(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、を備え、
前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差し、
前記強磁性金属層は形状異方性を有すると共に、形状異方性に伴う反磁場の分布を有し、
前記反磁場の分布は、前記強磁性金属層の磁化が最も磁化反転しやすい磁化反転容易方向を生み出し、
前記磁化反転容易方向は、前記積層方向からの平面視で前記第１の方向と交差しており、
前記強磁性金属層が、前記スピン軌道トルク配線が延在する第１の方向に沿って複数存在し、
隣接する前記強磁性金属層の磁化反転容易方向が逆向きである、スピン流磁化反転素子。
【請求項２】
前記強磁性金属層は、前記積層方向からの平面視で、前記第１の方向に直交する第２の方向に最も離れた２点の中点を通り、前記第１の方向と平行な線分で分割した時に、分割された前記強磁性金属層の二つの部分の面積が異なる請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項３】
前記強磁性金属層を前記積層方向から平面視した形状が、２ｎ＋１（ｎは自然数）の頂部を有する多角形である請求項１または２に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項４】
前記多角形の重心から前記頂部への方向ベクトルが、いずれも前記スピン軌道トルク配線を流れる電流の向きと異なる請求項３に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項５】
前記多角形の頂部が、曲線状である請求項３または４に記載のスピン流磁化反転素子。
【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、磁化方向が固定された固定層とをさらに有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
【請求項７】
複数のスピン流磁化反転素子を備え、
前記複数のスピン流磁化反転素子のそれぞれは、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、を備え、
前記複数のスピン流磁化反転素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差し、
前記複数のスピン流磁化反転素子のそれぞれの前記強磁性金属層は形状異方性を有すると共に、形状異方性に伴う反磁場の分布を有し、
前記反磁場の分布は、前記強磁性金属層の磁化が最も磁化反転しやすい磁化反転容易方向を生み出し、
前記磁化反転容易方向は、前記積層方向からの平面視で前記第１の方向と交差しており、
前記強磁性金属層の磁化は、前記積層方向に配向しており、
前記複数のスピン流磁化反転素子の隣接する前記強磁性金属層の磁化反転容易方向が逆向きである、素子集合体。
【請求項８】
複数のスピン流磁化反転素子を備え、
前記複数のスピン流磁化反転素子のそれぞれは、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、を備え、
前記複数のスピン流磁化反転素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差し、
前記複数のスピン流磁化反転素子のそれぞれの前記強磁性金属層は形状異方性を有すると共に、形状異方性に伴う反磁場の分布を有し、
前記反磁場の分布は、前記強磁性金属層の磁化が最も磁化反転しやすい磁化反転容易方向を生み出し、
前記磁化反転容易方向は、前記積層方向からの平面視で前記第１の方向と交差しており、
前記強磁性金属層の磁化は、前記積層方向に配向しており、
前記複数のスピン流磁化反転素子を構成する前記強磁性金属層のそれぞれは、同一の方向に形状異方性を有する、素子集合体。
【請求項９】
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を複数備える素子集合体。
【請求項１０】
複数の前記スピン流磁化反転素子を構成する前記強磁性金属層のそれぞれは、同一の方向に形状異方性を有する請求項９に記載の素子集合体。
【請求項１１】
隣接する前記強磁性金属層の磁化反転容易方向が逆向きである請求項８〜１０のいずれか一項に記載の素子集合体。
【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及び素子集合体に関する。本願は、２０１６年９月２８日に、日本に出願された特願２０１６−１８９８８６に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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、素子抵抗が大きく、磁気抵抗（ＭＲ）比も大きい。そのためＴＭＲ素子は、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されている。【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、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）。スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴにより磁化反転を起こす。またＳＯＴは、メカニズムは明確ではないが、異種材料の界面におけるラシュバ効果によっても生じると言われている。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】
ところで、ＭＲＡＭはデータ記録と言う観点で二つの性能が求められる。一つは一度書き込んだデータを長期保存できることであり、もう一つはデータを読み書きしやすいことである。【０００７】
例えば、特許文献１には、データを長期保存するために、磁気抵抗効果素子への外部からの影響を抑える方法が記載されている。具体的には、磁気抵抗効果素子を積層方向から見た形状を円形にしている。【０００８】
一方で、特許文献２及び非特許文献２には、ＳＯＴを利用した磁化反転（データの読み書き）を行うために、磁化反転する磁化の対称性を乱す必要があることが記載されている。磁化対称性を乱す方法として、外部磁場を印加する方法や、磁気抵抗効果素子の面内方向において磁気異方性の大きさを変える方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１６２６０号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１５／０１２９９９５号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【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).
【非特許文献２】Guoqiang Yu, et al., Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2014.94.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、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。
また磁気抵抗効果素子の面内方向において磁気異方性の大きさが異なると、意図しない外力（外部磁場、熱等）が加わった際に、磁気異方性の小さい部分の磁化が反転する場合がある。意図しない磁化の反転は、データのノイズとなり、データの長期保存を阻害する。
特に磁気抵抗効果素子の強磁性体の大きさが磁壁を形成できる大きさの場合、磁気異方性の小さい部分の磁化反転が、その他の部分の磁化反転も誘発し、データを書き換えてしまうおそれがある。【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、外部磁場を印加せずに、磁化反転できるスピン流磁化反転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】
【００１３】
本発明者らは、磁気抵抗効果素子に働く反磁場に異方性を与えることで、強磁性体の磁化が反転しやすい方向を生み出し、外部磁場を印加しなくてもＳＯＴによる磁化反転を行うことが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。【００１４】
（１）第１の態様にかかるスピン流磁化反転素子は、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、を備え、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きは、前記強磁性金属層の磁化の向きに対して交差し、前記磁気抵抗効果素子は形状異方性を有すると共に、形状異方性に伴う反磁場の分布を有し、前記反磁場の分布は、前記強磁性金属層の磁化が最も磁化反転しやすい磁化反転容易方向を生み出し、前記磁化反転容易方向は、前記積層方向からの平面視で前記第１の方向と交差している。【００１５】
（２）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性金属層は前記積層方向からの平面視で、前記第１の方向に直交する第２の方向に最も離れた２点の中点を通り、前記第１の方向と平行な線分で分割した時に、分割された二つの部分の面積が異なる構成でもよい。【００１６】
（３）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性金属層を前記積層方向から平面視した形状が、２ｎ＋１（ｎは自然数）個の頂部を有する多角形であってもよい。【００１７】
（４）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記多角形の重心から前記頂部への方向ベクトルが、いずれも前記スピン軌道トルク配線を流れる電流の向きと異なる構成でもよい。【００１８】
（５）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記多角形の頂部が、曲線状である構成でもよい。【００１９】
（６）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性金属層の磁化は、前記積層方向に配向していてもよい。【００２０】
（７）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、磁化方向が固定された固定層とをさらに有してもよい。【００２１】
（８）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性金属層が、前記スピン軌道トルク配線が延在する第１の方向に沿って複数存在し、隣接する前記強磁性金属層の磁化反転容易方向が逆向きでもよい。【００２２】
（９）第２の態様にかかる素子集合体は、上記態様にかかるスピン流磁化反転素子を複数備える。【００２３】
（１０）上記態様にかかる素子集合体において、複数の前記スピン流磁化反転素子を構成する前記強磁性金属層のそれぞれは、同一の方向に形状異方性を有する構成でもよい。【００２４】
（１１）上記態様にかかる素子集合体において、隣接する前記強磁性金属層の磁化反転容易方向が逆向きでもよい。
【発明の効果】
【００２５】
上記態様にかかるスピン流磁化反転素子によれば、外部磁場を印加せずに、磁化反転できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
【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】スピン流磁化反転素子の動作を説明するための模式図である。
【図４】磁気抵抗効果素子をｚ方向から見た平面図である。
【図５】形状異方性を有さない磁気抵抗効果素子を備えたスピン流磁化反転素子を模式的に示した図である。
【図６】磁気抵抗効果素子のｙ方向への対称性が、磁化反転に及ぼす影響を模式的に示した図である。
【図７】磁気抵抗効果素子の平面形状が多角形であり、多角形の頂部が曲線状であるスピン流磁化反転素子をｚ方向から見た平面図である。
【図８】フォトマスクの形状と、得られる磁気抵抗効果素子のｚ方向からの平面形状の対応関係を示した図である。
【図９】スピン流磁化反転素子の別の例をｚ方向から見た平面形状を示す図である。
【図１０】スピン軌道トルク配線の一実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図１１】スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図１２】スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図１３】スピン軌道トルク配線の他の実施形態を説明するための模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図１４】一つのスピン軌道トルク配線に対して複数の磁気抵抗効果素子が形成されたスピン流磁化反転素子の平面図である。
【図１５】複数のスピン流磁化反転素子を備える素子集合体を模式的に示した図である。
【図１６】複数のスピン流磁化反転素子を備える素子集合体を模式的に示した図である。
【図１７】複数のスピン流磁化反転素子を備える素子集合体を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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、本発明の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。
【００２８】
（スピン流磁化反転素子）
図１は、本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。
本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
以下、磁気抵抗効果素子１０の積層方向を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。
【００２９】
＜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。特許請求の範囲における「強磁性金属層」は、第２強磁性金属層に対応する。
【００３０】
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）の磁気抵抗効果素子１０では、第１強磁性金属層の保持力が第２強磁性金属層の保磁力よりも大きいことで、第１強磁性金属層の磁化方向が固定される。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）の磁気抵抗効果素子１０では、反強磁性層との交換結合によって第１強磁性金属層の磁化方向が固定される。
【００３１】
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）素子となり、非磁性層３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子となる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。第１強磁性金属層１の具体例としては、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
【００３４】
また、より高い出力を得るためには、第１強磁性金属層１として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、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、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、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどがホイスラー合金として挙げられる。
【００３５】
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にＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を含む層を隣接させた構成としてもよい。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に、磁気抵抗効果素子をシンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
【００３６】
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、第１強磁性金属層１をＣｏとＰｔの積層膜とすることが好ましい。具体的には、第１強磁性金属層１を、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。
【００３７】
第２強磁性金属層２の材料には、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２強磁性金属層２の材料として用いることができる。第２強磁性金属層２の具体例としては、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
【００３８】
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、第２強磁性金属層２の垂直磁気異方性は、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。
【００３９】
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、材料中のＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も非磁性層３として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り、第２強磁性層２へ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。
【００４０】
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強磁性体層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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
＜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。
【００４４】
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、スピン軌道トルク配線２０は、単体の元素からなる場合に限られず、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。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。
【００４７】
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の電子数とが等く、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。
【００４８】
強磁性体中に電流を流した場合でも、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。しかしながら、強磁性体中は第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが極端に多い状態であり、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）。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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。スピン軌道トルク配線４０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。
【００５３】
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、スピン軌道相互作用が大きく、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。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は、純スピン流ＪＳを発生しやすい。
【００５４】
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が高くなる。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。
【００５５】
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、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し、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、結果としてスピン流が減少する。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。
【００５６】
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。この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生じる。そのため、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。
【００５７】
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。
【００５８】
スピン流磁化反転素子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。
【００５９】
（スピン流磁化反転素子の原理）
次いで、スピン流磁化反転素子１００の原理について説明すると共に、磁気抵抗効果素子１０の具体的な構成について説明する。
【００６０】
図３は、スピン流磁化反転素子の動作を説明するための模式図である。図３に示すように、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを印加すると、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とがスピンホール効果によって曲げられる。その結果、純スピン流Ｊｓがｚ方向に生じる。
【００６１】
スピン軌道トルク配線２０のｚ方向には、磁気抵抗効果素子１０が配設されている。そのため、スピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層２にスピンが注入される。注入されたスピンは、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与え、磁化Ｍ２が磁化反転する。図３では、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２を、磁気抵抗効果素子の重心に位置する一つの磁化として模式的に表している。
【００６２】
図３に示すスピン流磁化反転素子１００において、スピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０に注入されるスピンの向きはｙ方向に配向している。これに対し、第２強磁性金属層２は厚みが均一であり、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の向きはｚ方向に配向している。つまり、磁気抵抗効果素子１０に注入されるスピンの向きと第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の向きは直交している。ここで、「直交している」とは、熱等の揺らぎを無視した理論系において直交していることを意味する。実際には、磁化Ｍ２も注入されるスピンもいずれも揺らいでおり、完全に直交していない場合も含まれる。
【００６３】
注入されるスピンの向きと磁化Ｍ２の向きが直交している場合、理論的には磁化Ｍ２は注入されるスピンによる影響を受けない。そのため、磁化Ｍ２を磁化反転させるためには、注入されるスピンに対する磁化Ｍ２の対称性を乱す（「対称性の破れ」を生み出す）必要がある。図３に示すスピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０の形状異方性を利用して「対称性の破れ」を生み出している。以下、具体的に説明する。
【００６４】
図４は、磁気抵抗効果素子をｚ方向から見た平面図である。図４に示す磁気抵抗効果素子１０は、長軸方向Ｄａと短軸方向Ｄｂとを有し、形状異方性を有する。そのため、磁気抵抗効果素子１０は、長軸方向Ｄａと短軸方向Ｄｂとで反磁場の大きさが異なり、反磁場の分布を有する。
【００６５】
反磁場は、磁性体の端部に生じる磁極によって強磁性体内部に生じる逆向きの磁場である。反磁場の大きさは、磁極の分極率が大きいほど、磁極間の距離が短いほど、大きくなる。図４に示す磁気抵抗効果素子１０の場合、短軸方向Ｄｂの反磁場の大きさは、長軸方向Ｄａの反磁場の大きさより大きい。
【００６６】
反磁場は、磁化Ｍ２に対して磁化Ｍ２が磁化回転し始めた際に元の状態に戻そうとする復元力を生み出す。復元力は磁化回転に対する反作用であり、復元力が大きい程、磁化Ｍ２は回転し難くなる。
【００６７】
図３に示す長軸方向Ｄａに沿った回転方向Ｒａ（以下、第１回転方向という）と、図３に示す短軸方向Ｄｂに沿った回転方向Ｒｂ（以下、第２回転方向という）とでは、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の回転しやすさが異なる。磁化Ｍ２が回転する際に受ける復元力の大きさは短軸方向Ｄｂの方が大きい。そのため、磁化Ｍ２は、第２回転方向Ｒｂに沿って回転するより第１回転方向Ｒａに沿って回転する方が、回転しやすい。つまり、第１回転方向が磁気抵抗効果素子１０の磁化反転容易方向となる。
【００６８】
磁気抵抗効果素子１０の長軸方向Ｄａの長さは、０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下であることが好ましく、短軸方向Ｄｂの長さは、０．００５μｍ以上０．０６μｍ以下であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１０の大きさが大きいと、第２強磁性層２内に磁区が形成される。磁区が形成されると、第２強磁性層の磁化の安定性が低下する。磁気抵抗効果素子１０の長軸方向Ｄａの長さは、短軸方向Ｄｂの長さの２倍以上であることが好ましく、４倍以上であることがより好ましい。磁気抵抗効果素子１０の長軸方向Ｄａと短軸方向Ｄｂの比が当該範囲内であれば、反磁場による復元力の違いが十分得られる。
【００６９】
図３に示すスピン流磁化反転素子１００は、磁化Ｍ２が受ける復元力の大きさと言う点で「対称性の破れ」が生じている。注入されるスピンと磁化Ｍ２とが理論的に直交している場合でも、現実には磁化Ｍ２が熱等によって僅かに揺らぐことで磁化Ｍ２にＳＯＴは作用する。この作用するＳＯＴが、磁化Ｍ２は磁化反転容易方向にかかる復元力より大きければ、磁化Ｍ２は外部磁場等を印加しなくても磁化反転する。
【００７０】
図５は、形状異方性を有さない磁気抵抗効果素子１５を備えたスピン流磁化反転素子１０１を模式的に示した図である。図５に示す磁気抵抗効果素子１５は、非磁性層１３を第１強磁性金属層１１と第２強磁性金属層１２で挟んだ構造である点は、図３に示す磁気抵抗効果素子１０と共通するが、ｚ方向の平面視の形状が円形である点が異なる。図５では、第２強磁性金属層１２の磁化を、磁気抵抗効果素子の重心に位置する一つの磁化Ｍ１２として模式的に表している。
【００７１】
図５に示す磁気抵抗効果素子１５は、形状異方性を有さず、反磁場の大きさに異方性を有さない。そのため、磁化Ｍ１２が磁化反転し始めた際に受ける復元力の大きさはいずれの方向にも同等で、復元力はつり合っている。つまり、磁化Ｍ１２が熱等によって僅かに揺らいだ際に磁化Ｍ１２に作用するＳＯＴのみでは、復元力を超える回転力を与えることができず、磁化Ｍ１２は磁化反転できない。
【００７２】
図５に示すスピン流磁化反転素子１０１における磁化Ｍ１２を磁化反転させる場合は、外部磁場を印加する等により「対称性の破れ」を生み出し、復元力を超える回転力を与える必要がある。
【００７３】
このように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００によれば、形状異方性により「対称性の破れ」が生み出される。その結果、磁気抵抗効果素子１０に反磁場の分布が生み出され、磁化に作用する復元力の大きさは方向により異なるようになる。つまり磁化反転容易方向が生み出され、作用するＳＯＴが小さくても磁化反転を行うことができる。つまり、外部磁場を印加しなくても、ＳＯＴにより磁化反転を行うことができる。
【００７４】
ここで、スピン軌道トルク配線２０内にスピンホール効果で生じるスピンは、スピン軌道トルク配線２０の外表面に沿って配向する。つまり、スピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０に注入するスピンはｙ軸方向に配向している。そのため、磁気抵抗効果素子１０は、ｚ方向から平面視してｘ方向と交差する方向に形状異方性を有していることが求められる。
【００７５】
図６は、磁気抵抗効果素子のｙ方向への対称性が、磁化反転に及ぼす影響を模式的に示した図である。図６（ａ）は磁気抵抗効果素子１０がｘ方向と交差する方向に形状異方性を有するスピン流磁化反転素子１００であり、図６（ｂ）は磁気抵抗効果素子１６がｘ方向に形状異方性を有するスピン流磁化反転素子１０２である。図６において、白抜きの矢印はスピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉの向きであり、黒塗りの矢印は磁気抵抗効果素子１０、１６に注入されるスピンＳの向きを示す。
【００７６】
図６（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１６において、長軸方向Ｄａに沿った方向に作用する復元力が最も小さくなる。そのため、磁気抵抗効果素子１６の第２強磁性金属層の磁化は、長軸方向Ｄａに沿って回転しやすい。すなわち、磁化回転容易方向はｘ方向である。
一方で、磁気抵抗効果素子１６に注入される磁化の向きはｙ方向であり、ＳＯＴが強く作用する方向はｙ方向である。すなわち、磁化が回転しやすい方向とＳＯＴが強く作用する方向とが直交しており、ＳＯＴが磁化反転に作用しない。
【００７７】
これに対し、図６（ａ）に示す磁気抵抗効果素子１０においても、長軸方向Ｄａに沿った方向に作用する復元力が最も小さくなる。そのため、磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層の磁化は、長軸方向Ｄａに沿って回転しやすい。すなわち、磁化回転容易方向はｘ方向と交差しており、ｙ方向の成分を有する。そのため、磁化は、ｙ方向に作用するＳＯＴの影響を受けることができる。すなわち、ＳＯＴが磁化反転に効率的に作用し、外部磁場等の外力を印加しなくとも磁化を反転できる。
【００７８】
このように、磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から平面視した平面形状は、ｙ方向に異方性を有することが好ましい。より具体的には、磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から平面視した平面形状において、ｙ方向に最も離れた２点の中点を通り、かつｘ方向と平行な線分で区切られた２つの領域の面積が異なることが好ましい。以下、図４を基に具体的に説明する。
【００７９】
図４に示すように、磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から平面視した際に、ｙ方向に最も離れた２点を第１点Ｙ１、第２点Ｙ２とし、その中点を中点Ｍとする。そして、中点Ｍを通り、ｘ方向に平行な線分Ｌを引く。線分Ｌは、磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から見た平面形状を二つに分割する。以下、磁気抵抗効果素子１０の外周と線分Ｌによって分割された二つの領域を、第１領域Ａ１と、第２領域Ａ２と言う。
【００８０】
第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の面積が異なると、磁気抵抗効果素子１０はｙ方向に非対称である。すなわち、磁気抵抗効果素子１０はｙ方向に「対称性の破れ」が生じていると言える。ｙ方向に「対称性の破れ」が生じていれば、上述のように磁気抵抗効果素子１０により注入されるスピンが、第２強磁性金属層の磁化にＳＯＴを作用し、磁化反転を起こすことができる。
【００８１】
また「対称性の破れ」が大きいほど、磁化反転は起きやすくなる。第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の面積の差が大きくなれば、磁気抵抗効果素子１０全体としての「対称性の破れ」は大きくなる。
【００８２】
第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の面積は、以下のようにして求めることができる。まず磁気抵抗効果素子１０の走査型電子顕微鏡画像（ＳＥＭ像）をｚ方向から撮影する。そして、得られたＳＥＭ像を線分Ｌで分割し、それぞれの画像のピクセル数をカウントする。カウントされたピクセル数が５％以上変化している場合は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の面積が異なると判断できる。
【００８３】
磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から平面視した形状は、２ｎ＋１（ｎは自然数）個の頂部を有する多角形であることが好ましい。多角形は、図４に示す３角形に限られない。
【００８４】
磁気抵抗効果素子１０をｚ方向から平面視した形状がいびつで複雑な形状の場合、復元力の異なる部分が多方向に生じ、磁化の安定性が低下する。磁化の安定性が低下すると、データの長期保存の信頼性が低下する。そのため、磁気抵抗効果素子１０は、形状異方性を有し、かつ安定性の高い形状であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１０の作製の容易さの観点からは、ｚ方向からの平面形状が３角形であることが最も好ましい。
【００８５】
多角形の重心から頂部への方向ベクトルは、いずれもスピン軌道トルク配線２０を流れる電流の向きと異なることが好ましい。すなわち、多角形の重心から頂部へ引いた線分が、ｘ方向と一致しないことが好ましい。図６（ｂ）に示すように、多角形の重心から頂部へ引いた線分がｘ方向と一致する場合、ｙ方向に「対称性の破れ」が形成されない可能性が高まる。
【００８６】
図７に示すように、多角形の頂部ｔは曲線により構成されていることが好ましい。
図７は、磁気抵抗効果素子１７の平面形状が多角形であり、多角形の頂部ｔが曲線状であるスピン流磁化反転素子１０３をｚ方向から見た平面図である。
【００８７】
一般に、界面等の不均一な部分において磁束はピンニングされやすい。そのため、多角形においては頂部ｔが特に不均一であり、磁化がピンニングされやすい。磁化がピンニングすると、磁化反転が生じにくくなる。
【００８８】
頂部ｔの形状を曲線状にすると、形状の不均一さが緩和され、ピンニングする力（ピン力）が小さくなる。すなわち、磁気抵抗効果素子の自由層の磁化をより容易に反転させることができる。
【００８９】
磁気抵抗効果素子１０（図１参照）において、第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層２は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜と、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜がある。
【００９０】
上述のように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００において、磁気抵抗効果素子１０に注入されるスピンの向きと、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の方向は直交している。第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の方向は、注入されるスピンの向きに対して直交する成分を有していればよく、必ずしも「直交」している必要はない。すなわち、磁気抵抗効果素子１０に注入されるスピンの向きと、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の方向とが「交差」していてもよい。一方で注入されるスピンの向きは、スピン軌道トルク配線２０の外表面に沿って配向するため変更できない。そのため、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の方向は、ｘ方向又はｚ方向であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１０に注入されるスピンの向きと、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の方向とが直交することで、より効率的にＳＯＴを磁化Ｍ２に作用させることができる。
【００９１】
本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０は、第２強磁性金属層２の磁化Ｍ２の方向はｚ方向であることが好ましい。すなわち、第２強磁性金属層２は垂直磁化膜であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１０を構成する強磁性体が、垂直磁化膜であると、磁気抵抗効果素子の小型化を行い易い。
【００９２】
磁化Ｍ２は、第２強磁性金属層２の界面の影響を受けて配向する。そのため、磁化Ｍ２を均一にｚ方向に配向させるためには、第２強磁性金属層２の厚みは均一であることが好ましい。ここで「均一」とは、ｘｙ面内の任意の１０点で測定した第２強磁性金属層２の厚みの平均値に対して±１０％以上厚みの変化が無いことを意味する。
【００９３】
上述のように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子によれば、外部磁場等の外力を印加しなくても磁気抵抗効果素子の第２強磁性金属層（自由層）の磁化を反転できる。これは、形状異方性に伴い復元力の異方性が生じ、磁気抵抗効果素子に「対称性の破れ」が生じたためである。
【００９４】
（スピン流磁化反転素子の製造方法）
次いで、スピン流磁化反転素子の製造方法について説明する。
【００９５】
スピン流磁化反転素子は、磁気抵抗効果素子がトップピン構造であるかボトムピン構造であるかによって積層順が異なる。トップピン構造の場合は、図１と同様に、固定層である第１強磁性金属層１がｚ方向上方に形成される。そのため、基板上にスピン軌道トルク配線を作製した後に、磁気抵抗効果素子を作製する。ボトムピン構造の場合は、磁気抵抗効果素子を作製した後に、スピン軌道トルク配線を作製する。いずれの場合でも、積層順が異なるだけであるため、以下トップピン構造の場合について説明する。
【００９６】
まず支持体となる基板上に、スピン軌道トルク配線を作製する。スピン軌道トルク配線は、スパッタリング等の公知の成膜手段を用いて作製できる。
【００９７】
次いで、磁気抵抗効果素子を作製する。磁気抵抗効果素子はスパッタリング等の公知の成膜手段を用いて作製できる。磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子の場合、例えば、トンネルバリア層は金属薄膜を積層後に、酸化させることで得られる。具体例を示すと、第２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、または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。そして作製された金属薄膜に、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理を行う。成膜法としてはスパッタリング法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等が挙げられる。
【００９８】
磁気抵抗効果素子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。まず磁気抵抗効果素子を積層した後、磁気抵抗効果素子のスピン軌道トルク配線と反対側の面に、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、磁気抵抗効果素子の保護膜となる。レジストが硬化した部分は、最終的に得られる磁気抵抗効果素子の形状と一致する。
【００９９】
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。
【０１００】
ここで、レジストを所定の形状に硬化させる方法について具体的に説明する。
まず一つ目の方法として、マスクを用いてレジストを感光する方法がある。例えば、ポジレジストを用いて、硬化したい部分上にフォトマスクを配設する。そしてフォトマスクを介して露光することで、所定の形状にレジストを加工できる。
【０１０１】
磁気抵抗効果素子は、高集積化のために素子サイズの微細化が求められている。そのため、磁気抵抗効果素子のサイズが、露光の解像度限界に近づく場合がある。この場合、図８に示すように、四角形状に加工したフォトマスクＰＭを複数組み合わせて、レジストを所定の形状に硬化させる。一つのフォトマスクＰＭの１辺は、現状の技術レベルで数ｎｍ程度まで小さくできる。
【０１０２】
図８は、フォトマスクＰＭの形状と、得られる磁気抵抗効果素子１８のｚ方向からの平面形状の対応関係を示した図である。図８に示すように、１つのフォトマスクＰＭの形状が四角形の場合でも、磁気抵抗効果素子の平面形状を三角形等の多角形に加工できる。これは、フォトマスクＰＭを通過後の光が、一部拡散してレジストを硬化するためである。またイオンミリング等のエッチング処理において、角となる部分はエッチングが進行しやすいためである。
【０１０３】
また別の方法として、レーザー等の指向性を有する光を用いてスポット露光してもよい。例えば、ネガレジストを用いて、硬化したい部分だけに光を当て、所定の形状にレジストを加工する。この場合も同様に、露光するスポットの形状が四角形の場合でも、得られる形状を三角形とすることができる。複数回に分けてスポット露光することで、任意の形状の磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【０１０４】
本発明は、上記実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の構成及び製造方法に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【０１０５】
例えば、スピン流磁化反転素子の磁気抵抗効果素子のｚ方向の平面形状は、ｙ方向に磁気異方性を有すればよく、形状は多角形に限られない。
【０１０６】
図９（ａ）に示すスピン流磁化反転素子１０４のように、磁気抵抗効果素子１９Ａのｚ方向から見た平面形状が、一つの頂部と頂部を繋ぐ円弧とによって構成された滴状でもよい。また図９（ｂ）に示すスピン流磁化反転素子１０５のように、磁気抵抗効果素子１９Ｂのｚ方向から見た平面形状が、楕円状でもよい。
【０１０７】
いずれの場合でも、磁気抵抗効果素子は長軸方向Ｄａと短軸方向Ｄｂを有し、形状異方性を有している。そのため、反磁場の分布を有し、復元力の大きさが方向によって異なる。復元力の大きさが最も小さい磁化回転容易方向は長軸方向Ｄａと一致する。長軸方向Ｄａはｙ方向成分を有しており、ＳＯＴを磁化反転に寄与させることができる。
【０１０８】
またスピン軌道トルク配線２０も種々の形状をとることができる。
図１０〜図１３は、スピン軌道トルク配線の実施形態を説明するための模式図であり、それぞれ、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【０１０９】
純スピン流を生成しうる材料である重金属は、通常の配線として用いられる金属に比べて電気抵抗が大きく、電流が流れた際に発生するジュール熱の発生量が多い。そのため、スピン軌道トルク配線はすべてが純スピン流を生成しうる材料だけからなるよりも、電気抵抗が小さい部分を有することが好ましい。すなわち、スピン軌道トルク配線は純スピン流を生成する材料からなる部分（スピン流生成部）と、このスピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなる部分（低抵抗部）とを有することが好ましい。
【０１１０】
スピン流生成部は、純スピン流を生成しえる材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
【０１１１】
低抵抗部は、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。低抵抗部は、スピン流生成部よりも電気抵抗が小さい材料からなっていればよく、例えば、複数種類の材料部分からなる構成等であってもよい。
【０１１２】
低抵抗部において純スピン流が生成されても構わない。この場合、スピン流生成部と低抵抗部との区別は、本明細書中にスピン流生成部及び低抵抗部の材料として記載したものからなる部分はスピン流生成部または低抵抗部であるとして区別できる。純スピン流を生成する主要部以外の部分であって、その主要部より電気抵抗が小さい部分は低抵抗部として、スピン流生成部と区別できる。
【０１１３】
スピン流生成部は、非磁性の重金属を含んでもよい。この場合、純スピン流を生成しうる重金属を有限に含んでいればよい。純スピン流を生成しうる重金属の構成比率は、スピン流生成部の主成分よりも十分少ない、または、スピン流生成部の主成分（例えば、９０％以上）を占めることが好ましい。重金属がスピン流生成部の主成分を占める場合は、スピン流生成部は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属のみから構成されていることが好ましい。
【０１１４】
ここで、スピン流生成部の主成分よりも純スピン流を生成しうる重金属が十分少ないとは、例えば、銅を主成分とするスピン流生成部において、モル比で重金属の濃度が１０％以下であることを指す。スピン流生成部を構成する主成分が上述の重金属以外からなる場合、スピン流生成部に含まれる重金属の濃度はモル比で５０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。
【０１１５】
重金属の濃度がこれらの範囲であれば、電子のスピン散乱の効果が有効に得られる。重金属の濃度が低い場合、重金属よりも原子番号が小さい軽金属がスピン流生成部の主成分を占める。この場合、重金属は軽金属との合金を形成しているのではなく、軽金属中に重金属の原子が無秩序に分散していることを想定している。軽金属中ではスピン軌道相互作用が弱いため、スピンホール効果によって純スピン流は生成しにくい。
【０１１６】
しかしながら、電子が軽金属中の重金属を通過する際に、軽金属と重金属の界面でもスピンが散乱される効果があるため重金属の濃度が低い領域でも純スピン流が効率よく発生させることが可能である。重金属の濃度が５０％を超えると、重金属中のスピンホール効果の割合は大きくなるが、軽金属と重金属の界面の効果が低下するため総合的な効果が減少する。したがって、十分な界面の効果が期待できる程度の重金属の濃度が好ましい。
【０１１７】
上述のスピン軌道トルク配線が磁性金属を含む場合、スピン軌道トルク配線におけるスピン流生成部には、反強磁性金属を用いることができる。反強磁性金属は重金属が最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属１００％の場合と同等の効果を得ることができる。反強磁性金属は、例えば、ＩｒＭｎやＰｔＭｎが好ましく、熱に対して安定なＩｒＭｎがより好ましい。
【０１１８】
上述のスピン軌道トルク配線がトポロジカル絶縁体を含む場合、スピン軌道トルク配線におけるスピン流生成部をトポロジカル絶縁体からなるものとすることができる。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でスピン流を生成することが可能である。
【０１１９】
スピン軌道トルク配線で生成された純スピン流が実効的に磁気抵抗効果素子に拡散していくためには、スピン流生成部の少なくとも一部が第２強磁性金属層と接触していることが好ましい。キャップ層を備える場合には、スピン流生成部の少なくとも一部がキャップ層に接触していることが好ましい。図１０〜図１３に示すスピン軌道トルク配線の実施形態はすべて、スピン流生成部は少なくとも一部が第２強磁性金属層に接触した構成である。
【０１２０】
図１０に示す実施形態では、スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層２との接合部２０’がすべてスピン流生成部２１からなり、スピン流生成部２１が低抵抗部２２Ａ、２２Ｂに挟まれた構成である。
【０１２１】
スピン流生成部と低抵抗部とが電気的に並列に配置する場合には、スピン軌道トルク配線に流れる電流はスピン流生成部及び低抵抗部の抵抗の大きさの逆比の割合に分かれてそれぞれの部分を流れることになる。
【０１２２】
スピン軌道トルク配線に流れる電流がすべてスピン流生成部を流れるようにするためには、スピン流生成部と低抵抗部とが電気的に並列に配置する部分がなく、すべて電気的に直列に配置するようにすることが好ましい。ＳＯＴ反転電流に対する純スピン流の生成効率を高めることができる。
【０１２３】
図１０〜図１３に示すスピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子の積層方向からの平面視で、スピン流生成部と低抵抗部とが電気的に並列に配置する部分がない構成であり、流れる電流に対する純スピン流生成効率が最も高い構成である。
【０１２４】
図１０に示すスピン軌道トルク配線２０は、そのスピン流生成部２１が磁気抵抗効果素子１０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２の接合部２’を含むように重畳している。磁気抵抗効果素子部２０と重畳している部分におけるスピン軌道トルク配線２０の厚さ方向は、スピン流生成部２１だけからなる。スピン流生成部２１は、電流の流れる方向に低抵抗部２２Ａ、２２Ｂによって挟まれている。図１０に示すスピン軌道トルク配線の変形例として、スピン流生成部が磁気抵抗効果素子の積層方向から平面視して第２強磁性金属層の接合部と重なっていてもよい。変形例において、相違点以外は図３に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成である。
【０１２５】
図１１に示すスピン軌道トルク配線２０は、そのスピン流生成部２１が磁気抵抗効果素子１０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２の接合部２’の一部に重畳している。その他の構成は、図１０に示すスピン軌道トルク配線２０と同じである。
【０１２６】
図１２に示すスピン軌道トルク配線２０は、そのスピン流生成部２１が磁気抵抗効果素子２０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２の接合部２’を含むように重畳している。磁気抵抗効果素子部２０と重畳している部分におけるスピン軌道トルク配線２０の厚さ方向は、第２強磁性金属層２側からスピン流生成部２１と低抵抗部２２Ｃとが順に積層している。スピン流生成部２１及び低抵抗部２２Ｃが積層する部分は、電流の流れる方向に低抵抗部２２Ａ、２２Ｂによって挟まれている。図１２に示すスピン軌道トルク配線の変形例として、スピン流生成部が磁気抵抗効果素子の積層方向から平面視して第２強磁性金属層の接合部と重なっていてもよい。この変形例において、相違点以外は図１２に示すスピン軌道トルク配線と同じ構成がある。
【０１２７】
図１３に示すスピン軌道トルク配線２０は、そのスピン流生成部２１が磁気抵抗効果素子２０の積層方向から平面視して第２強磁性金属層２の接合部２’を含むように重畳している。重畳部分以外の部分は、低抵抗部２２Ａ、２２Ｂとスピン流生成部２１の突出部２１Ａが積層した構造となっている。すなわち、スピン流生成部２１は、スピン軌道トルク配線２０の一面側に延在している。
【０１２８】
図１３に示す構成では、スピン流生成部２１と低抵抗部２２とが接する面積が広いため、スピン流生成部２１を構成する原子番号の大きい非磁性金属と低抵抗部２２を構成する金属との密着性が高い。
【０１２９】
また、一つのスピン軌道トルク配線２０に対して磁気抵抗効果素子１０が複数設けられていてもよい。図１４は、一つのスピン軌道トルク配線に対して複数の磁気抵抗効果素子１０が設けられた場合の模式図である。図１４の磁気抵抗効果素子１０において長軸方向Ｄａは、磁化容易方向となる。磁気抵抗効果素子１０はスピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向に沿って複数配列する。
【０１３０】
それぞれの磁気抵抗効果素子１０の磁化容易軸の向きは、同一でもよいし、異なっていてもよい。図１４（ａ）は、それぞれの磁気抵抗効果素子１０の磁化容易軸が同一の場合を示している。図１４（ｂ）は、隣接する磁気抵抗効果素子１０の磁化容易軸が、スピン軌道トルク配線２０に平行で、スピン軌道トルク配線２０の幅方向中央を通る線分に対して線対称となっている場合を示している。図１４（ｃ）は、隣接する磁気抵抗効果素子１０の磁化容易方向が逆向きである場合を示している。
【０１３１】
図１４（ａ）に示すように磁化容易軸が同一の場合は、スピン流磁化反転素子１００の製造が容易になる。これに対し、図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）に示すように、隣接する磁気抵抗効果素子１０の磁化容易方向に対称性がある場合は、スピン流磁化反転素子１００全体の磁化の安定性が高まる。それぞれの磁気抵抗効果素子１０が生み出す磁界が互いに打ち消し合うためである。
【０１３２】
ここまで磁気抵抗効果素子１０が形成されている場合を例に説明をした。しかしながら、必ずしも磁気抵抗効果素子１０が形成されている必要はない。上述のように、ＳＯＴによる磁化反転は、スピン軌道トルク配線２０から注入されるスピンと、磁化反転可能な第２強磁性層２の磁化の相互作用によって生じる。すなわち、スピン流磁化反転素子１００は、第２強磁性層２とスピン軌道トルク配線２０とによって構成されていてもよい。このスピン流磁化反転素子は、磁気カー効果を利用した素子等に用いることができる。
【０１３３】
（素子集合体）
図１５は、複数のスピン流磁化反転素子１００を備える素子集合体２００を模式的示した図である。図１５に示す素子集合体２００は、スピン流磁化反転素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１５は、素子集合体の一例であり、スピン流磁化反転素子１００の数及び配置は任意である。
【０１３４】
スピン流磁化反転素子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が接続されている。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、任意のスピン流磁化反転素子１００のスピン軌道トルク配線２０に電流を流すことができる。
【０１３５】
スピン軌道トルク配線２０に電流が流れると、磁気抵抗効果素子１０の自由層の磁化がＳＯＴ効果により反転する。このようにして、複数のスピン流磁化反転素子１００の内の任意の素子にデータを書込みすることができる。
【０１３６】
素子集合体２００において、複数のスピン流磁化反転素子１００を構成する強磁性金属層のそれぞれは、同一の方向に形状異方性を有してもよい。同一の方向に形状異方性を有するということは、同一の方向に反磁場の異方性を有している。そのため、磁化にかかる復元力の大きさが小さい部分も同一の方向を向いている。
【０１３７】
素子集合体２００を構成する各スピン流磁化反転素子１００が同様の構成であれば、それぞれの素子に接続するワードラインＷＬ１〜３及びソースラインＳＬ１〜３の形状も同様にすることができる。すなわち、素子集合体２００の配線構成が複雑化することが避けられ、素子集合体２００の集積度が高まる。
【０１３８】
一方で、図１６に示す素子集合体２０１のように、隣接する磁気抵抗効果素子１０（強磁性金属層）の磁化反転容易方向が逆向きで対向していてもよい。隣接する磁化容易軸が対称性を有することで、素子集合体２０１全体の磁化の安定性が高まる。それぞれの磁気抵抗効果素子１０が生み出す磁界が互いに打ち消し合うためである。
【０１３９】
またこれらの場合に限られず、同一のソースラインＳＬ１〜３又は同一のワードラインＷＬ１〜３に接続されるスピン流磁化反転素子毎に、磁気抵抗効果素子１０（強磁性金属層）の磁化反転容易方向を変えてもよい。例えば、図１７は同一のソースラインが同一の磁化容易軸を有する素子集合体の模式図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１，１１：第１強磁性金属層
２，１２：第２強磁性金属層
３，１３：非磁性層
１０，１５，１６，１７，１８，１９Ａ，１９Ｂ：磁気抵抗効果素子
２０：スピン軌道トルク配線
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５：スピン流磁化反転素子
２００，２０１，２０２：素子集合体
Ｓ１：第１スピン
Ｓ２：第２スピン
Ｉ：電流
Ｊｓ：純スピン流
Ｍ２，Ｍ１２：磁化
Ｒａ：第１回転方向
Ｒｂ：第２回転方向
Ｄａ：長軸方向
Ｄｂ：短軸方向
Ｍ：中点
Ｙ１：第１点
Ｙ２：第２点
Ａ１：第１領域
Ａ２：第２領域
Ｌ：線分
ｔ：頂部
ＰＭ：フォトマスク
ＷＬ１〜３：ワードライン
ＳＬ１〜３：ソースライン
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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