JP2019041098A - Spin current magnetoresistive element and magnetic memory - Google Patents
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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,
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
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.
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
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
<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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
また、より高い出力を得るためにはCo2FeSiなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、X2YZの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、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、Co2FeSi、Co2MnSiやCo2Mn1−aFeaAlbSi1−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
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)]4/Ru(0.9nm)/[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6とすることができる。
Further, when the magnetization direction of the first
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
非磁性層3には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層3が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al2O3、SiO2、MgO、及び、MgAl2O4等を用いることができる。またこれらの他にも、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MgAl2O4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
For example, when the
When the
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
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
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
<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
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
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
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
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
ここで、第1スピンS1の電子の流れをJ↑、第2スピンS2の電子の流れをJ↓、スピン流をJSと表すと、JS=J↑−J↓で定義される。図3においては、純スピン流としてJSが図中の上方向に流れる。ここで、JSは分極率が100%の電子の流れである。 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
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
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
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Js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
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
トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe2,Bi2Te3,(Bi1−xSbx)2Te3などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。 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
(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I2に分流する。
(Operation of spin current magnetoresistive element)
A write operation of the spin current
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
一方で、第2電流I2は、第2強磁性金属層2内を流れる。第2電流I2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I2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I2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
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
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
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I2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
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
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
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
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
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
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
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
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I2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I2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
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
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
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
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
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I2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
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
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
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I2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
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
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
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I2を傾斜面10Eaに沿って流すことができる。第2電流I2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
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
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
Claims (11)
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.
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