁束の影響を抑制し、磁化参照層の磁化の揺らぎを低減することが可能となる。これにより、第２強磁性層の磁化の向きに関わらず、磁化参照層の磁化の向きが安定し、磁化を保持することが可能となる。
【００１２】
第１強磁性層は第２強磁性層よりもスピン抵抗が低いとすることが好ましい。スピン流は、スピン抵抗が低い方に流れやすい。スピン流が第１強磁性層に集中することで、第１強磁性層の磁化反転が容易になる。
【００１３】
第１強磁性層のスピン軌道トルク配線層に位置する第１面は、第２強磁性層の非磁性層側に位置する第２面より面積が大きいことが好ましい。第１強磁性層の面積が大きくなることで、体積も大きくなり、データを保持する力が強くなる。
【００１４】
第１強磁性層はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉからなる群から選択される少なくとも一つの元素と、少なくとも一つの希土類元素と、を含む合金を含むことが好ましい。第１強磁性層のスピン拡散長が短くなり、スピン軌道トルク配線層から発生したスピン流が第１強磁性層で吸収され、第２強磁性層に到達しにくくなり、所望の磁化反転を生じしやすくなる。第２強磁性層までスピン流が到達すると、磁化の向きが第１強磁性層の磁化の向きと逆向きであるため、磁化反転を抑制する働きをしてしまう。
【００１５】
第１強磁性層はＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＨｏＦｅ合金、又は、ＳｍＦｅ合金を含むことが好ましい。これらの材料は、結晶磁気異方性が強いため、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなっても、データを安定的に保持できる。
【００１６】
第１強磁性層の厚さは第２強磁性層の厚さよりも薄いことが好ましい。第２強磁性層の厚さを厚くすることで、ＳＯＴ−ＭＴＪの磁気抵抗比が大きくなる。また第２強磁性層の厚さを厚くすることで、磁化参照層が、第１強磁性層の磁化の影響を受けにくくなる。
【００１７】
非磁性層はスピネル構造の結晶構造を有する材料であることが好ましい。スピン軌道トルク配線層に書き込み電流を印加した時のＳＯＴ−ＭＴＪの耐久性が高まる。長期間、あるいは強い負荷が印加されてもＳＯＴ−ＭＴＪが故障しにくくなる。
【００１８】
第２の態様に係る磁気メモリは、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を複数有する。この磁気メモリは高速での書き込みが可能であり、ＳＲＡＭを不揮発の高速メモリに置き換えることが可能である。データが不揮発化することにより、待機電力をゼロにすることができ、磁気メモリ（集積素子）の省電力化が可能となる。
【００１９】
上記態様に係る磁気メモリは、第１のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を構成する第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化容易軸方向が第１方向であり、前記第１のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子と最近接する第２のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子とを結ぶ方向が、前記第１方向と異なってもよい。最近接の素子からの影響が受けにくくなり、磁化の反転確率の変化やデータ保持力の変化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、他の素子への影響を及ぼす磁場の発生を抑制できるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の積層構造を表した模式図である。
【図２】第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２００の積層構造を表した模式図である。
【図３】第３実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子３００の積層構造を表した模式図である。
【図４Ａ】第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａが第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａよりも大きい場合の磁気記録層１１の積層構造を表した模式図である。
【図４Ｂ】第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａが第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａよりも大きい場合の磁気記録層１１の積層構造を表した模式図である。
【図５】第４実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子４００の積層構造を表した模式図である。
【図６】配置例１に係る磁気メモリの配置図を示す。
【図７】スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の周辺構造（書き込みトランジスタ及び選択トランジスタを含む）を示す図である。
【図８】Ｔｙｐｅ−Ｘにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００のパッチワーク配置をした場合を示している。
【図９】Ｔｙｐｅ−Ｙにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００のパッチワーク配置をした場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。上下左右は、図示上の位置関係を指すものとする。
【００２３】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００として、磁化参照層６が最も単純な一層で構成されている形態を示す。なお、磁化参照層６からの磁束は十分小さいものとし、磁気記録層１１から発生する磁束のみを影響を考慮すればよいとして説明する。磁化参照層６の磁化は、所定の外力が印加された際に磁気記録層１１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。磁気記録層１１は、磁化自由層とも言われる。
【００２４】
（基本構造）
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク配線層１、第１強磁性層２、反強磁性結合層４、第２強磁性層３、非磁性層５、磁化参照層６がＺ方向に順に積層された構造である。スピン軌道トルク配線層１はＸＹ平面内に広がっている。スピン軌道トルク配線層１は、例えばＸ方向に延びる。第１強磁性層２より上の層は、スピン軌道トルク配線層１から離れるに従い、狭窄した構造となっている。すなわち、第１強磁性層２、反強磁性結合層４、第２強磁性層３、非磁性層５及び磁化参照層６は、スピン軌道トルク配線層１から離れるに従い、外周長又は外径が小さくなっている。
＜磁気記録層（磁化自由層）＞
磁気記録層１１は、第１強磁性層２と第２強磁性層３と反強磁性結合層４とを有する。第１強磁性層２と第２強磁性層３とは、反強磁性結合層４によって反強磁性的に結合している。第１強磁性層２と第２強磁性層３のそれぞれの層から発生する磁束は、第１強磁性層２と第２強磁性層３とを繋ぐループを作る。磁気記録層１１全体の磁化ベクトル１１Ａは、第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａと第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａの差分となる（図４Ａ，図４Ｂ参照）。第１強磁性層２と第２強磁性層３のそれぞれの膜厚と材料を調節すると、実質上ひとつの磁気記録層１１から外部に向って発生する磁束をゼロに近づけることができる。
【００２５】
第１強磁性層２からの磁場と第２強磁性層３の磁場とが弱めあう関係にあると、１つのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００から放出される磁場が弱くなる。すなわち、１つのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００が生じる磁場が、隣接する他のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子へ与える影響を抑制できる。また、第１強磁性層２の飽和磁化とその膜厚の積の大きさを、第２強磁性層３の飽和磁化とその膜厚の積の大きさよりも大きくすると、磁化参照層６への磁束の影響を抑制できる。磁化参照層６への磁束の影響が小さくなると、磁化参照層６の磁化の揺らぎを低減することが可能となる。これにより、第２強磁性層３の磁化の向きに関わらず、磁化参照層６の磁化の向きが安定し、データを安定して保持できる。
【００２６】
第１強磁性層２と第２強磁性層３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、第１強磁性層２及び第２強磁性層３に用いることができる。第１強磁性層２及び第２強磁性層３は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉから選択される少なくとも一つの元素と、少なくとも一つの希土類元素と、を含む合金を含むことが好ましい。第１強磁性層２及び第２強磁性層３は、例えば、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＨｏＦｅ合金、又はＳｍＦｅ合金を含む。第１強磁性層２及び第２強磁性層３は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｓｍ−Ｆｅ、Ｈｏ−Ｆｅである。
【００２７】
また第１強磁性層２は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有し、より大きな出力が得られる。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む。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。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃである。
【００２８】
＜スピン軌道トルク配線層＞
スピン軌道トルク配線層１は、ＸＹ面内に延在する。スピン軌道トルク配線層１は、例えば、第１強磁性層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層１は、第１強磁性層２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。
【００２９】
スピン軌道トルク配線層１は、例えば、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層１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。
【００３０】
スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに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。
【００３１】
例えば、スピン軌道トルク配線層１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（Ｚ方向）に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は、＋Ｚ方向に進行方向が曲げられ、第２スピンＳ２は、−Ｚ方向に進行方向が曲げられる。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。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。
【００３２】
非磁性体（強磁性体ではない材料）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。すなわち、上方向（＋Ｚ方向）に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向（−Ｚ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。
【００３３】
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層１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。
【００３４】
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層１の上面に第１強磁性層２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２にスピンが注入される。
【００３５】
スピン軌道トルク配線層１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。
【００３６】
スピン軌道トルク配線層１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。スピン軌道トルク配線層１は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗである。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。
【００３７】
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、スピンホール効果が強く作用し、電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存する。その結果、これらの非磁性金属は、純スピン流Ｊｓが発生しやすい。
【００３８】
またスピン軌道トルク配線層１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層１の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
【００３９】
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層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。
【００４０】
また、スピン軌道トルク配線層１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層１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。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、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。トポロジカル絶縁体は、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。
【００４１】
トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，Ｂｉ１−ｘＳｂｘ，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などである。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。
【００４２】
（反強磁性結合層）
反強磁性結合層４は、例えば、ＲｕやＩｒである。反強磁性結合層４の膜厚を設定すると、反強磁性結合層に接する強磁性層（第１強磁性層２と第２強磁性層３）間に反強磁性的な結合が付与され、互いの磁化ベクトル２Ａ、３Ａの向きが逆向きになる。
【００４３】
図４Ａと図４Ｂに磁気記録層１１における反強磁性的な結合を示す。磁気記録層１１において、第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａと第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａとは、反強磁性的な結合をしているため、反対方向を向いている。図４Ａでは第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａよりも第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａが大きく、結果として、磁気記録層１１の磁化ベクトル１１Ａは第１強磁性層の磁化ベクトル２Ａと同じ向きである。一方、図４Ｂでは、第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａよりも第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａが大きく、磁気記録層１１の磁化ベクトル１１Ａは第２強磁性層の磁化ベクトル３Ａと同じ向きである。
【００４４】
（非磁性層）
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（つまり、トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｍｇ、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を非磁性層５に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。さらに、スピネル構造の結晶構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４はトンネルバリア層に電流を印加した場合の耐久性がＭｇＯより優れており、製品を長期間保証することができる。また、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。
【００４５】
（キャップ層）
キャップ層９には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。キャップ層９の結晶構造は、隣接する強磁性金属層の結晶構造に合せて、面心立方（ｆｃｃ）構造、六方最密充填（ｈｃｐ）構造又は体心立方（ｂｃｃ）構造から適宜設定することが好ましい。
【００４６】
（素子形状）
図１に示した様にスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層２のスピン軌道トルク配線層１に接する第１面２ａが、第２強磁性層３の非磁性層５に接する第２面２ｂの面積より大きいことが好ましい。第１強磁性層２の面積が大きくなることで、磁気記録層１１の体積も大きくすることができるため、データ保持する力を強くすることができる。
【００４７】
（第１強磁性層と第２強磁性層）
第１強磁性層２は希土類を含む強磁性材料であることが好ましく、第２強磁性層３はＦｅを含む強磁性材料であることが好ましい。希土類を含む強磁性材料は、結晶磁気異方性が強く、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００のサイズが小さくなってもデータを安定的に保持できる。また、第１強磁性層２が希土類元素を含むと、第１強磁性層２におけるスピン軌道相互作用が大きくなり、第１強磁性層２のスピン拡散長が短くなる。第２強磁性層３はＦｅを含む強磁性材料であることで、非磁性層５がＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４の場合に、コヒーレントトンネルが実現できる。その結果、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の磁気抵抗比が大きくなる。
【００４８】
（スピン抵抗、スピン抵抗率）
スピン抵抗は、スピン流の流れやすさ（スピン緩和のし難さ）を定量的に示す量である。非特許文献２には、スピン抵抗の理論的な取り扱いが開示されている。スピン抵抗が異なる物質の界面では、スピン流の反射（戻り）が生じる。すなわちスピン抵抗の小さい材料からスピン抵抗の大きい材料へはスピン流の一部しか注入されない。
【００４９】
スピン抵抗Ｒｓは次の式で定義される（非特許文献２参照）。
【数１】
2019204949.tif 000003
ここで、λは材料のスピン拡散長、ρは材料の電気抵抗率、Ａは材料の断面積である。
非磁性体では、断面積Ａが等しい場合、式（１）のうち、スピン抵抗率であるρλの値によってスピン抵抗の大きさが決まる。
【００５０】
第１実施形態において、第１強磁性層２が希土類を含む強磁性材料であり、第２強磁性層３がＦｅを含む強磁性材料である場合、第１強磁性層２はスピン軌道トルク配線層１から発生したスピン流を吸収する。第１強磁性層２においてスピン流を吸収し、スピン流によるスピン軌道トルクを第１強磁性層２の磁化反転に十分作用させないと、スピン流の一部が第２強磁性層３に到達する。スピン流が第２強磁性層３に到達すると、スピン流は、第１強磁性層２の磁化を配向させようとする方向と、同じ方向に第２強磁性層３の磁化を配向させようとする。この時、第１強磁性層２と第２強磁性層３の磁化の向きが逆であるため、第２強磁性層３の磁化反転は、第１強磁性層２の磁化反転を阻害する。したがって、第１強磁性層２はスピン抵抗が低く、スピン軌道トルク配線層１で発生したスピン流を吸収し易いことが好ましい。また、第２強磁性層３は非磁性層５と接し、コヒーレントトンネルを実現することによって高い磁気抵抗比を得ることができる。コヒーレントトンネルを引き起こすためにはＦｅ系の強磁性材料が好ましく、第２強磁性層３はＦｅを含む強磁性材料である場合に、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００は高い磁気抵抗比を示す。
【００５１】
第１強磁性層２はＣｏＦｅ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＨｏＦｅ合金、又はＳｍＦｅ合金を含むことが好ましい。特に、ＳｍＦｅ１２とＨｏＦｅ２が好ましい。これらの材料はｃ軸を長軸とする正方晶であり、ｃ軸方向への結晶磁気異方性が強い材料である。結晶磁気異方性が強いことにより、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の大きさが小さい場合でも、データを安定的に保持できる。
【００５２】
第１強磁性層２の厚さは第２強磁性層３の厚さよりも薄いことが好ましい。第１強磁性層２が希土類を含む場合、第１強磁性層２の飽和磁化は大きくなる。第２強磁性層３が希土類を含まない場合、第１強磁性層２は、第２強磁性層３よりも薄い膜厚で、第２強磁性層３と同等の磁場を生み出すことができる。すなわち、第１強磁性層２の厚さが第２強磁性層３の厚さよりも薄い場合でも、第１強磁性層２が生み出す磁場と第２強磁性層３が生み出す磁場を互いにキャンセルすることが可能である。また、第２強磁性層３を厚くすると、読み込み時にスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の磁気抵抗比を大きくできる。第２強磁性層３を厚くすることで、磁化参照層６からのスピン偏極電流を第２強磁性層３で十分に緩和させ、磁気散乱として抵抗増大に寄与させることが出来るからである。
【００５３】
（評価方法）
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００は、第２強磁性層３と磁化参照層６の磁化ベクトル３Ａ、６Ａの相対角の違いを抵抗値として評価する。例えば、電流源をスピン軌道トルク配線層１のＸＹ平面の両端に接続し、通電する。電流源の電流値が十分な場合、スピン軌道トルク配線層１に発生するスピン流によって第１強磁性層２の磁化が反転する。第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａは第１強磁性層２と反強磁性結合層４によって磁気結合しているため、第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａと逆の向きに反転する。電流源と電圧計をスピン軌道トルク配線層１と磁化参照層６の両端に設置し、一定の電流、あるいは、一定の電圧をスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００に印加し、抵抗を評価すると、第２強磁性層３と磁化参照層６の磁化ベクトル３Ａ、６Ａの相対角を評価できる。また、外部から磁場を掃引しながら測定することによって、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の抵抗変化を観測できる。抵抗値の最大値と最小値から第２強磁性層３と磁化参照層６の磁化の相対角を評価できる。
【００５４】
ＭＲ比は一般的に以下の式で表される。
ＭＲ比（％）＝（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰ×１００
ＲＰは第２強磁性層３と磁化参照層６の磁化の向きが平行の場合の抵抗であり、ＲＡＰは第２強磁性層３と磁化参照層６の磁化の向きが反平行の場合の抵抗である。
【００５５】
（第２実施形態）
第２実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２００は、第１実施形態と類似している。第１実施形態と共通の構成については、同じ符号を用い、説明を省略する。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子２００は、磁化参照層１２の構成が、第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００と異なる。磁化参照層１２は、第１磁化参照層１６と、第２反強磁性結合層１７と、第２磁化参照層１８をスピン軌道トルク配線層１から順に有する。第１磁化参照層１６と第２磁化参照層１８とは、第２反強磁性結合層１７によって反強磁性的に結合されている。図２のように、第１磁化参照層１６と第２磁化参照層１８のそれぞれの磁化１６Ａ、１８Ａの向きは逆向きとなっている。この構造にすることによって、磁気記録層１１のように、磁化参照層１２全体の正味の磁化をゼロに近づけることができ、磁化参照層１２から生じる磁束が他のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子へ与える影響を軽減できる。またキャップ層９は第２磁化参照層１８の結晶方位の調整、及び第２磁化参照層１８との電子軌道の混成による界面磁気異方性の誘起などの効果を示す。
【００５６】
（第３実施形態）
図３は第３実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子３００を示した図である。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子３００は、磁化参照層１２を第２反強磁性結合層１７でシンセティック構造にしている。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子３００において、スピン軌道トルク配線層１と第１強磁性層２はＸＹ平面内に広がる。
【００５７】
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子３００を形成する場合には、スピン軌道トルク配線層１から順にキャップ層９までを真空中で連続成膜することが好ましい。各層の界面状態が活性であり、各層の結合が強くなるためである。連続成膜することにより界面による磁気散乱が抑制され、隣接する層間の磁気結合が高まり、隣接する層間のスピンの伝導が効率的になる。
【００５８】
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子３００は、多層膜を所定の素子形状に加工する。加工は、例えばミリングによって、多層膜を削って行う。例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの方法は、半導体プロセスで頻繁に用いられるが、多層膜への磁気的なダメージを考慮するとイオンビームエッチング（ＩＢＥ）が好ましい。ＩＢＥでは加速したイオンを多層膜に衝突させて多層膜を除去するため、ＲＩＥのように、層を構成する元素による選択性が少ない。したがって、ＩＢＥで削る場合には、ＩＢＥビームの強度、時間、多層膜の削った時に生じる二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）の信号を読み取ることによって、多層膜のミリングの位置を推測できる。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子３００のスピン軌道トルク配線層１は十分薄く３〜５ｎｍ程度である。これはスピン軌道トルク配線層１のスピン拡散長が数ｎｍ程度であり、これ以上の膜厚を設定しても磁化反転に寄与しないからである。また、膜厚を増やすとスピン軌道トルク配線層１の断面積が大きくなる。第１強磁性層２の磁化は、スピン軌道トルク配線層１を流れる電流の電流密度が所定値（反転電流密度）を超えると反転する。スピン軌道トルク配線層１の断面積が大きくなると、スピン軌道トルク配線層１に、より多くの電流が必要になり、消費電力が大きくなる。以上の理由によりＩＢＥによって多層膜を加工し、スピン軌道トルク配線層１の任意の高さ位置で加工を止める必要がある。この時に反強磁性結合層４を削った際に生じるＳＩＭＳの信号を、ＩＢＥによる加工を止める信号の基準にすることが好ましい。反強磁性結合層４はＲｕやＩｒが用いられ、これらは重金属であり、大きなＳＩＭＳの信号を得ることが可能である。この信号を基準とすることで、素子の加工が安定し、信頼性が向上する。また、第１強磁性層２がＸＹ平面に広がることによって第１強磁性層２の体積を大きくすることが可能であり、データ保持力を強くすることが出来る。
【００５９】
（第４実施形態）
図６は第４実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子４００を示した図である。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子４００は、スピン軌道トルク配線層１が磁気記録層１１、非磁性層５、磁化参照層６及びキャップ層９より＋ｚ方向に位置する点が第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００と異なる。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６０】
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子４００は、スピン軌道トルク配線層１が磁気記録層１１、非磁性層５、磁化参照層６及びキャップ層９より＋ｚ方向に位置する。すなわち、スピン軌道トルク配線層１は、磁気記録層１１、非磁性層５、磁化参照層６及びキャップ層９より後述する基板Ｓｕｂから離れた位置にある。磁化参照層６は、磁気記録層１１より後述する基板Ｓｕｂに近い位置にある。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子４００は、ボトムピン構造である。
【００６１】
スピン軌道トルク配線層１は、第１強磁性層２及び絶縁層９０の＋ｚ方向の位置に積層されている。絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層９０、９１は、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、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）等である。
【００６２】
スピン軌道トルク配線層１の第１面１ａ及び第２面１ｂは、場所によってｚ方向の高さ位置が異なる。第１面１ａは、スピン軌道トルク配線層１の第１強磁性層２に近い側の面であり、第２面１ｂは第１面１ａと反対側の面である。以下、第１面１ａのうち、ｚ方向において第１強磁性層２と重なる部分を第１面１ａＡと称し、重ならない部分を第１面１ａＢと称する。以下、第２面１ｂのうち、ｚ方向において第１強磁性層２と重なる部分を第２面１ｂＡと称し、重ならない部分を第２面１ｂＢと称する。第１面１ａＢは、第１面１ａＡより＋ｚ方向に位置する。第１面１ａを例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）する際の研磨スピードの違いにより、第１面１ａＡは第１面１ａＢに対して−ｚ方向に凹む。第２面１ｂＢは、第２面１ｂＡより＋ｚ方向に位置する。第２面１ｂは、第１面１ａの形状を反映する。
【００６３】
以上のような構成とされたスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子４００は、ボトムピン構造であっても、第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。
【００６４】
（第５実施形態）
スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００を複数並べて、動作させることによって磁気メモリ１０００を形成することができる。
【００６５】
（配置例１）
磁気メモリ１０００において、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００は正方格子状に配置することが一般的である。図６にスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００を正方格子状に配置した構造を示す。図６におけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００は、第１実施形態に係るスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００と同様である。また図６に示す磁化ベクトル１１Ａは、磁気記録層１１全体の磁化ベクトルであり、第１強磁性層２の磁化ベクトル２Ａと第２強磁性層３の磁化ベクトル３Ａの差分である（図４Ａ、図４Ｂ参照）。スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００において書き込みトランジスタと選択トランジスタがそれぞれ必要である。
【００６６】
図７は、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００の周辺構造（書き込みトランジスタ及び選択トランジスタを含む）を示す図である。トランジスタＴｒ（書き込みトランジスタ及び選択トランジスタ）は、ゲート電極Ｇと、ゲート絶縁膜ＧＩと、基板Ｓｕｂに形成されたソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄと、を有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。
【００６７】
トランジスタＴｒのそれぞれとスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００、ワードラインＷＬ及びビットラインＢＬとは、導電部Ｃｗを介して、電気的に接続されている。導電部Ｃｗは、例えば、接続配線、ビア配線と言われることがある。導電部Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。導電部Ｃｗは、ｚ方向に延びる。
【００６８】
またスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００には電極８０が形成されている。電極８０は、導電性を有する材料を含む。電極８０は、リードラインに接続される。リードラインＲＬと電極８０との間に、スイッチング素子（例えば、トランジスタ）を有してもよい。リードラインＲＬと電極８０との間のスイッチング素子は、図７における紙面奥行き方向（−ｙ方向）に例えば位置する。
【００６９】
スピン軌道トルク配線層１のＸＹ平面上に電流を流す必要があるため、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００はＸＹ平面で１軸を長軸とする構造になる。図６に示す磁気メモリ１０００は、複数の素子が配列する方向と、それぞれの磁気記録層１１の磁化ベクトル１１Ａが配向する方向とが同じである。この場合、磁束は同じ列に所属するそれぞれのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００の内部を貫き、同じ列に所属する両端のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００を結ぶように回り込む。この配置の場合、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子９００から生じる磁束が互いのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子に影響する。磁気記録層１１からの磁束の発生を抑制すると、磁束の発生を抑制でき、それぞれの素子間における磁束の影響を抑制できる。
【００７０】
（配置例２）
配置例１の配置の課題を抑制する方法として、スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の配置の仕方を工夫した磁気メモリ２０００を図８に示す。図８ではスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００をパッチワーク状に配置している。すなわち、ｘ方向に並ぶ第１列に所属するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００と、隣接する第２列に所属するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００と、のｘ方向の位置がそれぞれずれている。配置例２は、最近接のスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の間の距離が配置例１より広い。この配置によりスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の磁束の影響を抑制することが可能である。図８はＴｙｐｅ−Ｘにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００のパッチワーク配置をした場合を示している。Ｔｙｐｅ−Ｘとは、磁気記録層１１全体の磁化ベクトル１１ＡがＸ方向に配向し、スピン軌道トルク配線層１がＸ方向に延びる構成である。それぞれのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の磁気記録層１１の磁化容易軸方向はＸ方向である。最近接するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００を結ぶ方向は、Ｘ方向から４５°だけＹ方向に向かって傾いた方向である。
【００７１】
（配置例３）
図９はＴｙｐｅ−Ｙにおけるスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００のパッチワーク配置をした場合を示している。この配置によりスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００の磁束の影響を抑制することが可能である。Ｔｙｐｅ−Ｙとは、磁気記録層１１全体の磁化ベクトル１１ＡがＹ方向に配向し、スピン軌道トルク配線層１がＸ方向に延びる構成である。それぞれのスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子の磁気記録層１１の磁化容易軸方向はＹ方向である。最近接するスピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子１００を結ぶ方向は、Ｘ方向から４５°だけＹ方向に向かって傾いた方向である。
【符号の説明】
【００７２】
１００,２００，３００，９００…スピン流磁化回転型磁気抵抗効果素子、１…スピン
軌道トルク配線層、２…第１強磁性層、２Ａ…第１強磁性層の磁化ベクトル、３…第２強磁性層、３Ａ…第２強磁性層の磁化ベクトル、４…反強磁性結合層、５…非磁性層、６…磁化参照層、１６…第１磁化参照層、１７…第２反強磁性結合層、１８…第２磁化参照層、９…キャップ層、１１…磁気記録層、１１Ａ…磁気記録層の磁化ベクトル、１２…磁化参照層、１３…磁気記録層の磁束
【図１】
2019204949.tif 000004
【図２】
2019204949.tif 000005
【図３】
2019204949.tif 000006
【図４Ａ】
2019204949.tif 000007
【図４Ｂ】
2019204949.tif 000008
【図５】
2019204949.tif 000009
【図６】
2019204949.tif 000010
【図７】
2019204949.tif 000011
【図８】
2019204949.tif 000012
【図９】
2019204949.tif 000013