[go: up one dir, main page]

JP2019041098A - Spin current magnetoresistive element and magnetic memory - Google Patents

Spin current magnetoresistive element and magnetic memory Download PDF

Info

Publication number
JP2019041098A
JP2019041098A JP2018119920A JP2018119920A JP2019041098A JP 2019041098 A JP2019041098 A JP 2019041098A JP 2018119920 A JP2018119920 A JP 2018119920A JP 2018119920 A JP2018119920 A JP 2018119920A JP 2019041098 A JP2019041098 A JP 2019041098A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spin
metal layer
ferromagnetic metal
magnetization
effect element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2018119920A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7095434B2 (en
Inventor
英嗣 小村
Hidetsugu Komura
英嗣 小村
陽平 塩川
Yohei SHIOKAWA
陽平 塩川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to US16/055,589 priority Critical patent/US10374151B2/en
Publication of JP2019041098A publication Critical patent/JP2019041098A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7095434B2 publication Critical patent/JP7095434B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

【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1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin current magnetoresistive effect element having excellent write efficiency by magnetization reversal using a spin-orbit torque (SOT) effect. SOLUTION: This spin current magnetic resistance effect element is formed on a first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer capable of changing the magnetization direction, a first ferromagnetic metal layer and a second ferromagnetic metal layer. A spin trajectory extending in a first direction intersecting the stacking direction of the magnetic resistance effect element having the sandwiched non-magnetic layer and the magnetic resistance effect element and joining to the second ferromagnetic metal layer. A torque wiring is provided, and the first end portion of the first ferromagnetic metal layer and the second end of the second ferromagnetic metal layer are provided on any side surface of the magnetic resistance effect element when viewed from the stacking direction. The third end portion of the non-magnetic layer is located between the portion and the portion. [Selection diagram] Fig. 1

Description

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。   The present invention relates to a spin current magnetoresistive element and a magnetic memory.

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。   Giant magnetoresistive (GMR) elements composed of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, and tunnel magnetoresistive (TMR) elements using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the nonmagnetic layer are known. Yes. In general, a TMR element has a higher element resistance and a higher magnetoresistance (MR) ratio than a GMR element. Therefore, TMR elements are attracting attention as elements for magnetic sensors, high-frequency components, magnetic heads, and nonvolatile random access memories (MRAM).

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。   The MRAM reads and writes data using the characteristic that the element resistance of the TMR element changes when the directions of magnetization of the two ferromagnetic layers sandwiching the insulating layer change. As a writing method of the MRAM, writing (magnetization reversal) is performed using a magnetic field generated by current, and writing (magnetization) is performed using spin transfer torque (STT) generated by flowing current in the stacking direction of the magnetoresistive effect element. A method of performing inversion) is known.

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。   The magnetization reversal of the TMR element using STT is efficient from the viewpoint of energy efficiency, but the reversal current density for reversing the magnetization is high. From the viewpoint of the long life of the TMR element, it is desirable that the reversal current density is low. This also applies to the GMR element.

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。   Therefore, in recent years, attention has been focused on magnetization reversal using a pure spin current generated by spin-orbit interaction as a means for reducing reversal current (for example, Non-Patent Document 1). Although this mechanism has not yet been fully clarified, it is thought that the Rashba effect at the interface between pure spin currents or dissimilar materials caused by spin-orbit interaction induces spin-orbit torque (SOT) and causes magnetization reversal. It has been. The pure spin current is generated by the same number of upward spin electrons and downward spin electrons flowing in opposite directions, and the charge flow is canceled out. Therefore, the current flowing through the magnetoresistive effect element is zero, and the lifetime of the magnetoresistive effect element is expected to be extended.

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。   On the other hand, it is said that in the magnetization reversal using SOT, it is necessary to disturb the symmetry of magnetization that is reversed by applying an external magnetic field. In order to apply an external magnetic field, a magnetic field generation source is required. Providing a separate magnetic field generation source leads to a decrease in the degree of integration of the integrated circuit including the spin current magnetization switching element. Therefore, there is a need for a technique that can reverse magnetization using SOT without applying an external magnetic field. For example, Patent Document 1 describes an element in which the easy axis of magnetization of a recording layer is not uniform in the recording layer and the recording layer includes a plurality of regions having different easy axes of magnetization.

国際公開第2016/021468号International Publication No. 2016/021468

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).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).

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。   However, the magnetoresistive effect element described in Patent Document 1 is strongly influenced by the magnetization of the magnetization fixed layer, and the direction of the easy axis of magnetization of the recording layer cannot be made sufficiently non-uniform in the recording layer. For this reason, the write efficiency by magnetization reversal using the spin orbit torque (SOT) effect cannot be sufficiently increased.

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。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a spin current magnetoresistive element excellent in write efficiency by magnetization reversal using the spin orbit torque (SOT) effect.

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。
The inventors defined the position of the end of each layer of the magnetoresistive effect element, and made the direction of the easy axis of magnetization in the second ferromagnetic metal layer more non-uniform. Then, a part of the current at the time of data writing is shunted into the second ferromagnetic metal layer, and spin transfer torque is applied to the magnetization of the second ferromagnetic metal layer, or the movement of the domain wall is used, It has been found that the magnetization of the two ferromagnetic metal layers can be easily reversed. In addition, by providing regions with different easy axes (including a magnetization relaxation region that relaxes non-uniform magnetization) in a portion that does not overlap with the first ferromagnetic metal and has little influence on the MR ratio, It has been found that a decrease in MR ratio can be suppressed.
That is, this invention provides the following means in order to solve the said subject.

(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。 (1) A spin current magnetoresistive element according to a first aspect includes a first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer capable of changing a magnetization direction, the first ferromagnetic metal layer, and the second strong metal layer. A magnetoresistive effect element having a nonmagnetic layer sandwiched between magnetic metal layers, and extending in a first direction intersecting a stacking direction of the magnetoresistive effect element, and extending to the second ferromagnetic metal layer A spin orbit torque wiring to be bonded, and when viewed from the stacking direction, on either side of the magnetoresistive effect element, a first end of the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer The third end of the nonmagnetic layer is located between the second end of the nonmagnetic layer.

(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。 (2) In the spin current magnetoresistive effect element according to the above aspect, a distance between the second end and the third end may be longer than a distance between the first end and the third end. .

(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。 (3) In the spin current magnetoresistive effect element according to the aspect described above, a side surface on which the first end portion, the second end portion, and the third end portion exist is in the first direction of the magnetoresistive effect element. May be located.

(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。 (4) In the spin current magnetoresistive effect element according to the aspect described above, a distance between the second end portion and the third end portion may be longer than a thickness of the spin orbit torque wiring.

(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。 (5) In the spin current magnetoresistance effect element according to the above aspect, a distance between the first end and the third end may be shorter than a thickness of the spin orbit torque wiring.

(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。 (6) In the spin current magnetoresistive effect element according to the above aspect, the second ferromagnetism in a direction perpendicular to the first direction and the stacking direction is a distance between the second end and the third end. It may be shorter than the width of the metal layer.

(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。 (7) In the spin current magnetoresistive effect element according to the above aspect, the second ferromagnetism in a direction perpendicular to the first direction and the stacking direction is a distance between the first end and the third end. It may be shorter than the width of the metal layer.

(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。 (8) In the spin current magnetoresistive effect element according to the aspect described above, the second ferromagnetism in a direction perpendicular to the first direction and the stacking direction is a distance between the second end and the third end. It may be longer than the width of the metal layer.

(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。 (9) In the spin current magnetoresistive effect element according to the above aspect, the second ferromagnetism in a direction perpendicular to the first direction and the stacking direction is a distance between the first end and the third end. It may be longer than the width of the metal layer.

(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。 (10) In the spin current magnetoresistive effect element according to the aspect described above, the side surface of the magnetoresistive element is an inclined surface that extends in the stacking direction from the first ferromagnetic metal layer toward the second ferromagnetic metal layer. It may be.

(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。 (11) A magnetic memory according to the second aspect includes a plurality of spin current magnetoresistive elements according to the above aspect.

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。   According to the spin current magnetoresistive element and the magnetic memory according to the above aspect, a spin current magnetoresistive element excellent in write efficiency by magnetization reversal using the spin orbit torque (SOT) effect can be obtained.

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。It is sectional drawing which showed typically the spin current magnetoresistive effect element concerning this embodiment. 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。It is the figure which planarly viewed the spin current magnetoresistive effect element concerning this embodiment from the z direction. 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。It is a schematic diagram for demonstrating a spin Hall effect. 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。It is a cross-sectional schematic diagram of a spin current magnetoresistive effect element in which the end of each layer of the magnetoresistive effect element is present at the same position when viewed from the z direction. 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。1 is a schematic cross-sectional view of a spin current magnetoresistive effect element illustrated in Patent Document 1. FIG. 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。It is the figure which planarly viewed the spin current magnetoresistive effect element concerning this embodiment from the z direction. 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。It is sectional drawing which showed typically another example of the spin current magnetoresistive effect element which concerns on this embodiment. 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。It is the figure which planarly viewed from the z direction another example of the spin current magnetoresistive effect element concerning this embodiment. 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。It is sectional drawing which showed typically another example of the spin current magnetoresistive effect element which concerns on this embodiment. 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。It is sectional drawing which showed typically an example of the magnetic memory which concerns on this embodiment.

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。   Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the features easier to understand, the portions that become the features may be shown in an enlarged manner for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components may differ from the actual ones. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to these, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the effects of the present invention.

(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。
(Spin current magnetoresistive element)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the spin current magnetoresistive element according to the first embodiment. The spin current magnetoresistance effect element 100 according to the first embodiment includes a magnetoresistance effect element 10 and a spin orbit torque wiring 20.

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。   Hereinafter, the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10 is defined as the z direction, and the first direction in which the spin orbit torque wiring 20 extends is defined as the x direction. Further, the second direction orthogonal to both the z direction and the x direction is defined as the y direction.

<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。
<Magnetoresistance effect element>
The magnetoresistive effect element 10 includes a first ferromagnetic metal layer 1, a second ferromagnetic metal layer 2 whose magnetization direction changes, and a non-magnetic material sandwiched between the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 2. And a magnetic layer 3. The magnetization M 1 of the first ferromagnetic metal layer 1 is fixed relative to the magnetization M 2 of the second ferromagnetic metal layer 2.

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。   The magnetoresistive element 10 functions by the relative change between the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1 and the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2. When applied to a coercive force difference type (pseudo spin valve type) MRAM, the coercive force of the first ferromagnetic metal layer 1 of the magnetoresistive effect element 10 is set to the coercivity of the second ferromagnetic metal layer 2. Make it larger than the magnetic force. When an exchange bias type (spin valve type) MRAM is applied to the magnetoresistive effect element 10, the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1 in the magnetoresistive effect element 10 is changed with the antiferromagnetic layer. Fix by exchange coupling.

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。   The magnetoresistive element 10 is a tunneling magnetoresistive (TMR) element when the nonmagnetic layer 3 is made of an insulator, and a giant magnetoresistive (GMR: Giant Magnetoresistance) when the nonmagnetic layer 3 is made of a metal. ) Element.

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。   As the laminated structure of the magnetoresistive effect element 10, a known laminated structure of the magnetoresistive effect element can be adopted. For example, each layer may be composed of a plurality of layers, or may be provided with other layers such as an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the first ferromagnetic metal layer 1. The first ferromagnetic metal layer 1 is called a fixed layer or a reference layer, and the second ferromagnetic metal layer 2 is called a free layer or a memory layer.

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。   The magnetoresistive effect element 10 shown in FIG. 1 is between the first end e1 in the x direction of the first ferromagnetic metal layer 1 and the second end e2 in the x direction of the second ferromagnetic metal layer 2. The third end e3 in the x direction of the nonmagnetic layer 3 is located.

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。   In FIG. 1, the first end e1, the second end e2, and the third end e3 satisfy the relationship on both side surfaces of the magnetoresistive element 10 in the x direction. These relationships only need to satisfy the relationship on one side surface in the x direction of the magnetoresistive element 10, but it is particularly preferable to satisfy the relationship on the front surface in the direction of the write current flow. FIG. 2 is a diagram of the spin current magnetoresistive element according to the first embodiment viewed from the z direction. FIG. 2A is a diagram of the spin current magnetoresistance effect element 100 of FIG. 1 viewed from the z direction. FIGS. 2B and 2C are views of a spin current magnetoresistive element according to another example as seen from the z direction.

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。   Ends (first end e1, second end e2, third end) of each layer (first ferromagnetic metal layer 1, second ferromagnetic metal layer 2, nonmagnetic layer 3) constituting the magnetoresistive effect element 10 When the portion e3) satisfies the relationship, three regions having different magnetic anisotropy are formed in the second ferromagnetic metal layer 2.

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。   The first region A1 of the second ferromagnetic metal layer 2 is a region facing the first ferromagnetic metal layer 1. The magnetization M21 in the first region A1 has a strong magnetic anisotropy in the z direction under the influence of the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1.

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。   The second region A2 of the second ferromagnetic metal layer 2 is a region which is sandwiched between the nonmagnetic layer 3 and the spin orbit torque wiring 20 and does not overlap the first ferromagnetic metal layer 1 when viewed from the z direction. The magnetization M22 of the second region A2 is sandwiched between the nonmagnetic layer 3 and the spin orbit torque wiring 20, and has magnetic anisotropy in the z direction under the influence of the interface with these. However, the strength of the magnetic anisotropy of the second region A2 is weaker than that of the first region A1 because the magnetization M1 of the first ferromagnetic metal layer 1 does not exist oppositely.

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。   The third region A3 of the second ferromagnetic metal layer 2 is a region that does not overlap the first ferromagnetic metal layer 1 and the nonmagnetic layer 3 when viewed from the z direction. The magnetizations M21 and M22 of the first region A1 and the second region A2 of the second ferromagnetic metal layer 2 anneal the spin current magnetoresistive effect element 100, and influence the crystal structure of the nonmagnetic layer 3 on the second ferromagnetic metal. By giving to the layer 2, it is oriented in the z direction. On the other hand, the magnetization M23 of the third region A3 has no layer stacked in the z direction. As a result, no perpendicular magnetic anisotropy is imparted to the third region A3. That is, the magnetization M23 is not oriented in the z direction, but is extremely in-plane oriented in the xy direction.

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。   Thus, the second ferromagnetic metal layer 2 has three regions with different easy axes. The perpendicular magnetic anisotropy of the three regions is strong in the order of the first region A1, the second region A2, and the third region A3. Further, the in-plane magnetic anisotropy of the three regions is strong in the order of the third region A3, the second region A2, and the first region A1. If there are regions having different magnetic anisotropy in the second ferromagnetic metal layer 2, the magnetization reversal of the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 is facilitated. The reason for this will be described later.

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。   A known material can be used for the material of the first ferromagnetic metal layer 1. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni and an alloy that includes one or more of these metals and exhibits ferromagnetism can be used. An alloy containing these metals and at least one element of B, C, and N can also be used. Specific examples include Co—Fe and Co—Fe—B.

また、より高い出力を得るためにはCoFeSi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、XYZ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、CoFeSi、CoMnSiやCoMn1−aFeAlSi1−bなどが挙げられる。 In order to obtain a higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V , Cr or Ti group transition metal or X element species, and Z is a group III to group V typical element. Examples thereof include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b .

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。   In order to increase the coercivity of the first ferromagnetic metal layer 1 to the second ferromagnetic metal layer 2, IrMn, An antiferromagnetic material such as PtMn may be laminated. In order to prevent the leakage magnetic field of the first ferromagnetic metal layer 1 from affecting the second ferromagnetic metal layer 2, a structure of synthetic ferromagnetic coupling may be used.

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)]/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]とすることができる。 Further, when the magnetization direction of the first ferromagnetic metal layer 1 is perpendicular to the laminated surface, it is preferable to use a Co and Pt laminated film. Specifically, the first ferromagnetic metal layer 1 has FeB (1.0 nm) / Ta (0.2 nm) / [Pt (0.16 nm) / Co (0.16 nm)] in order from the nonmagnetic layer 3 side. 4 / Ru (0.9 nm) / [Co (0.24 nm) / Pt (0.16 nm)] 6 .

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。   As the material of the second ferromagnetic metal layer 2, a ferromagnetic material, particularly a soft magnetic material can be applied. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, an alloy containing one or more of these metals, these metals and at least one element of B, C, and N are included. Alloys that can be used can be used. Specific examples include Co—Fe, Co—Fe—B, and Ni—Fe. For example, CoFeB alone exhibits in-plane magnetic anisotropy, and exhibits perpendicular magnetic anisotropy when sandwiched between the nonmagnetic layer 3 and the spin orbit torque wiring 20.

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、SiO、MgO、及び、MgAl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。
A known material can be used for the nonmagnetic layer 3.
For example, when the nonmagnetic layer 3 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), as the material, Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4, or the like can be used. In addition to these, materials in which a part of Al, Si, Mg is substituted with Zn, Be, or the like can also be used. Among these, since MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, spin can be injected efficiently.
When the nonmagnetic layer 3 is made of a metal, Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material.

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。   The magnetoresistive element 10 may have other layers. For example, the second ferromagnetic metal layer 2 may have an underlayer on the surface opposite to the nonmagnetic layer 3, or the first ferromagnetic metal layer 1 may have a cap on the surface opposite to the nonmagnetic layer 3. It may have a layer.

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。   It is preferable that the layer disposed between the spin orbit torque wiring 20 and the magnetoresistive effect element 10 does not dissipate the spin propagating from the spin orbit torque wiring 20. For example, it is known that silver, copper, magnesium, aluminum, and the like have a long spin diffusion length of 100 nm or more and are difficult to dissipate spin.

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。   The thickness of this layer is preferably less than or equal to the spin diffusion length of the material constituting the layer. If the thickness of the layer is equal to or less than the spin diffusion length, the spin propagating from the spin orbit torque wiring 20 can be sufficiently transmitted to the magnetoresistive effect element 10.

<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。
<Spin orbit torque wiring>
The spin orbit torque wiring 20 extends in the x direction. The spin orbit torque wiring 20 is connected to one surface of the second ferromagnetic metal layer 2 in the z direction. The spin orbit torque wiring 20 may be directly connected to the second ferromagnetic metal layer 2 or may be connected via another layer.

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。
The spin orbit torque wiring 20 is made of a material that generates a pure spin current by a spin Hall effect when a current flows. As such a material, a material that generates a pure spin current in the spin orbit torque wiring 20 is sufficient. Therefore, the material is not limited to a material composed of a single element, and may be a material composed of a portion made of a material that generates a pure spin current and a portion made of a material that does not generate a pure spin current.
The spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is passed through the material.

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。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect. FIG. 3 is a cross-sectional view of the spin orbit torque wiring 20 shown in FIG. 1 cut along the x direction. A mechanism by which a pure spin current is generated by the spin Hall effect will be described with reference to FIG.

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。   As shown in FIG. 3, when a current I is applied in the extending direction of the spin orbit torque wiring 20, the first spin S1 oriented on the back side of the paper and the second spin S2 oriented on the front side of the paper are orthogonal to the current, respectively. Bent in the direction. The normal Hall effect and the spin Hall effect are common in that the moving (moving) charge (electrons) can bend in the moving (moving) direction, but the normal Hall effect is the charged particle moving in the magnetic field. In contrast to this, the direction of motion is bent, but the spin Hall effect is greatly different in that the direction of movement is bent only by the movement of electrons (only the current flows) even though no magnetic field exists.

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。   Since the number of electrons of the first spin S1 and the number of electrons of the second spin S2 are equal in a non-magnetic material (a material that is not a ferromagnetic material), the number of electrons in the first spin S1 going upward in the figure and the downward direction The number of electrons of the second spin S2 heading is equal. Therefore, the current as a net flow of charge is zero. This spin current without current is particularly called a pure spin current.

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。   When a current is passed through the ferromagnetic material, the first spin S1 and the second spin S2 are bent in the opposite directions. On the other hand, there is a large number of the first spin S1 and the second spin S2 in the ferromagnet, and as a result, a net flow of charges is generated (voltage is generated). Therefore, the material of the spin orbit torque wiring 20 does not include a material made only of a ferromagnetic material.

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と表すと、J=J−Jで定義される。図3においては、純スピン流としてJが図中の上方向に流れる。ここで、Jは分極率が100%の電子の流れである。 Here, when the electron flow of the first spin S1 is J , the electron flow of the second spin S2 is J , and the spin current is JS , JS = J −J . In FIG. 3, JS flows upward in the figure as a pure spin current. Here, J S is an electron flow having a polarizability of 100%.

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。   In FIG. 1, when a ferromagnetic material is brought into contact with the upper surface of the spin orbit torque wiring 20, the pure spin current diffuses into the ferromagnetic material. That is, spin is injected into the magnetoresistive effect element 10.

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。   The spin orbit torque wiring 20 may include a nonmagnetic heavy metal. Here, the heavy metal is used to mean a metal having a specific gravity equal to or higher than yttrium. The spin orbit torque wiring 20 may be made of only nonmagnetic heavy metal.

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。   In this case, the nonmagnetic heavy metal is preferably a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more having d electrons or f electrons in the outermost shell. This is because such a nonmagnetic metal has a large spin-orbit interaction that causes a spin Hall effect. The spin orbit torque wiring 20 may be made of only a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more having d electrons or f electrons in the outermost shell.

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Jが発生しやすい。 Normally, when a current is passed through a metal, all electrons move in the opposite direction of the current regardless of the spin direction. On the other hand, in the nonmagnetic metal having a large atomic number having d electrons or f electrons in the outermost shell, the moving direction of electrons depends on the spin direction of electrons due to the spin Hall effect. A nonmagnetic metal having a large atomic number has a large spin-orbit interaction, and a pure spin current Js is likely to be generated.

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。   The spin orbit torque wiring 20 may include a magnetic metal. The magnetic metal refers to a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. This is because if a non-magnetic metal contains a small amount of magnetic metal, the spin-orbit interaction is enhanced and the spin current generation efficiency for the current flowing through the spin-orbit torque wiring 20 can be increased. The spin orbit torque wiring 20 may be made of only an antiferromagnetic metal.

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。   The spin-orbit interaction is caused by the intrinsic internal field of the material of the spin-orbit torque wiring material. Therefore, a pure spin current is generated even with a nonmagnetic material. When a small amount of magnetic metal is added to the spin orbit torque wiring material, the spin current generation efficiency is improved because the electron spin that flows through the magnetic metal itself is scattered. However, if the added amount of the magnetic metal is increased too much, the generated pure spin current is scattered by the added magnetic metal, and as a result, the effect of reducing the spin current becomes stronger. Therefore, it is preferable that the molar ratio of the magnetic metal added is sufficiently smaller than the molar ratio of the main component of the pure spin generation part in the spin orbit torque wiring. As a guide, the molar ratio of the magnetic metal added is preferably 3% or less.

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。   The spin orbit torque wiring 20 may include a topological insulator. The spin orbit torque wiring 20 may be composed only of a topological insulator. A topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high-resistance substance, but a spin-polarized metal state is generated on the surface thereof. Substances have something like an internal magnetic field called spin-orbit interaction. Therefore, even without an external magnetic field, a new topological phase appears due to the effect of spin-orbit interaction. This is a topological insulator, and a pure spin current can be generated with high efficiency by strong spin-orbit interaction and breaking inversion symmetry at the edge.

トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe,BiTe,(Bi1−xSbTe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。 As the topological insulator, for example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , (Bi 1-x Sb x ) 2 Te 3 and the like are preferable. These topological insulators can generate a spin current with high efficiency.

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。   The spin current magnetoresistance effect element 100 may have components other than the magnetoresistance effect element 10 and the spin orbit torque wiring 20. For example, you may have a board | substrate etc. as a support body. The substrate is preferably excellent in flatness, and for example, Si, AlTiC, or the like can be used as a material.

(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Iに分流する。
(Operation of spin current magnetoresistive element)
A write operation of the spin current magnetoresistive element 100 will be described with reference to FIG. When writing data to the spin current magnetoresistance effect element 100, a current I is passed through the spin orbit torque wiring 20. In a portion overlapping with the magnetoresistive effect element 10 when viewed from the z direction, the current I flowing through the spin orbit torque wiring 20 is divided into a first current I 20 and a second current I 2 .

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。 The first current I 20 flows in the spin orbit torque wiring 20. The first current I 20 generates a pure spin current as described above, and injects spins oriented in one direction into the second ferromagnetic metal layer 2. The injected spin gives a spin orbit torque (SOT) to the magnetization M21 in the first region A1.

一方で、第2電流Iは、第2強磁性金属層2内を流れる。第2電流I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I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I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。 On the other hand, the second current I 2 flows in the second ferromagnetic metal layer 2. Second current I 2, the third region A3 having different easy axis, the second region A2, the order of the first region A1, flows in a direction through the area where the magnetization directions are different. That is, the same current flow as the write current of the STT type magnetoresistive effect element is formed. That is, the second current I 2 is spin polarized when passing through the third region A3. The spin-polarized second current I 2 gives a spin transfer torque (STT) to the magnetization M22 of the second region A2 and the magnetization M21 of the first region A1.

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。   Here, the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization M22 in the second region A2 is weaker than the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization M21 in the first region A1. In other words, the magnetization M22 of the second region A2 is more easily reversed than the magnetization M21 of the first region A1. Therefore, first, the magnetization M22 in the second region A2 is reversed by STT and SOT, and the influence is propagated to the magnetization M21 in the first region A1, thereby making it easier to reverse the magnetization M21 in the first region A1. it can. When the size of the second ferromagnetic metal layer 2 in the x direction is large enough to form a domain wall, this phenomenon can be confirmed as domain wall movement. Even when the size of the second ferromagnetic metal layer 2 in the x direction is smaller than the size capable of forming the domain wall, the same phenomenon occurs in the micro and the same effect can be obtained.

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。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a spin current magnetoresistive element in which the end portions of the layers of the magnetoresistive element are present at the same position when viewed from the z direction. The spin current magnetoresistive effect element 101 shown in FIG. 4 includes a magnetoresistive effect element 10 A and a spin orbit torque wiring 20. The magnetoresistive effect element 10 </ b> A includes positions of the first end e <b> 11 of the first ferromagnetic metal layer 11, the second end e <b> 12 of the second ferromagnetic metal layer 12, and the third end e <b> 13 of the nonmagnetic layer 13 in the x direction. Match.

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I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。 The easy axis of magnetization of the second ferromagnetic metal layer 12 of the spin current magnetoresistance effect element 101 shown in FIG. 4 is uniform in the plane. Therefore, even if the second current I 2 flows in the second ferromagnetic metal layer 12, STT cannot be given to the magnetization M 2 of the second ferromagnetic metal layer 12.

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。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the spin current magnetoresistive element shown in Patent Document 1. The spin current magnetoresistive effect element 102 shown in FIG. 5 includes a magnetoresistive effect element 10 </ b> B and a spin orbit torque wiring 20. In the magnetoresistive element 10 </ b> B, the third end e <b> 23 of the nonmagnetic layer 23 and the first end e <b> 21 of the first ferromagnetic metal layer 21 coincide with each other, and the second end e <b> 22 of the second ferromagnetic metal layer 22. Protrudes in the x direction.

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。   Two regions are formed in the second ferromagnetic metal layer 22 of the magnetoresistive element 10B shown in FIG. The first region A11 is a region facing the first ferromagnetic metal layer 1. The first area A11 corresponds to the first area A1 in FIG. The second region A12 is a region that does not overlap the first ferromagnetic metal layer 21 and the nonmagnetic layer 23 when viewed from the z direction. The second area A12 corresponds to the third area A3 in FIG.

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。   Similarly to the spin current magnetoresistance effect element 100 shown in FIG. 1, the spin current magnetoresistance effect element 102 shown in FIG. 5 can give STT and SOT to the magnetization M21 of the second ferromagnetic metal layer 2. However, the spin current magnetoresistive element 102 does not have a region corresponding to the second region A2 in FIG. Therefore, the influence of the magnetization M22 of the second region A2 cannot be propagated, and the write efficiency as high as the spin current magnetoresistance effect element 100 shown in FIG. 1 cannot be realized.

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。   As described above, according to the spin current magnetoresistive element 100 according to the present embodiment, the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 can be reversed using SOT and STT. Further, by forming three regions with different easy axes in the second ferromagnetic metal layer 2, magnetization reversal can be performed in order from the portion where magnetization reversal is easy. That is, according to the spin current magnetoresistive element 100 according to the present embodiment, the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 can be more easily reversed, and the data writing efficiency can be increased.

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。   Thus, according to the spin current magnetoresistive effect element 100 according to the present embodiment, the magnetic field magnetization reversal can be performed. By forming three regions having different easy axes in the second ferromagnetic metal layer 2, it is possible to use characteristics superior to the respective magnetization reversals. For example, when the angle between the direction of the injected spin and the direction of the easy axis of magnetization is parallel, magnetic field-free magnetization reversal is possible. On the other hand, when the angle between the direction of the injected spin and the direction of the easy axis of magnetization is a right angle, high-speed magnetization reversal is enabled by the anti-dumping effect. That is, by forming three regions with different easy axes in the second ferromagnetic metal layer 2, high-speed magnetization reversal can be performed without a magnetic field.

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。   Further, in order to more easily reverse the magnetization M2 of the first region A1 of the second ferromagnetic metal layer 2, it is preferable that each configuration of the spin current magnetoresistance effect element 100 has the following relationship.

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。   The distance D1 (the width in the x direction of the third region A3) between the third end e3 of the nonmagnetic layer 3 and the second end e2 of the second ferromagnetic metal layer 2 is the first ferromagnetic metal layer 1. It is preferably longer than the distance D2 (the width in the x direction of the second region A2) between the first end e1 and the third end e3. The distance D1 is preferably longer than the thickness T of the spin orbit torque wiring, and the distance D2 is preferably shorter than the thickness T of the spin orbit torque wiring.

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I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I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。 When the magnetization M22 in the second region A2 is reversed, the influence propagates to the magnetization M21 in the first region A1. Not only the total amount of the magnetization M22 in the second region A2, but the propagation of this effect occurs. Therefore, the width in the x direction of the second region A2 is preferably short. In contrast, the third area A3, it is necessary to sufficiently spin-polarized the second current I 2. Therefore, the third region A3 needs a certain length. When the distance D1 and the distance D2 satisfy the above relationship, it is possible to flow a second current I 2 which is sufficiently polarized in the first region A1, and the influence of the magnetization M22 of the second region A2 of the first region A1 It can be transmitted to the magnetization M21.

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。   The second region A2 is a region that alleviates the difference in magnetic anisotropy between the magnetization M21 in the first region A1 and the magnetization M23 in the third region A3. That is, the second region A2 can be regarded as existing as a domain wall. The domain wall width is generally said to be about 20 nm. On the other hand, even if the width of the second region A2 (distance D2 between the first end e1 and the third end e3) is 20 nm or less, the difference in magnetic anisotropy can be alleviated. This is because the magnetic anisotropy of the first region A1, the second region A2, and the third region A3 is strongly influenced by the layers stacked in the z direction and oriented.

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。   That is, the spin current magnetoresistance effect element 100 according to the present embodiment can be said to be an element having a short domain wall width (the width of the second region A2, the distance D2 between the first end e1 and the third end e3). The presence of the domain wall works favorably for magnetization reversal, but adversely affects the MR ratio. By reducing the width of the domain wall, it is possible to realize the spin current magnetoresistance effect element 100 that is easy to reverse the magnetization and has an excellent MR ratio.

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。   FIG. 6 is a plan view of the spin current magnetoresistance effect element 100 according to the present embodiment as seen from the z direction. 6A shows a case where the distance D1 between the second end e2 and the third end e3 is shorter than the width W of the second ferromagnetic metal layer 2. FIG. FIG. 6B shows a case where the distance D 1 between the second end e 2 and the third end e 3 is longer than the width W of the second ferromagnetic metal layer 2.

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。   As shown in FIG. 6A, when the distance D1 is shorter than the width W, the magnetization M23 in the third region A3 of the second ferromagnetic metal layer 2 is oriented in the y direction. The magnetization M22 of the second region A2 takes an intermediate state between the magnetization M21 of the first region A1 oriented in the z direction and the magnetization M23 of the third region A3. That is, the magnetization M22 of the second region A2 is oriented in the z direction while being tilted in the y direction.

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。   As shown in FIG. 2, the direction of spin injected from the spin orbit torque wiring 20 is oriented in the y direction. The magnetization M22 of the second region A2 having the y-direction component is easily affected by this spin and is strongly influenced by the SOT. When the magnetization M22 is strongly influenced by the SOT and the magnetization is reversed, the magnetization M21 in the first region A1 is also easily reversed.

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。   When the distance D1 is shorter than the width W, the distance D2 between the first end e1 and the third end e3 is also preferably shorter than the width W. If the distance D2 is shorter than the width W, the magnetization M22 of the second region A2 is also easily oriented in the y direction. Since the orientation directions of the magnetization M23 in the third region A3 and the magnetization M22 in the second region A2 are aligned, the propagation of the magnetization to the first region A1 becomes smooth.

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。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the distance D1 is longer than the width W, the magnetization M23 in the third region A3 of the second ferromagnetic metal layer 2 is oriented in the x direction. The magnetization M22 of the second region A2 takes an intermediate state between the magnetization M21 of the first region A1 oriented in the z direction and the magnetization M23 of the third region A3. That is, the magnetization M22 of the second region A2 is oriented in the z direction while being tilted in the x direction.

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I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。 The magnetization M23 oriented in the x direction is hardly affected by spins injected from the spin orbit torque wiring 20 having a component in the y direction. Therefore, the magnetization M23 in the third region A3 is hardly affected by SOT. That is, it is possible to strongly spin-polarized the second current I 2 flowing through the third region A3 in the x-direction. As a result, the action of STT can be strongly applied to the magnetization M21 in the first region A1 and the magnetization M22 in the second region A2.

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。   When the distance D1 is longer than the width W, the distance D2 between the first end e1 and the third end e3 is preferably longer than the width W. If the distance D2 is longer than the width W, the magnetization M22 of the second region A2 is also easily oriented in the x direction. Since the orientation directions of the magnetization M23 in the third region A3 and the magnetization M22 in the second region A2 are aligned, the propagation of the magnetization to the first region A1 becomes smooth.

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。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.

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。   The spin current magnetoresistive effect element 100 shown in FIGS. 1 and 2 has a predetermined relationship between the first end e1, the second end e2, and the third end e3 on the side surface in the x direction of the magnetoresistive effect element 10. Satisfies. The relationship between these end portions is not limited to the side surface in the x direction, and may be any side surface of the magnetoresistive effect element.

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。   For example, the spin current magnetoresistive element 103 shown in FIG. 7 includes a first end e31 of the first ferromagnetic metal layer 31, a second end e32 of the second ferromagnetic metal layer 32, and a nonmagnetic layer 33. The third end portion e33 satisfies a predetermined relationship in the y direction. FIG. 7A is a cross-sectional view of the spin current magnetoresistive effect element 103 cut along the yz plane, and FIG. 7B is a plan view of the spin current magnetoresistive effect element 103 viewed in plan from the z direction. .

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I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。 The spin current magnetoresistive effect element 103 shown in FIG. 7 passes a current I in the x direction during writing. This current I is divided into a first current I 20 and a second current I 2 , similarly to the spin current magnetoresistance effect element 100 shown in FIG. In the case of the spin current magnetoresistive effect element 103 shown in FIG. 7, since the current component from the third region A3 toward the first region A1 is small, the STT cannot be applied to the magnetization M21 in the first region A1. However, since the current component flowing in the y direction is not zero, STT acts on the magnetization M21 in the first region A1.

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。   In the spin current magnetoresistive effect element 103 shown in FIG. 7, the magnetization M22 of the second region A2 of the second ferromagnetic metal layer 32 is inclined in the y direction. The direction of spin injected from the spin orbit torque wiring 20 is oriented in the y direction. The magnetization M22 of the second region A2 having the y-direction component is easily affected by this spin and is strongly influenced by the SOT. Therefore, also in the spin current magnetoresistive effect element 103 shown in FIG. 7, STT and SOT can act simultaneously, and the magnetization M2 of the second ferromagnetic metal layer 2 can be easily reversed.

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。   The spin current magnetoresistive element 100 shown in FIGS. 1 and 2 has a rectangular planar shape when the magnetoresistive element 10 is viewed from the z direction, but the planar shape of the magnetoresistive element 10 is not particularly limited. For example, it may be oval like a magnetoresistive effect element 10D shown in FIG. When the planar shape of the magnetoresistive effect element 10D is an ellipse or a circle, “in any side surface of the magnetoresistive effect element” is rephrased as “in any direction on the side surface of the magnetoresistive effect element”.

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Iを傾斜面10Eaに沿って流すことができる。第2電流I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。 Further, like the spin current magnetoresistive element 104 shown in FIG. 9, the side surface of the magnetoresistive element 10E has an inclined surface 10Ea that spreads in the z direction from the first ferromagnetic metal layer 41 toward the second ferromagnetic metal layer 42. May be formed. As shown in FIG. 9, the side surface is an inclined surface 10 Ea, can flow a second current I 2 along the inclined surface 10 Ea. By controlling the flow of the second current I 2 , the STT can efficiently act on the magnetization of the second ferromagnetic metal layer 42.

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。   A plurality of spin current magnetoresistive elements as described above may be arranged to form a magnetic memory (FIG. 10). In the magnetic memory shown in FIG. 10, a plurality of spin current magnetoresistance effect elements 100 are connected by a source line SL and a word line WL. Each spin current magnetoresistive effect element constituting the magnetic memory stores data. Since the write efficiency of each spin current magnetoresistive element is enhanced, the magnetic memory is also excellent in write efficiency.

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

1, 11, 21, 31, 41 ... 1st ferromagnetic metal layer 2, 12, 22, 32, 42 ... 2nd ferromagnetic metal layer 3, 13, 23, 33, 43 ... Nonmagnetic layer 10, 10A, 10B , 10C, 10D, 10E ... magnetoresistive effect element 20 ... spin orbit torque wiring e1 ... first end e2 ... second end e3 ... third end A1 ... first region A2 ... second region A3 ... third region 100, 101, 102, 103, 104 ... spin current magnetoresistive effect element

Claims (11)

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。
A magnetoresistive effect having a first ferromagnetic metal layer, a second ferromagnetic metal layer capable of changing the magnetization direction, and a nonmagnetic layer sandwiched between the first ferromagnetic metal layer and the second ferromagnetic metal layer Elements,
A spin orbit torque wiring extending in a first direction intersecting the stacking direction of the magnetoresistive effect element and joining to the second ferromagnetic metal layer,
As viewed from the stacking direction, on either side of the magnetoresistive element, between the first end of the first ferromagnetic metal layer and the second end of the second ferromagnetic metal layer, A spin current magnetoresistive element in which the third end of the nonmagnetic layer is located.
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。   2. The spin current magnetoresistive element according to claim 1, wherein a distance between the second end and the third end is longer than a distance between the first end and the third end. 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。   3. The spin current magnetoresistance according to claim 1, wherein a side surface on which the first end portion, the second end portion, and the third end portion exist is located in the first direction of the magnetoresistive effect element. Effect element. 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。   The spin current magnetoresistive element according to claim 1, wherein a distance between the second end and the third end is longer than a thickness of the spin orbit torque wiring. 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。   5. The spin current magnetoresistive element according to claim 1, wherein a distance between the first end and the third end is shorter than a thickness of the spin orbit torque wiring. 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。   The distance between the second end and the third end is shorter than the width of the second ferromagnetic metal layer in the first direction and the direction orthogonal to the stacking direction. The spin current magnetoresistive element according to one item. 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。   7. The spin current according to claim 6, wherein a distance between the first end and the third end is shorter than a width of the second ferromagnetic metal layer in the first direction and a direction orthogonal to the stacking direction. Magnetoresistive effect element. 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。   The distance between the second end and the third end is longer than the width of the second ferromagnetic metal layer in the direction perpendicular to the first direction and the stacking direction. The spin current magnetoresistive element according to one item. 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。   9. The spin current according to claim 8, wherein a distance between the first end and the third end is longer than a width of the second ferromagnetic metal layer in the first direction and a direction orthogonal to the stacking direction. Magnetoresistive effect element. 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。   The said side surface of the said magnetoresistive effect element is an inclined surface extended in the said lamination direction toward the said 2nd ferromagnetic metal layer from the said 1st ferromagnetic metal layer, It is any one of Claims 1-9. Spin current magnetoresistive element. 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。   A magnetic memory comprising a plurality of the spin current magnetoresistive elements according to claim 1.
JP2018119920A 2017-08-22 2018-06-25 Spin current magnetoresistive element and magnetic memory Active JP7095434B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/055,589 US10374151B2 (en) 2017-08-22 2018-08-06 Spin current magnetoresistance effect element and magnetic memory

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017159402 2017-08-22
JP2017159402 2017-08-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019041098A true JP2019041098A (en) 2019-03-14
JP7095434B2 JP7095434B2 (en) 2022-07-05

Family

ID=65727058

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018119920A Active JP7095434B2 (en) 2017-08-22 2018-06-25 Spin current magnetoresistive element and magnetic memory

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7095434B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109904309A (en) * 2019-03-19 2019-06-18 中国科学院微电子研究所 A kind of polymorphic memory and its manufacturing method
JP2021034480A (en) * 2019-08-21 2021-03-01 国立大学法人東京工業大学 Magnetic recording device
CN112753099A (en) * 2019-03-28 2021-05-04 Tdk株式会社 Memory element, semiconductor device, magnetic recording array, and method for manufacturing memory element
CN113614920A (en) * 2020-03-05 2021-11-05 Tdk株式会社 Magnetic recording array
JP2022073039A (en) * 2020-10-30 2022-05-17 Tdk株式会社 Spin element, magnetic array and method for manufacturing spin element

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU1983199A (en) * 1999-01-21 2000-08-07 Hamamatsu Photonics K.K. Electron tube

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008120482A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 Nec Corporation Magnetic random access memory
US20140170776A1 (en) * 2012-12-07 2014-06-19 Avalanche Technology Inc. Mtj stack and bottom electrode patterning process with ion beam etching using a single mask
US20150255507A1 (en) * 2014-03-07 2015-09-10 Applied Materials, Inc. Method of forming magnetic tunneling junctions
WO2016021468A1 (en) * 2014-08-08 2016-02-11 国立大学法人東北大学 Magnetoresistance effect element and magnetic memory device
WO2018163618A1 (en) * 2017-03-09 2018-09-13 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Magnetic memory and magnetic memory recording method

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008120482A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 Nec Corporation Magnetic random access memory
US20100110777A1 (en) * 2007-03-29 2010-05-06 Yuukou Katou Magnetic random access memory
US20140170776A1 (en) * 2012-12-07 2014-06-19 Avalanche Technology Inc. Mtj stack and bottom electrode patterning process with ion beam etching using a single mask
US20150255507A1 (en) * 2014-03-07 2015-09-10 Applied Materials, Inc. Method of forming magnetic tunneling junctions
WO2015134137A1 (en) * 2014-03-07 2015-09-11 Applied Materials, Inc. Method of forming magnetic tunneling junctions
WO2016021468A1 (en) * 2014-08-08 2016-02-11 国立大学法人東北大学 Magnetoresistance effect element and magnetic memory device
US20170222135A1 (en) * 2014-08-08 2017-08-03 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory device
WO2018163618A1 (en) * 2017-03-09 2018-09-13 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Magnetic memory and magnetic memory recording method
JP2018148157A (en) * 2017-03-09 2018-09-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Magnetic memory and recording method of magnetic memory
US20200020376A1 (en) * 2017-03-09 2020-01-16 Sony Semiconductor Solutions Corporation Magnetic memory and magnetic memory recording method

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109904309A (en) * 2019-03-19 2019-06-18 中国科学院微电子研究所 A kind of polymorphic memory and its manufacturing method
CN109904309B (en) * 2019-03-19 2023-04-18 中国科学院微电子研究所 Multi-state magnetic memory and manufacturing method thereof
CN112753099A (en) * 2019-03-28 2021-05-04 Tdk株式会社 Memory element, semiconductor device, magnetic recording array, and method for manufacturing memory element
CN112753099B (en) * 2019-03-28 2024-04-16 Tdk株式会社 Memory element, semiconductor device, magnetic recording array, and method for manufacturing memory element
JP2021034480A (en) * 2019-08-21 2021-03-01 国立大学法人東京工業大学 Magnetic recording device
CN113614920A (en) * 2020-03-05 2021-11-05 Tdk株式会社 Magnetic recording array
JP2022073039A (en) * 2020-10-30 2022-05-17 Tdk株式会社 Spin element, magnetic array and method for manufacturing spin element

Also Published As

Publication number Publication date
JP7095434B2 (en) 2022-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7708931B2 (en) Spin current magnetization reversal element, magnetoresistance effect element, magnetic memory, and magnetization reversal method
CN109427964B (en) Spin current magnetization reversal element and spin orbit torque type magnetoresistance effect element
JP6733822B2 (en) Spin current magnetoresistive element and magnetic memory
JP6907696B2 (en) Method for manufacturing spin current magnetization reversing element, element assembly and spin current magnetization reversing element
CN113346009B (en) Spin orbit torque type magneto-resistance effect element and method for manufacturing the same
JP7095434B2 (en) Spin current magnetoresistive element and magnetic memory
JP6642773B2 (en) Spin current magnetization reversal element, spin orbit torque type magnetoresistance effect element, and method of manufacturing spin current magnetization reversal element
JP2019176189A (en) Spin element and magnetic memory
JP6428988B1 (en) Spin element stabilization method and spin element manufacturing method
JP6686990B2 (en) Spin orbit torque type magnetization reversal element and magnetic memory
JP2020035971A (en) Spin current magnetization rotation type magnetic element, spin current magnetization rotation type magnetoresistance effect element and magnetic memory
JP6462191B1 (en) Data writing method, inspection method, spin element manufacturing method, and magnetoresistive element
JP2018074140A (en) Spin orbit torque type magnetization reversal element, magnetic memory, and high frequency magnetic device
JP2019204948A (en) Spin orbit torque type magnetization rotation element, spin orbit torque type magnetoresistive effect element, and magnetic memory
US10374151B2 (en) Spin current magnetoresistance effect element and magnetic memory
JP7139701B2 (en) Spin-current magnetization reversal device, spin-orbit torque-type magnetoresistive device, magnetic memory, and high-frequency magnetic device
JP6669270B2 (en) Spin current magnetization reversal element and element assembly
JP2019149446A (en) Spin current magnetization rotational element, magnetoresistive effect element, and magnetic memory
JP2019161176A (en) Spin orbit torque type magnetization rotation element, spin orbit torque type magnetoresistive effect element, magnetic memory, and oscillator
JP2018195730A (en) Spin flow magnetization reversal element
JP2018074139A (en) Current magnetic field assist spin current magnetization reversal element, magnetoresistance effect element, magnetic memory and high frequency filter
WO2019138778A1 (en) Magnetoresistance effect element and magnetic memory
JP6485588B1 (en) How to write data
JP7056316B2 (en) Domain wall moving type magnetic recording element, domain wall moving type magnetoresistive effect element and magnetic memory
JP2020188138A (en) Storage element, semiconductor device, and magnetic recording array

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210319

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220125

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220126

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220325

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220524

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220606

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7095434

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250