JP7384068B2 - 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁化回転素子、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。

強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子は、磁気抵抗効果素子として知られている。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）への応用が可能である。

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子が集積された記憶素子である。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子における非磁性層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化すると、磁気抵抗効果素子の抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。強磁性層の磁化の向きは、例えば、電流が生み出す磁場を利用して制御する。また例えば、強磁性層の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流すことで生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して制御する。

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

近年、書き込み時に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さなくてもよい方法に注目が集まっている。その一つの方法が、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した書込み方法である（例えば、特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じたスピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流れる。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。

特開２０１７－２１６２８６号公報

大きなＳＯＴを得るためには、大きなスピン軌道相互作用を示す材料を配線に用いる必要がある。例えば、ＴａやＷのような重金属は、スピンホール角が大きく、大きなスピン軌道相互作用を示す材料と言われている。しかしながら、これらの重金属は電気抵抗が大きく、発熱源となる。配線で生じた熱は、磁気抵抗効果素子の磁化の安定性を低下させ、記憶されたデータの信頼性を低下させる原因となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、データの信頼性を高めることができる磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる磁化回転素子は、第１方向に延びるスピン注入領域と、前記スピン注入領域に積層された第１強磁性層と、積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向に、絶縁体を挟んで前記スピン注入領域と隣り合う金属領域と、を備える。

（２）上記態様にかかる磁化回転素子は、前記スピン注入領域と前記金属領域と繋ぐ接続領域をさらに有してもよい。

（３）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン注入領域と前記金属領域との最近接距離は、前記スピン注入領域の第１端部と、前記第１端部と前記第１強磁性層の幾何中心との中点と、の距離より短くてもよい。

（４）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン注入領域と前記金属領域との最近接距離は、前記スピン注入領域の前記第２方向の長さより短くてもよい。

（５）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン注入領域の第１端部と前記第１強磁性層の幾何中心との距離は、前記接続領域の幅方向の長さより長くてもよい。

（６）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン注入領域の第１端部における前記スピン注入領域と前記金属領域との距離は、前記スピン注入領域の第２端部における前記スピン注入領域と前記金属領域との距離と異なってもよい。

（７）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記スピン注入領域は、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇからなる群から選択される少なくとも一つを含んでもよい。

（８）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記絶縁体が、ＡｌＮ又はＭｇＯであってもよい。

（９）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記金属領域は、前記スピン注入領域に電流を印加する導電部と接していてもよい。

（１０）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記金属領域は、前記スピン注入領域に電流を印加する導電部と接していなくてもよい。

（１１）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記金属領域の厚みは、前記スピン注入領域の厚みより薄くてもよい。

（１２）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記金属領域が、前記第１強磁性層の前記第２方向の位置になくてもよい。

（１３）第２の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる磁化回転素子と、前記第１強磁性層に積層された非磁性層と第２強磁性層とを備える。

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

本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子及び磁気メモリは、データの信頼性が高い。

第１実施形態にかかる磁気記録アレイの模式図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの断面図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の斜視図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の別の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の別の断面図である。 第１変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。 第２変形例に係る磁化回転素子の断面図である。 第２実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。 第３変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。 第３実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。 第４変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。 第５変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

まず方向について定義する。後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、導電部５１から導電部５２へ向かう方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。

本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。また本明細書で「接続」とは、物理的に接続される場合に限定されない。例えば、二つの層が物理的に接している場合に限られず、二つの層の間が他の層を間に挟んで接続している場合も「接続」に含まれる。また２つの部材が電気的に接続されている場合も「接続」に含まれる。

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁気抵抗効果素子１００と、複数の書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、複数の共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、複数の読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ等に利用できる。

書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、複数の磁気抵抗効果素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁気抵抗効果素子１００に亘って設けられてもよい。読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁気抵抗効果素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００に接続される。

図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、それぞれの磁気抵抗効果素子１００に接続されている。第１スイッチング素子１１０は、磁気抵抗効果素子１００と書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁気抵抗効果素子１００のと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁気抵抗効果素子１００と読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に接続されている。

第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁気抵抗効果素子１００に接続された共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁気抵抗効果素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、書き込み配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、共通配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、読み出し配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。

図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の要部の断面図である。図２は、磁気抵抗効果素子１００を後述するスピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。

図２に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。第３スイッチング素子１３０は、電極Ｅと電気的に接続され、例えば、図２のｙ方向に位置する。トランジスタＴｒは、例えば電界効果型のトランジスタであり、ゲート電極Ｇとゲート絶縁膜ＧＩと基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤとを有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

トランジスタＴｒと磁気抵抗効果素子１００とは、接続配線Ｃｗ及び導電部５１、５２を介して、電気的に接続されている。またトランジスタＴｒと書き込み配線Ｗｐ又は共通配線Ｃｍとは、接続配線Ｃｗで接続されている。接続配線Ｃｗは、例えば、ビア配線と言われることがある。接続配線Ｃｗ及び導電部５１、５２は、導電性を有する材料を含む。接続配線Ｃｗ及び導電部５１、５２は、例えば、ｚ方向に延びる。

磁気抵抗効果素子１００及びトランジスタＴｒの周囲は、絶縁層Ｉｎで覆われている。絶縁層Ｉｎは、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層Ｉｎは、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

図３は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の特徴部分の斜視図である。図４は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の特徴部分のｚ方向からの平面図である。図５は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。図６は、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の長さの中心を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。図７は、スピン軌道トルク配線２０及び金属層３０を通るｙｚ平面で磁気抵抗効果素子１００を切断した断面である。

磁気抵抗効果素子１００は、例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線２０と金属層３０と導電部５１，５２とを備える。スピン軌道トルク配線２０は、スピン注入領域の一例である。金属層３０は、金属領域の一例である。

積層体１０のｚ方向の抵抗値は、スピン軌道トルク配線２０から積層体１０にスピンが注入されることで変化する。磁気抵抗効果素子１００は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した磁性素子であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、スピン注入型磁気抵抗効果素子、スピン流磁気抵抗効果素子と言われる場合がある。

積層体１０は、スピン軌道トルク配線２０上に積層されている。積層体１０とスピン軌道トルク配線２０との間には、他の層を有してもよい。積層体１０は、ｚ方向に、スピン軌道トルク配線２０と導電層３０とに挟まれる。積層体１０は、柱状体である。積層体１０のｚ方向からの平面視形状は、例えば、円形、楕円形、四角形である。

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

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、それぞれ磁化を有する。第２強磁性層２の磁化は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第１強磁性層１は磁化自由層と言われ、第２強磁性層２は磁化固定層、磁化参照層と言われることがある。積層体１０は、非磁性層３を挟む第１強磁性層１と第２強磁性層２との磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、強磁性体を含む。強磁性体は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等である。強磁性体は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｈｏ合金、Ｓｍ－Ｆｅ合金、Ｆｅ－Ｐｔ合金、Ｃｏ－Ｐｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金である。

第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、ホイスラー合金を含んでもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等である。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有する。

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

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

スピン軌道トルク配線２０は、例えば、積層体１０の一面に接する。スピン軌道トルク配線２０は配線の一例であり、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、ｚ方向から見てｘ方向の長さがｙ方向より長く、ｘ方向に延びる。第１実施形態においてｘ方向は、第１方向の一例である。スピン軌道トルク配線２０の少なくとも一部は、ｚ方向において、非磁性層３と共に第１強磁性層１を挟む。

スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、第１強磁性層１にスピンを注入する。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、第１強磁性層１の磁化を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層１の磁化に与える。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れる方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる。

例えば、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れると、一方向に配向した第１スピンと、第１スピンと反対方向に配向した第２スピンとが、それぞれ電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果によって曲げられる。例えば、－ｙ方向に配向した第１スピンが＋ｚ方向に曲げられ、＋ｙ方向に配向した第２スピンが－ｚ方向に曲げられる。

非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第１スピンの電子数と第２スピンの電子数とが等しい。すなわち、＋ｚ方向に向かう第１スピンの電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンの電子数とは等しい。第１スピンと第２スピンは、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピン及び第２スピンのｚ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。

第１スピンの電子の流れをＪ_↑、第２スピンの電子の流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑－Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、ｚ方向に生じる。第１スピンは、スピン軌道トルク配線２０から第１強磁性層１に注入される。

スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。

スピン軌道トルク配線２０は、例えば、主成分として非磁性の重金属を含む。重金属は、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は、例えば、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属である。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗからなる。非磁性の重金属は、その他の金属よりスピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、スピン軌道トルク配線２０内にスピンが偏在しやすく、スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすくなる。

スピン軌道トルク配線２０は、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇからなる群から選択される少なくとも一つを含む。スピン軌道トルク配線２０は、例えば、これらの元素の単体金属からなる。これらの元素は、熱伝導性に優れ、磁気抵抗効果素子１００の放熱性が向上する。

スピン軌道トルク配線２０は、この他に、磁性金属を含んでもよい。磁性金属は、強磁性金属又は反強磁性金属である。非磁性体に含まれる微量な磁性金属は、スピンの散乱因子となる。微量とは、例えば、スピン軌道トルク配線２０を構成する元素の総モル比の３％以下である。スピンが磁性金属により散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。

スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体は、物質内部が絶縁体又は高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。トポロジカル絶縁体は、スピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。トポロジカル絶縁体は、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。トポロジカル絶縁体は、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。

トポロジカル絶縁体は、例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ、（Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３などである。トポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。

金属層３０は、ｚ方向からの平面視で、ｙ方向に、絶縁体４０を挟んでスピン軌道トルク配線２０と隣り合う。金属層３０のそれぞれは、例えば、ｘ方向に延びる。金属層３０のそれぞれは、例えば、スピン軌道トルク配線２０と並列している。絶縁体４０は、スピン軌道トルク配線２０と金属層３０との間にある。

金属層３０は、例えば、絶縁体４０を構成する材料より熱伝導性に優れる材料からなる。金属層３０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０と同じ材料からなる。

絶縁体４０は、上記の絶縁層Ｉｎと同じ材料からなってもよく、異なってもよい。絶縁体４０は、例えば、ＡｌＮ又はＭｇＯである。

金属層３０は、例えば、導電部５１、５２と接している。金属層３０と導電部５１、５２とが接することで、金属層３０からの放熱が促進される。導電部５１に接する金属層３０と導電部５２に接する金属層３０との間には、ギャップＧがある。金属層３０を介して導電部５１，５２間に電流が流れることはなく、電流はスピン軌道トルク配線２０を流れる。

金属層３０は、例えば、積層体１０の第１強磁性層１を基準にｙ方向の位置にはない。金属層３０は、例えば、第１端部２０ａと第１強磁性層１の幾何中心１Ｃとの中点ＭＰを基準にｙ方向の位置にある。第１端部２０ａは、スピン軌道トルク配線２０の一方の端部である。磁気抵抗効果素子１０及び導電部５１，５２は絶縁層Ｉｎより熱伝導率が高く、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱の多くは、これらを介して排出される。中点ＭＰは、磁気抵抗効果素子１０及び導電部５１，５２のいずれからも距離があり、発熱しやすい。中点ＭＰのｙ方向の位置に金属層３０を設けることで、磁気抵抗効果素子１００の放熱効率が高まる。

金属層３０は、スピン軌道トルク配線２０に近接する。例えば、金属層３０とスピン軌道トルク配線２０との最近接距離Ｌ４０は、第１端部２０ａと中点ＭＰとの距離ＬＭＰより短い。また例えば、金属層３０とスピン軌道トルク配線２０との最近接距離Ｌ４０は、スピン軌道トルク配線２０の幅方向（ｙ方向）の距離Ｌ２０より短い。金属層３０がスピン軌道トルク配線２０に十分近接することで、金属層３０からの放熱がより効率的になる。

金属層３０の厚みｔ３０は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の厚みｔ２０より薄い。金属層３０の上面は、例えば、スピン軌道トルク配線２０の上面より下方にある。金属層３０は、スピン軌道トルク配線２０で生じた熱の伝搬経路の一つである。金属層３０が第１強磁性層１の周囲にないことで、第１強磁性層１の磁化が安定化する。

第１導電部５１及び第２導電部５２は、ｚ方向からの平面視で、積層体１０をｘ方向に挟む。第１導電部５１及び第２導電部５２は、スピン軌道トルク配線２０と接続配線Ｃｗとの接続部である。第１導電部５１及び第２導電部５２のｚ方向からの平面視形状は、例えば、四角形、円形である。第１導電部５１、５２は、例えば、導電性を有する材料からなる。

電極Ｅは、積層体１０のスピン軌道トルク配線２０と反対側にある。電極Ｅは、例えば、積層体１０の第２強磁性層２に接する。電極Ｅは、導電性を有する材料からなる。電極Ｅは、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＮｉＣｒ、窒化物（例えばＴｉＮ、ＴａＮ、ＳｉＮ）からなる群から選択される何れかを含む。電極Ｅは、例えば、ＮｉＣｒとＴａとの積層体である。電極Ｅは、積層体１０のキャップ層として機能してもよい。また電極Ｅは、磁気抵抗効果素子１００の製造過程に用いられるハードマスクとして機能してもよい。

電極Ｅは、例えば、透明電極材料からなってもよい。電極Ｅは、例えば、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等でもよい。電極Ｅが透明であると、第１強磁性層１又は第２強磁性層２の磁化の配向方向を外部から読み取りやすくなる。

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

まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソースＳ、ドレインＤを形成する。次いで、ソースＳとドレインＤとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソースＳ、ドレインＤ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。

次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層Ｉｎを形成する。また絶縁層Ｉｎに開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで接続配線Ｃｗ、第１導電部５１及び第２導電部５２が形成される。書き込み配線Ｗｐ、共通配線Ｃｍは、絶縁層Ｉｎを所定の厚みまで積層した後、絶縁層Ｉｎに溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。

次いで、絶縁層Ｉｎ、第１導電部５１及び第２導電部５２の一面に、金属層、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層する。次いで、金属層を所定の形状に加工する。金属層は所定の形状に加工されることで、スピン軌道トルク配線２０及び金属層３０となる。次いで、スピン軌道トルク配線２０上に形成された積層体を所定の形状に加工し、積層体１０を得る。次いで、スピン軌道トルク配線２０及び積層体１０の上に、絶縁層を積層する。次いで、積層体１０及び絶縁層Ｉｎ上に、電極Ｅを形成する。その他の部分を絶縁層Ｉｎで埋め、磁気抵抗効果素子１００が得られる。

次いで、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００の動作について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、データの書き込み動作とデータの読み出し動作がある。

まずデータを磁気抵抗効果素子１００に記録する動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにする。第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れる。スピン軌道トルク配線２０に書き込み電流が流れるとスピンホール効果が生じ、スピンが第１強磁性層１に注入される。第１強磁性層１に注入されたスピンは、第１強磁性層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を加え、第１強磁性層１の磁化の配向方向を変える。電流の流れ方向を反対にすると、第１強磁性層１に注入されるスピンの向きが反対になるため、磁化の配向方向は自由に制御できる。

積層体１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが平行の場合に小さく、第１強磁性層１の磁化と第２強磁性層２の磁化とが反平行の場合に大きくなる。積層体１０の積層方向の抵抗値として、磁気抵抗効果素子１００にデータが記録される。

次いで、データを磁気抵抗効果素子１００から読み出す動作について説明する。まず、データを記録したい磁気抵抗効果素子１００に繋がる第１スイッチング素子１１０又は第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０をＯＮにする。各スイッチング素子をこのように設定すると、積層体１０の積層方向に読み出し電流が流れる。オームの法則により積層体１０の積層方向の抵抗値が異なると、出力される電圧が異なる。そのため、例えば積層体１０の積層方向の電圧を読み出すことで、磁気抵抗効果素子１００に記録されたデータを読み出すことができる。

第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００は、書き込み動作時にスピン軌道トルク配線２０で生じる熱を効率的に除去でき、データの安定性に優れる。以下、この理由について具体的に説明する。

スピン軌道トルク配線２０は、重金属を含む場合が多い。重金属は、電気抵抗が大きく、発熱源となる。スピン軌道トルク配線２０で生じた熱は、磁気抵抗効果素子１００の磁化の安定性を低下させ、記憶されたデータの信頼性を低下させる原因となる。発生した熱の多くは、熱伝導性に優れる第１導電部５１、第２導電部５２及び電極Ｅを伝って、外部に排出される。金属層３０は、スピン軌道トルク配線２０に近接し、熱の放熱経路として機能する。金属層３０を介して熱が放熱されることで、磁気抵抗効果素子１００の排熱効率が高まる。その結果、磁気抵抗効果素子１００は、データを安定的に保持でき、信頼性が高い。

（第１変形例）
図８は、第１変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。第１変形例にかかる磁気記録アレイは、磁気抵抗効果素子１０１における金属層３１の位置が図４に示す磁気抵抗効果素子１００と異なる。図８において、図４と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。

金属層３１は、例えば、積層体１０の第１強磁性層１を基準にｙ方向の位置ある点が、上述の金属層３０と異なる。

また金属層３１は、例えば、導電部５１、５２と接していない。金属層３１は、他の構成と電気的に絶縁されている。金属層３１が導電部５１、５２と接すると、金属層３１はスピン軌道トルク配線２０に対する静電容量となる。スピン軌道トルク配線２０と電気的に接続された静電容量が小さくなると、書き込みのパルス電流に対する応答が速くなる。

金属層３１の材料、その他の構成については、上述の金属層３０と同様である。

第１変形例にかかる磁気記録アレイは、スピン軌道トルク配線２０に近接する金属層３１を有するため、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００と同様の効果が得られる。

（第２変形例）
図９は、第２変形例に係る磁化回転素子１０２の断面図である。図９は、スピン軌道トルク配線２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で磁化回転素子１０２を切断した断面である。第２実施形態に係る磁化回転素子１０２は、非磁性層３及び第２強磁性層２を有さない点が、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００と同様であり、説明を省く。

磁化回転素子１０２は、スピン素子の一例である。磁化回転素子１０２は、例えば、第１強磁性層１に対して光を入射し、第１強磁性層１で反射した光を評価する。磁気カー効果により磁化の配向方向が変化すると、反射した光の偏向状態が変わる。磁化回転素子１０２は、例えば、光の偏向状態の違いを利用した例えば映像表示装置等の光学素子として用いることができる。

この他、磁化回転素子１０２は、単独で、異方性磁気センサ、磁気ファラデー効果を利用した光学素子等としても利用できる。

第２変形例にかかる磁化回転素子１０２は、非磁性層３及び第２強磁性層２を除いただけであり、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００と同様の効果を得ることができる。

「第２実施形態」
図１０は、第２実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。第２実施形態にかかる磁気記録アレイの磁気抵抗効果素子１１０は、例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線６０と導電部５１，５２とを備える。図１０において、図４と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。

スピン軌道トルク配線６０は、スピン注入領域６１と金属領域６２と接続領域６３とを有する。磁気抵抗効果素子１１０に流れる書き込み電流は、スピン注入領域６１を流れる。スピン軌道トルク配線６０は、上述のスピン軌道トルク配線２０と同様の材料からなる。

スピン注入領域６１は、例えば、積層体１０の一面に接する。スピン注入領域６１は、スピンホール効果によって生じるスピンを積層体１０に注入する。スピン注入領域６１は、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。スピン注入領域６１は、ｘ方向に延びる。スピン注入領域６１は、例えば、幅方向の距離が略一定である。

金属領域６２は、ｚ方向からの平面視で、ｙ方向に、絶縁体４０を挟んでスピン注入領域６１と隣り合う。金属領域６２のそれぞれは、例えば、ｘ方向に延びる。金属領域６２のそれぞれは、例えば、スピン注入領域６１と並列している。絶縁体４０は、スピン注入領域６１と金属領域６２との間にある。

金属領域６２は、例えば、導電部５１、５２と接している。導電部５１、５２は、スピン注入領域６１に電流を印加する導電部である。導電部５１に接する金属領域６２と導電部５２に接する金属領域６２との間には、ギャップＧがある。

金属領域６２は、例えば、積層体１０の第１強磁性層１を基準にｙ方向の位置にはない。金属領域６２は、例えば、第１端部６１ａと第１強磁性層１の幾何中心１Ｃとの中点ＭＰを基準にｙ方向の位置にある。第１端部６１ａは、金属領域６２と接続領域６３との境界である。例えば、金属領域６２とスピン注入領域６１との最近接距離Ｌ４０は、第１端部２０ａと中点ＭＰとの距離ＬＭＰより短い。また例えば、金属領域６２とスピン注入領域６１との最近接距離Ｌ４０は、スピン注入領域６１の幅方向の距離Ｌ６１より短い。

接続領域６３は、スピン注入領域６１と金属領域６２との接続部分である。接続領域６３は、スピン注入領域６１及び金属領域６２と交差する。スピン注入領域６１と接続領域６３との境界は、幅方向の距離が変化し始める部分である。幅方向の距離が変化し始めたか否かは、幅方向の距離が１０％以上変化したか否かで判断する。

第２実施形態にかかる磁気記録アレイは、スピン注入領域６１に近接する金属領域６２を有するため、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００と同様の効果が得られる。

（第３変形例）
図１１は、第３変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。第３変形例にかかる磁気記録アレイは、磁気抵抗効果素子１１１における接続領域７３の形状が図１０に示す磁気抵抗効果素子１１０と異なる。図１１において、図１０と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。

スピン軌道トルク配線７０は、スピン注入領域７１と金属領域７２と接続領域７３とを有する。スピン軌道トルク配線７０は、接続領域７３の接続箇所が、スピン軌道トルク配線６０と異なる。その他の構成は、上述のスピン軌道トルク配線６０と同様である。接続領域７３は、金属領域７２のｘ方向の途中に接続されている。

第３変形例にかかる磁気記録アレイは、スピン注入領域７１に近接する金属領域７２を有するため、第２実施形態にかかる磁気記録アレイと同様の効果が得られる。

また第２実施形態においても、第２変形例と同様に、磁気抵抗効果素子１１０，１１１の非磁性層３及び第強磁性層２とを除き、磁化回転素子としてもよい。

「第３実施形態」
図１２は、第３実施形態にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。第３実施形態にかかる磁気記録アレイの磁気抵抗効果素子１２０は、例えば、積層体１０とスピン軌道トルク配線８０と導電部５１，５２とを備える。図１２において、図１０と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。

スピン軌道トルク配線８０は、スピン注入領域８１と金属領域８２と接続領域８３とを有する。スピン軌道トルク配線８０に流れる書き込み電流は、金属領域８２、接続領域８３、スピン注入領域８１を流れる。スピン軌道トルク配線８０は、上述のスピン軌道トルク配線２０と同様の材料からなる。

スピン注入領域８１は、例えば、積層体１０の一面に接する。スピン注入領域８１は、スピンホール効果によって生じるスピンを積層体１０に注入する。スピン注入領域８１は、磁気抵抗効果素子１００にデータを書き込むための書き込み配線である。スピン注入領域８１は、ｙ方向に延びる。図１２において、ｙ方向は第１方向の一例である。スピン注入領域８１は、例えば、幅方向の距離が略一定である。

金属領域８２は、ｚ方向からの平面視で、ｘ方向に絶縁体４０を挟んでスピン注入領域８１と隣り合う。

例えば、金属領域８２とスピン注入領域８１との最近接距離は、第１端部８１ａと中点との距離より短い。また例えば、金属領域８２とスピン注入領域８１との最近接距離は、スピン注入領域８１の幅方向の距離より短い。

接続領域８３は、スピン注入領域８１と金属領域８２との接続部分である。接続領域８３は、スピン注入領域８１及び金属領域８２と交差する。スピン注入領域８１と接続領域８３との境界は、幅方向の距離が変化し始める部分である。例えば、スピン注入領域８１の第１端部８１ａと第１強磁性層１の幾何中心１Ｃとの距離ＬＣは、接続領域８３の幅方向の長さＬ８３より長い。距離ＬＣが長さＬ８３より長いと、磁気抵抗効果素子１０から導電部５１、５２に至る熱の経路が長く、スピン軌道トルク配線８０に熱が溜まりやすい。金属領域８２から放熱することで、磁気抵抗効果素子１２０の排熱効率が高まる。

第３実施形態にかかる磁気記録アレイは、スピン注入領域８１に近接する金属領域８２を有するため、第１実施形態にかかる磁気記録アレイ２００と同様の効果が得られる。

（第４変形例）
図１３は、第４変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。第４変形例にかかる磁気記録アレイは、磁気抵抗効果素子１２１における金属領域８２Ａの形状が図１２に示す磁気抵抗効果素子１２０と異なる。図１３において、図１２と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。

スピン軌道トルク配線８０Ａは、スピン注入領域８１と金属領域８２Ａと接続領域８３とを有する。スピン軌道トルク配線８０Ａに流れる書き込み電流は、金属領域８２Ａ、接続領域８３、スピン注入領域８１を流れる。

スピン注入領域８１の第１端部８１ａにおけるスピン注入領域８１と金属領域８２Ａとの距離Ｌ８１ａは、スピン注入領域８１の第２端部８１ｂにけるスピン注入領域８１と金属領域８２Ａとの距離Ｌ８１ｂと異なる。スピン注入領域８１と金属領域８２Ａとの距離は、例えば、接続領域８３から離れるに従い広がる。スピン注入領域８１と金属領域８２Ａとの距離を変化させることで、磁気抵抗効果素子１２１の製造が容易になる。

第４変形例にかかる磁気記録アレイは、スピン注入領域８１に近接する金属領域８２Ａを有するため、第３実施形態にかかる磁気記録アレイと同様の効果が得られる。

（第５変形例）
図１４は、第５変形例にかかる磁気記録アレイの特徴部分の平面図である。第５変形例にかかる磁気記録アレイは、磁気抵抗効果素子１２２におけるスピン軌道トルク配線９０の形状が図１２に示す磁気抵抗効果素子１２０と異なる。図１４において、図１２と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省く。

スピン軌道トルク配線９０は、スピン注入領域９１と金属領域９２と接続領域９３とを有する。スピン軌道トルク配線９０に流れる書き込み電流は、金属領域９２、接続領域９３、スピン注入領域９１を流れる。スピン軌道トルク配線９０は、スピン注入領域９１がｘ方向及びｙ方向に対して傾いている。

第５変形例にかかる磁気記録アレイは、スピン注入領域９１に近接する金属領域９２を有するため、第３実施形態にかかる磁気記録アレイと同様の効果が得られる。

また第３実施形態においても、第２変形例と同様に、磁気抵抗効果素子１１０，１１１の非磁性層３及び第強磁性層２とを除き、磁化回転素子としてもよい。

ここまで、第１実施形態から第３実施形態を基に、本発明の好ましい態様を例示したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態における特徴的な構成を他の実施形態に適用してもよい。

１ 第１強磁性層
１Ｃ 幾何中心
２ 第２強磁性層
３ 非磁性層
１０ 磁気抵抗効果素子
２０ａ、６１ａ、８１ａ 第１端部
８１ｂ 第２端部
４０ 絶縁体
５１、５２ 導電部
６１、７１、８１、９１ スピン注入領域
６２、７２、８２、８２Ａ、９２ 金属領域
６３、７３、８３、９３ 接続領域
１００、１０１、１１０、１１１、１２０、１２１、１２２ 磁気抵抗効果素子
Ｌ２０、Ｌ８１ａ、Ｌ８１ｂ、ＬＣ、ＬＭＰ 距離
Ｌ４０ 最近接距離
ＭＰ 中点

Claims (12)

1. 第１方向に延びるスピン注入領域と、
   前記スピン注入領域に積層された第１強磁性層と、
   積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向に、絶縁体を挟んで前記スピン注入領域と隣り合う金属領域と、を備え、
   前記スピン注入領域と前記金属領域と繋ぐ接続領域をさらに有する、磁化回転素子。
2. 前記スピン注入領域と前記金属領域との最近接距離は、前記スピン注入領域の第１端部と、前記第１端部と前記第１強磁性層の幾何中心との中点と、の距離より短い、請求項１に記載の磁化回転素子。
3. 前記スピン注入領域と前記金属領域との最近接距離は、前記スピン注入領域の前記第２方向の長さより短い、請求項１又は２に記載の磁化回転素子。
4. 前記スピン注入領域の第１端部と前記第１強磁性層の幾何中心との距離は、前記接続領域の幅方向の長さより長い、請求項１に記載の磁化回転素子。
5. 第１方向に延びるスピン注入領域と、
   前記スピン注入領域に積層された第１強磁性層と、
   積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向に、絶縁体を挟んで前記スピン注入領域と隣り合う金属領域と、を備え、
   前記スピン注入領域の第１端部における前記スピン注入領域と前記金属領域との距離は、前記スピン注入領域の第２端部における前記スピン注入領域と前記金属領域との距離と異なる、磁化回転素子。
6. 前記スピン注入領域は、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇからなる群から選択される少なくとも一つを含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
7. 前記絶縁体が、ＡｌＮ又はＭｇＯである、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
8. 第１方向に延びるスピン注入領域と、
   前記スピン注入領域に積層された第１強磁性層と、
   積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向に、絶縁体を挟んで前記スピン注入領域と隣り合う金属領域と、を備え、
   前記金属領域は、前記スピン注入領域に電流を印加する導電部と接している、磁化回転素子。
9. 第１方向に延びるスピン注入領域と、
   前記スピン注入領域に積層された第１強磁性層と、
   積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向に、絶縁体を挟んで前記スピン注入領域と隣り合う金属領域と、を備え、
   前記金属領域の厚みは、前記スピン注入領域の厚みより薄い、磁化回転素子。
10. 第１方向に延びるスピン注入領域と、
    前記スピン注入領域に積層された第１強磁性層と、
    積層方向からの平面視で、前記第１方向と直交する第２方向に、絶縁体を挟んで前記スピン注入領域と隣り合う金属領域と、を備え、
    前記金属領域が、前記第１強磁性層の前記第２方向の位置にない、磁化回転素子。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁化回転素子と、
    前記第１強磁性層に積層された非磁性層と第２強磁性層とを備える、磁気抵抗効果素子。
12. 請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。

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