JP7098914B2 - スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関するものである。

強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。これらは、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）用の素子として、注目が集まっている。

ＭＲＡＭは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。

ＳＴＴを用いた磁気抵抗効果素子の磁化反転は、データを書き込む際に磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。書き込み電流は、磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる場合がある。

そこで近年、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、非特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。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。

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、ＳＯＴを利用した磁化回転素子を実用化しようとすると、様々な問題がある。

例えば、その一つが、磁気抵抗効果素子の側壁に付着する導電性の不純物である。導電性の不純物は、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体の磁気特性を劣化させ、磁気抵抗効果素子のリークの原因にもなる。この不純物は、磁気抵抗効果素子の側壁にイオンビームを当てることで、除去できる。しかしながら、ＳＯＴを用いた磁気抵抗効果素子の場合、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向にスピン軌道トルク配線が延在する。イオンビームの一部がスピン軌道トルク配線に照射されると、スピン軌道トルク配線の一部がエッチングされ、磁気抵抗効果素子の側壁に再付着する。導電性を有するスピン軌道トルク配線を構成する物質は、再付着により不純物となる。

また別の問題として、スピン軌道トルク配線の発熱がある。スピン軌道トルク配線が発熱すると、強磁性体の磁化が不安定になる。つまりスピン軌道トルク配線の発熱は、データ保磁力を低下させる原因の一つとなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、作製時に不純物が再付着することを抑制し、書き込み電流を流れやすくすることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、スピン軌道トルク配線と第１強磁性層の側面を連続する傾斜面とすることで、いずれの課題も解決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。

（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線の一面に位置する第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線の側面と前記第１強磁性層の側面とは、いずれの側面においても連続した傾斜面をなす。

（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１の方向における前記スピン軌道トルク配線の第１側面及び前記第１強磁性層の第１側面からなる第１傾斜面の積層方向に対する傾斜角は、前記第１の方向と交差する前記スピン軌道トルク配線の第２側面及び前記第１強磁性層の第２側面からなる第２傾斜面の前記積層方向に対する傾斜角より大きくてもよい。

（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１の方向における前記スピン軌道トルク配線の第１側面及び前記第１強磁性層の第１側面からなる第１傾斜面の積層方向に対する傾斜角が４５°以上であってもよい。

（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層と反対側の面から延在する２つのビア配線をさらに備え、前記２つのビア配線は、積層方向から見て前記第１強磁性層を挟む位置にあり、前記第１強磁性層と一部重畳してもよい。

（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との間に下地層をさらに有し、前記スピン軌道トルク配線、前記第１強磁性層及び前記下地層の側面はいずれの側面においても連続した傾斜面をなしてもよい。

（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記下地層がアモルファスであってもよい。

（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との間に磁化制御層をさらに有し、前記スピン軌道トルク配線、前記第１強磁性層及び磁化制御層の側面はいずれの側面においても連続した傾斜面をなしてもよい。

（８）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、前記磁化制御層の結晶構造が正方晶であってもよい。

（９）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に対向配置された第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備える。

（１０）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層が面内方向に磁気異方性を有し、これらの層の磁化の磁化容易軸が前記第１の方向に対して傾斜していてもよい。

（１１）第３の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える。

本発明によれば、作製時に不純物が再付着することを抑制し、書き込み電流を流れやすくすることができる。

第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の斜視模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面模式図である。 側面に連続した傾斜面を有さないスピン軌道トルク型磁化回転素子の断面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の断面模式図である。 第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の断面模式図である。 第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面模式図である。 第３実施形態にかかる磁気メモリの模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した斜視図である。また図２は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転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軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０とを備える。また図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、二つのビア配線３０（第１ビア配線３１と第２ビア配線３２）をさらに備える。
以下、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、スピン軌道トルク配線２０が延在する面内でｘ方向と直交する第２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向をｚ方向とする。図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の積層方向は、ｚ方向と一致している。

＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１０はその磁化の向きが変化する。第１強磁性層１０には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば第１強磁性層１０には、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅを第１強磁性層１０として例示できる。

第１強磁性層１０は、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等がホイスラー合金として挙げられる。ホイスラー合金はスピン分極率が高く、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の出力を高めることができる。

＜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１強磁性層１０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１強磁性層１０に直接接続されていてもよいし、他の層を介し接続されていてもよい。

スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線２０中にスピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、スピン流を生成しやすい材料で構成される部分とスピン流を生成しにくい材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。

スピンホール効果とは、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。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。

図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の両端に電位差を与えるとｘ方向に沿って電流が流れる。電流が流れると、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とは、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。一方で、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点が大きく異なる。

非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。この場合、電荷の流れは互いに相殺され、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Ｓ１の電子の流れをＪ_↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑－Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、図中のｚ方向に流れる。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、スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性層１０にスピンが注入される。

スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ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によって構成される。

スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。これらの非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。

電子は、一般に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、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流Ｊ_ｓが発生しやすい。

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の散乱因子となる。スピンが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の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。

一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。

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とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。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できる。

トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３、ＴｌＢｉＳｅ_２、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ,（Ｂｉ_１－ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。

＜ビア配線＞
ビア配線３０は、スピン軌道トルク配線２０の第１強磁性層１０と反対側の面からスピン軌道トルク配線２０と交差する方向に延在する。図１では、スピン軌道トルク配線２０の鉛直方向に延在する。ビア配線３０のスピン軌道トルク配線２０と反対側の端部は、例えば半導体回路に接続される。ビア配線３０が接続される半導体回路には、例えば、トランジスタ、抵抗素子、キャパシタ等が接続される。

図３は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面模式図である。図３に示すように、第１ビア配線３１と第２ビア配線３２は、ｚ方向から見て第１強磁性層１０を挟む位置にある。また第１ビア配線３１と第２ビア配線３２は、ｚ方向から見て第１強磁性層１０と一部で重畳する。

第１強磁性層１０とビア配線３０とがｚ方向から見て重畳しない場合は、１つの素子のために第１強磁性層１０とビア配線３０のそれぞれの面積を足した分の面積が必要である。これに対して、ビア配線３０と第１強磁性層１０とがｚ方向から見て一部で重畳すると、１つの素子に必要な面積が、その重畳している面積分だけ小さくなる。すなわち、複数の素子をより効率的に集積回路内に集積することができる。

ビア配線３０のｘ方向及びｙ方向の幅は、設計されており自由に変更することはできない。例えば、現状の半導体における最小加工寸法（feature size：Ｆ）は７ｎｍと言われており、ビア配線３０のｘ方向及びｙ方向の幅は最小で７ｎｍである。換言すると、ビア配線３０のｘ方向及びｙ方向の幅は、このサイズ以上に小さくすることは難しく、ビア配線３０の面積を変えることで集積性を高めることは難しい。

ビア配線３０には、導電性の高い材料を用いることができる。例えば、銅、アルミニウム、銀等が挙げられる。またこの他、導電性を有する窒化膜等を用いることができる。

二つのビア配線３０の間は、層間絶縁部により絶縁されている。層間絶縁部は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。層間絶縁部には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。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（ＣｒＮ）、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）等が用いられる。

層間絶縁部とビア配線３０とのビッカース硬度差は３ＧＰａ以下であることが好ましい。層間絶縁部とビア配線３０とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であると、化学機械研磨（ＣＭＰ）等によりスピン軌道トルク配線２０が積層される積層面の研磨状態を一定にすることができる。その結果、スピン軌道トルク配線２０が積層される積層面を平坦化することができる。また積層面が平坦化されれば、第１強磁性層１０が積層される積層面の平坦性も高まる。

層間絶縁部とビア配線３０とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下となる具体的な組み合わせとしては以下のような組合せが考えられる。
例えば、層間絶縁部が酸化シリコンの場合は、ビア配線３０に窒化バナジウムを用いることができる。
また例えば、層間絶縁部が酸化ジルコニウムの場合は、ビア配線３０にＮｂ、Ｖ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、層間絶縁部が窒化シリコンの場合は、ビア配線３０にＮｂ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることができる。
また例えば、層間絶縁部に窒化クロム、単窒化珪素、酸化アルミニウムのいずれかの場合は、ビア配線３０にＴｉ又はＺｒを含む窒化物を用いることができる。

＜全体＞
スピン軌道トルク配線２０の側面と第１強磁性層１０の側面とは、いずれの側面においても連続した傾斜面をなす。傾斜面は、図１及び図２に示すような平面でもよいし、曲面でもよい。

ここで「連続した傾斜面」とは、二つの側面によって一つの傾斜面を形成することを意味する。すなわち、スピン軌道トルク配線２０の側面と第１強磁性層１０の側面とが、連続的に繋がっていることを意味する。ここで連続的に繋がるとは、ｘｚ平面又はｙｚ平面で切断した切断面において傾斜面に沿う一つのフィッティング線（直線又は曲線）を描けることを意味する。なお、傾斜面がスピン軌道トルク配線２０の厚みの１０％以下の凹凸をフィッティング線に対して有する場合、この凹凸は誤差とみなすことができる。すなわちこのような微小な凹凸を有する場合も、スピン軌道トルク配線２０の側面と第１強磁性層１０の側面とが「連続した傾斜面」をなすと言える。

図２に示すように、第１強磁性層１０のｘ方向の第１側面１０ａ及びｙ方向の第２側面１０ｂは、ｚ方向に対して傾斜している。スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の第１側面２０ａ及びｙ方向の第２側面２０ｂも、ｚ方向に対して傾斜している。第１強磁性層１０の第１側面１０ａとスピン軌道トルク配線２０の第１側面２０ａとは、第１傾斜面１００ａを形成する。第１強磁性層１０の第２側面１０ｂとスピン軌道トルク配線２０の第２側面２０ｂとは、第２傾斜面１００ｂを形成する。ここでスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれ２つの側面を備える。第１傾斜面１００ａ及び第２傾斜面１００ｂは、それぞれの方向の側面のいずれでもよい。ｘ方向の２つの側面及びｙ方向の２つの側面は、傾斜方向が異なるだけであり、ほぼ同等の形状である。

スピン軌道トルク型磁化回転素子１００の側面が何れも連続した傾斜面を有すると、複数の利点がある。図４は、連続した傾斜面を有さないスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の断面模式図である。図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、平面視長方形状の第１強磁性層１０’とｘ方向に延在するスピン軌道トルク配線２０’とを備える。第１強磁性層１０’は、スピン軌道トルク配線２０’のｘ方向の中央部に配置されている。図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と比較しながら、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００が側面に連続した傾斜面を有することによる利点について説明する。

連続した傾斜面を有すると、書き込み電流の流れやすくなる。書き込み電流は、第１ビア配線３１からスピン軌道トルク配線２０を通り、第２ビア配線３２へ流れる。スピン軌道トルク配線２０の電気抵抗Ｒは、Ｒ＝ρＬ／Ａで表記される。ρは電気抵抗率であり、Ｌはｘ方向の長さであり、Ａはスピン軌道トルク配線２０をｙｚ平面で切断した断面の面積である。

図２（ａ）に示すように、第１傾斜面１００ａが連続した傾斜面であると、スピン軌道トルク配線２０の断面積Ａが徐々に大きくなる。つまり、スピン軌道トルク配線２０の電気抵抗Ｒはｘ方向に徐々に変化し、書き込み電流Ｉの流れがなだらかになる。また第１傾斜面１００ａは、第１強磁性層１０の第１側面１０ａにも連続なため、電流の一部は第１強磁性層１０にも流れる。書き込み電流Ｉの流れがスムーズになることで、スピン軌道トルク配線２０の発熱が抑制される。

これに対し、図４（ａ）に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の場合、書き込み電流Ｉ’の流れがなだらかではない。第１ビア配線３１及び第２ビア配線３２とスピン軌道トルク配線２０’とは、電気抵抗率が異なる。そのため、第１ビア配線３１からスピン軌道トルク配線２０’へ流れる際及びスピン軌道トルク配線２０’から第２ビア配線３２へ流れる際に書き込み電流Ｉ’の流れやすさが急激に変化し、界面抵抗が生じる。その結果、スピン軌道トルク配線２０’が発熱しやすくなる。

また連続した傾斜面を有すると、作製時に不純物が再付着することを抑制できる。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、スパッタリング法、化学気相成長法等の積層技術と、フォトリソグラフィー等の加工技術とを用いて製造される。例えば、スピン軌道トルク配線２０を作製した後に、第１強磁性層１０の基となる層を積層し、フォトリソグラフィーにより第１強磁性層１０の形状に加工する。

この加工時に第１強磁性層１０の側壁には、不純物が付着する場合がある。この不純物は、第１強磁性層１０の磁気特性を劣化させる。不純物は、側方からイオンビームＢ（図２（ａ）及び図４（ａ）参照）を照射して除去される。イオンビームＢは、ｘｙ平面と平行に近い角度から入射される。入射ビームとｘｙ平面とのなす角は１０°程度まで傾けることができる。

図２（ａ）に示すように、第１傾斜面１００ａ及び第２傾斜面１００ｂが傾斜していると、イオンビームＢを第１傾斜面１００ａ及び第２傾斜面１００ｂに照射しやすい。すなわち、第１傾斜面１００ａ及び第２傾斜面１００ｂにイオンビームＢを直接照射することができ、不純物を効率的に除去することができる。またイオンビームＢは、スピン軌道トルク配線２０の一部を飛散させる場合がある。スピン軌道トルク配線２０は導線性を有するため、再付着した飛散物は第１強磁性層１０の磁気特性を劣化させる。しかしながら、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０との側面が連続した傾斜面をなすと、飛散物が第１強磁性層１０の側壁に再付着することを抑制できる。

これに対し、図４に示すように、第１強磁性層１０’の側面とスピン軌道トルク配線２０’の側面のｘ方向又はｙ方向の位置が異なると、第１強磁性層１０’の側面の下部にイオンビームＢを照射するのが難しくなる。またスピン軌道トルク配線２０’から飛散した飛散物が、第１強磁性層１０’に再付着しやすくなる。

第１傾斜面１００ａのｚ方向に対する傾斜角θ１は、第２傾斜面１００ｂのｚ方向に対する傾斜角θ２より大きいことが好ましい（図２参照）。ここで第１傾斜面１００ａ又は第２傾斜面１００ｂが曲面であり傾斜角が一定で無い場合がある。この場合は、平均傾斜角により大きさを比較する。

例えば、第１傾斜面１００ａの平均傾斜角は以下のように求める。まずｘｚ平面において第１傾斜面１００ａをｘ方向に５等分する。ｘ方向に５等分するためには、ｚ方向に延在する６本の線分が必要である。次いで、この６つの線分と第１傾斜面１００ａの交点を通る接線とｚ方向とがなす角をそれぞれの点において求める。そしてこれらの角度の平均値を平均傾斜角とする。第２傾斜面１００ｂの平均傾斜角は、ｙｚ平面において第２傾斜面１００ｂをｙ方向に５等分する点以外は、同様の手順で求めることができる。

電流の流れの主方向はｘ方向である。またスピン軌道トルク配線２０はｘ方向に延在するため、ｘ方向に飛散物が再付着しやすい。第１傾斜面１００ａの傾斜角θ１を第２傾斜面１００ｂの傾斜角θ２より大きくすることで、電流の流れやすさをより改善し、飛散物の再付着をより抑制できる。

またスピン軌道トルク型磁化回転素子１００においてデータは、第１強磁性層１０の磁化が何れの方向を向いているかによって保持される。第１強磁性層１０の磁化の総量が多いと、データは安定的に保持される。第１強磁性層１０の磁化の総量は、第１強磁性層１０の体積と対応関係を有する。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００のｘ方向の長さはｙ方向の長さより長い。そのため、傾斜角θ１が傾斜角θ２より大きい場合の方が、第１強磁性層１０の体積を大きく確保できる。つまり、傾斜角θ１が傾斜角θ２より大きい方が、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００のデータ保持特性が向上する。

第１傾斜面１００ａのｚ方向に対する傾斜角θ１は、４５°以上であることが好ましく、５０°以上であることがより好ましく、６０°以上であることがさらに好ましい。第２傾斜面１００ｂのｚ方向に対する傾斜角θ２は、１０°以上であることが好ましく、２０°以上であることがより好ましく、３０°以上であることがさらに好ましい。傾斜角θ１及び傾斜角θ２が当該範囲であれば、飛散物の再付着を十分抑制できる。また第１強磁性層１０が、データを保持するのに十分な大きさを確保しやすくなる。

また本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、図２に示す構成に限られない。図５は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２は、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１０との間に下地層４０を備える。スピン軌道トルク配線２０、第１強磁性層１０及び下地層４０の側面はいずれの側面においても連続した傾斜面をなす。

第１傾斜面１０２ａは、第１強磁性層１０の第１側面１０ａと、スピン軌道トルク配線２０の第１側面２０ａと、下地層４０の第１側面４０ａとからなる。第２傾斜面１０２ｂは、第１強磁性層１０の第２側面１０ｂと、スピン軌道トルク配線２０の第２側面２０ｂと、下地層４０の第２側面４０ｂとからなる。第１傾斜面１０２ａと第２傾斜面１０２ｂとの関係は、図２に示す第１傾斜面１００ａと第２傾斜面１００ｂとの関係と同様である。

下地層４０は、スピン軌道トルク配線２０の結晶格子が第１強磁性層１０の結晶成長に与える影響を緩和する層である。下地層４０を設けると、スピン軌道トルク配線２０の結晶構造の影響を低減でき、第１強磁性層１０の結晶構造を設計しやすくなる。その結果、第１強磁性層１０の磁化容易軸を任意の方向に設定しやすくなる。例えば、第１強磁性層１０の磁化容易軸をｚ方向にすると、データの記録密度が高まる。また第１強磁性層１０に磁化容易軸をｘｙ面内のいずれかの方向にすると、データの書込み速度が速くなる。

下地層４０には、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃからなる群から選択される一つ以上の元素を含む金属又は合金を例えば用いることができる。下地層４０は、アモルファスであることが好ましい。

また図６は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の断面模式図である。図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３は、スピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１０との間に、下地層４０と磁化制御層５０とを備える。スピン軌道トルク配線２０、第１強磁性層１０、下地層４０及び磁化制御層５０の側面はいずれの側面においても連続した傾斜面をなす。

第１傾斜面１０３ａは、第１強磁性層１０の第１側面１０ａと、スピン軌道トルク配線２０の第１側面２０ａと、下地層４０の第１側面４０ａと、磁化制御層５０の第１側面５０ａとからなる。第２傾斜面１０３ｂは、第１強磁性層１０の第２側面１０ｂと、スピン軌道トルク配線２０の第２側面２０ｂと、下地層４０の第２側面４０ｂと、磁化制御層５０の第２側面５０ｂとからなる。第１傾斜面１０３ａと第２傾斜面１０３ｂとの関係は、図２に示す第１傾斜面１００ａと第２傾斜面１００ｂとの関係と同様である。

磁化制御層５０は、第１強磁性層１０の磁化方向を制御する層である。第１強磁性層１０は磁化制御層５０との格子整合性を保つように積層される。そのため、第１強磁性層１０の結晶構造は、磁化制御層５０の結晶構造と類似し、磁化容易軸の方向も同じ方向になりやすい。

例えば結晶構造が正方晶の場合、磁化容易方向はｃ軸方向に配向しやすい。そのため、磁化制御層５０の結晶構造をｃ軸がｘｙ面内に配向した正方晶とすると、磁化制御層５０は面内磁化膜となる。また第１強磁性層１０の結晶構造も磁化制御層５０と類似するため、第１強磁性層１０も面内磁化膜になりやすくなる。ｃ軸がｘｙ面内に配向した正方晶構造は、ｘｙ面内方向に磁場を印加しながら磁化制御層５０を成長させることで作製できる。

第１強磁性層１０を積層する際に、所定の方向に磁場を印加すれば磁化制御層５０を設けなくても、第１強磁性層１０の磁化配向方向は制御できる。しかしながら、磁化制御層５０と第１強磁性層１０との役割を分けることで、第１強磁性層１０に用いる材料の選択性が高まり、第１強磁性層１０の特性を高めることができる。

磁化制御層５０には、ＳｍＦｅ_１２等を用いることができる。

また図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３は、スピン軌道トルク配線２０と磁化制御層５０との間に下地層４０を備える。下地層４０を備えると、磁化制御層５０の結晶構造を制御しやすくなる。なお、下地層４０を設けずに、磁化制御層５０のみをスピン軌道トルク配線２０と第１強磁性層１０との間に配設してもよい。

上述のように、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は側面が連続した傾斜面であるため、作製時に不純物が再付着することを抑制でき、書き込み電流を流れやすくすることができる。

「第２実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図７は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の断面模式図である。図７に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３と、第２強磁性層６０と、非磁性層７０と、を備える。第２強磁性層６０は、第１強磁性層１０のスピン軌道トルク配線２０と反対側に対向配置されている。非磁性層７０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層６０との間に挟まれている。またスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３は一例であり、図２及び図５に示すものを用いてもよい。

第１強磁性層１０と非磁性層７０と第２強磁性層６０とが積層された積層体（機能部８０）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部８０は、第２強磁性層６０の磁化が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１０の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層６０の保磁力を第１強磁性層１０の保磁力よりも大きくする。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層６０の磁化を反強磁性層との交換結合によって固定する。

また機能部８０は、非磁性層７０が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。

機能部８０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２強磁性層６０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２強磁性層６０は固定層や参照層、第１強磁性層１０は自由層や記憶層などと呼ばれる。

第２強磁性層６０には、第１強磁性層１０と同様の材料を用いることができる。第２強磁性層６０の第１強磁性層１０に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層６０にＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を接触させてもよい。さらに、第２強磁性層６０の漏れ磁場を第１強磁性層１０に影響させないようにするために、第２強磁性層６０がシンセティック強磁性結合の構造であってもよい。

非磁性層７０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層７０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネル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７０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層７０が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００においても、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３の第１傾斜面１０３ａと、非磁性層７０の第１側面７０ａと、第２強磁性層６０の第１側面６０ａとは、連続した第１傾斜面２００ａをなす。またスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３の第２傾斜面１０３ｂと、非磁性層７０の第２側面７０ｂと、第２強磁性層６０の第２側面６０ｂとは、連続した第２傾斜面２００ｂをなす。そのため、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の側面に作製時に不純物が再付着することを抑制でき、書き込み電流を流れやすくすることができる。

またスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００において、第１強磁性層１０及び第２強磁性層６０は磁化容易軸の主方向がｘ方向である面内磁化膜であることが好ましい。またこれらの層の磁化容易軸は、ｘ方向に対して傾斜していることが好ましい。第１ビア配線３１と第２ビア配線３２とを結ぶ線分と、スピン軌道トルク配線２０と、を交差させると、これらの層の磁化容易軸はｘ方向に対してｙ方向に傾斜する。また第１ビア配線３１と第２ビア配線３２とスピン軌道トルク配線２０との位置関係は図３の構成のままで、磁場中でアニールすることで所定の方向に磁化方向を配向させてもよい。

第１強磁性層１０及び第２強磁性層６０が磁化容易軸の主方向がｘ方向である面内磁化膜であると、第１強磁性層１０に注入されるスピンの向きと第１強磁性層１０の磁化方向とが交差する。そのため、第１強磁性層１０の書込み電流に対する応答（反応速度）が高くなる。また第１強磁性層１０の磁化が、第１強磁性層１０に注入されるスピンの向きと同じ方向（ｙ方向）の成分を有すると、第１強磁性層１０の磁化が反転する方向に力を受け、磁化反転し易くなる。その結果、外部磁場を印加せずに、第１強磁性層１０の磁化を反転させることができる。

「第３実施形態」
＜磁気メモリ＞
図８は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００（図７参照）を備える磁気メモリ３００の平面図である。図８に示す磁気メモリ３００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００が３×３のマトリックス配置をしている。図８は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の数及び配置は任意である。

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１～３と、１本のソースラインＳＬ１～３、１本のリードラインＲＬ１～３が接続されている。

電流を印加するワードラインＷＬ１～３及びソースラインＳＬ１～３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００のスピン軌道トルク配線２０に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１～３及びソースラインＳＬ１～３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の機能部８０の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１～３、ソースラインＳＬ１～３、及びリードラインＲＬ１～３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。

１０、１０’ 第１強磁性層
２０、２０’ スピン軌道トルク配線
３０ ビア配線
３１ 第１ビア配線
３２ 第２ビア配線
４０ 下地層
５０ 磁化制御層
６０ 第２強磁性層
７０ 非磁性層
８０ 機能部
１０ａ、２０ａ、４０ａ、５０ａ、６０ａ、７０ａ 第１側面
１０ｂ、２０ｂ、４０ｂ、５０ｂ、６０ｂ、７０ｂ 第２側面
１００、１０１、１０２、１０３ スピン軌道トルク型磁化回転素子
１００ａ、１０２ａ、１０３ａ 第１傾斜面
１００ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ 第２傾斜面
２００ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３００ 磁気メモリ
θ１、θ２ 傾斜角
Ｉ、Ｉ’ 書き込み電流
Ｂ イオンビーム

Claims (13)

1. 第１の方向に延在するスピン軌道トルク配線と、
   前記スピン軌道トルク配線の一面に位置する第１強磁性層と、を備え、
   前記スピン軌道トルク配線の側面と前記第１強磁性層の側面とは、いずれの側面においても連続した傾斜面をなす、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
2. 前記第１の方向における前記スピン軌道トルク配線の第１側面及び前記第１強磁性層の第１側面からなる第１傾斜面の積層方向に対する傾斜角は、前記第１の方向と交差する前記スピン軌道トルク配線の第２側面及び前記第１強磁性層の第２側面からなる第２傾斜面の前記積層方向に対する傾斜角より大きい、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
3. 前記第１の方向における前記スピン軌道トルク配線の第１側面及び前記第１強磁性層の第１側面からなる第１傾斜面の積層方向に対する傾斜角が４５°以上である請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
4. 前記スピン軌道トルク配線の前記第１強磁性層と反対側の面から延在する２つのビア配線をさらに備え、
   前記２つのビア配線は、積層方向から見て前記第１強磁性層を挟む位置にあり、前記第１強磁性層と一部重畳する、請求項１～３のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
5. 前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との間に下地層をさらに有し、
   前記スピン軌道トルク配線、前記第１強磁性層及び前記下地層の側面はいずれの側面においても連続した傾斜面をなす、請求項１～４のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
6. 前記下地層がアモルファスである、請求項５に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
7. 前記スピン軌道トルク配線と前記第１強磁性層との間に磁化制御層をさらに有し、
   前記スピン軌道トルク配線、前記第１強磁性層及び磁化制御層の側面はいずれの側面においても連続した傾斜面をなす、請求項１～６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
8. 前記磁化制御層の結晶構造が正方晶である、請求項７に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
9. 前記第１強磁性層は、前記第１の方向に延在し、
   前記第１強磁性層及び前記スピン軌道トルク配線は、それぞれ前記第１の方向及び前記第１の方向と交差する第２の方向にそれぞれ２つの側面を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
    前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側に対向配置された第２強磁性層と、
    前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に挟まれた非磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
11. 前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層が面内方向に磁気異方性を有し、これらの層の磁化の磁化容易軸が前記第１の方向に対して傾斜している、請求項１０に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
12. 前記非磁性層は、積層方向において前記第２強磁性層と重なる内側の厚みが、外側の厚みより厚い、請求項１０又は１１に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
13. 請求項１０～１２のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える磁気メモリ。

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