JP7095490B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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）。スピン軌道トルク（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。即ち、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。

特開２０１７－２１６２８６号公報

ＳＯＴを利用した磁化回転素子（ＳＯＴ型磁化回転素子）は、長寿命を期待できる一方で、磁場の影響を受けやすい。従って、ＳＯＴ型磁化回転素子は、磁化回転素子の磁化自由層に印加される磁場を厳密に制限することが求められる。

ＳＯＴ型磁化回転素子に影響を与える磁場の発生源としては、外部磁場の他に、磁化を反転させるための反転電流が形成する磁場が考えられる。ＳＯＴ型磁化回転素子の場合、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に反転電流が流れるため、右ねじの法則に従って反転電流から生じた磁場は、磁気抵抗効果素子に印加される。即ち、ＳＯＴ型磁化回転素子の効率を高めるために、反転電流からの影響を低減することが必要であることに本発明者は着目した。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、反転電流によって形成された磁場からの影響が低減された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。

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。

（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に積層された第１強磁性層と、平面視で前記第１強磁性層を少なくとも部分的に囲む第１軟磁性体と、前記第１軟磁性体と前記第１強磁性層との間に位置する第１絶縁体とを備える。

（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軟磁性体が、平面視で前記スピン軌道トルク配線を少なくとも部分的に囲んでもよい。

（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軟磁性体がフェライトからなってもよい。

（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、平面視で前記第１軟磁性体を少なくとも部分的に囲む第２軟磁性体と、前記第２軟磁性体と前記第１軟磁性体との間に位置する第２絶縁体とを更に備えてもよい。

（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、前記第１強磁性層を複数有してもよく、前記第１軟磁性体は、隣接する前記第１強磁性層に亘って設けられていてもよい。

（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、前記第１強磁性層を複数有してもよく、前記第１軟磁性体は、複数の前記第１強磁性層のそれぞれに分離して設けられていてもよい。

（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、前記スピン軌道トルク配線とは反対側で前記第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。

（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。

反転電流によって形成された磁場からの影響が低減された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できる。

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。 製造例２で製造された第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。 製造例３で製造された第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。 製造例４で製造された第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。 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。 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平面模式図である。 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平面模式図である。 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。 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。

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。

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク（ＳＯＴ）型磁気抵抗効果素子１００の、ｙｚ平面（図１（ａ））及びｘｚ平面（図１（ｂ））における断面模式図である。第１実施形態に係るＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１と、スピン軌道トルク配線２と、非磁性層３と、第２強磁性層４と、平面視で第１強磁性層１を少なくとも部分的に囲む第１軟磁性体１２１と、第１軟磁性体１２１と第１強磁性層１との間に位置する第１絶縁体１１１とを有する。第１強磁性層１と非磁性層３と第２強磁性層４とが積層された積層体は機能部１０を形成する。機能部１０において、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層４の磁化との相対角の違いにより抵抗値変化が生じる。

以下、スピン軌道トルク配線２が延在する第１の方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２が存在する面内で第１の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方向と規定して説明する。図１においてｚ方向は、第１強磁性層１の積層方向及びスピン軌道トルク配線２の厚み方向と一致する。

＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１はスピン軌道トルク配線２に積層されている。第１強磁性層１はその磁化の向きが変化することで機能する。図１において、第１強磁性層１は、磁化がｚ方向に配向した垂直磁化膜でもよく、磁化がｘｙ面内方向に配向した面内磁化膜でもよい。

第１強磁性層１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（ＣｏＨｏ_２）、Ｓｍ－Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ_１２）等を用いることが好ましい。

第１強磁性層１を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２は、第１強磁性層１に接続されている。スピン軌道トルク配線２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。

スピン軌道トルク配線２は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流が生成される材料からなる。このような材料としては、スピン軌道トルク配線２中に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、スピン流を生成しやすい材料で構成される部分と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。スピンホール効果とは、配線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スピン流が誘起される現象である。以下、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。

スピン軌道トルク配線２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Ｉが流れる。電流Ｉ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。しかし、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、通常のホール効果とスピンホール効果とは大きく異なる。

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。従って、ｘ方向に電流Ｉを流した場合、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。そのため、ｚ方向について、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。

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Ｊ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑－Ｊ_↓で定義される。図１においては、ｘ方向に電流を流すと、純スピン流としてＪ_Ｓが図中のｚ方向に流れる。ここで、Ｊ_Ｓ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２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。即ち、第１強磁性層１にスピンが注入される。

スピン軌道トルク配線２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。

またスピン軌道トルク配線２の材料としては、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及び、それらの金属を少なくとも１つ以上含む合金からなる群から選択された材料からなるものであることが特に好ましい。タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合に、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、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くなり、効率的にスピン流を発生できる。

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のに対して、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いために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し、純スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすい。特に、非磁性の重金属としてＩｒを用いると、スピンホール効果が大きい。さらに、Ｉｒと第１強磁性層１の界面において従来材料よりも大きな垂直磁気異方性を第１強磁性層１に付加することができる。

また、スピン軌道トルク配線２は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、又は、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２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２は、反強磁性金属だけからなっていてもよい。

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。従って、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。

また例えばスピン軌道トルク配線２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２の主構成要素は、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。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スピン流を高効率に生成できる。

トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ、（Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３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。

＜非磁性層及び第２強磁性層＞
第１実施形態に係るＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１のスピン軌道トルク配線２とは反対側に第２強磁性層４を有し、第１強磁性層１と第２強磁性層４との間に非磁性層３を有する。

第１強磁性層１と非磁性層３と第２強磁性層４とが積層された積層体（機能部１０）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部は、第２強磁性層４の磁化が一方向に固定され、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４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４の磁化を反強磁性層との交換結合によって固定する。

また機能部において、非磁性層３が絶縁体からなる場合は、機能部はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子と同様の構成であり、機能部が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子と同様の構成である。

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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルを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、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２などを用いることができる。

第２強磁性層４の材料には、公知の強磁性材料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。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が挙げられる。

第２強磁性層４を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉやＣｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂなどが挙げられる。

機能部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、機能部は、第２強磁性層４の磁化方向を固定するための反強磁性結合層５及び磁化固定層６等を備えてもよい。この場合、磁化固定層６は強磁性体で構成されてよく、第２強磁性層４、反強磁性結合層５、及び磁化固定層６は合成反強磁性（ＳＡＦ）構造を形成してよい。このようなＳＡＦ構造では、第２強磁性層４と磁化固定層６とが、反強磁性結合層５を介してＲＫＫＹ相互作用によって反強磁性結合する。その結果、第２強磁性層４の磁化の向きと磁化固定層６の磁化の向きは反平行になる。

反強磁性結合層５は非磁性層であり、反強磁性結合層を構成する材料として、非磁性金属であるＲｕ、Ｒｈ又はＩｒが挙げられる。

磁化固定層６は強磁性体からなる。磁化固定層６を構成する材料は、第１強磁性層１や第２強磁性層４と同様の材料を用いることができる。例えば、磁化固定層６はＣｏ－Ｆｅ－Ｂから構成されてよい。

機能部１０は、その他の層を有していてもよい。例えば、第１強磁性層１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２強磁性層４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。

スピン軌道トルク配線２と第１強磁性層１との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２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。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２から伝播するスピンを第１強磁性層１に十分伝えることができる。

＜第１軟磁性体＞
第１実施形態に係るＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００は、平面視で第１強磁性層１を少なくとも部分的に囲む第１軟磁性体１２１を備える。「平面視で第１強磁性層１を少なくとも部分的に囲む」とは、第１強磁性層１の積層方向（ｚ方向）と直交する平面（ｘｙ平面）における第１強磁性層１の断面において、第１軟磁性体１２１の内側に第１強磁性層１の少なくとも一部が含まれることを意味する。例えば、第１軟磁性体１２１は、平面視で第１強磁性層１を挟むように配置されてもよい。図１（ａ）、（ｂ）において、ｙｚ断面における第１軟磁性体１２１と、ｘｚ断面における第１軟磁性体１２１とは、連続する一つの層である。各断面で確認される第１軟磁性体１２１は、異なる部材の断面でもよい。

平面視で第１軟磁性体１２１が第１強磁性層１を少なくとも部分的に囲むことによって、第１強磁性層１を周囲の磁場から遮蔽することができる。その結果、スピン軌道トルク配線２を流れる反転電流によって形成された磁場が第１強磁性層１に与える影響を低減することができる。

第１軟磁性体１２１は、平面視で第１強磁性層１を完全に囲むことが好ましい。この場合、スピン軌道トルク配線２を流れる反転電流によって形成された磁場の影響を更に低減することができる。

第１軟磁性体１２１を構成する材料としては、任意の軟磁性材料を用いることができる。例えば、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂを使用することができる。特に、第１軟磁性体１２１としてフェライトを用いることが好ましい。第１軟磁性体１２１をフェライトで形成することによって、第１軟磁性体１２１は、効率的に磁場を遮蔽することができる。その結果、周囲の磁場が第１強磁性層１に与える影響を更に低減することができる。

第１軟磁性体１２１は、平面視でスピン軌道トルク配線２を少なくとも部分的に囲んでもよい。平面視で第１軟磁性体１２１がスピン軌道トルク配線２を少なくとも部分的に囲むことによって、スピン軌道トルク配線２を流れる反転電流によって形成された磁場が第１強磁性層１に与える影響を低減することができる。

第１軟磁性体１２１は、スピン軌道トルク配線２を流れる反転電流によって形成された磁場を遮蔽するのに十分な厚さを有すればよい。例えば、第１軟磁性体１２１は０．２ｎｍから２．０μｍの厚さを有すればよい。第１軟磁性体１２１は、平面視で側壁絶縁層１５０によって囲まれてよい。側壁絶縁層１５０は、任意の公知な絶縁材料を用いて形成されてよい。

＜第１絶縁体＞
第１実施形態に係るＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００は、第１軟磁性体１２１と第１強磁性体１との間に位置する第１絶縁体１１１を備える。図１（ａ）、（ｂ）において、ｙｚ断面における第１絶縁層１１１と、ｘｚ断面における第１絶縁層１１１とは、連続する一つの層である。各断面で確認される第１絶縁層１１１は、異なる部材の断面でもよい。第１絶縁体１１１は、スピン軌道トルク配線２及び機能部１０と第１軟磁性体１２１とを電気的に絶縁する。第１絶縁体１１１は、スピン軌道トルク配線２や機能部１０を電気的に絶縁するのに十分な厚さを有すればよい。例えば、第１絶縁体１１１は０．２ｎｍから１．０μｍの厚さを有すればよい。第１絶縁体１１１の材料としては、酸化物や窒化物を含む任意の絶縁材料を用いることができる。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を絶縁材料として使用することができる。

＜上部ビア及び層間絶縁層＞
ＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００は、上部ビア４０を備えてよい。上部ビア４０は、データを読み書きするための電極の役割を果たす。上部ビア４０は、スピン軌道トルク配線２とは反対側で機能部と接触する。しかし、上部ビア４０は第１軟磁性体１２１とは絶縁されている。平面視で、上部ビア４０は層間絶縁層３０に囲まれてよい。層間絶縁層３０は複数の上部ビア４０間を電気的に絶縁し、上部ビア４０と第１軟磁性体１２１との間も電気的に絶縁する。

ＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００は、図１に図示されていない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。またスピン軌道トルク配線２に電流を流すための電極又はビア配線等を有してもよい。

＜製造例１＞
ＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００の製造方法の一例について、図１を参照して説明する。まず、スピン軌道トルク配線２側から順に、スピン軌道トルク配線２を形成することになる膜、第１強磁性層１を形成することになる膜、非磁性層３を形成することになる膜、第２強磁性層４を形成することになる膜、反強磁性結合層５を形成することになる膜、及び磁化固定層６を形成することになる膜を積層して積層膜を形成する。各層の積層方法としては、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等の公知の方法を用いることができる。

次いで、フォトリソグラフィー等の技術を用いて積層膜の不要部分を除去し、スピン軌道トルク配線２、第１強磁性層１、非磁性層３、第２強磁性層４、反強磁性結合層５、及び磁化固定層６に加工する。その後、加工された積層体を覆うように第１絶縁体１１１、第１軟磁性体１２１、及び側壁絶縁層１５０を順に積層する。

次いで、ＣＭＰ研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦化し、磁化固定層６を露出させることで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００が得られる。必要に応じて、上部ビア４０及び層間絶縁層３０を形成する。上部ビア４０及び層間絶縁層３０は、任意の公知な技術を用いて作製することができる。このようにして図１のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１００を製造することができる。

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１００は、第１強磁性層１の磁化の方向と第２強磁性層４の磁化の方向との相対角の違いにより生じる機能部１０の抵抗値変化を用いてデータの記録、読出しを行うことができる。

＜製造例２＞
製造例１では、第１強磁性層１のｘ方向の側部とｙ方向の側部とを先に加工した後に、絶縁体を積層し、その後、軟磁性体を積層して磁場シールドを形成した。製造例２では、まず第１強磁性層１のｙ方向の側部に絶縁体及び軟磁性体を順に形成し、次いで、第１強磁性層１のｘ方向の側部に絶縁体及び軟磁性体を順に形成した場合を説明する。このようにして製造されたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００が図２に示されている。

以下、図２を参照しつつ、製造例２によるＳＯＴ型磁気抵抗効果素子２００の製造方法を具体的に説明する。まず、製造例１と同様に積層膜を形成する。次いで、ｙ軸方向の側部の不要部分をフォトリソグラフィー等の技術を用いて除去し、ｙ軸方向の側部が加工された積層膜を覆うように第１絶縁体１１１及び第１軟磁性体１２１を順に積層する。次いで、ｘ軸方向の側部の不要部分をフォトリソグラフィー等の技術を用いて除去し、第２絶縁体１３１と、第２軟磁性体１４１と、側壁絶縁層１５０とを順に積層する。ｙ軸方向の側部においては、積層膜を覆うように、絶縁体と軟磁性体とが２回積層される。すなわち、ｙｚ平面においては、第１絶縁層１１１、第１軟磁性体１２１、第２絶縁体１３１、第２軟磁性層１４１の順で積層される。

次いで、ＣＭＰ研磨により平坦化し、磁化固定層６を露出させることで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００が得られる。必要に応じて、上部ビア４０及び層間絶縁層３０を形成する。上部ビア４０及び層間絶縁層３０は、任意の公知な技術を用いて作製することができる。このようにして図２のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００を製造することができる。本製造例に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、第２軟磁性体１４１が第１軟磁性体１２１を少なくとも部分的に囲み、第１軟磁性体１２１と第２軟磁性体１４１との間に第２絶縁体１３１を有する。

図２から分かるように、製造例２によって製造されたＳＯＴ型磁気抵抗効果素子２００は、第１強磁性層１のｙ軸方向に２層の軟磁性体（第１軟磁性体１２１及び第２軟磁性体１４１）を有する。従って、スピン軌道トルク配線２を流れる反転電流によって形成される磁場が第１強磁性層１に与える影響を効果的に低減することができる。

＜製造例３＞
製造例３では、まず第１強磁性層１のｘ方向の側部に絶縁体及び軟磁性体を順に形成し、次いで、第１強磁性層１のｙ方向の側部に絶縁体及び軟磁性体を順に形成した場合を説明する。このようにして製造されたスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子３００が図３に示されている。

以下、図３を参照しつつ、製造例３によるＳＯＴ型磁気抵抗効果素子３００の製造方法を具体的に説明する。まず、製造例１と同様に積層膜を形成する。次いで、ｘ軸方向の側部の不要部分をフォトリソグラフィー等の技術を用いて除去し、ｘ軸方向の側部が加工された積層膜を覆うように第１絶縁体１１１及び第１軟磁性体１２１を順に積層する。次いで、ｙ軸方向の側部の不要部分をフォトリソグラフィー等の技術を用いて除去し、第２絶縁体１３１と、第２軟磁性体１４１と、側壁絶縁層１５０とを順に積層する。ｘ軸方向においては、積層膜を覆うように、絶縁体と軟磁性体とが２回積層される。すなわち、ｘｚ平面においては、第１絶縁層１１１、第１軟磁性体１２１、第２絶縁体１３１、第２軟磁性層１４１の順で積層される。

次いで、ＣＭＰ研磨により平坦化し、磁化固定層６を露出させることで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子３００が得られる。必要に応じて、上部ビア４０及び層間絶縁層３０を形成する。上部ビア４０及び層間絶縁層３０は、任意の公知な技術を用いて作製することができる。このようにして図３のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子３００を製造することができる。本製造例に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子３００は、第２軟磁性体１４１が第１軟磁性体１２１を少なくとも部分的に囲み、第１軟磁性体１２１と第２軟磁性体１４１との間に第２絶縁体１３１を有する。

図３から分かるように、製造例３によって製造されたＳＯＴ型磁気抵抗効果素子３００は、第１強磁性層１のｘ方向に２層の軟磁性体（第１軟磁性体１２１及び第２軟磁性体１４１）を有する。従って、ＳＯＴ型磁気抵抗効果素子３００の周囲に配置された同様の素子からの磁場が第１強磁性層１に与える影響を効果的に低減することができる。

製造例２及び３で製造されたＳＯＴ型磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層１のｘ軸方向の側面又はｙ軸方向の側面が軟磁性体によって２重に囲まれている。しかし、第１強磁性層１のｘ軸方向及びｙ軸方向の両方において第１強磁性層１が軟磁性体で２重に囲まれてもよいし、３重以上に囲まれてもよい。また、第１軟磁性体１２１及び第２軟磁性体１４１は、平面視で任意の図形を形成してよい。例えば、それらは平面視で円形、楕円形、又は四角形等の多角形でよい。

＜製造例４＞
製造例４では、スピン軌道トルク配線２の線幅を第１強磁性層１の幅よりも広くする場合の例を説明する。以下、図４を参照しつつ、製造例４によるＳＯＴ型磁気抵抗効果素子４００の製造方法を具体的に説明する。まず、製造例１と同様に積層膜を形成する。次いで、ｘ軸方向及びｙ軸方向の不要部分をフォトリソグラフィー等の技術を用いて除去する。ここで、ｘ軸方向の加工を行う際、スピン軌道トルク配線２の加工は行わず、第１強磁性層１以降の積層膜のみを加工する。次いで、加工された積層膜を覆うように第１絶縁体１１１と、第１軟磁性体１２１とを順に積層する。次いで、ｘ軸方向の不要部分をフォトリソグラフィー等の技術を用いて除去し、スピン軌道トルク配線２の線幅を画定する。加工された積層膜を覆うように第２絶縁体１３１と、第２軟磁性体１４１と、側壁絶縁層１５０とを順に積層する。

製造例４によって製造されたＳＯＴ型磁気抵抗効果素子４００において、第２絶縁体１３１は、第１絶縁体１１１と同じ材料から形成されてもよいし、異なる材料から形成されてもよい。第２軟磁性体１４１は、第１軟磁性体１２１と同じ材料から形成されてもよいし、異なる材料から形成されてもよい。第１軟磁性体１２１と第２軟磁性体１４１とのうち、少なくとも一方がフェライトから形成されることが好ましく、両方がフェライトから形成されることが更に好ましい。

次いで、ＣＭＰ研磨により平坦化し、磁化固定層６を露出させることで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子４００が得られる。必要に応じて、上部ビア４０及び層間絶縁層３０を形成する。上部ビア４０及び層間絶縁層３０は、任意の公知な技術を用いて作製することができる。このようにして図４のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子４００を製造することができる。本製造例に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子４００は、第２軟磁性体１４１が第１軟磁性体１２１を少なくとも部分的に囲み、第１軟磁性体１２１と第２軟磁性体１４１との間に第２絶縁体１３１を有する。

図４から分かるように、製造例４に係るＳＯＴ型磁気抵抗効果素子４００では、スピン軌道トルク配線２の線幅を、第１強磁性層１の幅よりも広い任意の線幅に設定することができる。スピン軌道トルク配線２の線幅を広くすることによってスピン軌道トルク配線２の抵抗値を下げることができる。その結果、スピン軌道トルク配線２に電流を流す際のエネルギー損失を小さくすることができる。

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。

図５は、第１実施形態にかかるＳＯＴ型磁気抵抗効果素子の別の例の断面模式図である。図５に示すＳＯＴ型磁気抵抗効果素子５００は、第１絶縁体１１１及び第１軟磁性体１２１が、スピン軌道トルク配線２を支持する基板１６０の下方まで至っている点が、図１に示すＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００と異なる。図５に示すＳＯＴ型磁気抵抗効果素子５００は、スピン軌道トルク配線２の加工の際に、基板１６０を一緒に加工することで作製される。

図５に示すＳＯＴ型磁気抵抗効果素子５００は、第１軟磁性体１２１が、スピン軌道トルク配線２の外周（ｘｙ側面）を厚み方向（ｚ方向）の全てに亘って覆っている。そのため、スピン軌道トルク配線２から生じる磁場が、他の素子に与える影響を更に抑制できる。

ここまで一つのスピン軌道トルク配線２に対して一つの機能部１０が設けられている場合を例に説明したが、一つのスピン軌道トルク配線２に対して複数の機能部１０が設けられていてもよい。

図６は、第１実施形態にかかるＳＯＴ型磁気抵抗効果素子の別の例の平面模式図である。図６に示すＳＯＴ型磁化回転素子６００は、スピン軌道トルク配線２の上に複数の機能部１０を有する。図６に示す第１軟磁性体１２１は、隣接する複数の機能部１０に亘って設けられている。なお図６では、簡単のため第１絶縁層１１１を省略している。第１絶縁層１１１は、機能部１０の外周に沿って形成される。この場合、軟磁性体１２１の端部での磁化発生を抑制することができるので、効率的に磁場を遮蔽することができる。

図７は、第１実施形態にかかるＳＯＴ型磁気抵抗効果素子の別の例の平面模式図である。図７に示すＳＯＴ型磁化回転素子７００は、スピン軌道トルク配線２の上に複数の機能部１０を有する。図７に示す第１軟磁性体１２１は、複数の第１強磁性層１のそれぞれに分離して設けられている。この場合、軟磁性体１２１が導電性を有していても、素子間のリーク電流を防ぐことができる。

「第２実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁化回転素子＞
図８は、第２実施形態に係るスピン軌道トルク型（ＳＯＴ型）磁化回転素子８００の断面模式図である。第２実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子８００は、第１実施形態に係るＳＯＴ型磁気抵抗効果素子１００から、非磁性層３と、第２強磁性層４と、反強磁性結合層５と、磁化固定層６と、層間絶縁層３０と、上部ビア４０とを除いた構造である。第１実施形態のＳＯＴ型磁気抵抗効果素子と同等の構成については、説明を省略する。

本実施形態に係るＳＯＴ型磁化回転素子８００は、平面視で第１強磁性層１が少なくとも部分的に第１軟磁性体１２１で囲まれている。従って、スピン軌道トルク配線２を流れる反転電流によって形成される磁場が第１強磁性層１に与える影響が低減される。

本実施形態に係るＳＯＴ型磁化回転素子８００は、第１軟磁性体１２１が、平面視でスピン軌道トルク配線２を少なくとも部分的に囲んでもよい。これにより、スピン軌道トルク配線２を流れる反転電流によって形成される磁場が第１強磁性層１に与える影響を、更に低減することができる。

本実施形態に係るＳＯＴ型磁化回転素子８００は、第１実施形態に係るＳＯＴ型磁気抵抗効果素子の製造例と同様の手順で製造することができる。従って、ＳＯＴ型磁化回転素子は、平面視で第１軟磁性体１２１を少なくとも部分的に囲む第２軟磁性体と、第２軟磁性体と第１軟磁性体１２１との間に位置する第２絶縁体とを更に備えてもよい。

本実施形態に係るＳＯＴ型磁化回転素子８００は、前述のＳＯＴ型磁気抵抗効果素子に適用することができる。しかしながら、用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、上記のＳＯＴ型磁化回転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができるし、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印可する磁場をＳＯＴに置き換えてもよい。ＳＯＴ型磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にＳＯＴ型磁化反転素子と呼ぶことができる。

「第３実施形態」
＜磁気メモリ＞
図９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１０００の平面図である。図９に示す磁気メモリ１０００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９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の数及び配置は任意である。

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。

電流を印加するワードラインＷＬ１～ＷＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３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１００のスピン軌道トルク配線２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～ＲＬ３及びビットラインＢＬ１～ＢＬ３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１００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～ＷＬ３、ビットラインＢＬ１～ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１～ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。即ち、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。

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。

１ 第１強磁性層
２ スピン軌道トルク配線
３ 非磁性層
４ 第２強磁性層
５ 反強磁性結合層
６ 磁化固定層
１１１ 第１絶縁体
１２１ 第１軟磁性体
１３１ 第２絶縁体
１４１ 第２軟磁性体
１５０ 側壁絶縁層
３０ 層間絶縁層
４０ 上部ビア
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
８００ スピン軌道トルク型磁化回転素子
１０００ 磁気メモリ

Claims (7)

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に積層された第１強磁性層と、
   平面視で前記第１強磁性層を少なくとも部分的に囲む第１軟磁性体と、
   前記第１軟磁性体と前記第１強磁性層との間に位置する第１絶縁体とを備え、
   前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層側の第１面は、積層方向から見て前記第１強磁性層と重なる第１領域と、積層方向から見て前記第１強磁性層と重ならない第２領域と、を有し、
   前記第２領域における前記第１面は、前記積層方向において、前記第１領域における前記第１面より前記第１強磁性層から離れた位置にあり、
   前記第１軟磁性体が、平面視で前記スピン軌道トルク配線を少なくとも部分的に囲む、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
2. 前記第１軟磁性体がフェライトからなる、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
3. 平面視で前記第１軟磁性体を少なくとも部分的に囲む第２軟磁性体と、
   前記第２軟磁性体と前記第１軟磁性体との間に位置する第２絶縁体とを更に備える、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。
4. 前記第１強磁性層を複数有し、
   前記第１軟磁性体は、隣接する前記第１強磁性層に亘って設けられている、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。
5. 前記第１強磁性層を複数有し、
   前記第１軟磁性体は、複数の前記第１強磁性層のそれぞれに分離して設けられている、請求項１から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。
6. 請求項１から５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、
   前記スピン軌道トルク配線とは反対側で前記第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。
7. 請求項６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。

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