JP7712196B2 - 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁化回転素子、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）素子は、磁気抵抗効果素子として知られている。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）への応用が可能である。

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子が集積された記憶素子である。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子における非磁性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、磁気抵抗効果素子の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。強磁性層の磁化の向きは、例えば、電流が生み出す磁場を利用して制御する。また例えば、強磁性層の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して制御する。

ＳＴＴを利用して強磁性層の磁化の向きを書き換える場合、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性劣化の原因となる。

近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている（例えば、特許文献１）。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である。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れる。すなわち、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を利用した磁気抵抗効果素子は、スピン軌道トルク配線に沿って電流を流すことで、データを書き込む。データは、強磁性層の磁化の向きで記憶される。強磁性層の磁化の向きは、スピン軌道トルク配線から注入されるスピンによって書き換わる。スピン軌道トルク配線から強磁性層へのスピン量を増やすために、高効率にスピン流を生成することができる、磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリが求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高効率なスピン流を生成することができる、磁化回転素子、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の態様にかかる磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に接続された第１強磁性層と、を備える。前記スピン軌道トルク配線は、第１層と第２層とを有する。前記第１層は、前記第２層より前記第１強磁性層の近くにある。前記第１層の平均グレインサイズは、前記第２層の平均グレインサイズより大きい。

（２）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１層の平均グレインサイズは、前記第２層の平均グレインサイズの１倍より大きく２倍より小さくてもよい。

（３）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第２層は、ホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含んでもよい。

（４）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、第３層をさらに備えてもよい。前記第３層は、前記第１層及び前記第２層より前記第１強磁性層の近くにある。前記第３層の平均グレインサイズは、前記第１層の平均グレインサイズより小さい。

（５）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第３層の平均グレインサイズは、前記第２層の平均グレインサイズより小さくてもよい。

（６）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第３層は、ホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含んでもよい。前記第３層は、ホウ素、酸素、窒素及び炭素の合計含有率が、前記第２層より多い。

（７）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記第１強磁性層と前記スピン軌道トルク配線との間に、アモルファス層をさらに備えてもよい。

（８）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記アモルファス層は、膜厚が１ｎｍ以下でもよい。

（９）第２の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる磁化回転素子と、非磁性層と、第２強磁性層と、を備え、前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれ、前記第１強磁性層は、前記第２強磁性層より前記スピン軌道トルク配線の近くにある。

（１０）第３の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を複数備える。

本発明にかかる磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリは、高効率なスピン流を生成することができる。

第１実施形態にかかる磁気メモリの回路図である。 第１実施形態にかかる磁気メモリの特徴部分の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の平面図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク配線の特徴部分を拡大した断面図である。 第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１変形例にかかるスピン軌道トルク配線の特徴部分を拡大した断面図である。 第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第２実施形態に係る磁化回転素子の断面図である。

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。

まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の長手方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、各層が積層される積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。

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。また本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また本明細書での「接続」は電気的な接続も含む。

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁気メモリ２００の構成図である。磁気メモリ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線ＷＬと、複数の共通配線ＣＬと、複数の読出し配線ＲＬと、複数の第１スイッチング素子Ｓｗ１と、複数の第２スイッチング素子Ｓｗ２と、複数の第３スイッチング素子Ｓｗ３と、を備える。磁気メモリ２００は、例えば、磁気抵抗効果素子１００がアレイ状に配列されている。

それぞれの書き込み配線ＷＬは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。それぞれの共通配線ＣＬは、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。それぞれの共通配線ＣＬは、基準電位と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線ＣＬは、複数の磁気抵抗効果素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘って設けられてもよい。それぞれの読出し配線ＲＬは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気メモリ２００に接続される。

それぞれの磁気抵抗効果素子１００は、第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２、第３スイッチング素子Ｓｗ３のそれぞれに接続されている。第１スイッチング素子Ｓｗ１は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線ＷＬとの間に接続されている。第２スイッチング素子Ｓｗ２は、磁気抵抗効果素子１００と共通配線ＣＬとの間に接続されている。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘る読出し配線ＲＬに接続されている。

所定の第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された書き込み配線ＷＬと共通配線ＣＬとの間に書き込み電流が流れる。書き込み電流が流れることで、所定の磁気抵抗効果素子１００にデータが書き込まれる。所定の第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された共通配線ＣＬと読出し配線ＲＬとの間に読み出し電流が流れる。読出し電流が流れることで、所定の磁気抵抗効果素子１００からデータが読み出される。

第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子Ｓｗ１、第２スイッチング素子Ｓｗ２及び第３スイッチング素子Ｓｗ３は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。

図１に示す磁気メモリ２００は、同じ読出し配線ＲＬに接続された磁気抵抗効果素子１００が第３スイッチング素子Ｓｗ３を共用している。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に設けられていてもよい。またそれぞれの磁気抵抗効果素子１００に第３スイッチング素子Ｓｗ３を設け、第１スイッチング素子Ｓｗ１又は第２スイッチング素子Ｓｗ２を同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００で共用してもよい。

図２は、第１実施形態に係る磁気メモリ２００の特徴部分の断面図である。図２は、磁気抵抗効果素子１００を後述するスピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。

図２に示す第１スイッチング素子Ｓｗ１及び第２スイッチング素子Ｓｗ２は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子Ｓｗ３は、読出し配線ＲＬと電気的に接続され、例えば、図２のｘ方向の異なる位置にある。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、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Ｓ及びドレインＤとを有する。ソースＳとドレインＤは、電流の流れ方向によって既定されるものであり、これらは同一の領域である。ソースＳとドレインＤの位置関係は、反転していてもよい。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、ビア配線Ｖ、第１配線３１及び第２配線３２を介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線ＷＬ又は共通配線ＣＬとは、ビア配線Ｖで接続されている。ビア配線Ｖは、例えば、ｚ方向に延びる。読出し配線ＲＬは、電極Ｅを介して積層体１０に接続されている。ビア配線Ｖ、電極Ｅは、導電性を有する材料を含む。ビア配線Ｖと第１配線３１とは一体化していてもよい。またビア配線Ｖと第２配線３２とは一体化していてもよい。すなわち、第１配線３１はビア配線Ｖの一部でもよく、第２配線３２はビア配線Ｖの一部でもよい。

磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層Ｉｎで覆われている。絶縁層Ｉｎ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Ｉｎは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、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（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等である。

図３は、磁気抵抗効果素子１００の断面図である。図３は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。図４は、磁気抵抗効果素子１００をｚ方向から見た平面図である。

磁気抵抗効果素子１００は、例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０と第１配線３１と第２配線３２とを備える。積層体１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。磁気抵抗効果素子１００の周囲は、例えば、第１絶縁層９１、第２絶縁層９２、第３絶縁層９３で覆われている。第１絶縁層９１、第２絶縁層９２及び第３絶縁層９３は、上述の絶縁層Ｉｎの一部である。

第１絶縁層９１は、スピン軌道トルク配線２０と同じ階層にある。第１絶縁層９１は、例えば、ｘｙ面内に広がる。第１絶縁層９１は、ｚ方向から平面視した際に、スピン軌道トルク配線２０の周囲を囲む。第２絶縁層９２は、第１配線３１及び第２配線３２と同じ階層にある。第２絶縁層９２は、例えば、ｘｙ面内に広がる。第２絶縁層９２は、ｚ方向から平面視した際に、第１配線３１及び第２配線３２の周囲を囲む。第３絶縁層９３は、積層体１０と同じ階層にある。第３絶縁層９３は、例えば、ｘｙ面内に広がる。第３絶縁層９３は、ｚ方向から平面視した際に、積層体１０の周囲を囲む。第３絶縁層９３は、例えば、積層体１０と接する。

磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した磁性素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。

磁気抵抗効果素子１００は、データを記録する素子である。磁気抵抗効果素子１００は、積層体１０のｚ方向の抵抗値でデータを記録する。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線２０に沿って書き込み電流を印加し、スピン軌道トルク配線２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。積層体１０のｚ方向の抵抗値は、積層体１０のｚ方向に読出し電流を印加することで読み出すことができる。

第１配線３１と第２配線３２とは、ｚ方向から見て、第１強磁性層１を挟む位置でスピン軌道トルク配線２０に接続されている。第１配線３１とスピン軌道トルク配線２０との間、第２配線３２とスピン軌道トルク配線２０との間には、他の層を有していてもよい。

第１配線３１及び第２配線３２は、例えば、スイッチング素子と磁気抵抗効果素子１００とを電気的に繋ぐ導体である。第１配線３１及び第２配線３２はいずれも、導電性を有する。第１配線３１及び第２配線３２は、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗからなる群から選択される何れかを含む。

スピン軌道トルク配線２０は、例えば、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向より長く、ｘ方向に延びる。書き込み電流は、第１配線３１と第２配線３２との間を、スピン軌道トルク配線２０に沿ってｘ方向に流れる。スピン軌道トルク配線２０は、第１配線３１と第２配線３２とのそれぞれに接続されている。

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、第１強磁性層１にスピンを注入する。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１強磁性層１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１の磁化に与える。

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、電流の流れる方向と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、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、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。

スピン流は、スピンの偏在（スピン分極）を解消することで生じる。例えば、配線に電流が流れると、配線の第１面には、第１の方向に配向したスピン（例えば、＋スピン）が偏在し、第１面と対向する第２面には、第１方向と反対方向に配向したスピン（例えば、－スピン）が偏在する。このスピンの偏在を解消するために、第１面から第２面に向かって、又は、第２面から第１面に向かってスピン流が生じる。＋スピンも－スピンも電子であり、電荷の流れは互いに相殺されるため、第１面と第２面との間に電流は生じない。

スピン軌道トルク配線２０は、第１層２１と第２層２２とを備える。第１層２１は、第２層２２より第１強磁性層１の近くにある。第１層２１と第２層２２とは、例えば、直接接する。第１層２１及び第２層２２は、それぞれｘ方向に延びる。第１層２１及び第２層２２の一部は、それぞれ第１配線３１及び第２配線３２のそれぞれとｚ方向見て重なる。

第１層２１及び第２層２２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、金属窒化物のいずれかを含む。第１層２１と第２層とは、構成する元素又は組成比が異なる。

第１層２１及び第２層２２は、例えば、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を意味する。非磁性の重金属は、例えば、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。第１層２１及び第２層２２は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗを含む。

また第１層２１は、例えば、ホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含んでもよい。また第２層２２も、例えば、ホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含んでもよい。第１層２１及び第２層２２は、例えば、層を構成する金属の硼化物、酸化物、窒化物、炭化物のいずれかでもよい。ホウ素、酸素、窒素及び炭素は、層を構成する金属元素と化合していてもよいし、化合せずに層を構成する金属間にあってもよい。この場合の層を構成する金属元素は、重金属に限られず、原子番号が３８番以下の軽金属元素でもよい。例えば、第１層２１と第２層２２とのうち少なくとも一方は、例えば、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）を含む。

例えば、第１層２１は、第２層２２よりホウ素、酸素、窒素及び炭素の合計含有率が少ない。第１層２１及び第２層２２はそれぞれ、ホウ素、酸素、窒素及び炭素の含有率がいずれも５０ａｔｍ％以下であることが好ましい。また第２層２２に含まれるホウ素、酸素、窒素、又は炭素の含有率は、例えば、３０ａｔｍ％以上であることが好ましい。これらの元素の含有率は、Ｙ方向に２０ｎｍ以下まで薄片化したスピン軌道トルク配線２０に対して、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）や電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）などを用いて、組成マッピングを行うことにより、各元素の含有率を算出することができる。ホウ素、酸素、窒素、炭素は、結晶粒の平均グレインサイズを小さくする。

図５は、第１実施形態に係るスピン軌道トルク配線２０の特徴部分を拡大した断面図である。第１層２１は、グレイン成長した複数の結晶粒２１Ｇを有する。第２層２２は、グレイン成長した複数の結晶粒２２Ｇを有する。第１層２１を構成する結晶粒２１Ｇの平均グレインサイズＳ１は、第２層２２を構成する結晶粒２２Ｇの平均グレインサイズＳ２より大きい。

グレインサイズの異なる層が積層されることで、スピン軌道トルク配線２０を流れる電子が拡散されやすくなり、スピン流の生成効率が高まる。また第１層２１の平均グレインサイズＳ１が第２層２２の平均グレインサイズＳ２より大きいことで、積層体１０が積層される面を平坦化しやすくなる。

結晶粒２１Ｇ及び結晶粒２２Ｇの平均グレインサイズＳ１、Ｓ２は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定できる。例えば、結晶粒２１Ｇの平均グレインサイズＳ１を求める場合は、スピン軌道トルク配線２０の断面を透過型電子顕微鏡で測定し、断面画像における任意の１０個の結晶粒２１Ｇを抽出する。そして１０個の結晶粒２１Ｇのそれぞれの粒径を測定し、その平均を求める。結晶粒２１Ｇが不定形の場合は、ｘ方向の長さを粒径とする。この粒径の平均が、平均グレインサイズＳ１である。結晶粒２２Ｇの平均グレインサイズＳ２も同様の手順で測定できる。

また第１層２１及び第２層２２の表面を測定できる場合は、結晶粒２１Ｇ及び結晶粒２２Ｇの平均グレインサイズを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定してもよい。ＡＦＭで各層の表面を測定し、粒径解析を行い、結晶粒２１Ｇと結晶粒２２Ｇの平均グレインサイズＳ１、Ｓ２を求めてもよい。

第１層２１を構成する結晶粒２１Ｇの平均グレインサイズＳ１は、例えば、第２層２２の平均グレインサイズＳ２の１倍より大きく２倍より小さい。平均グレインサイズＳ１が平均グレインサイズＳ２の整数倍にならないことで、第１層２１の結晶粒２１Ｇの周期と第２層２２の結晶粒２２Ｇの周期にずれが生じる。すなわち、結晶粒２１Ｇ間の粒界と、結晶粒２２Ｇ間の粒界と、のｘ方向の位置がずれる。これらの粒界のｘ方向の位置がずれると、ｘ方向に流れる電子から見た際の界面の数が増える。その結果、スピン軌道トルク配線２０を流れる電子が拡散されやすくなり、スピン流の生成効率が高まる。

第１層２１の厚みは、例えば、第１層２１を構成する材料のスピン拡散長以下であってもよい。当該条件を満たすと、第２層２２で生じたスピンが、第１層２１を通過して、第１強磁性層１に至る。すなわち、第１強磁性層１に注入されるスピン量が増え、書き込み時に第１強磁性層１の磁化が反転しやすくなる。第１層２１の厚みは、例えば、２ｎｍ以上である。第１層２１の厚みは、例えば、２０ｎｍ以下でもよい。

第２層２２の厚みは、例えば、２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下である。また、書き込み電流は第１層２１と第２層２２に分流するため、第１層２１で発生したスピンを主として使う場合は、第２層２２は第１層２１より薄い方が好ましい。

スピン軌道トルク配線２０の抵抗率は、例えば、１ｍΩ・ｃｍ以上である。またスピン軌道トルク配線２０の抵抗率は、例えば、１０ｍΩ・ｃｍ以下である。スピン軌道トルク配線２０の抵抗率が高いと、スピン軌道トルク配線２０に高電圧を印加できる。スピン軌道トルク配線２０の電位が高くなると、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に効率的にスピンを供給できる。またスピン軌道トルク配線２０が一定以上の導電性を有することで、スピン軌道トルク配線２０に沿って流れる電流経路を確保でき、スピンホール効果に伴うスピン流を効率的に生み出すことができる。第１配線３１及び第２配線３２の抵抗率は、好ましくは、スピン軌道トルク配線２０の抵抗率より低い。

スピン軌道トルク配線２０は、この他に、磁性金属を含んでもよく、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。

積層体１０は、スピン軌道トルク配線２０に接続されている。積層体１０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０に積層されている。積層体１０とスピン軌道トルク配線２０との間には、他の層を有してもよい。

積層体１０のｚ方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線２０から積層体１０（第１強磁性層１）にスピンが注入されることで変化する。

積層体１０は、ｚ方向に、スピン軌道トルク配線２０と電極Ｅ（図２参照）とに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。積層体１０の側面は、例えば、ｚ方向に対して傾斜する。

積層体１０は、例えば、第１強磁性層１と第２強磁性層２と非磁性層３とを有する。第１強磁性層１は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と接し、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。第１強磁性層１にはスピン軌道トルク配線２０からスピンが注入される。第１強磁性層１の磁化は、注入されたスピンによりスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受け、配向方向が変化する。第１強磁性層１と第２強磁性層２は、ｚ方向に非磁性層３を挟む。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。第２強磁性層２の磁化は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。図３に示す積層体１０は、磁化固定層が基板Ｓｕｂから離れた側にあり、トップピン構造と呼ばれる。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。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。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、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Ｘ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。

非磁性層３は、非磁性体を含む。非磁性層３が絶縁体の場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、例えば、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が金属の場合、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が半導体の場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

積層体１０は、第１強磁性層１、第２強磁性層２及び非磁性層３以外の層を有してもよい。例えば、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１との間に下地層を有してもよい。下地層は、積層体１０を構成する各層の結晶性を高める。また例えば、積層体１０の最上面にキャップ層を有してもよい。

また積層体１０は、第２強磁性層２の非磁性層３と反対側の面に、スペーサ層を介して強磁性層を設けてもよい。第２強磁性層２、スペーサ層、強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２と強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２の保磁力が大きくなる。強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。

次いで、磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、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等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。

まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。基板Ｓｕｂは、トランジスタＴｒが形成された市販の半導体回路基板を用いてもよい。

次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層Ｉｎを形成する。また絶縁層Ｉｎに開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することでビア配線Ｖ、第１配線３１及び第２配線３２が形成される。書き込み配線ＷＬ、共通配線ＣＬは、絶縁層Ｉｎを所定の厚みまで積層した後、絶縁層Ｉｎに溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。

次いで、絶縁層Ｉｎ、第１配線３１及び第２配線３２の一面に、第２層２２となる層、第１層２１となる層を順に積層する。第１層２１と第２層２２の平均グレインサイズは、例えば、スパッタリングの際にターゲットに照射するイオンのエネルギーを変えることで調整できる。スパッタリングのエネルギーが大きいと、成膜面に付着した原子が移動でき、粒成長しやすくなる。また第１層２１と第２層２２の平均グレインサイズは、ホウ素、酸素、窒素及び炭素の含有率を調整することで変えてもよい。ホウ素、酸素、窒素及び炭素の含有率が増えると、平均グレインサイズが小さくなる傾向にある。

次いで、第２層２２となる層に、強磁性層、非磁性層、強磁性層、ハードマスク層を順に積層する。次いで、ハードマスク層を所定の形状に加工する。所定の形状は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の外形である。次いで、ハードマスク層を介して、スピン軌道トルク配線２０となる層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を一度に所定の形状に加工する。

次いで、ハードマスク層のｘ方向の不要部分を除去する。ハードマスク層は、積層体１０の外形となる。次いで、ハードマスク層を介して、スピン軌道トルク配線２０上に形成された積層体のｘ方向の不要部分を除去する。積層体１０は、所定の形状に加工され、積層体１０となる。ハードマスク層は、電極Ｅとなる。次いで、積層体１０、スピン軌道トルク配線２０の周囲を絶縁層Ｉｎで埋め、磁気抵抗効果素子１００が得られる。

第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク配線２０がグレインサイズの異なる層を有する。スピン軌道トルク配線２０が異なるグレインサイズの層を有することで、スピン軌道トルク配線２０を流れる電子が拡散されやすくなり、スピン流の生成効率が高まる。また第１層２１の平均グレインサイズＳ１が第２層２２の平均グレインサイズＳ２より大きいことで、積層体１０が積層される面を平坦化しやすくなる。積層体１０の積層面が平坦になると、積層体１０の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きくなる。

以上、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の一例を示したが、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。

（第１変形例）
図６は、第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。図６は、スピン軌道トルク配線２５のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図６において、図３と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。

第１変形例に係る磁気抵抗効果素子１０１は、スピン軌道トルク配線２５の構成が、磁気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線２０と異なる。

スピン軌道トルク配線２５は、第１層２１と第２層２２と第３層２３とを有する。第３層２３は、第１層２１及び第２層２２より第１強磁性層１の近くにある。第３層２３は、例えば、第１層２１上にある。第３層２３は、第１層２１と構成する元素又は組成比が異なる。第３層２３は、第２層２２と構成する元素又は組成比が異なってもよい。

第３層２３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、金属窒化物のいずれかを含む。

第３層２３は、例えば、非磁性の重金属を含んでもよい。また第３層２３は、例えば、ホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含んでもよい。第３層２３がホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含む場合、層を構成する金属元素は、重金属に限られず、原子番号が３８番以下の軽金属元素でもよい。例えば、第３層２３は、第１層２１よりホウ素、酸素、窒素及び炭素の合計含有率が高い。また第３層２３は、第２層２２よりホウ素、酸素、窒素及び炭素の合計含有率が高くてもよい。第３層２３のホウ素、酸素、窒素及び炭素の含有率はいずれも５０ａｔｍ％以下であることが好ましい。また第３層２３に含まれるホウ素、酸素、窒素、又は炭素の含有率は、例えば、３０ａｔｍ％以上であることが好ましい。

図７は、第１変形例に係るスピン軌道トルク配線２５の特徴部分を拡大した断面図ある。第３層２３は、グレイン成長した複数の結晶粒２３Ｇを有する。第３層２３を構成する結晶粒２３Ｇの平均グレインサイズＳ３は、第１層２１を構成する結晶粒２１Ｇの平均グレインサイズＳ１より小さい。第３層２３を構成する結晶粒２３Ｇの平均グレインサイズＳ３は、第２層２２を構成する結晶粒２２Ｇの平均グレインサイズＳ２より小さくてもよい。

グレインサイズが小さくなると、層の界面抵抗が大きくなり、スピン軌道相互作用に伴うスピン流の生成効率が高まる。スピン流の生成効率が高い層（第３層２３）が第１強磁性層１の近くに存在することで、第１強磁性層１へのスピンの注入効率が高まる。また結晶粒２３Ｇは、第１層２１によって平坦化された積層面に残る凹凸を埋めるため、積層体１０が積層される面をより平坦化できる。

結晶粒２３Ｇの平均グレインサイズＳ３は、結晶粒２１Ｇ及び結晶粒２２Ｇと同様の方法で測定できる。第１層２１を構成する結晶粒２１Ｇの平均グレインサイズＳ１は、例えば、第３層２３の平均グレインサイズＳ２の１倍より大きく２倍より小さい。

第３層２３の厚みは、例えば、０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。また、第１層２１より薄いほうが好ましい。厚くなると粒成長が進み、グレインサイズが大きくなってしまう。

第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。またスピン軌道トルク配線２５が第３層２３を有することで、第１強磁性層１へのスピンの注入効率を高めることができる。また第３層２３があると、スピン軌道トルク配線２５内に異なる層の界面が増える。異なる層の界面が増えると、ラシュバ効果によりスピン軌道トルク配線２５から第１強磁性層１に注入されるスピン量が増える。

（第２変形例）
図８は、第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。図８は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図８において、図３と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。

第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０２は、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１との間に、アモルファス層４０をさらに備える点が、磁気抵抗効果素子１００のスピン軌道トルク配線２０と異なる。

アモルファス層４０は、積層体１０の積層面の平坦性を高める。アモルファス層４０の膜厚は、例えば、１ｎｍ以下である。アモルファス層４０の厚みが十分薄いと、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に至るスピンが拡散されにくい。

アモルファス層４０は、非磁性元素を有していてもよい。アモルファス層４０は、例えば、Ｔａ、Ｗである。アモルファス層４０は、強磁性元素を含んでいてもよい。アモルファス層４０が１ｎｍ以下と十分薄いと、強磁性元素は磁化を示さない。そのため、アモルファス層４０が強磁性元素を含んでいても、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に至るスピンを大きく拡散することはない。

第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。また磁気抵抗効果素子１０２がアモルファス層４０を有することで、積層体１０の積層面が平坦化される。積層体１０の積層面が平坦になると、積層体１０の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きくなる。

（第３変形例）
図９は、第３変形例に係る磁気抵抗効果素子１０３の断面図である。図９は、スピン軌道トルク配線２６のｙ方向の中心を通るｘｚ断面である。図９において、図３と同じ構成には同様の符号を付し、説明を省く。

図９に示す積層体１０は、磁化固定層（第２強磁性層２）が基板Ｓｕｂの近くにあるボトムピン構造である。磁化固定層が基板Ｓｕｂ側にあると、磁化固定層の磁化の安定性が高まり、磁気抵抗効果素子１０３のＭＲ比が高くなる。スピン軌道トルク配線２６は、例えば、積層体１０上にある。第１層２１は、第２層２２より第１強磁性層１の近くにあり、第２層２２は第１層２１上にある。第１配線３１及び第２配線３２は、スピン軌道トルク配線２６上にある。

第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０３は、各構成の位置関係が異なるだけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

「第２実施形態」
図１０は、第２実施形態に係る磁化回転素子１１０の断面図である。図１において、磁化回転素子１１０は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と置き換えられる。

磁化回転素子１１０は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１１０は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。

この他、磁化回転素子１１０は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。

磁化回転素子１１０のスピン軌道トルク配線２０は、第１層２１と第２層２２とを有する。第１層２１の平均グレインサイズＳ１は、第２層２２の平均グレインサイズＳ２より大きい。

第２実施形態に係る磁化回転素子１１０は、磁気抵抗効果素子１００から非磁性層３及び第２強磁性層２が除かれているだけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果が得られる。

ここまで、第１実施形態、第２実施形態及び変形例を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態及び変形例における特徴的な構成を他の実施形態及び変形例に適用してもよい。

１…第１強磁性層、２…第２強磁性層、３…非磁性層、１０…積層体、２０…スピン軌道トルク配線、２１…第１層、２２…第２層、２３…第３層、２１Ｇ，２２Ｇ，２３Ｇ…結晶粒、３１…第１配線、３２…第２配線、９１…第１絶縁層、９２…第２絶縁層、９３…第３絶縁層、１００，１０１，１０２…磁気抵抗効果素子、１１０…磁化回転素子、２００…磁気メモリ、ＣＬ…共通配線、ＲＬ…読出し配線、ＷＬ…書き込み配線、Ｉｎ…絶縁層、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…平均グレインサイズ

Claims (11)

1. スピン軌道トルク配線と、
   前記スピン軌道トルク配線に接続された第１強磁性層と、を備え、
   前記スピン軌道トルク配線は、第１層と第２層とを有し、
   前記第１層は、前記第２層より前記第１強磁性層の近くにあり、
   前記第１層の平均グレインサイズは、前記第２層の平均グレインサイズより大きい、磁化回転素子。
2. 前記第１層の平均グレインサイズは、前記第２層の平均グレインサイズの整数倍ではない、請求項１に記載の磁化回転素子。
3. 前記第１層の平均グレインサイズは、前記第２層の平均グレインサイズの１倍より大きく２倍より小さい、請求項１に記載の磁化回転素子。
4. 前記第２層は、ホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
5. 前記スピン軌道トルク配線は、第３層をさらに備え、
   前記第３層は、前記第１層及び前記第２層より前記第１強磁性層の近くにあり、
   前記第３層の平均グレインサイズは、前記第１層の平均グレインサイズより小さい、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
6. 前記第３層の平均グレインサイズは、前記第２層の平均グレインサイズより小さい、請求項５に記載の磁化回転素子。
7. 前記第３層は、ホウ素、酸素、窒素、炭素のいずれかを含み、
   前記第３層は、ホウ素、酸素、窒素及び炭素の合計含有率が、前記第２層より多い、請求項５又は６に記載の磁化回転素子。
8. 前記第１強磁性層と前記スピン軌道トルク配線との間に、アモルファス層をさらに備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
9. 前記アモルファス層は、膜厚が１ｎｍ以下である、請求項８に記載の磁化回転素子。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の磁化回転素子と、非磁性層と、第２強磁性層と、を備え、
    前記非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれ、
    前記第１強磁性層は、前記第２強磁性層より前記スピン軌道トルク配線の近くにある、磁気抵抗効果素子。
11. 請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。