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JP2019121782A - Spin orbit torque type magnetization rotation element, spin orbit torque type magnetoresistance effect element, and manufacturing method of spin orbit torque type magnetization rotation element - Google Patents

Spin orbit torque type magnetization rotation element, spin orbit torque type magnetoresistance effect element, and manufacturing method of spin orbit torque type magnetization rotation element Download PDF

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JP2019121782A
JP2019121782A JP2018204507A JP2018204507A JP2019121782A JP 2019121782 A JP2019121782 A JP 2019121782A JP 2018204507 A JP2018204507 A JP 2018204507A JP 2018204507 A JP2018204507 A JP 2018204507A JP 2019121782 A JP2019121782 A JP 2019121782A
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Tomoo Sasaki
智生 佐々木
陽平 塩川
Yohei SHIOKAWA
陽平 塩川
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Abstract

【課題】スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を起こすことが可能な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。【解決手段】このスピン軌道トルク型磁化回転素子は、X方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、スピン軌道トルク配線層に積層された第1強磁性層と、を備え、第1強磁性層は形状異方性を有し、X方向に長軸を有し、スピン軌道トルク配線層が延在する平面において、第1強磁性層の磁化容易軸は、X方向並びに、X方向に対して直交するY方向に対して傾斜している。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin orbit torque type magnetization rotation element capable of causing magnetization rotation without applying an external magnetic field without increasing a current flowing through a spin orbit torque wiring layer. SOLUTION: This spin-orbit torque type magnetizing rotating element includes a spin-orbit torque wiring layer extending in the X direction and a first ferromagnetic layer laminated on the spin-orbit torque wiring layer, and has a first ferromagnetic layer. The layer has shape anisotropy, has a long axis in the X direction, and in a plane on which the spin-orbit torque wiring layer extends, the easy axis of magnetism of the first ferromagnetic layer is with respect to the X direction and the X direction. It is inclined with respect to the Y direction orthogonal to each other. [Selection diagram] Fig. 1

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スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a spin orbit torque type magnetization rotation element, a spin orbit torque type magnetoresistive effect element, and a method of manufacturing a spin orbit torque type magnetization rotation element.

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)素子において、電流が作る磁場を利用して書き込み(磁化回転)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(磁化回転)を行う方式が知られている。STTを用いたTMR素子の磁化回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、磁化回転をさせるために磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を印加するため、TMR素子を劣化させる恐れがある。   In a tunnel magnetoresistive (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) in a nonmagnetic layer, a method of writing (magnetization rotation) using a magnetic field generated by a current or a lamination direction of magnetoresistive elements There is known a method of writing (magnetization rotation) using spin transfer torque (STT) generated by flowing a current through the The magnetization rotation of the TMR element using STT is efficient from the viewpoint of energy efficiency, but the current may be applied in the stacking direction of the magnetoresistive element to cause the magnetization rotation, which may deteriorate the TMR element. There is.

そこで近年、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流さずに磁化回転を可能と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スピン軌道トルク型磁化回転素子に注目が集まっている。スピン軌道トルク配線層に電流が流れると、スピン軌道相互作用や異種材料の界面におけるラシュバ効果によって純スピン流が生じる。この純スピン流はスピン軌道トルク(SOT)を誘起し、SOTによりスピン軌道トルク配線上に配設された強磁性体の磁化回転を起こす。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子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回転電流はゼロであり、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。スピン軌道トルク型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線に流す電流密度が高いほど磁化回転を容易に行うことができる。   In recent years, therefore, attention has been focused on spin orbit torque type magnetization rotating elements utilizing pure spin current generated by spin orbit interaction as a means for enabling magnetization rotation without flowing current in the stacking direction of the magnetoresistance effect element. There is. When current flows in the spin orbit torque wiring layer, a pure spin current is generated due to spin orbit interaction and the Rashba effect at the interface of different materials. The pure spin current induces a spin orbit torque (SOT), which causes magnetization rotation of the ferromagnetic material disposed on the spin orbit torque wiring by the SOT. Pure spin current is produced by the same number of upward spin electrons and downward spin electrons flowing in opposite directions, and the charge flow is offset. Therefore, the rotational current flowing through the magnetoresistive element is zero, and it is expected to extend the life of the magnetoresistive element. The spin orbit torque type magnetization rotation element can easily perform magnetization rotation as the current density flowing through the spin orbit torque wiring is higher.

スピン軌道トルク型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線に流れる電流の方向と、強磁性体の磁化容易軸の方向との関係により、いくつかの種類に分類される。スピン軌道トルク型磁化回転素子は、X方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、その一面に積層された第1強磁性層と、を備える。この第1強磁性層の磁化容易軸の向きによって、X型、Y型、Z型磁化回転素子に分類される。X型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線層と同じX方向に磁化容易軸を有する。Y型磁化回転素子は、面内方向においてX方向と直交するY方向に磁化容易軸を有する。Z型磁化回転素子は、面内方向と直交するZ方向(積層方向)に磁化容易軸を有する。X型及びZ型磁化回転素子は、磁化回転に要する時間が短く、高速で動作することが可能である。また、X型磁化回転素子はスピン軌道トルク配線層がX方向を長軸としているため、Y方向の幅を狭くすることができる。そのため、X型磁化回転素子はY型磁化回転素子より少ない電流での磁化反転が可能となる。しかし、X型及びZ型磁化回転素子は、磁化回転をアシストするためにそれぞれZ方向及びX方向の外部磁場を素子に印加しなければならない。そのため、X型及びZ型磁化回転素子は、エネルギー消費や集積度の点で問題を有する。一方、Y型磁化回転素子の場合は、磁化回転をアシストするための外部磁場は不要であるが、磁化回転に要する時間が長く、Y方向の幅が広いために磁化反転に要する電流が大きくなるという欠点がある。   The spin orbit torque type magnetization rotation element is classified into several types according to the relationship between the direction of the current flowing through the spin orbit torque wiring and the direction of the easy axis of magnetization of the ferromagnetic material. The spin orbit torque type magnetization rotation element includes a spin orbit torque wiring layer extending in the X direction, and a first ferromagnetic layer laminated on one surface thereof. It is classified into an X-type, a Y-type and a Z-type magnetization rotation element according to the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer. The X-type magnetization rotation element has a magnetization easy axis in the same X direction as the spin orbit torque wiring layer. The Y type magnetization rotation element has an easy magnetization axis in the Y direction orthogonal to the X direction in the in-plane direction. The Z-type magnetization rotation element has an easy magnetization axis in the Z direction (stacking direction) orthogonal to the in-plane direction. The X-type and Z-type magnetization rotation elements have a short time required for magnetization rotation and can operate at high speed. Further, in the X-type magnetization rotation element, since the spin orbit torque wiring layer has the X direction as the major axis, the width in the Y direction can be narrowed. Therefore, the X-type magnetization rotation element can perform magnetization reversal with less current than the Y-type magnetization rotation element. However, X-type and Z-type magnetization rotating elements must apply an external magnetic field in the Z direction and X direction to the elements, respectively, in order to assist the magnetization rotation. Therefore, the X-type and Z-type magnetization rotation elements have problems in terms of energy consumption and integration. On the other hand, in the case of a Y-type magnetization rotation element, although the external magnetic field for assisting the magnetization rotation is unnecessary, the time required for the magnetization rotation is long, and the width in the Y direction is wide, so the current required for the magnetization switching is large. There is a drawback of that.

この問題を解決するために、第1強磁性層の磁化容易軸をX方向及びY方向のいずれに対しても傾斜させたXY型磁化回転素子が提案されている(例えば、非特許文献1)。図11に、このようなXY型磁化回転素子501を示す。XY型磁化回転素子501は、スピン軌道トルク配線層502と、第1強磁性層504と、電極506とを備える。第1強磁性層504及び電極506は、スピン軌道トルク配線層502の一面に積層され、電極506は、平面視で第1強磁性層504を挟んでいる。また第1強磁性層504は、X方向に長軸を有するスピン軌道トルク配線層502と異なり、平面視でX方向及びY方向に対して傾斜させた長軸を有する。第1強磁性層504の磁化容易軸508は、形状異方性により第1強磁性層504の長軸と平行な方向に配向される。   In order to solve this problem, there has been proposed an XY-type magnetization rotation element in which the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer is inclined to either the X direction or the Y direction (for example, Non-Patent Document 1) . Such an XY type magnetization rotation element 501 is shown in FIG. The XY type magnetization rotation element 501 includes a spin orbit torque wiring layer 502, a first ferromagnetic layer 504, and an electrode 506. The first ferromagnetic layer 504 and the electrode 506 are stacked on one surface of the spin track torque wiring layer 502, and the electrode 506 sandwiches the first ferromagnetic layer 504 in plan view. Further, the first ferromagnetic layer 504 has a major axis inclined with respect to the X direction and the Y direction in plan view, unlike the spin track torque wiring layer 502 having the major axis in the X direction. The magnetization easy axis 508 of the first ferromagnetic layer 504 is oriented in a direction parallel to the long axis of the first ferromagnetic layer 504 due to shape anisotropy.

このように構成されたXY型磁化回転素子501は、磁化容易軸がY方向成分を有するため、外部磁場を印加されなくても磁化回転を起こす。また、磁化容易軸がX方向成分を有するため、Y型磁化回転素子と比較して磁化回転に要する時間が短く、高速動作に適している。   Since the easy axis of magnetization of the XY-type magnetization rotation element 501 configured in this way has a Y-direction component, magnetization rotation occurs even if an external magnetic field is not applied. Further, since the magnetization easy axis has an X direction component, the time required for the magnetization rotation is short as compared with the Y-type magnetization rotation element, which is suitable for high speed operation.

S. Fukami, et al., Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/NNANO.2016.29 SupplementS. Fukami, et al., Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038 / NNANO.2016.29 Supplement

しかしながら、図11に示すようなXY型磁化回転素子は、第1強磁性層の長軸がX方向及びY方向に対して傾斜しているため、スピン軌道トルク配線層のY方向の幅が大きくなる。従って、スピン軌道トルク配線層を流れる電流密度が小さくなり、磁化回転に必要な電流が大きくなるという欠点を有する。   However, since the major axis of the first ferromagnetic layer is inclined with respect to the X direction and the Y direction in the XY-type magnetization rotating element as shown in FIG. 11, the width of the spin orbit torque wiring layer in the Y direction is large. Become. Therefore, the current density flowing through the spin orbit torque wiring layer is reduced, and the current required for the magnetization rotation is increased.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を起こすことが可能な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スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法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 a spin track torque type magnetization rotating device capable of causing magnetization rotation without applying an external magnetic field without increasing the current flowing through the spin track torque wiring layer It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a spin orbit torque type magnetoresistive effect element and a spin orbit torque type magnetization rotation element.

本発明者らは、第1強磁性層の長軸をスピン軌道トルク配線層の長軸と一致させつつ、第1強磁性層の磁化容易軸のみをスピン軌道トルク配線層の長軸から傾斜させることにより、スピン軌道トルク配線層の幅を低減させ、スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を容易に行うことが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 present inventors incline only the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer from the long axis of the spin orbit torque wiring layer while aligning the long axis of the first ferromagnetic layer with the long axis of the spin orbit torque wiring layer. Accordingly, it has been found that the magnetization can be easily rotated without applying an external magnetic field without reducing the width of the spin orbit torque wiring layer and increasing the current flowing in the spin orbit torque wiring layer. That is, the present invention provides the following means in order to solve the above problems.

(1)第1の態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子は、X方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、スピン軌道トルク配線層に積層された第1強磁性層と、を備え、第1強磁性層は形状異方性を有し、X方向に長軸を有し、スピン軌道トルク配線層が延在する平面において、第1強磁性層の磁化容易軸は、X方向及びX方向と直交するY方向に対して傾斜している。 (1) The spin orbit torque type magnetization rotation device according to the first aspect includes a spin orbit torque wiring layer extending in the X direction, and a first ferromagnetic layer stacked on the spin orbit torque wiring layer. The first ferromagnetic layer has shape anisotropy, has a major axis in the X direction, and in the plane where the spin track torque wiring layer extends, the easy axis of magnetization of the first ferromagnetic layer is the X direction and X It is inclined with respect to the Y direction orthogonal to the direction.

(2)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子において、第1強磁性層は、HoCo合金SmFe合金、FePt合金、CoPt合金又はCoCrPt合金でありうる。 (2) In the spin orbit torque type magnetization rotation device according to the above aspect, the first ferromagnetic layer may be a HoCo alloy SmFe alloy, an FePt alloy, a CoPt alloy or a CoCrPt alloy.

(3)第2の態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子と、第1強磁性層のスピン軌道トルク配線層と反対側に配設され、磁化の向きが固定された第2強磁性層と、第1強磁性層と第2強磁性層との間に配設された非磁性層と、を備える。 (3) The spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to the second aspect is provided on the opposite side to the spin orbit torque wiring layer of the first ferromagnetic layer and the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the above aspect And a second ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed, and a nonmagnetic layer disposed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer.

(4)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、第1強磁性層と非磁性層との間に配設された第3強磁性層をさらに備えうる。 (4) The spin orbit torque type magnetoresistance effect device according to the above aspect may further include a third ferromagnetic layer disposed between the first ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer.

(5)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、第1強磁性層が、第1強磁性層の非磁性層側の面に拡散防止層を備えうる。 (5) In the spin orbit torque type magnetoresistance effect device according to the above aspect, the first ferromagnetic layer may include the diffusion prevention layer on the surface of the first ferromagnetic layer on the nonmagnetic layer side.

(6)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、拡散防止層が非磁性重金属を含みうる。 (6) In the spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to the above aspect, the diffusion prevention layer may contain nonmagnetic heavy metal.

(7)上記態様に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子において、拡散防止層が、拡散防止層を構成する元素のイオン半径の2倍以下の厚さを有しうる。 (7) In the spin orbit torque type magnetoresistive element according to the above aspect, the diffusion prevention layer may have a thickness equal to or less than twice the ion radius of the element constituting the diffusion prevention layer.

(8)第3の態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法は、上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、少なくとも第1強磁性層を、Y方向を含む方向に磁場を印加した状態で成膜する。 (8) A method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating device according to a third aspect is a method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating element according to the above aspect, wherein at least the first ferromagnetic layer is Y The film is formed in the state where the magnetic field is applied in the direction including the direction.

(9)上記態様に係る製造方法は、少なくとも第1強磁性層の成膜後、Y方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う段階を含みうる。 (9) The manufacturing method according to the above aspect may include the step of performing annealing in a state in which a magnetic field is applied in a direction including the Y direction after film formation of at least the first ferromagnetic layer.

(10)第4の態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法は、上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、少なくとも第1強磁性層の成膜後、Y方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う。 (10) A method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating device according to a fourth aspect is a method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating element according to the above aspect, wherein at least a first ferromagnetic layer is deposited. Thereafter, annealing is performed in a state in which the magnetic field is applied in the direction including the Y direction.

上記態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子によれば、スピン軌道トルク配線層を流れる電流を大きくすることなく、外部磁場を印加せずに磁化回転を起こすことが可能である。   According to the spin orbit torque type magnetization rotation element according to the above aspect, it is possible to cause magnetization rotation without applying an external magnetic field without increasing the current flowing through the spin orbit torque wiring layer.

本発明の一実施形態に係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。FIG. 1 is a perspective view schematically showing a spin orbiting torque type magnetization rotating element according to an embodiment of the present invention. 図1に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した平面図である。It is the top view which showed typically the spin orbit torque type magnetization rotation element which concerns on FIG. 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法を模式的に示した平面図である。FIG. 7 is a plan view schematically showing a method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating element according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a spin track torque type magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention. 図4に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した平面図である。FIG. 5 is a plan view schematically showing a spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to FIG. 4; 図4に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子であって、磁化が反転した状態を模式的に示した平面図である。FIG. 5 is a plan view schematically showing a state in which the magnetization is inverted in the spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to FIG. 4; 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a spin track torque type magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a spin track torque type magnetoresistive effect element according to an embodiment of the present invention. 図8に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を模式的に示した平面図である。FIG. 9 is a plan view schematically showing a spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to FIG. 8; 第4実施形態にかかる磁気記録アレイの平面図である。It is a top view of the magnetic recording array concerning 4th Embodiment. 従来のスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した平面図である。It is the top view which showed the conventional spin orbit torque type magnetization rotation element typically. スピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically another example of a spin track torque type magnetization rotation element.

以下、本発明について、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、本発明の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 invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. The drawings used in the following description may show enlarged features for convenience for the purpose of clarifying the features of the present invention, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented within the scope of achieving the effects of the present invention.

(スピン軌道トルク型磁化回転素子)
図1は、本発明の一態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子1を模式的に示した斜視図である。図2は、図1に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子1を模式的に示した平面図である。本発明の一態様に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子1は、スピン軌道トルク配線層2と、スピン軌道トルク配線層2に積層されて配設された第1強磁性層4と、第1強磁性層4をはさんで、スピン軌道トルク配線層2に積層されて配設された電極6と、を備える。以下、スピン軌道トルク配線層2の長軸が延在する方向をX方向、スピン軌道トルク配線層2が延在する面内においてX方向と直交する方向をY方向、X方向及びY方向のいずれにも直交する方向をZ方向とする。図1において、第1強磁性層4の積層方向はZ方向である。第1強磁性層4は、その長軸がX方向に延在する形状異方性を有する。また、第1強磁性層4は、X方向及びY方向に対して傾斜している磁化容易軸に沿った磁化8を有する。
(Spin orbit torque type magnetization rotating element)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a spin orbiting torque type magnetization rotating element 1 according to an aspect of the present invention. FIG. 2 is a plan view schematically showing the spin orbiting torque type magnetization rotating element 1 according to FIG. A spin orbiting torque type magnetization rotating device 1 according to an aspect of the present invention includes a spin orbiting torque wiring layer 2, a first ferromagnetic layer 4 stacked on the spin orbiting torque wiring layer 2, and a first strong layer. And an electrode 6 stacked on the spin track torque wiring layer 2 with the magnetic layer 4 interposed therebetween. Hereinafter, the direction in which the long axis of spin track torque wiring layer 2 extends is the X direction, and the direction orthogonal to the X direction in the plane where spin track torque wiring layer 2 extends is the Y direction, X direction or Y direction. Also, let the direction orthogonal to be the Z direction. In FIG. 1, the stacking direction of the first ferromagnetic layer 4 is the Z direction. The first ferromagnetic layer 4 has shape anisotropy in which the major axis extends in the X direction. Further, the first ferromagnetic layer 4 has the magnetization 8 along the easy axis of magnetization which is inclined with respect to the X direction and the Y direction.

<スピン軌道トルク配線>
スピン軌道トルク配線層2は、X方向に延在する。スピン軌道トルク配線層2は、第1強磁性層4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層2は、第1強磁性層4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 layer 2 extends in the X direction. The spin orbit torque wiring layer 2 is connected to one surface of the first ferromagnetic layer 4 in the Z direction. The spin orbit torque wiring layer 2 may be directly connected to the first ferromagnetic layer 4 or may be connected via another layer.

スピン軌道トルク配線層2と第1強磁性層4との間に介在する層は、スピン軌道トルク配線層2から伝搬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 a layer interposed between the spin orbit torque wiring layer 2 and the first ferromagnetic layer 4 does not dissipate the spins propagating from the spin orbit torque wiring layer 2. 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 do not easily dissipate spin.

また、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層2から伝搬するスピンを第1強磁性層4に十分に伝えることができる。   The thickness of this layer is preferably equal to or less than 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 spins propagating from the spin orbit torque wiring layer 2 can be sufficiently transmitted to the first ferromagnetic layer 4.

スピン軌道トルク配線層2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層2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、スピン流が生成される材料で構成される部分と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であってよい。   The spin orbit torque wiring layer 2 is made of a material in which spin current is generated by the spin Hall effect when current flows. As such a material, a material having a configuration in which a spin current is generated in the spin orbit torque wiring layer 2 is sufficient. Therefore, it is not limited to a material composed of a single element, and may be composed of a part composed of a material in which a spin current is generated and a part composed of a material in which a spin current is not generated.

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第1スピンS1と第2スピンS2とが逆方向に曲げられ、スピン流が誘起される現象を、スピンホール効果と呼ぶ。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。   The phenomenon that spin current is induced by the fact that the first spin S1 and the second spin S2 are bent in the opposite direction in the direction perpendicular to the direction of the current due to the spin-orbit interaction when a current flows through the material, Call it the Hall effect. The ordinary Hall effect and the spin Hall effect are common in that moving (moving) charges (electrons) can bend the direction of movement (moving), but the ordinary Hall effect causes charged particles moving in a magnetic field to move the Lorentz force. In contrast to being able to receive and bend the direction of movement, the spin Hall effect is largely different in that the direction of movement is bent only by electron movement (only current flow) even though there is no magnetic field.

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、図中でスピン軌道トルク配線層2の第1強磁性層8が配設された面の方向へ向かう第1スピンS1の電子数と、第1スピンS1の電子とは反対の方向へ向かう第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 in the first spin S1 is equal to the number of electrons in the second spin S2 in a nonmagnetic material (a non-ferromagnetic material), the first ferromagnetic layer 8 of the spin orbit torque wiring layer 2 is arranged in the figure. The number of electrons of the first spin S1 going to the direction of the provided plane and the number of electrons of the second spin S2 going to the opposite direction to the electrons of the first spin S1 are equal. Thus, the current as a net flow of charge is zero. A spin current without this current is particularly called a pure spin current.

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1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, the electron flow in the first spin S1 J ↑, electrons flow J second spin S2, to represent the spin current and J S, is defined by J S = J -J ↓. In FIG. 1, J S flows upward in the figure as a pure spin current. Here, J S is a flow of electrons having a polarizability of 100%.

スピン軌道トルク配線層2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層2は、非磁性の重金属だけからなってもよい。   The spin orbit torque wiring layer 2 may contain nonmagnetic heavy metal. Here, heavy metal is used in the meaning of the metal which has specific gravity more than yttrium. The spin orbit torque wiring layer 2 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2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. Such nonmagnetic metals have a large spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect. The spin orbit torque wiring 2 may be made of only a nonmagnetic metal having a large 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のに対して、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軌道相互作用が大きいために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し、純スピン流Jが発生しやすい。 Normally, when current flows in metal, all electrons move in the direction opposite to the current regardless of the direction of spin, while nonmagnetic metal with large atomic number having d electrons or f electrons in the outermost shell Since the spin-orbit interaction is large, the direction of electron movement depends on the direction of electron spins by the spin Hall effect, and a pure spin current J S tends to be generated.

また、スピン軌道トルク配線層2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層2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層2は、反強磁性金属だけからなってもよい。   In addition, the spin track torque wiring layer 2 may contain a magnetic metal. Magnetic metal refers to ferromagnetic metal or antiferromagnetic metal. When the nonmagnetic metal contains a trace amount of magnetic metal, the spin-orbit interaction is enhanced, and the spin current generation efficiency with respect to the current flowing through the spin-orbit torque wiring layer 2 can be increased. The spin orbit torque wiring layer 2 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。   Since the spin-orbit interaction is caused by the intrinsic internal field of the material of the spin-orbit torque wiring material, a pure spin current is also generated in the 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 magnetic metal itself scatters the electron spins flowing therethrough. However, if the amount of magnetic metal added is excessively increased, the generated spin current is scattered by the added magnetic metal, and as a result, the effect of decreasing the spin current becomes strong. Therefore, it is preferable that the molar ratio of the magnetic metal to be added be sufficiently smaller than the molar ratio of the main component of the spin generating portion in the spin track torque wiring. As a rule, 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層2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層2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。   In addition, the spin track torque wiring layer 2 may include a topological insulator. The spin track torque wiring layer 2 may be made of only the topological insulator. The topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistance, but a spin-polarized metal state is generated on the surface thereof. There is something like an internal magnetic field called spin-orbit interaction in matter. Therefore, even if there is no external magnetic field, a new topological phase appears due to the effect of spin-orbit interaction. This is a topological insulator, and strong spin-orbit interaction and inversion symmetry breaking at the edge can generate pure spin current with high efficiency.

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−xSb,(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。 The topological insulators 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, (Bi 1-x Sb x) 2 Te 3 and the like are preferred. These topological insulators can generate spin current with high efficiency.

<第1強磁性層>
第1強磁性層4は、スピン軌道トルク配線層2に、X方向に直交するZ方向に積層されて配設される。第1強磁性層4は、その長軸がX方向に延在する形状異方性を有する。また、第1強磁性層4は、スピン軌道トルク配線層2が延在する平面において、X方向及びY方向に対して傾斜する方向に磁化容易軸を有する磁化8を有する。第1強磁性層4は、例えば、HoCo合金、SmFe合金、FePt合金、CoPt合金、CoCrPt合金を含むことが好ましい。第1強磁性層4の材料としては、c軸長がa軸長より短い正方晶の磁性材料であることが好ましい。c軸長がa軸長より短いと、第1強磁性層4の磁化容易軸が面内方向に配向しやすい。例えば、Sm−Fe合金(SmFe12)等が好ましい。また、c軸長がa軸長より長いと、第1強磁性層4の磁化容易軸が面直方向に配向しやすいが、磁場中で成膜した場合や磁場中アニールをすることによって、c軸を面内の磁場方向に向けることができる。例えば、Ho−Co合金(HoCo)等が好ましい。これらの合金は、結晶磁気異方性が強く、ダンピング定数が大きいため、磁化回転が生じにくい。従って、これらの材料を用いて形成された第1強磁性層4は、強いデータ保持力を有する。
<First ferromagnetic layer>
The first ferromagnetic layer 4 is stacked on the spin track torque wiring layer 2 in the Z direction orthogonal to the X direction. The first ferromagnetic layer 4 has shape anisotropy in which the major axis extends in the X direction. Further, the first ferromagnetic layer 4 has the magnetization 8 having the easy magnetization axis in the direction inclined with respect to the X direction and the Y direction in the plane in which the spin track torque wiring layer 2 extends. The first ferromagnetic layer 4 preferably contains, for example, a HoCo alloy, a SmFe alloy, a FePt alloy, a CoPt alloy, or a CoCrPt alloy. The material of the first ferromagnetic layer 4 is preferably a tetragonal magnetic material having a c-axis length shorter than the a-axis length. If the c-axis length is shorter than the a-axis length, the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4 is likely to be oriented in the in-plane direction. For example, SmFe alloy (SmFe 12) or the like are preferable. Also, if the c-axis length is longer than the a-axis length, the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4 is likely to be oriented in the perpendicular direction, but c is formed by film formation in a magnetic field or annealing in a magnetic field The axis can be oriented in the in-plane magnetic field direction. For example, Ho-Co alloy (HoCo 2 ) or the like is preferable. These alloys have strong crystal magnetic anisotropy and a large damping constant, so that magnetization rotation hardly occurs. Therefore, the first ferromagnetic layer 4 formed using these materials has strong data retention.

第1強磁性層4の長軸方向と第1強磁性層4の磁化容易軸の方向とが異なる。この場合、第1強磁性層4の磁化114の磁化容易軸の方向は、例えば、以下の方法で求めることができる。   The major axis direction of the first ferromagnetic layer 4 is different from the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4. In this case, the direction of the magnetization easy axis of the magnetization 114 of the first ferromagnetic layer 4 can be determined, for example, by the following method.

第1の方法は、同一の条件で作製した第1強磁性層4を複数配設し、その磁気特性を測定するものである。磁気特性は、振動試料型磁力計(VSM)、超伝導量子干渉計(SQUID)、物理特性測定装置(PPMS)等を用いて行うことができる。   In the first method, a plurality of first ferromagnetic layers 4 manufactured under the same conditions are provided, and the magnetic characteristics thereof are measured. The magnetic properties can be performed using a vibrating sample magnetometer (VSM), a superconducting quantum interferometer (SQUID), a physical property measuring apparatus (PPMS), or the like.

まず長軸を一方向に揃えた第1強磁性層4を、例えばアレイ状に複数配列する。そして第1強磁性層4の素子集合体に対して一定磁場をxy面内の所定の方向(基準方向)から印加し、第1強磁性層4の所定の方向の磁化を測定する。第1強磁性層4が複数集まることで、素子集合体は測定可能な磁化を示す。この作業を、磁場を印加する角度を変えながら、素子集合体の面内方向の周囲の複数点で測定する。   First, a plurality of first ferromagnetic layers 4 whose major axes are aligned in one direction are arranged, for example, in an array. Then, a constant magnetic field is applied to the element assembly of the first ferromagnetic layer 4 from a predetermined direction (reference direction) in the xy plane, and the magnetization of the first ferromagnetic layer 4 in the predetermined direction is measured. A plurality of first ferromagnetic layers 4 gather, and the element assembly exhibits measurable magnetization. This operation is measured at a plurality of points around the in-plane direction of the element assembly while changing the angle at which the magnetic field is applied.

所定の方向への磁化の大きさを縦軸、素子集合体に印加する磁場の基準方向からの傾き角を横軸としてプロットすると、素子集合体の磁化特性が求められる。第1強磁性層4がxy面内において等方な形状の場合(例えば、平面視円形)は、測定される磁化特性はサインカーブを描く。また、第1強磁性層4が一方向に長軸を有し、第1強磁性層4の磁化容易軸の方向と第1強磁性層4の長軸方向とが一致する場合は、コサインカーブの形状(グラフの各点における傾き角)は変化するが、最大磁化を示す傾き角は等方形状の場合と一致する。これに対し、第1強磁性層4が一方向に長軸を有し、第1強磁性層4の磁化容易軸の方向と第1強磁性層4の長軸方向とが異なる場合は、コサインカーブの形状(グラフの各点における傾き角)が変化すると共に、最大磁化を示す傾き角がシフトする。すなわち、グラフにおいて磁化がピークを示す位置における基準方向に対する傾き角と、第1強磁性層4の長軸方向の基準方向に対する傾き角と、が異なる場合は、第1強磁性層4の長軸方向と第1強磁性層4の磁化容易軸の方向とが異なっていることが分かる。   The magnetization characteristics of the element assembly can be obtained by plotting the magnitude of the magnetization in a predetermined direction as the ordinate and the inclination angle of the magnetic field applied to the element assembly from the reference direction as the abscissa. In the case where the first ferromagnetic layer 4 has an isotropic shape in the xy plane (for example, a circular shape in plan view), the measured magnetization characteristic has a sine curve. In addition, when the first ferromagnetic layer 4 has a major axis in one direction, and the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4 coincides with the major axis direction of the first ferromagnetic layer 4, the cosine curve The shape (tilt angle at each point of the graph) changes, but the tilt angle indicating the maximum magnetization matches the case of the isotropic shape. On the other hand, if the first ferromagnetic layer 4 has a major axis in one direction and the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4 is different from the major axis direction of the first ferromagnetic layer 4, the cosine As the shape of the curve (the inclination angle at each point of the graph) changes, the inclination angle indicating the maximum magnetization shifts. That is, when the inclination angle with respect to the reference direction at the position where the magnetization shows a peak in the graph is different from the inclination angle with respect to the reference direction with respect to the long axis direction of the first ferromagnetic layer 4, the long axis of the first ferromagnetic layer 4 It can be seen that the direction is different from the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4.

また第2の方法は、スピン軌道トルク型磁化回転素子1の抵抗値を、スピン軌道トルク型磁化回転素子1に印加しながら測定する方法である。スピン軌道トルク型磁化回転素子1の抵抗値は、一定磁場をxy面内の所定の方向(基準方向)から印加する角度を変えながら測定する。スピン軌道トルク型磁化回転素子1の抵抗値は、第1強磁性層4の上面と、スピン軌道トルク配線層2の一端との間の抵抗値であり、主に第1強磁性層4の抵抗値である。   The second method is a method of measuring the resistance value of the spin orbit torque type magnetization rotation element 1 while applying it to the spin orbit torque type magnetization rotation element 1. The resistance value of the spin orbit torque type magnetization rotation element 1 is measured while changing the angle at which a constant magnetic field is applied from a predetermined direction (reference direction) in the xy plane. The resistance value of the spin orbit torque type magnetization rotation element 1 is a resistance value between the upper surface of the first ferromagnetic layer 4 and one end of the spin orbit torque wiring layer 2, and mainly the resistance of the first ferromagnetic layer 4 It is a value.

スピン軌道トルク型磁化回転素子1の抵抗値を縦軸、第1強磁性層4に印加する磁場の基準方向からの傾き角を横軸としてプロットすると、スピン軌道トルク型磁化回転素子1の抵抗特性が求められる。抵抗特性は、上述の磁化特性と同様の挙動を示す。第1強磁性層4がxy面内において等方な形状の場合(例えば、平面視円形)は、測定される抵抗特性はコサインカーブを描く。また、第1強磁性層4が一方向に長軸を有し、第1強磁性層4の磁化容易軸の方向と第1強磁性層4の長軸方向とが一致する場合は、コサインカーブの形状(グラフの各点における傾き角)は変化するが、最大抵抗を示す傾き角は等方形状の場合と一致する。これに対し、第1強磁性層4が一方向に長軸を有し、第1強磁性層4の磁化容易軸の方向と第1強磁性層4の長軸方向とが異なる場合は、コサインカーブの形状(グラフの各点における傾き角)が変化すると共に、最大磁化を示す傾き角がシフトする。すなわち、グラフにおいて抵抗値がピークを示す位置における基準方向に対する傾き角と、第1強磁性層4の長軸方向の基準方向に対する傾き角と、が異なる場合は、第1強磁性層4の長軸方向と第1強磁性層4の磁化容易軸の方向とが異なっていることが分かる。   When plotting the resistance value of the spin orbit torque type magnetization rotation element 1 as the ordinate and the inclination angle of the magnetic field applied to the first ferromagnetic layer 4 from the reference direction as the abscissa, the resistance characteristic of the spin orbit torque type magnetization rotation element 1 is plotted. Is required. The resistance characteristic exhibits the same behavior as the above-mentioned magnetization characteristic. In the case where the first ferromagnetic layer 4 has an isotropic shape in the xy plane (for example, a circular shape in plan view), the resistance characteristic to be measured draws a cosine curve. In addition, when the first ferromagnetic layer 4 has a major axis in one direction, and the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4 coincides with the major axis direction of the first ferromagnetic layer 4, the cosine curve The shape (tilt angle at each point of the graph) changes, but the tilt angle showing the maximum resistance matches the case of the isotropic shape. On the other hand, if the first ferromagnetic layer 4 has a major axis in one direction and the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4 is different from the major axis direction of the first ferromagnetic layer 4, the cosine As the shape of the curve (the inclination angle at each point of the graph) changes, the inclination angle indicating the maximum magnetization shifts. That is, when the inclination angle with respect to the reference direction at the position where the resistance value shows a peak in the graph is different from the inclination angle with respect to the reference direction of the long axis direction of the first ferromagnetic layer 4, the length of the first ferromagnetic layer 4 It can be seen that the axial direction is different from the direction of the magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer 4.

<スピン軌道トルク型磁化回転素子の原理>
次に、図1及び2を参照しながら、スピン軌道トルク型磁化回転素子1の原理について説明する。
<Principle of spin orbit torque type magnetization rotating element>
Next, with reference to FIGS. 1 and 2, the principle of the spin orbit torque type magnetization rotation element 1 will be described.

図1に示すように、スピン軌道トルク配線層2に電流Iを印加すると、第1スピンS1と第2スピンS2とがスピンホール効果によって曲げられる。その結果、純スピン流JがZ方向に生じる。 As shown in FIG. 1, when a current I is applied to the spin track torque wiring layer 2, the first spin S1 and the second spin S2 are bent by the spin Hall effect. As a result, a pure spin current J S is generated in the Z direction.

図1において、第1強磁性層4は、スピン軌道トルク配線層にZ方向に積層して配設されているため、純スピン流は第1強磁性層4中に拡散して流れ込む。すなわち、第1強磁性層4にスピンが注入される。注入されたスピンは、第1強磁性層4の磁化8にスピン軌道トルク(SOT)を与え、磁化回転が生じる。図1及び2では、第1強磁性層4の磁化8を、第1強磁性層4の重心に位置する1つの磁化として模式的に表している。   In FIG. 1, since the first ferromagnetic layer 4 is disposed stacked in the Z direction in the spin track torque wiring layer, the pure spin current diffuses into the first ferromagnetic layer 4 and flows. That is, spins are injected into the first ferromagnetic layer 4. The injected spin gives a spin orbit torque (SOT) to the magnetization 8 of the first ferromagnetic layer 4 to cause magnetization rotation. In FIGS. 1 and 2, the magnetization 8 of the first ferromagnetic layer 4 is schematically represented as one magnetization located at the center of gravity of the first ferromagnetic layer 4.

強磁性層に注入されるスピンの向きと磁化の向きが直交している場合には、磁化回転を生じさせるために、外部磁場を印加して磁化の対称性を乱す必要がある。しかし、図1に示すスピン軌道型磁化回転素子1において、スピン軌道トルク配線層2から第1強磁性層4に注入されるスピンの向きはY方向に配向しているのに対し、第1強磁性層4の磁化8の向きはX方向及びY方向のいずれに対しても傾斜しており、X方向成分及びY方向成分を有する。従って、磁化8がスピンの向きと直交しないY方向成分を有するため、外部磁場を印加せずに磁化回転を実現することができる。外部磁場印加が不要になれば、エネルギー消費を低減し、素子の集積度を向上することができる。また、磁化8がX方向成分を有するため、図1に示すスピン軌道型磁化回転素子1は、磁化8がY方向に延在している場合と異なり、磁化回転に要する時間を低減することができ、高速動作に適している。また、図11に示す従来のXY型磁化回転素子と異なり、第1強磁性層4の長軸はX方向に沿って配設されているため、スピン軌道トルク配線層2のY方向における幅を低減することができる。そのため、電流密度を下げることなく、すなわち電流を大きくすることなくXY型磁化回転素子を実現することができる。   When the direction of spin injected into the ferromagnetic layer and the direction of magnetization are orthogonal, it is necessary to disturb the magnetization symmetry by applying an external magnetic field in order to cause magnetization rotation. However, in the spin orbit type magnetization rotating device 1 shown in FIG. 1, the direction of the spins injected from the spin orbit torque wiring layer 2 to the first ferromagnetic layer 4 is oriented in the Y direction, The direction of magnetization 8 of the magnetic layer 4 is inclined with respect to both the X direction and the Y direction, and has an X direction component and a Y direction component. Therefore, since the magnetization 8 has a Y-direction component not orthogonal to the direction of spin, magnetization rotation can be realized without applying an external magnetic field. If the application of the external magnetic field is not required, energy consumption can be reduced and the integration degree of the device can be improved. In addition, since the magnetization 8 has an X-direction component, the spin orbit type magnetization rotation element 1 shown in FIG. 1 can reduce the time required for the magnetization rotation, unlike the case where the magnetization 8 extends in the Y direction. It is suitable for high speed operation. Further, unlike the conventional XY-type magnetization rotating element shown in FIG. 11, the major axis of the first ferromagnetic layer 4 is disposed along the X direction, so the width of the spin orbit torque wiring layer 2 in the Y direction is It can be reduced. Therefore, the XY-type magnetization rotation element can be realized without reducing the current density, that is, without increasing the current.

(スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法)
図3は、本発明の一実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法を模式的に示した平面図である。まず、支持体となる基板上に、スピン軌道トルク配線層2を作製する。スピン軌道トルク配線層2は、スパッタ等の公知の成膜手段を用いて作製できる。
(Manufacturing method of spin orbit torque type magnetization rotating element)
FIG. 3 is a plan view schematically showing a method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating element according to an embodiment of the present invention. First, the spin track torque wiring layer 2 is fabricated on a substrate to be a support. The spin orbit torque wiring layer 2 can be manufactured using a known film forming means such as sputtering.

次いで、第1強磁性層4を作製する。第1強磁性層1はスパッタ等の公知の成膜手段を用いて作製できる。しかし、第1強磁性層4を単に成膜し、X方向に沿った長軸を有する形状とすると、形状異方性により、磁化容易軸もX方向に延在するため、XY型磁化回転素子を実現することができない。そこで、図3に示すように、Y方向成分を有する磁場Bを外部から印加しつつ、第1強磁性層4を成膜する。すると、形状異方性及び磁場Bの作用により、第1強磁性層4の磁化容易軸はX方向及びY方向のいずれに対しても傾斜する。 Next, the first ferromagnetic layer 4 is fabricated. The first ferromagnetic layer 1 can be manufactured using a known film forming means such as sputtering. However, if the first ferromagnetic layer 4 is simply formed into a film and has a long axis along the X direction, the easy magnetization axis also extends in the X direction due to shape anisotropy, so the XY type magnetization rotating element Can not realize. Therefore, as shown in FIG. 3, the first ferromagnetic layer 4 is formed while applying a magnetic field B y having a Y direction component from the outside. Then, the easy magnetization axis of the first ferromagnetic layer 4 is inclined with respect to both the X direction and the Y direction by the action of the shape anisotropy and the magnetic field B y .

また、第1強磁性層4の成膜時には磁場Bを印加せず、第1強磁性層4の成膜後、Y方向成分を有する磁場Bを印加しつつ、所定の温度、例えば250から400℃の温度でアニールしても、X方向及びY方向のいずれに対しても傾斜した磁化容易軸が得られる。また、第1強磁性層4の成膜時にY方向成分を有する磁場Bを印加して第1強磁性層4の成膜後、さらにY方向成分を有する磁場Bを印加しつつ、所定の温度、例えば250から400℃の温度でアニールしてもよい。 Further, when forming the first ferromagnetic layer 4, the magnetic field B y is not applied, and after forming the first ferromagnetic layer 4, a predetermined temperature, for example 250, is applied while applying the magnetic field B y having a Y direction component. Annealing at a temperature of about 400 ° C. provides a tilted easy axis of magnetization in both the X and Y directions. In addition, after forming the first ferromagnetic layer 4 by applying a magnetic field B y having a Y-direction component when forming the first ferromagnetic layer 4 and further applying a magnetic field B y having a Y-direction component, Annealing, for example, at a temperature of 250 to 400.degree.

(第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子)
図4は、本発明の第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101を模式的に示した断面図であり、図5は図4に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101を模式的に示した平面図である。図6は、図4に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101であって、磁化が反転した状態を模式的に示した平面図である。
(Spin orbit torque type magnetoresistance effect element according to the first embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a spin orbit torque type magnetoresistance effect device 101 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a sectional view showing the spin orbit torque type magnetoresistance effect device 101 according to FIG. It is the top view shown typically. FIG. 6 is a plan view schematically showing a state in which the magnetization is reversed in the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 101 according to FIG.

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、X方向に延在する長軸を有するスピン軌道トルク配線層102と、スピン軌道トルク配線層102に、X方向に対して垂直なZ方向に積層して配設された第1強磁性層104と、を備えたスピン軌道トルク型磁化回転素子と、第1強磁性層104のスピン軌道トルク配線層102と反対側に配設され、磁化の向きが固定された第2強磁性層112と、第1強磁性層104と第2強磁性層112との間に配設された非磁性層110と、を備える。スピン軌道トルク型磁化回転素子の構成については、図1及び2を参照して説明したスピン軌道トルク型磁化回転素子1の構成と同様であるので、詳細な説明を省略する。   The spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 is stacked in the Z direction perpendicular to the X direction on the spin orbit torque wiring layer 102 having the major axis extending in the X direction and the spin orbit torque wiring layer 102. A spin-orbit torque type magnetization rotation element including the first ferromagnetic layer 104 disposed, and the first ferromagnetic layer 104 disposed on the opposite side of the spin-orbit torque wiring layer 102, and the magnetization direction is fixed And the nonmagnetic layer 110 disposed between the first ferromagnetic layer 104 and the second ferromagnetic layer 112. The configuration of the spin orbit torque type magnetization rotation element is the same as the configuration of the spin orbit torque type magnetization rotation element 1 described with reference to FIGS. 1 and 2, and thus the detailed description will be omitted.

<第2強磁性層>
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、第2強磁性層112の磁化が一方向に固定され、第1強磁性層104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(疑似スピンバルブ型;Pseudo spin valve型)のMRAMに適用する場合には、第2強磁性層112の保磁力は第1強磁性層104の保磁力よりも大きいものとする。交換バイアス型(スピンバルブ型;spin valve型)のMRAMに適用する場合には、反強磁性層との交換結合によって第2強磁性層112の磁化方向を固定する。
<Second ferromagnetic layer>
The spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 functions by fixing the magnetization of the second ferromagnetic layer 112 in one direction and changing the direction of the magnetization of the first ferromagnetic layer 104 relatively. In the case of application to a coercivity difference type (pseudo-spin valve type) MRAM, the coercivity of the second ferromagnetic layer 112 is larger than the coercivity of the first ferromagnetic layer 104. When applied to an exchange bias type (spin valve type) MRAM, the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 112 is fixed by exchange coupling with an antiferromagnetic layer.

また、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、非磁性層110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110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 spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 is a tunneling magnetoresistance (TMR) element when the nonmagnetic layer 110 is made of an insulator, and a giant magnetic field when the nonmagnetic layer 110 is made of a metal. It is a resistance (GMR: Giant Magnetoresistance) element.

スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の積層構成は、公知のスピン軌道トルク型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112の磁化方向を固定するための反強磁性層などの他の層を備えてもよい。第2強磁性層112は固定層や参照層、第1強磁性層102は自由層や記憶層などと呼ばれる。   The lamination structure of the spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 can adopt the lamination structure of a known spin orbit torque type magnetoresistance effect element. For example, each layer may be composed of a plurality of layers, or may be provided with another layer such as an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 112. The second ferromagnetic layer 112 is called a fixed layer or a reference layer, and the first ferromagnetic layer 102 is called a free layer or a storage layer.

第2強磁性層112は、X方向に沿った長軸を有する。磁化114の方向は種々の方向をとることができるが、例えば、図5に示すように第1強磁性層104の磁化容易軸(磁化108に沿った方向)と平行な方向であってもよく、X方向に沿った方向であってもよい。   The second ferromagnetic layer 112 has a major axis along the X direction. The direction of magnetization 114 can be various directions, but may be parallel to the magnetization easy axis (direction along magnetization 108) of the first ferromagnetic layer 104, for example, as shown in FIG. , Along the X direction.

第2強磁性層112の材料には、公知の材料を用いることができ、第1強磁性層104と同様の材料を用いることができる。第1強磁性層104が面内磁化膜であるため、第2強磁性層112も面内磁化膜であることが好ましい。   A known material can be used as the material of the second ferromagnetic layer 112, and the same material as the first ferromagnetic layer 104 can be used. Since the first ferromagnetic layer 104 is an in-plane magnetization film, the second ferromagnetic layer 112 is also preferably an in-plane magnetization film.

また、第2強磁性層112の第1強磁性層104に対する保磁力をより大きくするために、第2強磁性層112と接する材料としてIrMn、PtMnなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第2強磁性層112の漏れ磁場を第1強磁性層102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。   Further, in order to further increase the coercive force of the second ferromagnetic layer 112 to the first ferromagnetic layer 104, an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be used as a material in contact with the second ferromagnetic layer 112. Furthermore, in order to prevent the stray magnetic field of the second ferromagnetic layer 112 from affecting the first ferromagnetic layer 102, a synthetic ferromagnetic coupling structure may be used.

<非磁性層>
非磁性層110には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層110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などを用いることができる。また、これらのほかにも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Beなどに置換された材料など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。また、非磁性層110が金属からなる場合、その材料としてはCu、Au、Agなど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、CuGaSe、Cu(In,Ga)Se等を用いることができる。
<Nonmagnetic layer>
For the nonmagnetic layer 110, known materials can be used. For example, when the nonmagnetic layer 110 is made of an insulator (in the case of a tunnel barrier layer), Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 or the like can be used as the material. In addition to these materials, materials in which a part of Al, Si, and Mg is substituted with Zn, Be, and the like can also be used. Among these, MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize coherent tunneling, so spins can be injected efficiently. When the nonmagnetic layer 110 is made of metal, Cu, Au, Ag or the like can be used as the material. Furthermore, when the nonmagnetic layer 70 is made of a semiconductor, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 or the like can be used as the material.

また、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、その他の層を有していてもよい。例えば、第1強磁性層104の非磁性層110と反対側の面に下地層を有していてもよいし、第2強磁性層112の非磁性層110と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。   In addition, the spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 may have other layers. For example, an underlayer may be provided on the surface of the first ferromagnetic layer 104 opposite to the nonmagnetic layer 110, and a cap layer may be provided on the surface of the second ferromagnetic layer 112 opposite to the nonmagnetic layer 110. You may have.

(スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の原理)
次いで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の原理について説明する。
(Principle of spin orbit torque type magnetoresistive element)
Next, the principle of the spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 will be described.

図5は、磁化114が磁化108に沿った第2強磁性層112を有するスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の平面図を示している。第1強磁性層104の磁化108はX方向及びY方向のいずれに対しても傾斜しており、図5では磁化108の方向が第2強磁性層112の磁化114と平行で向きが一致している。この場合、第1強磁性層104と第2強磁性層112との間の電気抵抗は低抵抗状態となる。   FIG. 5 shows a plan view of a spin orbit torque type magnetoresistive element 101 having a second ferromagnetic layer 112 in which the magnetization 114 is along the magnetization 108. The magnetization 108 of the first ferromagnetic layer 104 is inclined with respect to both the X direction and the Y direction. In FIG. 5, the direction of the magnetization 108 is parallel to the magnetization 114 of the second ferromagnetic layer 112 and the direction is the same. ing. In this case, the electrical resistance between the first ferromagnetic layer 104 and the second ferromagnetic layer 112 is in a low resistance state.

図6は、第1強磁性層104の磁化108が図5の場合とは反対方向に反転した状態を示したスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の平面図を示している。スピン軌道トルク型磁化回転素子の原理において説明したように、スピン軌道トルク配線層102から第1強磁性層104にスピンが注入されると、磁化108が回転して反転する。すると、磁化108は第2強磁性層112の磁化114と平行で向きが反対となる(反平行)。この場合、第1強磁性層104と第2強磁性層112との間の電気抵抗は高抵抗状態となる。従って、磁化108と磁化114との向きが平行であるか反平行であるかによって、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、第1強磁性層104と第2強磁性層112との間の電気抵抗の状態に対応した0/1のデータを保持する磁気メモリとして働く。   FIG. 6 shows a plan view of the spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 in which the magnetization 108 of the first ferromagnetic layer 104 is reversed in the opposite direction to that in FIG. As described in the principle of the spin orbit torque type magnetization rotation element, when the spin is injected from the spin orbit torque wiring layer 102 to the first ferromagnetic layer 104, the magnetization 108 is rotated and reversed. Then, the magnetization 108 is parallel to the magnetization 114 of the second ferromagnetic layer 112 and opposite in direction (antiparallel). In this case, the electrical resistance between the first ferromagnetic layer 104 and the second ferromagnetic layer 112 is in a high resistance state. Therefore, depending on whether the orientations of the magnetization 108 and the magnetization 114 are parallel or antiparallel, the spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 can be formed between the first ferromagnetic layer 104 and the second ferromagnetic layer 112. It works as a magnetic memory that holds 0/1 data corresponding to the state of electrical resistance.

なお、ここでは第2強磁性層112の磁化114をX方向及びY方向に傾斜させた場合を例に説明した。この場合、第1強磁性層104の磁化108と第2強磁性層112の磁化114とが、完全平行または完全反平行状態となる。つまり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101のMR比をより高めることができる。しかし、第2強磁性層112の磁化114は、第2強磁性層112の形状異方性に基づいて、X方向に沿っていてもよい。この場合であっても、第1強磁性層104の磁化108のX方向成分が、第2強磁性層112の磁化114に対して平行または反平行状態をとることができ、磁気メモリとして働くことができる。   Here, the case where the magnetization 114 of the second ferromagnetic layer 112 is inclined in the X direction and the Y direction has been described as an example. In this case, the magnetization 108 of the first ferromagnetic layer 104 and the magnetization 114 of the second ferromagnetic layer 112 are completely parallel or completely antiparallel. That is, the MR ratio of the spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 can be further increased. However, the magnetization 114 of the second ferromagnetic layer 112 may be along the X direction based on the shape anisotropy of the second ferromagnetic layer 112. Even in this case, the X-direction component of the magnetization 108 of the first ferromagnetic layer 104 can be parallel or antiparallel to the magnetization 114 of the second ferromagnetic layer 112, and acts as a magnetic memory. Can.

(第2実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子)
図7は、本発明の第2実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子201を模式的に示した断面図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子201において、第1強磁性層204は拡散防止層216を有してもよい。拡散防止層216は、第1強磁性層204の非磁性層210側の面に設けられていてもよいし、第1強磁性層204の厚み方向のいずれかの部分に設けられていてもよい。後者の場合、第1強磁性層は、下層、拡散防止層、上層の3層構造となる。そのほかの構成は、第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101と同様であるため、詳細な説明を省略する。
(Spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to the second embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a spin orbit torque type magnetoresistive effect element 201 according to a second embodiment of the present invention. In the spin orbit torque type magnetoresistive element 201, the first ferromagnetic layer 204 may have a diffusion preventing layer 216. The diffusion preventing layer 216 may be provided on the surface of the first ferromagnetic layer 204 on the nonmagnetic layer 210 side, or may be provided on any part of the first ferromagnetic layer 204 in the thickness direction. . In the latter case, the first ferromagnetic layer has a three-layer structure of a lower layer, a diffusion prevention layer, and an upper layer. The other configuration is the same as that of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 101 according to the first embodiment, and thus the detailed description will be omitted.

<拡散防止層>
拡散防止層216の材料として、非磁性重金属を用いることができる。例えばX方向及びY方向のいずれに対しても傾斜した磁化を有する第1強磁性層204を実現する場合のように、アニールを行うと、第1強磁性層204の内部から第2強磁性層212への元素拡散が生じ、磁気特性が劣化しうる。しかし、第1強磁性層204に拡散防止層216が配設されると、第1強磁性層及び第2強磁性層の形成後に高温でアニールを行った場合であっても、第1強磁性層204の内部から第2強磁性層212への元素拡散が生じることを抑制することができ、磁気特性が劣化しない。
<Diffusion prevention layer>
As a material of the diffusion prevention layer 216, nonmagnetic heavy metal can be used. For example, as in the case of realizing the first ferromagnetic layer 204 having magnetization inclined to both the X direction and the Y direction, when annealing is performed, the second ferromagnetic layer from the inside of the first ferromagnetic layer 204 Elemental diffusion to 212 can occur and degrade the magnetic properties. However, when the diffusion prevention layer 216 is disposed in the first ferromagnetic layer 204, even if annealing is performed at a high temperature after the formation of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, the first ferromagnetic layer The occurrence of element diffusion from the inside of the layer 204 to the second ferromagnetic layer 212 can be suppressed, and the magnetic characteristics do not deteriorate.

また、拡散防止層216は非磁性重金属を含んでもよい。重金属はアニールによっても元素が動きにくいため、第1強磁性層及び第2強磁性層の形成後に高温でアニールを行った場合であっても、第1強磁性層204及び第2強磁性層212の元素が元素拡散することを抑制する。その結果、第1強磁性層204と第2強磁性層212の磁気特性の劣化を抑制できる。   In addition, the diffusion prevention layer 216 may contain nonmagnetic heavy metal. Since elements of the heavy metal are hard to move even by annealing, the first ferromagnetic layer 204 and the second ferromagnetic layer 212 may be annealed even at high temperature after the formation of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. Element diffusion is suppressed. As a result, deterioration of the magnetic properties of the first ferromagnetic layer 204 and the second ferromagnetic layer 212 can be suppressed.

拡散防止層216は、構成する元素のイオン半径の2倍以下の厚さを有しうる。この程度の厚さの場合、厳密には重金属元素が島状に点在しており、上層または下層と重金属元素の混合層が拡散防止層となる。   The diffusion prevention layer 216 can have a thickness equal to or less than twice the ion radius of the constituent elements. In the case of such a thickness, strictly, heavy metal elements are scattered like islands, and the upper or lower layer and the mixed layer of heavy metal elements become a diffusion preventing layer.

(第3実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子)
図8は、本発明の第3実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子301を模式的に示した断面図であり、図9は、図8に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子301を模式的に示した平面図である。スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子301は、第1強磁性層304と非磁性層310との間に配設された第3強磁性層318を備える。そのほかの構成は、第2実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子301と同様であるため、詳細な説明を省略する。なお、図8では、第1強磁性層304が拡散防止層316を有する構成を示しているが、拡散防止層316を省略してもよい。
(Spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to the third embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a spin orbit torque type magnetoresistive effect element 301 according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a spin orbit torque type magnetoresistive effect element 301 according to FIG. It is the top view which showed typically. The spin orbit torque type magnetoresistance effect element 301 includes a third ferromagnetic layer 318 disposed between the first ferromagnetic layer 304 and the nonmagnetic layer 310. The other configuration is the same as that of the spin orbit torque type magnetoresistive effect element 301 according to the second embodiment, and thus the detailed description will be omitted. Although FIG. 8 shows the configuration in which the first ferromagnetic layer 304 has the diffusion prevention layer 316, the diffusion prevention layer 316 may be omitted.

第3強磁性層318の材料として、CoFeB,CoB,FeBを用いることができる。また、第3強磁性層318は、第1強磁性層304の磁化308と平行な方向に沿った磁化320を有する。第3強磁性層318が第1強磁性層304と非磁性層310との間に配設されると、第1強磁性層304と第3強磁性層318とが磁気的に結合し、1つの磁化として回転することが可能になる。従って、第3強磁性層318を配設することにより、磁気抵抗効果が大きくなるという効果を有する。   As a material of the third ferromagnetic layer 318, CoFeB, CoB, FeB can be used. Also, the third ferromagnetic layer 318 has a magnetization 320 along a direction parallel to the magnetization 308 of the first ferromagnetic layer 304. When the third ferromagnetic layer 318 is disposed between the first ferromagnetic layer 304 and the nonmagnetic layer 310, the first ferromagnetic layer 304 and the third ferromagnetic layer 318 are magnetically coupled, It becomes possible to rotate as one magnetization. Therefore, disposing the third ferromagnetic layer 318 has an effect of increasing the magnetoresistance effect.

(第4実施形態に係る磁気記録アレイ)
図10は、第4実施形態にかかる磁気記録アレイ400の平面図である。図10に示す磁気記録アレイ400は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101が3×3のマトリックス配置をしている。図10は、磁気記録アレイの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の種類、数及び配置は任意である。また制御部は、全てのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101に渡って存在してもよいし、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101毎に設けてもよい。
(Magnetic Recording Array According to Fourth Embodiment)
FIG. 10 is a plan view of the magnetic recording array 400 according to the fourth embodiment. In the magnetic recording array 400 shown in FIG. 10, spin orbit torque type magnetoresistance effect elements 101 are arranged in a 3 × 3 matrix. FIG. 10 is an example of a magnetic recording array, and the type, number and arrangement of spin orbit torque type magnetoresistive elements 101 are arbitrary. Further, the control unit may exist over all the spin orbit torque type magnetoresistive effect elements 101 or may be provided for each spin orbit torque type magnetoresistive effect element 101.

磁壁移動型磁気記録素子100には、それぞれ1本のワードラインWL1〜3と、それぞれ1本のビットラインBL1〜3、それぞれ1本のリードラインRL1〜3が接続されている。   In the domain wall displacement type magnetic recording element 100, one word line WL1 to WL3, one bit line BL1 to BL3, and one read line RL1 to RL3 are connected.

電流を印加するワードラインWL1〜3及びビットラインBL1〜3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101の第1強磁性層104にパルス電流を流し、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及びビットラインBL1〜3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101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、ビットラインBL1〜3、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。それぞれのスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101が多値で情報を記録することで、磁気記録アレイの高容量化を実現できる。  By selecting the word lines WL1 to WL3 and the bit lines BL1 to BL3 to which a current is to be applied, a pulse current is caused to flow through the first ferromagnetic layer 104 of any spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 to perform a write operation. Further, by selecting the read lines RL1 to RL3 and the bit lines BL1 to BL3 to which the current is applied, the current flows in the stacking direction of any spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101, and the reading operation is performed. The word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the read lines RL1 to RL3 to which current is applied can be selected by transistors or the like. When each spin orbit torque type magnetoresistance effect element 101 records information in multiple values, high capacity of the magnetic recording array can be realized.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の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。   Although the preferred embodiments of the present invention have been described above in detail, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications may be made within the scope of the present invention as set forth in the appended claims. It is possible to change and change

ここで図12に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子は、第1強磁性層14がz方向からの平面視で円形である。平面視形状が円形であるため、形状異方性を有さない。
しかしながら、第1強磁性層14の磁化18の向きはX方向及びY方向のいずれに対しても傾斜しており、X方向成分及びY方向成分を有する。従って、磁化18がスピンの向きと直交しないY方向成分を有するため、当該構成でも外部磁場を印加せずに磁化回転を実現することができる。磁化18の磁化容易方向は、形状異方性を有さない場合でも、成膜時又はアニール時に磁場を印加することで自由に設定できる。この構成に伴う効果は、スピン軌道トルク型磁化回転素子に限られず、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子でも同様である。
Here, in the spin orbit torque type magnetization rotation element shown in FIG. 12, the first ferromagnetic layer 14 is circular in a plan view from the z direction. Since the shape in plan view is circular, it does not have shape anisotropy.
However, the direction of the magnetization 18 of the first ferromagnetic layer 14 is inclined with respect to both the X direction and the Y direction, and has an X direction component and a Y direction component. Therefore, since the magnetization 18 has a Y-direction component that is not orthogonal to the direction of spin, magnetization rotation can be realized without applying an external magnetic field also in this configuration. Even in the case where the magnetization easy direction of the magnetization 18 does not have shape anisotropy, it can be freely set by applying a magnetic field during film formation or annealing. The effect accompanying this configuration is not limited to the spin orbit torque type magnetization rotation element, and the same applies to the spin orbit torque type magnetoresistive effect element.

1…スピン軌道トルク型磁化回転素子、2,102,202,302,502…スピントルク配線層、4,104,204,304,504…第1強磁性層、6,106,206,306,506…電極、108,208,308,508…第1強磁性層の磁気容易軸、110,210,310…非磁性層、112,212,312…第2強磁性層、114,314…第2強磁性層の磁化、216,316…拡散防止層、318…第3強磁性層、320…第3強磁性層の磁化、S1…第1スピン、S2…第2スピン、I…電流、Js…純スピン流 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spin track torque type magnetization rotation element, 2, 102, 202, 302, 502 ... Spin torque wiring layer, 4, 104, 204, 304, 504 ... 1st ferromagnetic layer, 6, 106, 206, 306, 506 ... Electrodes 108, 208, 308, 508 ... Magnetic easy axis of the first ferromagnetic layer 110, 210, 310 ... Nonmagnetic layer 112, 212, 312 ... Second ferromagnetic layer 114, 314 ... Second strong Magnetization of magnetic layer 216, 316: diffusion prevention layer 318: third ferromagnetic layer 320: magnetization of third ferromagnetic layer S1: first spin, S2: second spin, I: current, Js: pure Spin current

Claims (10)

X方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、
前記スピン軌道トルク配線層に、積層された第1強磁性層と、
を備え、
前記第1強磁性層は形状異方性を有し、前記X方向に長軸を有し、
前記スピン軌道トルク配線層が延在する平面において、前記第1強磁性層の磁化容易軸は、前記X方向及び、前記X方向と直交するY方向に対して傾斜している、
スピン軌道トルク型磁化回転素子。
A spin track torque wiring layer extending in the X direction,
A first ferromagnetic layer stacked on the spin track torque wiring layer;
Equipped with
The first ferromagnetic layer has shape anisotropy and has a major axis in the X direction,
The magnetization easy axis of the first ferromagnetic layer is inclined with respect to the X direction and a Y direction orthogonal to the X direction in a plane in which the spin orbit torque wiring layer extends.
Spin orbit torque type magnetization rotation element.
前記第1強磁性層が、HoCo合金、SmFe合金、FePt合金、CoPt合金又はCoCrPt合金である、請求項1に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。   The spin orbiting torque type magnetization rotation element according to claim 1, wherein the first ferromagnetic layer is a HoCo alloy, a SmFe alloy, a FePt alloy, a CoPt alloy or a CoCrPt alloy. 請求項1または2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層と反対側に配設され、磁化の向きが固定された第2強磁性層と、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間に配設された非磁性層と、
を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
A spin orbit torque type magnetization rotation element according to claim 1 or 2;
A second ferromagnetic layer disposed on the side opposite to the spin orbit torque wiring layer of the first ferromagnetic layer and having a fixed direction of magnetization;
A nonmagnetic layer disposed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
, A spin orbit torque type magnetoresistive effect element.
前記第1強磁性層と前記非磁性層との間に配設された第3強磁性層をさらに備える、請求項3に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。   The spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to claim 3, further comprising a third ferromagnetic layer disposed between the first ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer. 前記第1強磁性層が、前記第1強磁性層の前記非磁性層側の面に拡散防止層を備える、請求項3または4に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。   The spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to claim 3 or 4, wherein the first ferromagnetic layer comprises a diffusion prevention layer on a surface of the first ferromagnetic layer on the nonmagnetic layer side. 前記拡散防止層が非磁性重金属を含む、請求項5に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。   The spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to claim 5, wherein the diffusion prevention layer contains a nonmagnetic heavy metal. 前記拡散防止層が、前記拡散防止層を構成する元素のイオン半径の2倍以下の厚さを有する、請求項5または6に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。   The spin orbit torque type magnetoresistive effect element according to claim 5 or 6, wherein the diffusion preventing layer has a thickness equal to or less than twice an ion radius of an element constituting the diffusion preventing layer. 請求項1または2に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、 少なくとも前記第1強磁性層を、前記Y方向を含む方向に磁場を印加した状態で成膜する、スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。   The method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating device according to claim 1 or 2, wherein at least the first ferromagnetic layer is deposited in a state where a magnetic field is applied in a direction including the Y direction. The manufacturing method of an orbital torque type magnetization rotation element. 少なくとも前記第1強磁性層の成膜後、前記Y方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う段階を含む、請求項8に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。   9. The method according to claim 8, further comprising the step of annealing in a state where a magnetic field is applied in a direction including the Y direction after depositing at least the first ferromagnetic layer. 請求項1または2に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子を製造する方法であって、 少なくとも前記第1強磁性層の成膜後、前記Y方向を含む方向に磁場を印加した状態でアニールを行う、スピン軌道トルク型磁化回転素子の製造方法。   The method of manufacturing a spin orbiting torque type magnetization rotating device according to claim 1, wherein after forming the first ferromagnetic layer at least, annealing is performed in a state where a magnetic field is applied in a direction including the Y direction. A method of manufacturing a spin orbit torque type magnetization rotating element.
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