(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層と、  前記第１強磁性層に面し、第１方向に延び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は、原子が配列した原子面を複数有し、  複数の原子面は、同一原子が配列した基準面と、座屈部を有する座屈面と、を有し、  前記座屈面は、前記基準面と略平行な主面を形成する複数の第１原子と、前記主面に対して屈曲した座屈部を形成する１つ以上の第２原子と、を有する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項２】
前記第２原子の原子半径は、前記第１原子の原子半径の１．１倍以上、または、前記第１原子の原子半径の０．９倍以下である、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２原子の中心から前記主面に下した垂線の長さは、前記第１原子の原子半径の０．５倍以上１．５倍以下である、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項４】
前記第１原子の格子間隔は、前記第２原子の直径より広い、請求項１〜３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】
前記第１原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と同一である、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】
前記第１原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と異なる、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】
前記第１原子と前記第２原子との組み合わせが、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＢｉ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＢｉ、ＷとＰｄ、ＷとＢｉ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＢｉ、ＡｕとＢｉからなる群から選択されるいずれかである、請求項１〜６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。
【請求項８】
前記座屈面が、前記第１強磁性層に面する第１面に位置する、請求項１〜７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９】
スピン軌道トルク配線が、前記第１強磁性層に面する第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有し、  前記第１領域は、前記座屈部を有する、請求項１〜８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１０】
前記第２領域は、水素化合物を含む、請求項９に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項１１】
前記座屈面を複数有する、請求項１〜１０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１２】
前記スピン軌道トルク配線は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択されるいずれか１種以上の原子を含む、請求項１〜１１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１３】
請求項１〜１２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強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に面する非磁性層と、  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１４】
請求項１３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】  磁気抵抗効果素子は、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）への応用が期待されている。【０００３】  磁気抵抗効果素子は、非磁性層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きの変化を素子の抵抗変化として出力する。磁気抵抗効果素子は、強磁性層の磁化の向きを制御して、データを記録する。磁化の向きを制御する方法として、電流が生み出す磁場を利用する方式、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流した際に生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式が知られている。ＳＴＴを利用する方式は、非磁性層を貫通する方向に電位差を与える必要があり、非磁性層にダメージを与える場合がある。【０００４】  近年、磁化の向きを制御する新たな方式としてスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用する方式が検討されている（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強磁性層内に誘起される。強磁性層内の磁化にＳＯＴが作用することで、磁化が反転する。スピン流及びラシュバ効果は、強磁性層の積層方向と交差する方向に電流が流れると生じる。ＳＯＴを利用する方式は、非磁性層及び強磁性層の積層方向に大きな書き込み電流を流すことを避けられ、非磁性層等へのダメージを抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−２１６２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  磁気メモリは、集積された複数の磁気抵抗効果素子を有する。それぞれの磁気抵抗効果素子の反転電流密度が大きくなると、磁気メモリの消費電力が増加する。反転電流密度は、磁気抵抗効果素子の磁化を反転するのに要する電流密度であり、磁気抵抗効果素子は磁化が反転することで動作する。磁気抵抗効果素子の反転電流密度を低減し、磁気メモリの消費電力を抑制することが求められている。【０００７】  本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、反転電流密度を低減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】
【０００８】  反転電流密度は、強磁性層の磁化に効率的にＳＯＴを加えることができれば、低減する。ＳＯＴは、例えば、スピン軌道相互作用、ラシュバ効果等により強磁性層内に誘起される。発明者らは、スピン軌道トルク配線に座屈部を設けると、スピン軌道相互作用、ラシュバ効果が効率的に生じることを見出した。すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。【０００９】（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強磁性層と、前記第１強磁性層に面し、第１方向に延び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は、原子が配列した原子面を複数有し、前記複数の原子面は、同一原子が配列した基準面と、座屈部を有する座屈面と、を有し、前記座屈面は、前記基準面と略平行な主面を形成する複数の第１原子と、前記主面に対して屈曲した座屈部を形成する１つ以上の第２原子と、を有する。【００１０】（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第２原子の原子半径は、前記第１原子の原子半径の１．１倍以上、または、前記第１原子の原子半径の０．９倍以下であってもよい。【００１１】（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第２原子の中心から前記主面に下した垂線の長さは、前記第１原子の原子半径の０．５倍以上１．５倍以下であってもよい。【００１２】（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１原子の格子間隔は、前記第２原子の直径より広くてもよい。【００１３】（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と同一でもよい。【００１４】（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１原子は、前記スピン軌道トルク配線を主として構成する原子と異なってもよい。【００１５】（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１原子と前記第２原子との組み合わせが、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＢｉ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＢｉ、ＷとＰｄ、ＷとＢｉ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＢｉ、ＡｕとＢｉからなる群から選択されるいずれかであってもよい。【００１６】（８）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記座屈面が、前記第１強磁性層に面する第１面に位置してもよい。【００１７】（９）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、スピン軌道トルク配線が、前記第１強磁性層に面する第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有し、前記第１領域は、前記座屈部を有してもよい。【００１８】（１０）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第２領域は、水素化合物を含んでもよい。【００１９】（１１）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記座屈面を複数有してもよい。【００２０】（１２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択されるいずれか１種以上の原子を含んでもよい。【００２１】（１３）第２の態様にかかるスピン流磁気抵���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強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に面する非磁性層と、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。【００２２】（１４）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】
【００２３】  上記態様にかか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磁気メモリは消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１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２】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。
【図３】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線の座屈面の平面模式図である。
【図４】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第1変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。
【図５】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第２変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。
【図６】第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第３変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。
【図７】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８】第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。
【図９】第４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１０】第２原子と水素化合物の関係を模式的に示した図である。
【図１１】第５実施形態に係るスピン流磁気抵抗効果素子の断面模式図である。
【図１２】第６実施形態に係る磁気メモリの回路模式図である。
【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】  まず方向について定義する。ｘ方向及びｙ方向は、後述するスピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａと略平行な方向である。ｘ方向は、後述するスピン軌道トルク配線２０が延びる方向である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。
【００２７】「第１実施形態」（スピン軌道トルク型磁化回転素子）  図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。
【００２８】＜第１強磁性層＞  第１強磁性層１０は、第１面１０ａと第２面１０ｂとを有する。第１面１０ａは、スピン軌道トルク配線２０の第１面２０ａと面する。本明細書において「面する」とは、２つの面が略平行に向き合うことを意味し、２つの面が接触していても、他の層を間に挟んでいてもよい。第２面１０ｂは、第１面１０ａと反対側の面である。
【００２９】  図１に示す第１強磁性層１０の断面は、長方形である。第１強磁性層１０の断面は、長方形に限られない。第１強磁性層１０の断面は、例えば、第１面１０ａと第２面１０ｂとの長さが異なる台形でもよい。また第１面１０ａと第２面１０ｂとを繋ぐ側面が湾曲してもよい。
【００３０】  また第１強磁性層１０のｚ方向からの平面形状は特に問わない。第１強磁性層１０の平面形状は、例えば、円形、楕円形、長方形、不定形である。
【００３１】  第１強磁性層１０は、強磁性体、特に軟磁性体を含む。強磁性体は、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である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｈｏ合金、Ｓｍ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。
【００３２】  第１強磁性層１０は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を含んでもよい。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等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。
【００３３】  第１強磁性層１０は、ｘｙ面内のいずれかの方向又はｚ方向に磁化容易軸を有する。第１強磁性層１０がｘｙ面内のいずれかの方向に磁化容易軸を有する場合、第１強磁性層１０は面内磁化膜と言われる。第１強磁性層１０がｚ方向に磁化容易軸を有する場合、第１強磁性層１０は垂直磁化膜と言われる。
【００３４】＜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面２０ａと第２面２０ｂとを有する。第１面２０ａは、第１強磁性層１０の第１面１０ａに面する。第２面２０ｂは、第１面２０ａと反対側の面である。第１面２０ａと第２面２０ｂの面積は、同じでも異なってもよい。
【００３５】  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Ｉが流れる。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とは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、＋ｙ方向に配向した第１スピンＳ１が＋ｚ方向に曲げられ、−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２が−ｚ方向に曲げられる。
【００３６】  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。
【００３７】  非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第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。図１において、＋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の電子数とは等しい。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。
【００３８】  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、ｚ方向に生じる。図１において、スピン軌道トルク配線２０は第１強磁性層１０に面する。スピンは、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１０に注入される。注入されたスピンは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を、第１強磁性層１０の磁化にくわえる。第１強磁性層１０の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）により磁化反転する。
【００３９】  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。スピン軌道トルク配線２０は、第１強磁性層１０の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１０に生み出す材料を含む。
【００４０】  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。重金属は、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。非磁性の重金属は、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。
【００４１】  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生じる。ｚ方向のスピンの流れは、ｚ方向のスピンの偏在の程度に依存する。スピンホール効果が強く生じるとスピンが偏在しやすく、スピン流ＪＳが発生しやすくなる。
【００４２】  スピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、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２０の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
【００４３】  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場合がある。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。
【００４４】  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は、物質内部が絶縁体又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。
【００４５】  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。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。
【００４６】  図２は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。スピン軌道トルク配線２０は、原子が配列した原子面Ｌを複数有する。原子面Ｌは、ｘｙ面内に配列した原子の中心を結んだ仮想面である。複数の原子面Ｌは、基準面Ｌ１と座屈面Ｌ２とを有する。
【００４７】  基準面Ｌ１は、同一の原子Ａがｘｙ平面に広がる面である。スピン軌道トルク配線２０は、第２面２０ｂから第１面２０ａに向って積層される。そのため、基準面Ｌ１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の最も第２面２０ｂ側に位置する原子面Ｌである。
【００４８】  座屈面Ｌ２は、主面ＭＰと座屈部ＢＰとを有する。主面ＭＰは、基準面Ｌ１に対して略平行である。主面ＭＰの一部は、基準面Ｌ１と略平行な平行面Ｐ１と一致する。主面ＭＰは、複数の第１原子Ａ１からなる。座屈部ＢＰは、主面ＭＰに対して屈曲する。座屈部ＢＰは、第２原子Ａ１からなる。ここで、座屈について説明する。
【００４９】  原子Ａは、第２面２０ｂから第１面２０ａに向って積層される。原子Ａは、スピン軌道トルク配線２０を構成する原子である。原子Ａは、例えば、上述のように非磁性の重金属である。原子Ａは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択されるいずれか１種以上の原子を含んでもよい。
【００５０】  ｘｚ平面において、ｚ方向に最近接する原子Ａを結んだ線を成長線Ｃ１、Ｃ２とする。成長線Ｃ１は、ｚ方向に規則性を有する。図２に示す成長線Ｃ１は、隣接する原子Ａを結ぶ線の内角θ１が一定である。一方で、成長線Ｃ２は、隣接する原子Ａを結ぶ線の内角の規則性（ｚ方向の規則性）が途中で乱れている。図２に示す成長線Ｃ２は、隣接する原子Ａを結ぶ線の内角θ１は途中まで一定で、ある部分で内角θ２に変化する。内角θ２は、規則性が乱れ始めた位置での内角である。内角θ２は、例えば、内角θ１より２０％以上小さい。内角θ１が内角θ２に替わると、成長線Ｃ２がｚ方向に対して大きく傾く。成長線Ｃ２の規則性が大きく乱れることを座屈という。座屈が生じると、原子面Ｌも乱れる。その結果、座屈面Ｌ２は、平行面Ｐ１に対して屈曲する座屈部ＢＰを有する。
【００５１】  図２において、座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１と第２原子Ａ２とからなる。座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１の中心と第２原子Ａ２の中心とを結んだ仮想面である。主面ＭＰは、第１原子Ａ１の中心を結んだ仮想面である。座屈部ＢＰは、第２原子Ａ２の中心と第２原子Ａ２に隣接する第１原子Ａ１の中心とを結ぶ仮想面である。
【００５２】  図２において、第１原子Ａ１は、スピン軌道トルク配線を主として構成する原子Ａと同じである。第１原子Ａ１は、例えば、非磁性の重金属である。
【００５３】  図２において、第２原子Ａ２は、第１原子Ａ１より大きい。第２原子Ａ２は、座屈面Ｌ２を平行面Ｐ１に対して屈曲させ、座屈面Ｌ２の座屈部ＢＰの原因となる。第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．１倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．２倍以上である。また第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．５倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の１．４倍以下である。
【００５４】  第１原子Ａ１と第２原子Ａ２との組み合わせは、例えば、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＰｒ、ＭｏとＳｍ、ＭｏとＥｕ、ＭｏとＧｄ、ＭｏとＴｂ、ＭｏとＤｙ、ＭｏとＨｏ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＮｂ、ＲｕとＰｒ、ＲｕとＮｄ、ＲｕとＰｍ、ＲｕとＳｍ、ＲｕとＥｕ、ＲｕとＧｄ、ＲｕとＴｂ、ＲｕとＤｙ、ＲｕとＨｏ、ＲｕとＨｆ、ＲｕとＴａ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＮｂ、ＲｈとＰｒ、ＲｈとＮｄ、ＲｈとＰｍ、ＲｈとＳｍ、ＲｈとＥｕ、ＲｈとＧｄ、ＲｈとＴｂ、ＲｈとＤｙ、ＲｈとＨｏ、ＲｈとＨｆf、ＲｈとＴａ、ＲｈとＷ、ＲｈとＢｉ、ＰｄとＮｂ、ＰｄとＭｏ、ＰｄとＰｒ、ＰｄとＮｄ、ＰｄとＰｍ、ＰｄとＳｍ、ＰｄとＥｕ、ＰｄとＧｄ、ＰｄとＴｂ、ＰｄとＤｙ、ＰｄとＨｏ、ＰｄとＨｆ、ＰｄとＴａ、ＰｄとＷ、ＰｄとＲｅ、ＰｄとＢｉ、ＡｇとＮｂ、ＡｇとＭｏ、ＡｇとＣｅ、ＡｇとＰｒ、ＡｇとＮｄ、ＡｇとＰｍ、ＡｇとＳｍ、ＡｇとＥｕ、ＡｇとＧｄ、ＡｇとＴｂ、ＡｇとＤｙ、ＡｇとＨｏ、ＡｇとＨｆ、ＡｇとＴａ、ＡｇとＷ、ＡｇとＲｅ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＮｂ、ＣｄとＭｏ、ＣｄとＲｕ、ＣｄとＣｅ、ＣｄとＮｄ、ＣｄとＰｍ、ＣｄとＳｍ、ＣｄとＥｕ、ＣｄとＧｄ、ＣｄとＴｂ、ＣｄとＤｙ、ＣｄとＨｏ、ＣｄとＨｆ、ＣｄとＴａ、ＣｄとＷ、ＣｄとＲｅ、ＣｄとＩｒ、ＣｄとＢｉi、ＨｆとＲｈ、ＨｆとＰｄ、ＨＦとＣｅ、ＨｆとＰｒ、ＨｆとＳｍ、ＨｆとＥｕ、ＨｆとＧｄ、ＨｆとＲｅ、ＨｆとＩｒ、ＨｆとＰｔ、ＨｆとＡｕ、ＨｆとＢｉ、ＴａとＲｈ、ＴａとＰｄ、ＴａとＰｒ、ＴａとＳｍ、ＴａとＥｕ、ＴａとＧｄ、ＴａとＴｂ、ＴａとＤｙ、ＴａとＨｏ、ＴａとＩｒ、ＴａとＰｔ、ＴａとＡｕ、ＴａとＢｉ、ＷとＲｈ、ＷとＰｄ、ＷとＰr、ＷとＳｍ、ＷとＥｕ、ＷとＧｄ、ＷとＴｂ、ＷとＤｙ、ＷとＨｏ、ＷとＡｕ、ＷとＢｉ、ＯＳとＰｒ、ＯｓとＮｄ、ＯｓとＰｍ、ＯｓとＳｍ、ＯｓとＲｕ、ＯｓとＧｄ、ＯｓとＴｂ、ＯｓとＤｙ、ＯｓとＨｏ、ＯｓとＨｆ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＮｂ、ＩｒとＰｒ、ＩｒとＳｍ、ＩｒとＥｕ、ＩｒとＧｄ、ＩｒとＴｂ、ＩｒとＤｙ、ＩｒとＨｏ、ＩｒとＨｆ、ＩｒとＴａ、ＩｒとＢｉ、ＰｔとＮｂ、ＰｔとＰｒ、ＰｔとＳｍ、ＰｔとＥｕ、ＰｔとＧｄ、ＰｔとＴｂ、ＰｔとＤｙ、ＰｔとＨｏ、ＰｔとＨｆ、ＰｔとＴａ、ＰｔとＢｉ、ＡｕとＮｂ、ＡｕとＰｒ、ＡｕとＳｍ、ＡｕとＥｕ、ＡｕとＧｄ、ＡｕとＴｂ、ＡｕとＤｙ、ＡｕとＨｏ、ＡｕとＨｆ、ＡｕとＴａ、ＡｕとＷ、ＡｕとＢｉである。第１原子Ａ１と第２原子Ａ２との組み合わせは、ＭｏとＰｄ、ＭｏとＢｉ、ＲｕとＢｉ、ＲｈとＢｉ、ＡｇとＢｉ、ＣｄとＢｉ、ＷとＰｄ、ＷとＢｉ、ＯｓとＢｉ、ＩｒとＢｉ、ＡｕとＢｉからなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。第１原子Ａ１は、組み合わせの原子のうち原子半径の小さいものである。
【００５５】  第２原子Ａ２のｚ方向の高さ位置と、第１原子Ａ１のｚ方向の高さ位置とは異なる。これらの高さ位置の差Δｚは、第２原子Ａ２の中心から主面ＭＰ（平行面Ｐ１）に下した垂線の長さである。これらの高さ位置の差Δｚは好ましくは、第１原子Ａ１の半径の０．５倍以上１．５倍以下である。これらの高さ位置の差Δｚは、より好ましくは、第１原子Ａ１の半径の０．６４倍以上であり、さらに好ましくは、第１原子Ａ１の半径の１．０倍以上である。またこれらの高さ位置の差Δｚは、好ましくは、０．８Å以上であり、より好ましくは、１．４Å以上である。
【００５６】  図３は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線の座屈面の平面模式図である。第２原子Ａ２は、座屈面Ｌ２の一部であり、規則的に配列した第１原子Ａ１上に点在している。第２原子Ａ２は、例えば、ｘｙ面内にランダムに位置する。
【００５７】  座屈部ＢＰは、例えば、高分解能の走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて確認できる。５０ｎｍ程度まで薄片化した測定試料に、電子を照射し、測定試料中を透過又は散乱した電子を結像して、各原子の位置を特定する。また高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ）を用いて、高角散乱した電子を結像してもよい。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭは、原子量に比例したコントラストを得ることができ、座屈部ＢＰの原子の違いを高いコントラストで計測できる。
【００５８】  座屈部ＢＰは、例えば、陽電子ビームを用いた表面測定でも測定できる。座屈面Ｌ２を表出させ、座屈面に陽電子ビームを低角照射する。散乱した電子の回折像から座屈面Ｌ２の状態を評価できる。また陽電子ビームの代わりに、Ｘ線、中性子線を用いてもよい。
【００５９】＜製造方法＞  スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の製造方法の一例について説明する。
【００６０】  まず基板（図視略）上にスピン軌道トルク配線２０を形成する。スピン軌道トルク配線２０となる層は、例えば、スパッタリング法を用いて積層する。基板上に、原子Ａとなるイオンをスパッタリングし、その途中で第２原子Ａ２となるイオンをスパッタリングする。第２原子Ａ２のスパッタリングは、低エネルギーの条件で行う。例えば、原子Ａのみをスパッタリングしている際より第２原子Ａ２をスパッタリングする際の加速電圧を低くする。また例えば、原子Ａのみをスパッタリングしている際より第２原子Ａ２をスパッタリングする際の希ガス等のガス流量を増やす。ガス流量が増えることで、第２原子Ａ２のスパッタリングレートが低下する。また第２原子Ａ２は、被成膜面に対して斜め方向からスパッタリングしてもよい。斜め方向からスパッタリングすると、イオンの飛来時間に差が生じ、第２原子Ａ２が第１原子Ａ１上に点在する。またスパッタリング法に替えて、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法を用いてもよい。スピン軌道トルク配線２０となる層をフォトリソグラフィー等により加工して、スピン軌道トルク配線２０となる。
【００６１】  次いで、スピン軌道トルク配線２０の周囲を絶縁層で覆う。絶縁層は、例えば、酸化膜、窒化膜等である。
【００６２】  次いで、絶縁層とスピン軌道トルク配線の表面を、ＣＭＰ研磨（chemical mechanical polishing）により平坦化する。そして、平坦化された表面に第１強磁性層１０となる層を積層する。最後に、フォトリソグラフィー等の技術を用い、第１強磁性層１０を加工する。第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０の加工は同時に行ってもよい。
【００６３】  本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、スピン軌道トルク配線２０で、スピンホール効果及びラシュバ効果が効率的に生じる。そのため、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０にＳＯＴが効率的に作用し、反転電流密度を低減できる。
【００６４】  スピン軌道トルク配線２０が座屈部ＢＰを有すると、スピン流及びラシュバ効果が効率的に生じる理由について説明する。
【００６５】  座屈部ＢＰは、結晶構造が乱れた部分であり、スピン軌道トルク配線２０の内部をｘ方向に流れる電子の散乱原因となる。スピンホール効果は、一方向に配向したスピンが、電流と直交する方向に（すなわち、スピン軌道トルク配線２０の外周に向って）、曲げられる現象である。座屈部ＢＰによって電子（スピン）が散乱すると、散乱した電子（スピン）がｚ方向に向かい、スピンホール効果が効率的に生じる。スピンホール効果は、第１面２０ａ及び第２面２０ｂの近傍において、スピンの偏在を生み出す。スピン流は、スピンの偏在を解消する方向に生じる。第１面２０ａ及び第２面２０ｂにおけるスピンの偏在が大きいほど、スピン流は発生しやすくなる。
【００６６】  一方で、スピン軌道トルク配線２０内に散乱原因が多すぎると、発生したスピン流が散乱される。そのため、第１強磁性層１０に注入されるスピン量が減少し、ＳＯＴが磁化Ｍ１０に効率的に作用しなくなる。
【００６７】  座屈部ＢＰは、原子一層レベルの厚みで生じる微小な原子配列の乱れである。大きな歪みや結晶欠陥とは異なり、座屈部ＢＰは、過剰な散乱原因とはならない。座屈部ＢＰは、スピンホール効果の発生効率を高めるものの、スピン流は大きく阻害しない。したがって、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、多くのスピンを第１強磁性層１０に注入でき、ＳＯＴを第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０に効率的に作用させることができる。
【００６８】  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。ラシュバ効果は、空間反転対称性が破れにより、ｚ方向にポテンシャル勾配が形成され、スピンの向きが揃う現象である。ｚ方向にポテンシャル勾配があるスピン軌道トルク配線２０内をｘ方向に電流が流れると、電子の運動方向（ｘ方向）と垂直なｚ方向に有効磁場が生じる。有効磁場がスピンに作用して、その有効磁場の方向にスピンの向きが揃う。
【００６９】  座屈部ＢＰは、スピン軌道トルク配線２０の電子状態を乱す。座屈部ＢＰは、ｚ方向の電子状態の対称性を崩す。座屈部ＢＰは、スピン軌道トルク配線２０内に電界効果を生み出し、準位の分裂を生み出す。電子状態の対称性の崩れは、有効磁場を生み出し、スピンを配向させる。その結果、第１面２０ａ及び第２面２０ｂの近傍におけるスピンが偏在する。スピンの偏在は、スピン流を生み出す。
【００７０】  座屈部ＢＰは、結晶構造のわずかな乱れを生み出すものであり、スピン軌道トルク配線２０の電子状態を大きく変動するものではない。電子状態が大幅に変化すると、準位の分裂にとどまらず、ラシュバ効果を効率的に生み出すことができない。
【００７１】  上述のように、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、座屈部ＢＰによりスピン軌道トルク配線２０を流れる電流Ｉの電流密度が小さくても、多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入できる。したがって、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度を低減できる。
【００７２】  以上、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の一例について詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【００７３】（第１変形例）  図４は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第１変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図４に示すスピン軌道トルク配線２０Ａは、座屈面Ｌ２が第１面２０ａに位置する点が、図２に示すスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【００７４】  ラシュバ効果は、異種材料の界面で生じやすい。第１面２０ａの近傍に座屈面Ｌ２を設けることでラシュバ効果の発生効率をより高めることができる。また第１面２０ａは、第１強磁性層１０の第１面１０ａと対向する面である。第１強磁性層１０に近い第１面２０ａの近傍でラシュバ効果が生じることで、第１強磁性層１０へのスピンの注入効率を高めることができる。
【００７５】（第２変形例）  図５は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第２変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク配線２０Ｂは、座屈面Ｌ２が第２面２０ｂに位置する点が、図２に示すスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【００７６】  ラシュバ効果は、異種界面の界面で生じやすい。第２面２０ｂの近傍に座屈面Ｌ２を設けることでラシュバ効果の発生効率をより高めることができる。座屈面Ｌ２が第２面２０ｂに位置する場合、基準面Ｌ１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の最も第１面２０ａ側に位置する原子面Ｌとする。
【００７７】（第３変形例）  図６は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の第３変形例のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図６に示すスピン軌道トルク配線２０Ｃは、座屈面Ｌ２を２層有する点が、図２に示すスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【００７８】  スピン軌道トルク配線２０内に存在する座屈面Ｌ２の数は特に問わない。図２に示すように１層でも、図６に示すように２層でも、それ以上でもよい。
【００７９】  またスピン軌道トルク配線２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃはいずれも、原子Ａのｘ方向の位置をずらしてｚ方向に積層されている（立方最密充填）が、原子Ａのｘ方向の位置が一致していてもよい。
【００８０】「第２実施形態」  図７は、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スピン軌道トルク配線の断面模式図である。図７に示すスピン軌道トルク配線２１は、第２原子Ａ２’が第１原子Ａ１より小さいが、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【００８１】  第２原子Ａ２’が第１原子Ａ１より小さい場合でも、座屈面Ｌ２は平行面Ｐ１に対して屈曲し、座屈面Ｌ２は座屈部ＢＰを有する。
【００８２】  第２原子Ａ２’は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．９倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．８３倍以下である。また第２原子Ａ２’は、好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．６６倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１の原子半径の０．７１倍以上である。
【００８３】  第１原子Ａ１と第２原子Ａ２との組み合わせは、第１実施形態に記載の組み合わせと同様のものが好ましいが、第１原子Ａ１は、組み合わせの原子のうち原子半径の大きなものとなる。また第１原子Ａ１の格子間隔は、第２原子Ａ２の直径より広いことが好ましい。第１原子Ａ１の格子間隔は、最近接する第１原子Ａ１の中心間距離である。
【００８４】  また第２原子Ａ２のｚ方向の高さ位置と、第１原子Ａ１のｚ方向の高さ位置との差Δｚは、第１実施形態に記載の差Δｚと同様の範囲であることが好ましい。
【００８５】  第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線２１は、座屈部ＢＰを有するため、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同様の効果が得られる。また第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子も、第１実施形態と同様の変形例を適用できる。
【００８６】「第３実施形態」  図８は、第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図８に示すスピン軌道トルク配線２２は、座屈面Ｌ２を構成する第１原子Ａ１１が、スピン軌道トルク配線２２を主として構成する原子Ａと異なる点が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク配線２０と異なる。図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【００８７】  座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１１と第２原子Ａ２とからなる。座屈面Ｌ２は、第１原子Ａ１１の中心と第２原子Ａ２の中心とを結んだ仮想面である。主面ＭＰは、第１原子Ａ１１の中心を結んだ仮想面である。座屈部ＢＰは、第２原子Ａ２と第２原子Ａ２に隣接する第１原子Ａ１１とを結んだ仮想面である。
【００８８】  第１原子Ａ１１は、スピン軌道トルク配線２２を主として構成する原子Ａと異なる。原子Ａは、例えば、非磁性の重金属である。第１原子Ａ１１は、例えば、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、ＯＳ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕを含む。また、原子Ａは、例えば、スピン流を透過しやすいスピン伝導材料でもよい。第１原子Ａ１１は、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅを含む。
【００８９】  図８に示す第２原子Ａ２は、第１原子Ａ１１より大きい。第２原子Ａ２は、座屈面Ｌ２を主面ＭＰに対して屈曲させ、座屈面Ｌ２の座屈部ＢＰの原因となる。第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．１倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．２倍以上である。また第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．５倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の１．４倍以下である。
【００９０】  また第２原子Ａ２は、第１原子Ａ１１より小さくてもよい。第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．９倍以下であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．８３倍以下である。また第２原子Ａ２は、好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．６６倍以上であり、より好ましくは、第１原子Ａ１１の原子半径の０．７倍以上である。
【００９１】  第１原子Ａ１１と第２原子Ａ２との組み合わせは、例えば以下である。例えば、第１原子Ａ１１は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択され、第２原子Ａ２は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｂｉからなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。上記の組み合わせは、第１原子Ａ１１がいずれか一方の原子であり、第２原子Ａ２が他方の原子であればよい。
【００９２】  第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線２２は、座屈部ＢＰを有するため、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同様の効果が得られる。また第３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原子Ａ１１がスピン軌道トルク配線２２を主として構成する原子Ａと異なる。そのため、スピン軌道トルク配線２２に異なる原子の界面が増える。ラシュバ効果は、異種界面の界面で生じやすい。したがって、より多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入でき、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度をより低減できる。
【００９３】  第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子も、第１実施形態と同様の変形例を適用できる。
【００９４】「第４実施形態」  図９は、第４実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子のスピン軌道トルク配線の断面模式図である。図９に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、スピン軌道トルク配線２３が第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を有する点が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。図１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
【００９５】  スピン軌道トルク配線２３は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを有する。第１領域Ｒ１は、第１強磁性層１０に面する部分であり、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重なる部分である。第１面１０ａと第２面１０ｂの面積が異なる場合は、ｚ方向からの平面視で、第１面１０ａと重なる部分である。第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１以外の部分である。
【００９６】  第１領域Ｒ１は、座屈部ＢＰ（図２参照）を有する。第２領域Ｒ２は、座屈部ＢＰを有してもよい。スピンは、第１領域Ｒ１から第１強磁性層１０に注入される。第１領域Ｒ１に座屈部ＢＰを設けることで、第１強磁性層１０へのスピンの注入効率を高めることができる。
【００９７】  また第２領域Ｒ２は、水素化合物を含む。第２領域Ｒ２の水素化合物濃度は、第１領域Ｒ１の水素化合物濃度より高い。第１領域Ｒ１は、水素化合物を含んでなくてもよい。水素化合物は、例えば、スピン軌道トルク配線２３とアンモニアが反応したもの、スピン軌道トルク配線２３と炭化水素が反応したもの、等である。第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の水素化合物濃度は、スピン軌道トルク配線２３の第１面２３ａにおける濃度である。第１領域Ｒ１の水素化合物濃度は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１の重心と重なる位置で評価する。第２領域Ｒ２の水素化合物濃度は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１の重心と、スピン軌道トルク配線２３の端部との中心位置で評価する。
【００９８】  水素化合物は、分子−原子間結合が強い。水素化合物の水素原子と座屈部ＢＰを形成する第２原子Ａ２とがイオン結合すると、第２原子Ａ２の原子位置が変化する。図１０は、第２原子Ａ２と水素化合物Ｈｃの関係を模式的に示した図である。水素化合物Ｈｃは、第２原子Ａ２とイオン結合する。イオン結合は、金属結合と結合エネルギーが異なる。第２原子Ａ２は、イオン結合により水素化合物Ｈｃに向かう方向、又は、水素化合物Ｈｃから離れる方向に移動する。
【００９９】  第２原子Ａ２の原子位置が変動すると、ｚ方向の電子状態の対称性がより崩れる。その結果、スピン軌道トルク配線２０の準位の分裂がより顕著になり、ラシュバ効果がより効率的に生じる。したがって、より多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入でき、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度をより低減できる。
【０１００】  第１強磁性層１０をフォトリソグラフィーによって所定の形状に加工する際に、アンモニア、炭化水素等の水素化合物を用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うと、第２領域Ｒ２に水素化合物が導入される。
【０１０１】  一例として、第２領域Ｒ２における、スピン軌道トルク配線２３の第１面２３ａの水素化合物濃度は、スピン軌道トルク配線２３のｚ方向の中心における水素化合物濃度より高い。
【０１０２】  第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、座屈部ＢＰを有するため、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同様の効果が得られる。また水素化合物Ｈｃによりラシュバ効果を効率的に発現でき、より多くのスピンを第１強磁性層１０へ注入できる。したがって、第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を反転させるのに必要な反転電流密度をより低減できる。
【０１０３】  第４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実施形態と同様の変形例、第２実施形態及び第３実施形態のいずれの構成も適用できる。
【０１０４】「第５実施形態」（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）  図１１は、第５実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０の断面を模式的に示した図である。図１１に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００と、非磁性層３０と、第２強磁性層４０とを備える。図１１では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００を用いたが、第２〜第４実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を用いてもよい。第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同等の構成については、説明を省く。
【０１０５】  第１強磁性層１０と非磁性層３０と第２強磁性層４０とが積層された積層体は、通常の磁気抵抗効果素子と同様である。積層体は、第２強磁性層４０の磁化Ｍ４０が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の向きが相対的に変化する。積層体が保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）の磁気抵抗効果素子の場合は、第２強磁性層４０の保磁力を第１強磁性層１０の保磁力よりも大きくする。積層体が交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）の磁気抵抗効果素子の場合は、第２強磁性層４０を層間反強磁性（ＳＡＦ）結合にし、第２強磁性層４０の磁化Ｍ４０を第１強磁性層１０に対して固定する。
【０１０６】  積層体は、非磁性層３０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３０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。
【０１０７】  積層体は、第１強磁性層１０、非磁性層３０及び第２強磁性層４０以外の層を有してもよい。積層体は、例えば、積層体の結晶性を高める下地層、キャップ層等を有してもよい。下地層は、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１０との間に形成される。キャップ層は、積層体の上面に形成される。
【０１０８】  第２強磁性層４０は、第１強磁性層１０と同様の材料を用いることができる。
【０１０９】  非磁性層３０は、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。非磁性層３０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層３０はトンネルバリア層である。ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、第１強磁性層１０と第２強磁性層４０との間にコヒーレントトンネルを実現しやすい。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
【０１１０】  第５実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０と第２強磁性層４０の磁化Ｍ４０の相対角の違いにより生じる抵抗値変化を用いてデータの記録、読出す。
【０１１１】  第５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１１０は、座屈部ＢＰを有するため、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同様の効果が得られる。
【０１１２】「第６実施形態」（磁気メモリ）  図１２は、第６実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。磁気メモリ１２０は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０（図１１参照）を備える。
【０１１３】  図１２に示す磁気メモリ１２０は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０が３×３のマトリックス配置をしている。図１２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１１０の数及び配置は任意である。
【０１１４】  スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、１本のビットラインＢＬ１〜３、１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。
【０１１５】  電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３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１１０のスピン軌道トルク配線２０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及びビットラインＢＬ１〜３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１１０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、ビットラインＢＬ１〜３、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１１０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。
【符号の説明】
【０１１６】１０  第１強磁性層２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２１、２２、２３  スピン軌道トルク配線１０ａ、２０ａ  第１面１０ｂ、２０ｂ  第２面１００、１０１  スピン軌道トルク型磁化回転素子１１０  スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１２０  磁気メモリＡ  原子Ａ１、Ａ１１  第１原子Ａ２、Ａ２’  第２原子ＢＰ  座屈部Ｃ１、Ｃ２  成長線Ｈｃ  水素化合物Ｉ  電流Ｌ  原子面Ｌ１  基準面Ｌ２  座屈面Ｍ１０、Ｍ４０  磁化ＭＰ  主面Ｐ１  平行面Ｓ１  第１スピンＳ２  第２スピン
【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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