(57)【要約】【課題】スピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果を用いた磁化反転による書込み効率に優れたスピン流磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。【解決手段】このスピン流磁気抵抗効果素子は、第１強磁性金属層と、磁化方向を変化できる第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層及び前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記第２強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記積層方向から見て、前記磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において、前記第１強磁性金属層の第１端部と前記第２強磁性金属層の第２端部との間に、前記非磁性層の第３端部が位置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性金属層と、磁化方向を変化できる第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層及び前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記第２強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記積層方向から見て、前記磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において、前記第１強磁性金属層の第１端部と前記第２強磁性金属層の第２端部との間に、前記非磁性層の第３端部が位置する、スピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記第１端部と前記第３端部との距離より長い、請求項１に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１端部、前記第２端部及び前記第３端部が存在する側面が、前記磁気抵抗効果素子の前記第１の方向に位置する、請求項１又は２に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより長い、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより短い、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より短い、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より短い、請求項６に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より長い、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より長い、請求項８に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記磁気抵抗効果素子の前記側面が、前記第１強磁性金属層から前記第２強磁性金属層に向かって前記積層方向に広がる傾斜面である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン流磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスピン流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、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、下向きスピン電子と、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】
一方で、ＳＯＴを用いた磁化反転には、外部磁場を印加して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。外部磁場を印加するためには磁場の発生源が必要である。磁場の発生源を別途設けることは、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を用いて磁化反転できる手法が求められている。例えば、特許文献１には、記録層の磁化容易軸が記録層内で不均一であり、記録層内に磁化容易軸の異なる複数の領域を備えた素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０２１４６８号
【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、特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子は、磁化固定層の磁化の影響が強く、記録層の磁化容易軸の方向を記録層内で充分不均一にすることができなかった。そのため、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果を用いた磁化反転による書込み効率を十分高めることができなかった。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果を用いた磁化反転による書込み効率に優れたスピン流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】
【００１１】
本発明者らは、磁気抵抗効果素子の各層の端部位置を規定し、第２強磁性金属層内の磁化容易軸の方向をより不均一にした。そして、データの書込み時の電流の一部を第２強磁性金属層内に分流し、第２強磁性金属層の磁化にスピントランスファートルクを与える、又は、磁壁の移動を利用することで、第２強磁性金属層の磁化を容易に反転できることを見出した。また、磁化容易軸が異なる領域（磁化の不均一を緩和する磁化緩和領域も含む）を、第１強磁性金属と重畳しないＭＲ比への影響が少ない部分に設けることで、磁気抵抗効果素子のＭＲ比の低下を抑制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気抵抗効果素子は、第１強磁性金属層と、磁化方向を変化できる第２強磁性金属層と、前記第１強磁性金属層及び前記第２強磁性金属層に挟持された非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記第２強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記積層方向から見て、前記磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において、前記第１強磁性金属層の第１端部と前記第２強磁性金属層の第２端部との間に、前記非磁性層の第３端部が位置する。
【００１３】
（２）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記第１端部と前記第３端部との距離より長くてもよい。
【００１４】
（３）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第１端部、前記第２端部及び前記第３端部が存在する側面が、前記磁気抵抗効果素子の前記第１の方向に位置してもよい。
【００１５】
（４）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより長くてもよい。
【００１６】
（５）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記スピン軌道トルク配線の厚さより短くてもよい。
【００１７】
（６）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より短くてもよい。
【００１８】
（７）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より短くてもよい。
【００１９】
（８）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第２端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より長くてもよい。
【００２０】
（９）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記第１端部と前記第３端部との距離が、前記第１の方向及び前記積層方向と直交する方向における前記第２強磁性金属層の幅より長くてもよい。
【００２１】
（１０）上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子において、前記磁気抵抗化素子の前記側面が、前記第１強磁性金属層から前記第２強磁性金属層に向かって前記積層方向に広がる傾斜面であってもよい。
【００２２】
（１１）第２の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子を複数備える。
【発明の効果】
【００２３】
上記態様にかかるスピン流磁気抵抗効果素子及び磁気メモリによれば、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果を用いた磁化反転による書込み効率に優れたスピン流磁気抵抗効果素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。
【図２】本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子をｚ方向から平面視した図である。
【図３】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４】ｚ方向から見て磁気抵抗効果素子の各層の端部が同一位置に存在するスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
【図５】特許文献１に図示されたスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
【図６】本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子をｚ方向から平面視した図である。
【図７】本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の別の例を模式的に示した断面図である。
【図８】本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の別の例をｚ方向から平面視した図である。
【図９】本実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の別の例を模式的に示した断面図である。
【図１０】本実施形態に係る磁気メモリの一例を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（スピン流磁気抵抗効果素子）
図１は、第１実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。第１実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
【００２７】
以下、磁気抵抗効果素子１０の積層方向をｚ方向とし、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向とする。また、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。
【００２８】
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子１０は、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。第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１は、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２に対して相対的に固定されている。
【００２９】
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１と、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２と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１０の第１強磁性金属層１の保磁力を第２強磁性金属層２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を磁気抵抗効果素子１０に適用する場合には、磁気抵抗効果素子１０における第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１を、反強磁性層との交換結合によって固定する。
【００３０】
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。
【００３１】
磁気抵抗効果素子１０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。
【００３２】
図１に示す磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１のｘの方向における第１端部ｅ１と、第２強磁性金属層２のｘ方向における第２端部ｅ２との間に、非磁性層３のｘ方向における第３端部ｅ３が位置する。
【００３３】
図１では、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の両側面において、第１端部ｅ１、第２端部ｅ２及び第３端部ｅ３が当該関係を満たしている。これらの関係は、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の一側面において当該関係を満たしていればよいが、書き込み電流の流れ方向前方の側面において当該関係を満たすことが特に好ましい。図２は、第１実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子をｚ方向から見た図である。図２（ａ）は、図１のスピン流磁気抵抗効果素子１００をｚ方向から見た図である。図２（ｂ）及び（ｃ）は別の例にかかるスピン流磁気抵抗効果素子をｚ方向から見た図である。
【００３４】
磁気抵抗効果素子１０を構成する各層（第１強磁性金属層１、第２強磁性金属層２、非磁性層３）の端部（第１端部ｅ１、第２端部ｅ２、第３端部ｅ３）が当該関係を満たすと、第２強磁性金属層２に磁気異方性の異なる３つの領域が形成される。
【００３５】
第２強磁性金属層２の第１領域Ａ１は、第１強磁性金属層１と対向する領域である。第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１は、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１の影響を受けてｚ方向に強い磁気異方性を有する。
【００３６】
第２強磁性金属層２の第２領域Ａ２は、非磁性層３とスピン軌道トルク配線２０とに挟まれ、ｚ方向から見て第１強磁性金属層１と重ならない領域である。第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、非磁性層３とスピン軌道トルク配線２０とに挟まれることで、これらとの界面の影響を受けてｚ方向に磁気異方性を持つ。ただし、第２領域Ａ２の磁気異方性の強さは、第１強磁性金属層１の磁化Ｍ１が対向して存在していない分、第１領域Ａ１より弱い。
【００３７】
第２強磁性金属層２の第３領域Ａ３は、ｚ方向から見て第１強磁性金属層１及び非磁性層３と重ならない領域である。第２強磁性金属層２の第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の磁化Ｍ２１，Ｍ２２は、スピン流磁気抵抗効果素子１００をアニールし、非磁性層３の結晶構造の影響を第２強磁性金属層２に与えることで、ｚ方向に配向する。これに対し、第３領域Ａ３の磁化Ｍ２３は、ｚ方向に積層される層がない。その結果、第３領域Ａ３には垂直磁気異方性が付与されない。つまり、磁化Ｍ２３はｚ方向に配向せず、極端にはｘｙ方向に面内配向する。
【００３８】
このように第２強磁性金属層２は、磁化容易軸の異なる３つの領域をもつ。３つの領域の垂直磁気異方性は、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３の順で強い。また、３つの領域の面内磁気異方性は、第３領域Ａ３、第２領域Ａ２、第１領域Ａ１の順で面内磁気異方性が強い。第２強磁性金属層２内に磁気異方性の異なる領域が存在すると、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の磁化反転が容易になる。この理由については、後述する。
【００３９】
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などが挙げられる。
【００４０】
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。
【００４１】
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の第２強磁性金属層２と反対側の面にＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を積層してもよい。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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。例えばＣｏＦｅＢは、単体では面内磁気異方性を示し、非磁性層３とスピン軌道トルク配線２０との間に挟まれると垂直磁気異方性を示す。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
＜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。
【００４９】
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。
【００５０】
図３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３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３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。
【００５１】
図３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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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３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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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、純スピン流Ｊｓが発生しやすい。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
スピン流磁気抵抗効果素子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。
【００６４】
（スピン流磁気抵抗効果素子の動作）
図１を基に、スピン流磁気抵抗効果素子１００の書込み動作について説明する。スピン流磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込む際には、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを流す。ｚ方向から見て磁気抵抗効果素子１０と重なる部分において、スピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉは、第１電流Ｉ２０と第２電流Ｉ２に分流する。
【００６５】
第１電流Ｉ２０は、スピン軌道トルク配線２０内を流れる。第１電流Ｉ２０は、上述のように純スピン流を生み出し、一方向に配向したスピンを第２強磁性金属層２に注入する。注入されたスピンは、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。
【００６６】
一方で、第２電流Ｉ２は、第２強磁性金属層２内を流れる。第２電流Ｉ２は、磁化容易軸の異なる第３領域Ａ３、第２領域Ａ２、第１領域Ａ１の順に、磁化方向が異なる領域を貫通する方向に流れる。すなわち、ＳＴＴ型の磁気抵抗効果素子の書込み電流と同じ電流の流れが形成される。つまり、第２電流Ｉ２は、第３領域Ａ３を通過する際にスピン偏極される。このスピン偏極された第２電流Ｉ２は、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２及び第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を与える。
【００６７】
ここで、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２の垂直磁気異方性は、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１の垂直磁気異方性より弱い。換言すると、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１より磁化反転しやすい。そのため、まず第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２をＳＴＴ及びＳＯＴにより反転させ、その影響を第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１に伝搬させることで、より容易に第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１を磁化反転させることができる。第２強磁性金属層２のｘ方向の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、この現象は磁壁移動として確認できる。第２強磁性金属層２のｘ方向の大きさが磁壁を形成できる大きさよりも小さい場合でも、ミクロには同様の現象が生じており、同様の効果が得られる。
【００６８】
図４は、ｚ方向から見て磁気抵抗効果素子の各層の端部が同一位置に存在するスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図４に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０１は、磁気抵抗効果素子１０Ａと、スピン軌道トルク配線２０とを備える。磁気抵抗効果素子１０Ａは、第１強磁性金属層１１の第１端部ｅ１１、第２強磁性金属層１２の第２端部ｅ１２及び非磁性層１３の第３端部ｅ１３のｘ方向の位置が一致している。
【００６９】
図４に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０１の第２強磁性金属層１２の磁化容易軸は、面内で均一である。そのため第２強磁性金属層１２内を第２電流Ｉ２が流れても、ＳＴＴを第２強磁性金属層１２の磁化Ｍ２に与えることができない。
【００７０】
また図５は、特許文献１に図示されたスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図５に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０２は、磁気抵抗効果素子１０Ｂと、スピン軌道トルク配線２０と、を備える。磁気抵抗効果素子１０Ｂは、非磁性層２３の第３端部ｅ２３と、第１強磁性金属層２１の第１端部ｅ２１とが一致し、第２強磁性金属層２２の第２端部ｅ２２がｘ方向に突出している。
【００７１】
図５に示す磁気抵抗効果素子１０Ｂの第２強磁性金属層２２には、２つの領域が形成される。第１領域Ａ１１は、第１強磁性金属層１と対向する領域である。第１領域Ａ１１は、図１における第１領域Ａ１と対応する。第２領域Ａ１２は、ｚ方向から見て第１強磁性金属層２１及び非磁性層２３と重ならない領域である。第２領域Ａ１２は、図１における第３領域Ａ３と対応する。
【００７２】
図５に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０２も、図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００と同様に、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２１にＳＴＴとＳＯＴを与えることができる。しかしながら、スピン流磁気抵抗効果素子１０２は、図１における第２領域Ａ２に対応する領域を有さない。そのため第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２影響を伝播させることができず、図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００ほどの書込み効率を実現することができない。
【００７３】
このように本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００によれば、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２をＳＯＴ及びＳＴＴを利用して磁化反転できる。また第２強磁性金属層２内に磁化容易軸の異なる３つの領域を形成することで、磁化反転しやすい部分から順に磁化反転を行うことができる。すなわち、本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００によれば、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２をより容易に磁化反転させることができ、データの書込み効率を高めることができる。
【００７４】
このように本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００によれば、無磁場磁化反転を行うことができる。第２強磁性金属層２内に磁化容易軸の異なる３つの領域を形成することで、それぞれの磁化反転に優位な特性を利用することができる。例えば、注入されるスピンの向きと、磁化容易軸の向きのなす角が平行の場合、無磁場磁化反転を可能とする。一方で、注入されるスピンの向きと、磁化容易軸の向きのなす角が直角の場合、アンチダンピング効果により高速磁化反転を可能とする。すなわち、第２強磁性金属層２内に磁化容易軸の異なる３つの領域を形成することで、無磁場で高速の磁化反転を行うことができる。
【００７５】
また第２強磁性金属層２の第１領域Ａ１の磁化Ｍ２をより容易に磁化反転させるためには、スピン流磁気抵抗効果素子１００の各構成は以下の関係を有することが好ましい。
【００７６】
非磁性層３の第３端部ｅ３と第２強磁性金属層２の第２端部ｅ２との距離Ｄ１（第３領域Ａ３のｘ方向の幅）は、第１強磁性金属層１の第１端部ｅ１と第３端部ｅ３との距離Ｄ２（第２領域Ａ２のｘ方向の幅）より長いことが好ましい。また距離Ｄ１はスピン軌道トルク配線の厚さＴより長いことが好ましく、距離Ｄ２はスピン軌道トルク配線の厚さＴより短いことが好ましい。
【００７７】
第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２が磁化反転すると、その影響は第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１へと伝搬する。第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２の総量に限らず、この影響の伝搬は生じる。そのため、第２領域Ａ２のｘ方向の幅は、短いことが好ましい。これに対し、第３領域Ａ３は、第２電流Ｉ２を充分スピン偏極させる必要がある。そのため、第３領域Ａ３は、ある程度の長さが必要である。距離Ｄ１と距離Ｄ２が上記関係を満たすと、充分スピン偏極した第２電流Ｉ２を第１領域Ａ１に流すことができ、かつ、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２の影響を第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１に伝えることができる。
【００７８】
また第２領域Ａ２は、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１と第３領域Ａ３の磁化Ｍ２３の磁気異方性の違いを緩和する領域である。すなわち、第２領域Ａ２は磁壁として存在するとみなすこともできる。磁壁の幅は、一般に２０ｎｍ程度と言われている。これに対し、第２領域Ａ２の幅（第１端部ｅ１と第３端部ｅ３との距離Ｄ２）は、２０ｎｍ以下でも磁気異方性の違いを緩和できる。第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３の磁気異方性は、ｚ方向に積層される各層の影響を強く受けて配向しているためである。
【００７９】
つまり本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁壁の幅（第２領域Ａ２の幅、第１端部ｅ１と第３端部ｅ３との距離Ｄ２）の短い素子とも言える。磁壁の存在は、磁化反転には有利に働くが、ＭＲ比には悪影響を及ぼす。磁壁の幅を短くすることで、磁化反転しやすく、ＭＲ比に優れるスピン流磁気抵抗効果素子１００を実現できる。
【００８０】
また図６は、本実施形態にかかるスピン流磁気抵抗効果素子１００をｚ方向から平面視した図である。図６（ａ）は、第２端部ｅ２と第３端部ｅ３との距離Ｄ１が、第２強磁性金属層２の幅Ｗより短い場合である。図６（ｂ）は、第２端部ｅ２と第３端部ｅ３との距離Ｄ１が、第２強磁性金属層２の幅Ｗより長い場合である。
【００８１】
図６（ａ）に示すように、距離Ｄ１が幅Ｗより短い場合、第２強磁性金属層２の第３領域Ａ３における磁化Ｍ２３はｙ方向に配向する。第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、ｚ方向に配向した第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１と第３領域Ａ３における磁化Ｍ２３との中間状態をとる。すなわち、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、ｙ方向に傾いた状態でｚ方向に配向している。
【００８２】
図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０から注入されるスピンの向きはｙ方向に配向している。ｙ方向の成分をもつ第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、このスピンの影響をうけやすく、ＳＯＴの作用を強く受ける。磁化Ｍ２２がＳＯＴの作用を強く受けて磁化反転すると、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１も磁化反転しやすくなる。
【００８３】
また距離Ｄ１が幅Ｗより短い場合、第１端部ｅ１と第３端部ｅ３との距離Ｄ２も幅Ｗより短いことが好ましい。距離Ｄ２が幅Ｗより短ければ、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２もｙ方向に配向しやすくなる。第３領域Ａ３の磁化Ｍ２３と第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２の配向方向が揃うことで、第１領域Ａ１への磁化の伝搬がスムーズになる。
【００８４】
一方で、図６（ｂ）に示すように、距離Ｄ１が幅Ｗより長い場合、第２強磁性金属層２の第３領域Ａ３における磁化Ｍ２３はｘ方向に配向する。第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、ｚ方向に配向した第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１と第３領域Ａ３における磁化Ｍ２３との中間状態をとる。すなわち、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、ｘ方向に傾いた状態でｚ方向に配向している。
【００８５】
ｘ方向に配向した磁化Ｍ２３は、ｙ方向の成分を持つスピン軌道トルク配線２０から注入されるスピンの影響を殆ど受けない。そのため第３領域Ａ３の磁化Ｍ２３は、ＳＯＴの影響をほとんど受けない。つまり、第３領域Ａ３内を流れる第２電流Ｉ２をｘ方向に強くスピン偏極させることができる。その結果、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１と第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２にＳＴＴの作用を強く与えることができる。
【００８６】
また距離Ｄ１が幅Ｗより長い場合、第１端部ｅ１と第３端部ｅ３との距離Ｄ２も幅Ｗより長いことが好ましい。距離Ｄ２が幅Ｗより長ければ、第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２もｘ方向に配向しやすくなる。第３領域Ａ３の磁化Ｍ２３と第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２の配向方向が揃うことで、第１領域Ａ１への磁化の伝搬がスムーズになる。
【００８７】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施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。
【００８８】
図１及び図２に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の側面において、第１端部ｅ１、第２端部ｅ２、第３端部ｅ３が所定の関係を満たしている。これらの端部の関係は、ｘ方向の側面に限られず、磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において満たしていればよい。
【００８９】
例えば、図７に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０３は、第１強磁性金属層３１の第１端部ｅ３１と、第２強磁性金属層３２の第２端部ｅ３２と、非磁性層３３の第３端部ｅ３３と、がｙ方向において所定の関係を満たす。図７（ａ）は、スピン流磁気抵抗効果素子１０３をｙｚ平面で切断した断面図であり、図７（ｂ）は、スピン流磁気抵抗効果素子１０３をｚ方向から平面視した平面図である。
【００９０】
図７に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０３は、書き込み時にｘ方向に電流Ｉを流す。この電流Ｉは、図１に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００と同様に、第１電流Ｉ２０と第２電流Ｉ２とに分流する。図７に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０３の場合、第３領域Ａ３から第１領域Ａ１に向かう電流成分は少ないため、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１にＳＴＴを大きく作用させることはできない。しかしながら、ｙ方向に流れる電流成分はゼロではないため、第１領域Ａ１の磁化Ｍ２１にＳＴＴは作用する。
【００９１】
また図７に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０３において、第２強磁性金属層３２の第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２はｙ方向に傾く。スピン軌道トルク配線２０から注入されるスピンの向きはｙ方向に配向している。ｙ方向の成分をもつ第２領域Ａ２の磁化Ｍ２２は、このスピンの影響をうけやすく、ＳＯＴの作用を強く受ける。従って、図７に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０３においても、ＳＴＴとＳＯＴを同時に作用することができ、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２を容易に磁化反転させることができる。
【００９２】
また図１及び図２に示すスピン流磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から見た平面形状が矩形であるが、磁気抵抗効果素子１０の平面形状は特に問わない。例えば、図８に示す磁気抵抗効果素子１０Ｄのように楕円形でもよいし、円形でもよい。磁気抵抗効果素子１０Ｄの平面形状が楕円や円形の場合、「磁気抵抗効果素子のいずれかの側面において」とは「磁気抵抗効果素子の側面のいずれかの方向において」と言い換えられる。
【００９３】
また図９に示すスピン流磁気抵抗効果素子１０４のように、磁気抵抗効果素子１０Ｅの側面が、第１強磁性金属層４１から第２強磁性金属層４２に向かってｚ方向に広がる傾斜面１０Ｅａを形成していてもよい。図９に示すように、側面が傾斜面１０Ｅａであると、第２電流Ｉ２を傾斜面１０Ｅａに沿って流すことができる。第２電流Ｉ２の流れを制御することで、第２強磁性金属層４２の磁化にＳＴＴを効率的に作用させることができる。
【００９４】
また上述のようなスピン流磁気抵抗効果素子を複数配列し、磁気メモリを形成してもよい（図１０）。図１０に示す磁気メモリは、複数のスピン流磁気抵抗効果素子１００がソースラインＳＬとワードラインＷＬによって接続されている。磁気メモリを構成する各スピン流磁気抵抗効果素子は、データを記憶する。それぞれのスピン流磁気抵抗効果素子の書込み効率が高められているため、磁気メモリも書込み効率に優れる。
【符号の説明】
【００９５】
１，１１，２１，３１，４１…第１強磁性金属層
２，１２，２２，３２，４２…第２強磁性金属層
３，１３，２３，３３，４３…非磁性層
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…磁気抵抗効果素子
２０…スピン軌道トルク配線
ｅ１…第１端部
ｅ２…第２端部
ｅ３…第３端部
Ａ１…第１領域
Ａ２…第２領域
Ａ３…第３領域
１００，１０１，１０２，１０３，１０４…スピン流磁気抵抗効果素子
【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】
2019041098.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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