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WO2017159432A1 - 磁気メモリ - Google Patents

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WO2017159432A1
WO2017159432A1 PCT/JP2017/008801 JP2017008801W WO2017159432A1 WO 2017159432 A1 WO2017159432 A1 WO 2017159432A1 JP 2017008801 W JP2017008801 W JP 2017008801W WO 2017159432 A1 WO2017159432 A1 WO 2017159432A1
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WO
WIPO (PCT)
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ferromagnetic metal
wiring
metal layer
elements
orbit torque
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2017/008801
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
智生 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
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Priority to JP2018505823A priority patent/JP6833810B2/ja
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Priority to US16/598,280 priority patent/US10658573B2/en
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2016-050266 filed in Japan on March 14, 2016 and Japanese Patent Application No. 2016-182359 filed in Japan on September 16, 2016. The contents are incorporated herein.
  • Giant magnetoresistive (GMR) elements and tunnel magnetoresistive (TMR) elements are known as magnetoresistive elements.
  • the GMR element is composed of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer.
  • an insulating layer tunnel barrier layer, barrier layer
  • the element resistance of the TMR element is higher than the element resistance of the GMR element, but the magnetoresistance (MR) ratio of the TMR element is larger than the MR ratio of the GMR element.
  • Magnetoresistive elements are attracting attention as elements for magnetic sensors, high-frequency components, magnetic heads, and nonvolatile random access memories (MRAM).
  • writing is performed using a magnetic field generated by current (magnetization reversal), and writing is performed using spin transfer torque (STT) generated by flowing a current in the stacking direction of the magnetoresistive element.
  • STT spin transfer torque
  • the magnetization reversal of the TMR element using the STT is efficient from the viewpoint of energy efficiency, the reversal current density for causing the magnetization reversal may be increased.
  • the reverse current density is desirably low from the viewpoint of extending the life of the TMR element. This also applies to the GMR element. Therefore, it is desired to reduce the density of current flowing through the magnetoresistive effect element in any of the magnetoresistive effect element of the TMR element and GMR element.
  • Non-Patent Document 1 magnetization reversal using a pure spin current generated by spin-orbit interaction has been studied (for example, Non-Patent Document 1).
  • a pure spin current interacting with a spin orbit induces a spin orbit torque (SOT) and causes magnetization reversal by SOT.
  • Pure spin current is generated by the same number of upward spin electrons and downward spin electrons flowing in opposite directions. Therefore, the flow of charge is canceled out and the current is zero. That is, a magnetoresistive effect element using SOT has zero current flowing in the stacking direction of the magnetoresistive effect element, and is expected in terms of extending the life.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic memory capable of efficiently integrating magnetoresistive elements using SOT generated by spin-orbit interaction.
  • the present invention provides the following means in order to solve the above problems.
  • the magnetic memory according to the first aspect includes a first ferromagnetic metal layer having a fixed magnetization direction, a second ferromagnetic metal layer configured to change the magnetization direction, a first ferromagnetic metal layer, and a first ferromagnetic metal layer.
  • a plurality of magnetoresistive elements having a nonmagnetic layer provided between two ferromagnetic metal layers, and the first ferromagnetic metal layer of at least one of the plurality of magnetoresistive elements
  • a plurality of spins extending in a direction intersecting the stacking direction of the magnetoresistive effect elements, connected to the connected first wiring and the second ferromagnetic metal layer of each of the plurality of magnetoresistive effect elements
  • An orbital torque wiring connected to the first wiring and connected to a first connection point of each of the plurality of spin orbit torque wirings, and at least one first control element for controlling a current flowing through the magnetoresistive effect element.
  • the spin orbit Comprises at least one second control element for controlling a current flowing through the torque wire, each second connecting point of said plurality of spin-orbit torque line, and a plurality of first cell selection elements connected respectively, the.
  • the magnetoresistive element may be sandwiched between the first connection point and the second connection point when viewed from the stacking direction.
  • the spin orbit torque wiring may include a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more having d electrons or f electrons in the outermost shell.
  • a rectifying element may be provided between each of the plurality of magnetoresistive effect elements and the first control element.
  • the potential of the first control element may be higher than the potential of the second control element.
  • the sheet resistance of the nonmagnetic layer may be greater than 1000 ⁇ / ⁇ m 2 .
  • the magnetic memory according to the second aspect includes a first ferromagnetic metal layer with a fixed magnetization direction, a second ferromagnetic metal layer configured to change the magnetization direction, a first ferromagnetic metal layer, and a first ferromagnetic metal layer.
  • a magnetoresistive effect element having a nonmagnetic layer provided between two ferromagnetic metal layers; and a magnetoresistive effect element connected to the second ferromagnetic metal layer of the magnetoresistive effect element;
  • a plurality of drive elements having spin orbit torque wiring extending in a crossing direction; a plurality of first control elements connected to the first ferromagnetic metal layer of each of the plurality of drive elements; And at least one second control element connected to the first connection point of the spin orbit torque wiring of at least two of the drive elements, and the second connection of the spin orbit torque wiring of each of the plurality of drive elements Multiple connected to points Having a first cell selection element, the.
  • the magnetic memory according to the third aspect includes a first ferromagnetic metal layer having a fixed magnetization direction, a second ferromagnetic metal layer configured to change the magnetization direction, a first ferromagnetic metal layer, and a first ferromagnetic metal layer.
  • a magnetoresistive effect element having a nonmagnetic layer provided between two ferromagnetic metal layers; and a magnetoresistive effect element connected to the second ferromagnetic metal layer of the magnetoresistive effect element;
  • a plurality of drive elements having a spin orbit torque wiring extending in an intersecting direction; and at least one first connected to the first ferromagnetic metal layer of at least two of the plurality of drive elements.
  • a control element a plurality of second control elements connected to a first connection point of the spin orbit torque wiring of each of the plurality of drive elements; and a second of the spin orbit torque wiring of each of the plurality of drive elements. Connected to connection point It has a plurality of first cell selection element.
  • the magnetic memory it is possible to efficiently integrate the magnetoresistive effect element using the pure spin current that interacts with the spin orbit.
  • 1 is a circuit diagram of a magnetic memory according to a first embodiment. It is a circuit diagram of another example of the magnetic memory which concerns on another example of 1st Embodiment.
  • 1 is a schematic diagram of a circuit structure of a magnetic memory according to a first embodiment. It is a cross-sectional schematic diagram of the principal part of the magnetoresistive effect element vicinity of the magnetic memory which concerns on 1st Embodiment. It is a schematic diagram for demonstrating a spin Hall effect. It is a schematic diagram of another example of the circuit structure of the magnetic memory according to the first embodiment. It is a perspective schematic diagram of another example of the circuit structure of the magnetic memory which concerns on 1st Embodiment.
  • the magnetic memory 200 has a plurality of driving elements 100.
  • the drive element 100 includes a magnetoresistive effect element 10 and a spin orbit torque wiring 20.
  • the spin orbit torque wiring 20 is illustrated as resistors 21 and 22.
  • the magnetic memory 200 shown in FIG. 1 and the magnetic memory 201 shown in FIG. 2 both function as a magnetic memory with little current leakage during writing and reading.
  • a first control element 13, a second control element 14, and a first cell selection element 15 are connected to one driving element 100. Yes.
  • known transistors such as FETs (field-effect transistors) are used.
  • the second control element 14 is connected across at least two drive elements 100. Therefore, it is sufficient to install one second control element 14 at the end of the integrated substrate. In other words, the second control element 14 does not greatly affect the integration of the magnetic memory 200.
  • the first control element 13 is connected across at least two drive elements 100. Therefore, it is sufficient to install one first control element 13 at the end of the integrated substrate. In other words, the first control element 13 does not significantly affect the integration of the magnetic memory 201.
  • the unit cell constituted by one driving element 100 and two control elements affects the integration of the magnetic memory.
  • the two control elements are the first control element 13 and the first cell selection element 15 in the magnetic memory 200 shown in FIG. 1, and the second control element 14 and the first cell selection element in the magnetic memory 201 shown in FIG. 15.
  • each driving element 100 At least three control elements are required. However, from the viewpoint of integration, it is sufficient to consider the arrangement of unit cells composed of one drive element and two control elements.
  • FIG. 3 is a schematic view schematically showing the circuit structure of the magnetic memory according to the first embodiment.
  • the schematic diagram shown in FIG. 3 corresponds to the circuit diagram shown in FIG.
  • the magnetic memory 200 according to the first embodiment includes a magnetoresistive effect element 10, a first wiring 11, a spin orbit torque wiring 20, a first control element 13, a second control element 14, and a first cell selection element. 15.
  • FIG. 4 is an enlarged schematic cross-sectional view of a main part in the vicinity of the magnetoresistive element of the magnetic memory according to the first embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 10 includes a first ferromagnetic metal layer 1, a nonmagnetic layer 2, and a second ferromagnetic metal layer 3.
  • the nonmagnetic layer 2 is sandwiched between the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 3.
  • FIG. 4 shows the insulating portion 5, the second wiring 16, and the third wiring 17 together.
  • the insulating unit 5 insulates the first wiring 11 and the spin orbit torque wiring 20 sandwiching the magnetoresistive effect element 10.
  • the second wiring 16 is a wiring provided between the first connection point 20 ⁇ / b> A of the spin orbit torque wiring 20 and the second control element 14.
  • the third wiring 17 is a wiring provided between the second connection point 20 ⁇ / b> B of the spin orbit torque wiring 12 and the first cell selection element 15.
  • the magnetization of the first ferromagnetic metal layer 1 is fixed in one direction.
  • the magnetization direction of the second ferromagnetic metal layer 3 changes relative to the magnetization direction of the first ferromagnetic metal layer 1 to function as the magnetoresistive element 10.
  • a coercive force difference type prseudo spin valve type
  • the coercivity of the first ferromagnetic metal layer is larger than the coercivity of the second ferromagnetic metal layer.
  • an exchange bias type spin valve; spin valve type
  • the magnetization of the first ferromagnetic metal layer is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer.
  • the magnetoresistive element 10 is a tunneling magnetoresistive (TMR) element when the nonmagnetic layer 2 is made of an insulator, and a giant magnetoresistive (GMR) when the nonmagnetic layer 2 is made of metal. It is an element.
  • TMR tunneling magnetoresistive
  • GMR giant magnetoresistive
  • each layer of the magnetoresistive effect element 10 may be composed of a plurality of layers, or may be provided with other layers such as an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the first ferromagnetic metal layer 1.
  • the first ferromagnetic metal layer 1 is called a fixed layer or a reference layer
  • the second ferromagnetic metal layer 3 is called a free layer or a recording layer.
  • the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 3 are either an in-plane magnetization film whose magnetization direction is an in-plane direction parallel to the layer, or a perpendicular magnetization film whose magnetization direction is perpendicular to the layer. But you can.
  • the first ferromagnetic metal layer 1 can be made of a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, or an alloy that includes one or more of these metals and exhibits ferromagnetism. .
  • the first ferromagnetic metal layer 1 can also be an alloy containing these metals and at least one element of B, C, and N. Specific examples include Co—Fe and Co—Fe—B.
  • the Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ.
  • X is Co, Fe, Ni, or Cu group transition metal element or noble metal element on the periodic table
  • Y is Mn, V, Cr, Ti group transition metal or X element species
  • Z is , Group III to Group V typical elements. Examples thereof include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b .
  • An antiferromagnetic layer containing an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be adjacent to the first ferromagnetic metal layer 1.
  • the coercive force of the first ferromagnetic metal layer 1 on the second ferromagnetic metal layer 3 is further increased.
  • the magnetoresistive element 10 may have a synthetic ferromagnetic coupling structure.
  • the first ferromagnetic metal layer 1 may be [Co (0.24 nm) / Pt (0.16 nm)] 6 /Ru(0.9 nm) / [Pt (0.16 nm) / Co (0.16 nm)] 4 / Ta (0.2 nm) / FeB (1.0 nm).
  • the second ferromagnetic metal layer 3 can be made of a ferromagnetic material, particularly a soft magnetic material.
  • the second ferromagnetic metal layer 3 includes a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy including one or more of these metals, these metals and B, C, and N.
  • An alloy containing at least one of the above elements can be used. Specific materials that satisfy these requirements include Co—Fe, Co—Fe—B, and Ni—Fe.
  • the thickness of the second ferromagnetic metal layer 3 is preferably 2.5 nm or less.
  • Perpendicular magnetic anisotropy can be added to the second ferromagnetic metal layer 3 at the interface between the second ferromagnetic metal layer 3 and the nonmagnetic layer 2. Since the effect of perpendicular magnetic anisotropy is attenuated by increasing the thickness of the second ferromagnetic metal layer 3, the thickness of the second ferromagnetic metal layer 3 is preferably smaller.
  • a known material can be used for the nonmagnetic layer 2.
  • the nonmagnetic layer 2 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer)
  • Al 2 O 3 , SiO 2 , Mg, MgAl 2 O 4, or the like can be used as the material.
  • a material in which a part of Al, Si, Mg is substituted with Zn, Be, or the like can be used for the nonmagnetic layer 2.
  • MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, and thus can efficiently transmit spin.
  • the nonmagnetic layer 2 is made of metal, Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material thereof.
  • the magnetoresistive element 10 may have a known layer other than the first ferromagnetic metal layer 1, the nonmagnetic layer 2, and the second ferromagnetic metal layer 3. For example, you may have a cap layer etc. for improving crystal orientation and magnetic stability.
  • the first wiring 11 is provided in at least one magnetoresistance effect element 10 among the plurality of magnetoresistance effect elements 10.
  • the first wiring 11 is electrically connected to the first ferromagnetic metal layer 1 of each of the plurality of magnetoresistance effect elements 10.
  • the first wiring 11 is not particularly limited as long as it is a highly conductive material.
  • aluminum, silver, copper, gold, or the like can be used.
  • the spin orbit torque wiring 20 extends in a direction intersecting with the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10.
  • the spin orbit torque wiring 20 is provided in each of the plurality of magnetoresistive effect elements 10.
  • the spin orbit torque wiring 20 is connected to the second ferromagnetic metal layer 3 of each magnetoresistive element 10.
  • the spin orbit torque wiring 20 is electrically connected to a power source for supplying current to the spin orbit torque wiring 20 and functions as a spin injection means for injecting a pure spin current into the magnetoresistive effect element 10 together with the power source.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be directly connected to the second ferromagnetic metal layer 3 or may be connected via another layer.
  • the spin orbit torque wiring 20 includes a material that generates a pure spin current by a spin Hall effect when a current flows.
  • the spin orbit torque wiring 20 only needs to have a configuration capable of generating a pure spin current in the spin orbit torque wiring 20. Accordingly, the present invention is not limited to the case of being composed of a single element, and may include a portion composed of a material that generates a pure spin current and a portion composed of a material that does not generate a pure spin current.
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is passed through the material.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect. Based on FIG. 5, the mechanism by which a pure spin current is produced by the spin Hall effect will be described.
  • the number of electrons of the upward spin S + is equal to the number of electrons of the downward spin S ⁇ .
  • the number of electrons of the upward spin S + going upward is equal to the number of electrons of the downward spin S ⁇ going downward. Therefore, the current as a net flow of charge is zero.
  • This spin current without current is particularly called a pure spin current.
  • the material of the spin orbit torque wiring 20 does not include a material made only of a ferromagnetic material.
  • J S J ⁇ ⁇ J ⁇
  • J S J ⁇ ⁇ J ⁇
  • J S J ⁇ ⁇ J ⁇
  • the pure spin current diffuses into the ferromagnetic material. That is, when a current is passed through the spin orbit torque wiring 20 to generate a pure spin current, the spin is diffused to the second ferromagnetic metal layer 3 in contact with the spin orbit torque wiring 20 by the pure spin current.
  • the spin is injected into the second ferromagnetic metal layer 3 by the pure spin current, the magnetization reversal of the second ferromagnetic metal layer, which is the free layer, occurs due to the spin orbit torque (SOT) effect.
  • SOT spin orbit torque
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a nonmagnetic heavy metal.
  • the heavy metal is used to mean a metal having a specific gravity equal to or higher than yttrium.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be made of only nonmagnetic heavy metal.
  • 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.
  • the nonmagnetic heavy metal includes a metal or an alloy containing one or more metal atoms selected from the group consisting of tungsten, rhenium, osmium, and iridium.
  • nonmagnetic heavy metals have a large spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect. Normally, when a current is passed through a metal, all electrons move in the opposite direction of the current regardless of the spin direction. In contrast, a nonmagnetic metal having a d-number or f-electron in the outermost shell and a large atomic number has a large spin-orbit interaction, so the direction of electron movement depends on the direction of the spin of electrons due to the spin Hall effect. , Pure spin current JS is likely to occur.
  • Tungsten, rhenium, osmium and iridium have 5d electrons in the outermost shell, and have a large orbital angular momentum when the five orbits of the d orbit are degenerated. Therefore, these materials increase the spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect, and can efficiently generate a spin current.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a magnetic metal.
  • the magnetic metal refers to a ferromagnetic metal or an antiferromagnetic metal. When a small amount of magnetic metal is contained in the nonmagnetic metal, the spin orbit interaction is enhanced, and the spin current generation efficiency for the current flowing through the spin orbit torque wiring 20 can be increased.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be made of only an antiferromagnetic metal.
  • the spin orbit interaction is caused by an intrinsic internal field generated by the material of the spin orbit torque wiring material. Therefore, a pure spin current is generated even with a nonmagnetic material.
  • the molar ratio of the magnetic metal added is sufficiently smaller than the molar ratio of the main component of the pure spin generation part in the spin orbit torque wiring 20.
  • the molar ratio of the magnetic metal added is preferably 3% or less of the molar ratio of the main component of the pure spin generation part.
  • the spin orbit torque wiring 20 may include a topological insulator.
  • the spin orbit torque wiring 20 may be composed only of a topological insulator.
  • a topological insulator is a substance in which the inside of a substance is an insulator or a high resistance substance, but a spin-polarized metal state is generated on the surface thereof. Substances have something like an internal magnetic field called spin-orbit interaction.
  • a topological insulator is a material that develops a new topological phase due to the effect of spin-orbit interaction without an external magnetic field.
  • a topological insulator can generate a pure spin current with high efficiency by strong spin-orbit interaction and breaking inversion symmetry at the edge.
  • topological insulator for example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3 , TlBiSe 2 , Bi 2 Te 3 , (Bi 1 ⁇ x Sb x ) 2 Te 3 and the like are preferable. These topological insulators can generate a spin current with high efficiency.
  • the first control element 13 is connected to the first wiring 11.
  • the first control element 13 is connected to an external power supply (not shown) and controls the current flowing through the first wiring 11.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of another example of the circuit structure of the magnetic memory 202 according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of another example of the circuit structure of the magnetic memory 202 according to the first embodiment. 6 corresponds to a cross section taken along the first wiring 11 in FIG.
  • the first control element 13 in the magnetic memory 202 controls whether a current is applied to any row of the plurality of magnetoresistive effect elements 10 arranged in a matrix. Therefore, when a current is applied to the first control element 13, the current reaches the plurality of magnetoresistive effect elements 10 via the first wiring 11. Which of the magnetoresistive effect elements 10 is supplied with the current will be described later. It can be controlled by one cell selection element 15.
  • the correct current flow is that the current applied from the second control element 14 flows to the first cell selection element 15. However, part of the current may flow to the adjacent magnetoresistive effect element 10 via the magnetoresistive effect element 10 and the first wiring 11. In this case, this current causes noise for the magnetoresistive element 10.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a circuit structure of the magnetic memory 203 provided with the rectifying element 30. As shown in FIG. 8, when the rectifying element 30 is provided between each magnetoresistive effect element 10 and the first control element 13, the direction in which the current flows can be limited. By controlling the direction in which the current flows, the generation of leakage current can be suppressed and the generation of noise can be reduced.
  • the rectifying element 30 a known diode can be used. If the rectifying element 30 is disposed between the magnetoresistive effect element 10 and the first control element 13, the rectifying element 30 is disposed between the first wiring 11 and the magnetoresistive effect element 10 shown in FIG. Not limited to.
  • the rectifying element 30 may be provided in the middle of the first wiring 11.
  • the potential of the first control element 13 may be made higher than the potential of the second control element 14.
  • the first control element 13 controls the current flowing in the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10, and the second control element 14 controls the current flowing in the extending direction of the spin orbit torque wiring 20.
  • the operations of the first control element 13 and the second control element 14 are independent, and can be freely set as long as their respective potentials are higher than those of the first cell selection element 15.
  • the potential of the first control element 13 is made higher than the potential of the second control element 14, the direction in which current can flow is defined in one direction, and the same effect as when the rectifying element 30 is provided can be obtained.
  • the second control element 14 is connected to the first connection point 20 ⁇ / b> A of each of the plurality of spin orbit torque wirings 20 via the second wirings 16.
  • the second control element 14 is connected to an external power supply (not shown) and controls the current flowing through the spin orbit torque wiring 20.
  • the second control element 14 controls which column of the plurality of magnetoresistive effect elements 10 arranged in a matrix is applied with current. It is not always necessary to provide a plurality of second control elements 14 like the first control element 13.
  • the second wirings 16 may be connected to each other and only one second control element 14 may be provided. Also in this case, to which spin orbit torque wiring 12 the current is applied can be controlled by the first cell selection element 15 described later.
  • the second wiring 16 extending from one second control element 14 branches in the middle and is connected to each spin orbit torque wiring 20. That is, the number of the second control elements 14 can be reduced with respect to the number of the magnetoresistive effect elements 10, and the integration of the magnetic memory can be improved.
  • the first cell selection element 15 is connected to the second connection point 12B of each of the plurality of spin orbit torque wirings 20 via the third wiring 17.
  • One first cell selection element 15 is provided for one magnetoresistance effect element 10.
  • the first cell selection element 15 controls which magnetoresistive effect element 10 is supplied with the write current and the read current.
  • the first cell selection element 15 is grounded.
  • first control element 13 the second control element 14, and the first cell selection element 15
  • known switching elements can be used.
  • a transistor element typified by a field effect transistor or the like can be used.
  • the second wiring 16 and the third wiring 17 can be made of a material used as a normal wiring.
  • a material used as a normal wiring For example, aluminum, silver, copper, gold, or the like can be used.
  • the first connection point 20 ⁇ / b> A and the second connection point 20 ⁇ / b> B are preferably provided at positions sandwiching the magnetoresistive effect element 10 as viewed from the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10.
  • the magnetoresistive element 10 is sandwiched between the first connection point 20A and the second connection point 20B when viewed from the stacking direction.
  • the current supplied from the second wiring 16 flows to the spin orbit torque wiring 20 through the first connection point 20A.
  • the current flowing through the spin orbit torque wiring 20 flows to the third wiring 17 through the second connection point 20B. That is, the main direction of the current flowing through the spin orbit torque wiring 20 is a direction from the first connection point 20A to the second connection point 20B.
  • the magnetoresistive effect element 10 is disposed between the first connection point 20A and the second connection point 20B, the magnetoresistive effect element 10 exists at a position orthogonal to the main direction of the current, and the spin is caused by the pure spin current. Can be efficiently supplied to the magnetoresistive element 10.
  • the first method is a method of performing writing (magnetization reversal) using only the spin orbit torque (SOT) induced by a pure spin current.
  • the second method is a method of assisting writing by the spin transfer torque (STT) or the voltage applied to the magnetoresistive effect element 10 by the spin orbit torque (SOT).
  • writing is controlled by the second control element 14 and the first cell selection element 15.
  • the second control element 14 is opened (connected), and the first cell selection element 15 to be opened is selected.
  • the second control element 14 is connected to an external power source, and the first cell selection element 15 is grounded. Therefore, a first current path that flows in the order of the second control element 14, the second wiring 16, the spin orbit torque wiring 20, the third wiring 17, and the selected first cell selection element 15 is formed.
  • the current flowing in the spin orbit torque wiring 20 induces a spin current.
  • the spin current induced in the spin orbit torque wiring 20 soaks into the second ferromagnetic metal layer 3 (see FIG. 4) and gives spin orbit torque (SOT) to the spins in the second ferromagnetic metal layer 3.
  • SOT spin orbit torque
  • the magnetization direction of the second ferromagnetic metal layer 3 of the magnetoresistive effect element 10 (hereinafter also referred to as “selected cell”) for writing data is reversed.
  • the write operation of the selected cell is performed.
  • writing is controlled by the first control element 13, the second control element 14, and the first cell selection element 15.
  • the first control element 13 and the second control element 14 are opened (connected), and the first cell selection element 15 to be opened is selected.
  • the first control element 13 and the second control element 14 are connected to an external power source, and the first cell selection element 15 is grounded. Therefore, two current paths are formed.
  • the first current path is a path that flows in the order of the second control element 14, the second wiring 16, the spin orbit torque wiring 20, the third wiring 17, and the selected first cell selection element 15. It is.
  • the second current path is a path that flows in the order of the first control element 13, the first wiring 11, the magnetoresistive effect element 10, the spin orbit torque wiring 20, the third wiring 17, and the selected first cell selection element 15. .
  • the current flowing in the first current path induces spin orbit torque (SOT). Since the current flowing in the second current path flows in the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10, a spin transfer torque (STT) is induced. As a result, the magnetization direction of the second ferromagnetic metal layer 3 of the selected cell is reversed upon receiving the spin orbit torque and the spin transfer torque. That is, the write operation of the selected cell is performed by STT and SOT.
  • SOT spin orbit torque
  • STT spin transfer torque
  • the resistance of the magnetoresistive effect element 10 when the resistance of the magnetoresistive effect element 10 is high, the amount of current flowing through the second current path is reduced.
  • the area resistance of the nonmagnetic layer 2 constituting the magnetoresistive element 10 when the area resistance of the nonmagnetic layer 2 constituting the magnetoresistive element 10 is larger than 1000 ⁇ / ⁇ m 2 , the amount of current flowing through the second current path is very small. Even in this case, there is a potential difference in the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10, and a voltage is applied to the magnetoresistive effect element 10. It is said that the magnetization reversal is also caused by a voltage difference, and a voltage difference applied to the magnetoresistive effect element 10 may be used.
  • the read operation is performed by passing a current through the second current path described above.
  • the flowing current is a current that does not reverse the magnetization direction of the second ferromagnetic metal layer 3.
  • the resistance value of the magnetoresistive effect element is different between the selected cell in which writing is performed and the non-selected cell in which writing is not performed.
  • the magnetization direction of the magnetoresistive element 10 is different between the case where the magnetization directions of the first ferromagnetic metal layer 1 and the second ferromagnetic metal layer 3 are opposite (antiparallel) and the same direction (parallel). This is because the resistance values are different.
  • a read operation is performed by reading the difference in resistance value of each magnetoresistive effect element 10 as a potential difference between the first control element 13 and each first cell selection element 15.
  • the magnetic memory according to the present embodiment can be manufactured using a known method. Hereinafter, a method for manufacturing a magnetic memory will be described.
  • the substrate is preferably excellent in flatness.
  • Si, AlTiC, or the like can be used as a material.
  • the first wiring 11 is patterned on the substrate.
  • the patterning is performed by means such as photolithography, for example.
  • the first ferromagnetic metal layer 1, the nonmagnetic layer 2, and the second ferromagnetic metal layer 3 are sequentially laminated.
  • An underlayer may be provided between the substrate and the first ferromagnetic metal layer. The underlayer can control crystallinity such as crystal orientation and crystal grain size of each layer including the first ferromagnetic metal layer 1 laminated on the substrate.
  • the tunnel barrier layer is formed by, for example, sputtering aluminum on a first ferromagnetic metal layer 1 of about 0.4 to 2.0 nm and divalent cations of a plurality of nonmagnetic elements.
  • the metal thin film can be formed by oxidizing by plasma oxidation or oxygen introduction and further applying heat treatment.
  • a thin film forming method such as a vapor deposition method, a laser ablation method, or an MBE method can be used.
  • a protective film such as a resist is provided on a portion where the magnetoresistive effect element 10 is to be manufactured, and unnecessary portions are removed using an ion milling method or a reactive ion etching (RIE) method. After the removed unnecessary portion is filled with an insulating portion 5 such as a resist, the upper surface is flattened. By flattening, spin scattering at the interface between the spin orbit torque wiring 20 and the magnetoresistive effect element 10 to be formed next can be suppressed.
  • RIE reactive ion etching
  • a material constituting the spin orbit torque wiring 20 is formed on the flattened upper surface of the magnetoresistive effect element 10.
  • sputtering or the like can be used.
  • the second wiring 16 and the third wiring 17 are produced only at desired portions by patterning or the like.
  • a switching element such as a transistor is manufactured by a known method.
  • the substrate to be manufactured is a semiconductor such as silicon
  • the first control element 13, the second control element 14, and the first cell selection element 15 can be manufactured on the same substrate.
  • the number of the first control element 13, the second control element 14, and the first cell selection element 15 for selecting the magnetoresistive effect element 10 can be reduced. That is, it is possible to efficiently integrate magnetoresistive elements using pure spin currents that interact with spin orbits.
  • the magnetoresistive effect element 10 is not limited to the top pin structure, and may be a bottom pin structure in which the first ferromagnetic metal layer 1 that is a fixed layer comes to the substrate side.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the circuit structure of the magnetic memory according to the second embodiment
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of the circuit structure of the magnetic memory according to the second embodiment
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the main part in the vicinity of the magnetoresistive effect element of the magnetic memory according to the second embodiment.
  • symbol is attached
  • the magnetic memory 204 according to the second embodiment is different from the magnetic memory 200 according to the first embodiment in that the fourth memory 40 and the second cell selection element 41 are provided.
  • the fourth wiring 40 connects each magnetoresistance effect element 10 and the second cell selection element 41.
  • One end of the magnetoresistive effect element 10 of the fourth wiring 40 is connected to the third connection point 20C.
  • the third connection point 20C is provided at a position overlapping the magnetoresistive effect element 10 when viewed in plan from the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10 (see FIG. 11).
  • the third connection point 20 ⁇ / b> C is provided on the surface opposite to the magnetoresistive effect element 10 of the spin orbit torque wiring 20.
  • the fourth wiring 40 can be made of a material used as a normal wiring, like the second wiring 16 and the third wiring 17.
  • the second cell selection element 41 a known switching element can be used.
  • a transistor element typified by a field effect transistor or the like can be used.
  • the magnetic memory 204 according to the second embodiment has a different path during a read operation.
  • the write operation is performed in the same manner as the magnetic memory 200 according to the first embodiment.
  • the reading of the magnetic memory 204 according to the second embodiment is the following third current path.
  • the third current path is a path that flows in the order of the first control element 13, the first wiring 11, the magnetoresistive effect element 10, the spin orbit torque wiring 20, the fourth wiring 40, and the second cell selection element 41.
  • the third current path is different from the second current path, which is the read path in the magnetic memory 200 according to the first embodiment, in the direction of the current flowing through the spin orbit torque wiring 20.
  • a current flows between the magnetoresistive effect element 10 and the third wiring 17 along the extending direction of the spin orbit torque wiring 20.
  • a current flows in a direction intersecting with the extending direction of the spin orbit torque wiring 20. This is because the magnetoresistive effect element 10 and the fourth wiring 40 are provided at positions overlapping the stacking direction of the magnetoresistive effect element 10.
  • the spin orbit torque wiring 20 has a higher resistivity than a normal wiring such as the fourth wiring 40.
  • the wiring resistance of the spin orbit torque wiring 20 is a factor of the circuit resistance of the entire magnetic memory 200.
  • the magnetic memory 204 reads data according to the difference in magnetoresistance ratio of the magnetoresistive effect element 10, the reliability of data is improved.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the circuit structure of the magnetic memory according to the third embodiment
  • FIG. 13 is a schematic perspective view of the circuit structure of the magnetic memory according to the third embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • the magnetic memory 205 according to the third embodiment is different from the magnetic memory 200 according to the first embodiment in that it includes a data erasing element 50 and a fifth wiring 51.
  • the data erasing element 50 is connected to each of the third wirings 17 connected to each spin orbit torque wiring 20.
  • the data erasing element 50 is connected to the second connection point 20 ⁇ / b> B of the spin orbit torque wiring 20 through the fifth wiring 51 and the third wirings 17.
  • a known switching element can be used as the data erasing element 50.
  • a transistor element typified by a field effect transistor or the like can be used.
  • the fifth wiring 51 can be made of a material used as a normal wiring, like the second wiring 16 and the third wiring 17.
  • the write operation and read operation of the magnetic memory 205 according to the third embodiment are the same as those of the magnetic memory 200 according to the first embodiment.
  • the magnetic memory 205 is capable of erasing data.
  • the erase operation is performed by the second control element 14 and the data erasing element 50.
  • the second control element 14 and the data erasing element 50 are opened, the following fourth current path is formed.
  • the fourth current path is a path that flows in the order of the second control element 14, the second wiring 16, the spin orbit torque wiring 20, the third wiring 17, the fifth wiring 51, and the data erasing element 50.
  • the potential of the data erasing element 50 is preferably lower than the potential of the second control element 14 so that an inappropriate current path for generating noise is not formed.
  • a magnetic memory has a feature that it can hold data. Therefore, it is important to reliably rewrite each data, and it is rare to control the data collectively. On the other hand, when discarding a data medium, there is a strong need to control (erase) data collectively.
  • the magnetic memory 205 can perform batch control of data.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a circuit structure of a magnetic memory according to the fourth embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • the magnetic memory 206 according to the fourth embodiment is different from the magnetic memory 202 according to the first embodiment in having a magnetic field applying unit.
  • the wiring 60 is disposed on the ferromagnetic metal layer 10 as an external magnetic field applying means.
  • the extending direction of the wiring 60 is not limited to the direction of FIG. 14 and may intersect the extending direction of the wiring 60 shown in FIG.
  • a magnetic field around the wiring 60 is generated.
  • This magnetic field is an external magnetic field for the magnetoresistive element 10.
  • the second ferromagnetic metal layer 3 of the magnetoresistive element 10 is affected by an external magnetic field.
  • the wiring 60 is formed at a height position different from that of the driving element including the magnetoresistive effect element 10 and the like as shown in FIG. Therefore, the wiring 60 does not deteriorate the magnetic memory integration.
  • the wiring 60 only needs to be made of a highly conductive material. For example, aluminum, silver, copper, gold, or the like can be used.
  • the external magnetic field applying means is not limited to the wiring 60 as shown in FIG.
  • a magnetic field generator using a coil or the like may be used.

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Abstract

この磁気メモリは、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化するように構成された第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層の間に設けられた非磁性層とを有する複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性金属層に接続された第１配線と、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれの前記第２強磁性金属層に接続され、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在する複数のスピン軌道トルク配線と、前記第１配線に接続された少なくとも一つの第１制御素子と、前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第１接続点に接続された少なくとも一つの第２制御素子と、前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第２接続点に、それぞれ接続された複数の第１セル選択素子と、を備える。

Description

磁気メモリ
　本発明は、磁気メモリに関する。
本願は、２０１６年３月１４日に、日本に出願された特願２０１６－０５０２６６、及び２０１６年９月１６日に、日本に出願された特願２０１６－１８２３５９に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　磁気抵抗効果素子として巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子とトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。ＧＭＲ素子は、強磁性層と非磁性層の多層膜により構成されている。ＴＭＲ素子は、非磁性層として絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）が用いられている。一般に、ＴＭＲ素子の素子抵抗はＧＭＲ素子の素子抵抗より高いが、ＴＭＲ素子の磁気抵抗（ＭＲ）比はＧＭＲ素子のＭＲ比より大きい。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）用の素子として注目されている。
　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を行う（磁化反転する）方式、磁気抵抗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を行う（磁化反転する）方式等が知られている。磁場を利用して書き込みを行う方式は、細い配線に流すことができる電流に限界があり、素子サイズが小さくなると書き込みができなくなる恐れがある。
　これに対して、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用する方式は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を印加する。一方の強磁性層（固定層、参照層）でスピン分極した電流は、もう一方の強磁性層（自由層、記録層）に移行される。この移行により、もう一方の強磁性層（自由層、記録層）の磁化にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）が与えられ、書き込み（磁化反転）が行われる。したがって、素子サイズが小さくなるほど書き込みに必要な電流が小さくなり、集積化し易いという利点がある。
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、ＳＴＴを用いたＴＭＲ素子の磁化反転は、エネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるための反転電流密度が高くなる恐れがある。この反転電流密度は、ＴＭＲ素子の長寿命化の観点から低いことが望ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
　従って、ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子のいずれの磁気抵抗効果素子においても、この磁気抵抗効果素子に流れる電流密度を低減することが望まれている。
　近年、スピン軌道相互作用して生成された純スピン流を利用した磁化反転も検討されている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用した純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴにより磁化反転を起こす。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。そのため、電荷の流れは相殺されており、電流としてはゼロである。つまり、ＳＯＴを用いた磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の積層方向に流れる電流がゼロであり、長寿命化の面で期待されている。
　しかしながら、スピン軌道相互作用により生じたＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子は、実際の用途を考慮した応用についての検討が始まったばかりである。そのため、磁気メモリとしてＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子を、実際に生産する場合、どのように集積するのが適切であるか等の様々な課題が考えられる。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン軌道相互作用により生じたＳＯＴを利用した磁気抵抗効果素子を効率的に集積できる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。
第１の態様に係る磁気メモリは、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化するように構成された第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層の間に設けられた非磁性層とを有する複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性金属層に接続された第１配線と、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれの前記第２強磁性金属層に接続され、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在する複数のスピン軌道トルク配線と、前記第１配線に接続され、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流を制御する少なくとも一つの第１制御素子と、前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第１接続点に接続され、前記スピン軌道トルク配線に流れる電流を制御する少なくとも一つの第２制御素子と、前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第２接続点に、それぞれ接続された複数の第１セル選択素子と、を備える。
前記磁気抵抗効果素子は、前記積層方向から見て、前記第１接続点と前記第２接続点に挟まれていてもよい。
前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第３接続点に接続された複数の第２セル選択素子をさらに有し、前記第３接続点は、前記積層方向から見て、前記磁気抵抗効果素子と重なる位置に設けられていてもよい。
前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第２接続点に接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれの第２強磁性金属層の磁化の向きを一括で制御するデータ消去用素子をさらに備えてもよい。
前記スピン軌道トルク配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属を含んでもよい。
前記第１配線が複数の磁気抵抗効果素子に接続される場合において、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれと前記第１制御素子との間に整流素子が設けられていてもよい。
前記第１制御素子の電位が前記第２制御素子の電位よりも高い構成でもよい。
前記非磁性層の面積抵抗が１０００Ω／μｍ２よりも大きくてもよい。
第２の態様にかかる磁気メモリは、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化するように構成された第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層の間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層に接続され、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を有する複数の駆動素子と、前記複数の駆動素子のそれぞれの前記第１強磁性金属層に接続された複数の第１制御素子と、前記複数の駆動素子のうち少なくとも二つの駆動素子のスピン軌道トルク配線の第１接続点に接続された少なくとも一つの第２制御素子と、前記複数の駆動素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線の第２接続点に接続された複数の第１セル選択素子と、を有する。
第３の態様にかかる磁気メモリは、磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化するように構成された第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層の間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層に接続され、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を有する複数の駆動素子と、前記複数の駆動素子のうち少なくとも二つの駆動素子の前記第１強磁性金属層に接続された少なくとも一つの第１制御素子と、前記複数の駆動素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線の第１接続点に接続された複数の第２制御素子と、前記複数の駆動素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線の第２接続点に接続された複数の第１セル選択素子と、を有する。
　上記態様にかかる磁気メモリによれば、スピン軌道相互作用した純スピン流を利用した磁気抵抗効果素子を効率的に集積できる。
第１実施形態に係る磁気メモリの回路図である。 第１実施形態の別の例に係る磁気メモリの別の例の回路図である。 第１実施形態に係る磁気メモリの回路構造の模式図である。 第１実施形態に係る磁気メモリの磁気抵抗効果素子近傍の要部の断面模式図である。 スピンホール効果について説明するための模式図である。 第１実施形態に係る磁気メモリの回路構造の別の例の模式図である。 第１実施形態に係る磁気メモリの回路構造の別の例の斜視模式図である。 整流素子が設けられた磁気メモリの回路構造の模式図である。 第２実施形態に係る磁気メモリの回路構造の模式図である。 第２実施形態に係る磁気メモリの回路構造の斜視模式図である。 第２実施形態に係る磁気メモリの磁気抵抗効果素子近傍の要部の断面模式図である。 第３実施形態に係る磁気メモリの回路構造の模式図である。 第３実施形態に係る磁気メモリの回路構造の斜視模式図である。 第４実施形態に係る磁気メモリの回路構造の斜視模式図である。
　以下、本発明の実施形態について、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、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。
（第１実施形態）
＜磁気メモリ（回路図）＞
　図１及び図２は、本実施形態にかかる磁気メモリの回路図である。磁気メモリ２００は、複数の駆動素子１００を有する。駆動素子１００は、磁気抵抗効果素子１０とスピン軌道トルク配線２０とを有する。図１及び図２の回路では、スピン軌道トルク配線２０を抵抗２１、２２として図示している。図１に示す磁気メモリ２００及び図２に示す磁気メモリ２０１はいずれも、書込み時及び読込み時の電流リークは僅かであり、磁気メモリとして機能する。
　図１に示す磁気メモリ２００及び図２に示す磁気メモリ２０１において、一つの駆動素子１００には、第１制御素子１３と、第２制御素子１４と、第１セル選択素子１５とが接続されている。これらの制御素子には、ＦＥＴ（field-effect transistor）等の公知のトランジスタ等が用いられる。
第１制御素子１３と第１セル選択素子１５とを動作させる（「ＯＮ」状態にする）と、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に電流を流すことができ、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化を読出すことができる。また第２制御素子１４と第１セル選択素子１５とを動作させる（「ＯＮ」状態にする）と、スピン軌道トルク配線２０に電流を流すことができ、磁気抵抗効果素子１０の磁化反転（書込み）を行うことができる。
　図１に示す磁気メモリ２００において、第２制御素子１４は、少なくとも二つの駆動素子１００に渡って接続されている。そのため、第２制御素子１４は、集積基板の端部等に一つ設置すれば足りる。換言すると、第２制御素子１４は、磁気メモリ２００の集積性に大きな影響を及ぼさない。
　同様に、図２に示す磁気メモリ２０１では、第１制御素子１３は、少なくとも二つの駆動素子１００に渡って接続されている。そのため、第１制御素子１３は、集積基板の端部等に一つ設置すれば足りる。換言すると、第１制御素子１３は、磁気メモリ２０１の集積性に大きな影響を及ぼさない。
いずれの場合においても、一つの駆動素子１００と二つの制御素子とによって構成される単位セルが、磁気メモリの集積性に影響を与える。二つの制御素子は、図１に示す磁気メモリ２００では、第１制御素子１３と第１セル選択素子１５であり、図２に示す磁気メモリ２０１では、第２制御素子１４と第１セル選択素子１５である。
各駆動素子１００を駆動するためには、最低３つの制御素子が必要である。しかしながら、集積度の観点では、一つの駆動素子と二つの制御素子によって構成される単位セルの配置を考慮すれば十分である。
（回路構造）
　図３は、第１実施形態に係る磁気メモリの回路構造を模式的に示した模式図である。図３に示す模式図は、図１に示す回路図に対応する。
　第１実施形態に係る磁気メモリ２００は、磁気抵抗効果素子１０と、第１配線１１と、スピン軌道トルク配線２０と、第１制御素子１３と、第２制御素子１４と、第１セル選択素子１５とを有する。
＜磁気抵抗効果素子＞
　図４は、第１実施形態に係る磁気メモリの磁気抵抗効果素子近傍の要部を拡大した断面模式図である。
　図４に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１と、非磁性層２と、第２強磁性金属層３とを有する。非磁性層２は、第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層３に挟持されている。
　図４には、絶縁部５と、第２配線１６と、第３配線１７と、を合せて図示する。絶縁部５は、磁気抵抗効果素子１０を挟む第１配線１１とスピン軌道トルク配線２０との間を絶縁する。第２配線１６は、スピン軌道トルク配線２０の第１接続点２０Ａと、第２制御素子１４との間に設けられた配線である。第３配線１７は、スピン軌道トルク配線１２の第２接続点２０Ｂと、第１セル選択素子１５との間に設けられた配線である。
　第１強磁性金属層１の磁化は一方向に固定されている。第１強磁性金属層１の磁化の向きに対して、第２強磁性金属層３の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子１０として機能する。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、第１強磁性金属層の保磁力は第２強磁性金属層の保磁力よりも大きい。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、第１強磁性金属層の磁化は反強磁性層との交換結合によって固定される。
　磁気抵抗効果素子１０は、非磁性層２が絶縁体からなる場合、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子であり、非磁性層２が金属からなる場合、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。
　磁気抵抗効果素子１０には、公知の磁気抵抗効果素子の構成を用いることができる。例えば、磁気抵抗効果素子１０の各層は複数の層からなるものでもよいし、第１強磁性金属層１の磁化方向を固定するための反強磁性層等のような他の層を備えてもよい。
　第１強磁性金属層１は固定層や参照層、第２強磁性金属層３は自由層や記録層などと呼ばれる。
　第１強磁性金属層１及び第２強磁性金属層３は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜のいずれでもよい。
　第１強磁性金属層１には、公知の材料を用いることができる。例えば、第１強磁性金属層１には、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、または、これらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。また第１強磁性金属層１には、これらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ－ＦｅやＣｏ－Ｆｅ－Ｂが挙げられる。
　より高い出力を得るためには、第１強磁性金属層１にＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。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。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１－ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂなどが挙げられる。
　第１強磁性金属層１にＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を含む反強磁性層を隣接させてもよい。第１強磁性金属層１の第２強磁性金属層３に対する保磁力がより大きくなる。第１強磁性金属層１の漏れ磁場を第２強磁性金属層３に影響させないようにするため、磁気抵抗効果素子１０をシンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
　第１強磁性金属層１の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。例えば、第１強磁性金属層１を［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とする。
　第２強磁性金属層３には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、第２強磁性金属層３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。これらを満たす具体的な材料として、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅが挙げられる。
　第２強磁性金属層３の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第２強磁性金属層３の厚みを２．５ｎｍ以下とすることが好ましい。第２強磁性金属層３と非磁性層２の界面で、第２強磁性金属層３に垂直磁気異方性を付加することができる。垂直磁気異方性は第２強磁性金属層３の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第２強磁性金属層３の膜厚は薄い方が好ましい。
　非磁性層２には、公知の材料を用いることができる。
　例えば、非磁性層２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Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｍｇ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等を非磁性層２に用いることができる。これらの材料の中でもＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４は、コヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく透過できる。
　非磁性層２が金属からなる場合、その材料としてＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
　磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性金属層１、非磁性層２及び第２強磁性金属層３以外の公知の層を有してもよい。例えば、結晶配向性や磁性の安定性を高めるためのキャップ層等を有していてもよい。
＜第１配線＞
　第１配線１１は、複数の磁気抵抗効果素子１０のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子１０に設けられている。第１配線１１は、複数の磁気抵抗効果素子１０のそれぞれの第１強磁性金属層１と電気的に接続されている。
　第１配線１１は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
＜スピン軌道トルク配線＞
　スピン軌道トルク配線２０は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に対して交差する方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、複数の磁気抵抗効果素子１０のそれぞれに設けられている。スピン軌道トルク配線２０は、それぞれの磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層３に接続されている。
　スピン軌道トルク配線２０は、スピン軌道トルク配線２０に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、磁気抵抗効果素子１０に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。
　スピン軌道トルク配線２０は、第２強磁性金属層３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。
　スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料を含む。スピン軌道トルク配線２０は、スピン軌道トルク配線２０中に純スピン流を生成できる構成を有しているものであれば足りる。従って、単体の元素により構成されている場合に限られず、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とを有してもよい。
　スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
　図５は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図５に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。
　図５に示すように、スピン軌道トルク配線２０の延在方向に電流Ｉを流すと、上向きスピンＳ＋と下向きスピンＳ－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。
　非磁性体（強磁性体ではない材料）では上向きスピンＳ＋の電子数と下向きスピンＳ－の電子数とが等しい。図中では、上方向に向かう上向きスピンＳ＋の電子数と下方向に向かう下向きスピンＳ－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。
　これに対して、強磁性体中に電流を流した場合にも上向きスピン電子と下向きスピン電子が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。しかしながら、強磁性体中では上向きスピン電子と下向きスピン電子のいずれかが多い状態である。そのため、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）。従って、スピン軌道トルク配線２０の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
　上向きスピンＳ＋の電子の流れをＪ↑、下向きスピンＳ－の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑－Ｊ↓で定義される。図５においては、純スピン流としてＪＳが図中の上方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
　図５において、スピン軌道トルク配線２０に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む。つまり、スピン軌道トルク配線２０に電流を流して純スピン流を生成すると、その純スピン流によりスピンはスピン軌道トルク配線２０と接する第２強磁性金属層３に拡散する。純スピン流によりスピンが第２強磁性金属層３に注入されることで、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果で自由層である第２強磁性金属層の磁化反転が生じる。
　スピン軌道トルク配線２０は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線２０は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
　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。例えば、非磁性の重金属として、タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムからなる群から選択される１以上の金属原子を含む金属又は合金が挙げられる。
　これらの非磁性金属の重金属は、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。通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対して、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属は、スピン軌道相互作用が大きいため、電子の動く方向がスピンホール効果によって電子のスピンの向きに依存し、純スピン流ＪＳが発生しやすい。
　タングステン、レニウム、オスミウム及びイリジウムは、最外殻に５ｄの電子を持ち、ｄ軌道の５つの軌道が縮退している場合、大きな軌道角運動量を持つ。そのため、これらの材料は、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くなり、効率的にスピン流を発生できる。
　スピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線２０に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできる。スピン軌道トルク配線２０は、反強磁性金属だけからなってもよい。
　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が生み出す固有の内場によって生じる。そのため、非磁性材料でも純スピン流は生じる。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し、スピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する。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２０における純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は純スピン生成部の主成分のモル比の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。スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体は、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。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物質がトポロジカル絶縁体である。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で生成することができる。
　トポロジカル絶縁体として、例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（Ｂｉ１－ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率でスピン流を生成することが可能である。
＜第１制御素子、第２制御素子、第１セル選択素子＞
　図３及び図４に示すように、第１制御素子１３は、第１配線１１に接続されている。第１制御素子１３は、図示略の外部電源に接続され、第１配線１１に流す電流を制御する。
第１制御素子１３は、必ずしも複数設ける必要はなく、第１配線１１同士を互いに接続し、一つの第１制御素子１３のみを設けてもよい。図６は、第１実施形態に係る磁気メモリ２０２の回路構造の別の例の模式図である。図7は第１実施形態に係る磁気メモリ２０２の回路構造の別の例の斜視模式図である。図６は、図７における第１配線１１に沿って切断した断面に対応する。
図7に示すように、磁気メモリ２０２における第１制御素子１３は、行列状に配置された複数の磁気抵抗効果素子１０のいずれかの行に電流を印加するかを制御する。そのため、第１制御素子１３に電流を印加すると、第１配線１１を介して複数の磁気抵抗効果素子１０に電流が至るが、何れの磁気抵抗効果素子１０に電流を流すかは、後述する第１セル選択素子１５で制御可能である。
一方で、第１配線１１が複数の磁気抵抗効果素子１０に接続されている場合、配線を伝って漏れ電流が発生する場合がある。例えば、第２制御素子１４から印加した電流は第１セル選択素子１５に流れることが正しい電流の流れである。しかしながら、その電流の一部は、磁気抵抗効果素子１０及び第１配線１１を介して隣接する磁気抵抗効果素子１０に流れる可能性がある。この場合、この電流は磁気抵抗効果素子１０にとってはノイズの原因となる。
そのため第１配線１１が複数の磁気抵抗効果素子１０に接続されている場合は、ノイズを防ぐ手段を設けることが好ましい。図８は、整流素子３０が設けられた磁気メモリ２０３の回路構造の模式図である。図８に示すように、それぞれの磁気抵抗効果素子１０と第１制御素子１３との間に整流素子３０を設けると、電流が流れる方向を限定できる。電流が流れる方向を制御することで漏れ電流の発生を抑制し、ノイズの発生を低減できる。
整流素子３０は、公知のダイオードを用いることができる。整流素子３０は、磁気抵抗効果素子１０と第１制御素子１３との間に配設されていれば、図８に示す第１配線１１と磁気抵抗効果素子１０の間に配設されている場合に限られない。例えば、第１配線１１の途中に整流素子３０を設けてもよい。
ノイズを防ぐ別の手段として、第１制御素子１３の電位を第２制御素子１４の電位より高くしてもよい。第１制御素子１３は磁気抵抗効果素子１０の積層方向に流れる電流を制御し、第２制御素子１４はスピン軌道トルク配線２０の延在方向に流れる電流を制御する。そのため、第１制御素子１３と第２制御素子１４の動作は独立しており、それぞれの電位は第１セル選択素子１５より高ければ、自由に設定できる。第１制御素子１３の電位を第２制御素子１４の電位より高くすると、電流の流れることができる方向が一方向に規定され、整流素子３０を設けた場合と同様の効果が得られる。
　第２制御素子１４は、複数のスピン軌道トルク配線２０のそれぞれの第１接続点２０Ａに第２配線１６を介して接続されている。第２制御素子１４は、図示略の外部電源に接続され、スピン軌道トルク配線２０に流す電流を制御する。図７では、第２制御素子１４は、行列状に配置された複数の磁気抵抗効果素子１０のいずれの列に電流を印加するかを制御する。第２制御素子１４は、第１制御素子１３と同様、必ずしも複数設ける必要はない。例えば、第２配線１６同士を互いに接続し、一つの第２制御素子１４のみを設けてもよい。この場合も、何れのスピン軌道トルク配線１２に電流を印加するかは、後述する第１セル選択素子１５で制御可能である。
　図１～図８では、一つの第２制御素子１４から延びる第２配線１６は途中で分岐し、それぞれのスピン軌道トルク配線２０に接続されている。すなわち、第２制御素子１４の数を磁気抵抗効果素子１０の数に対して少なくすることができ、磁気メモリの集積性を高めることができる。
　第１セル選択素子１５は、複数のスピン軌道トルク配線２０のそれぞれの第２接続点１２Ｂに第３配線１７を介して接続されている。第１セル選択素子１５は、一つの磁気抵抗効果素子１０に対して一つ設けられている。第１セル選択素子１５は、いずれの磁気抵抗効果素子１０に書込み電流及び読出し電流を流すかを制御する。第１セル選択素子１５は、接地されている。
　第１制御素子１３、第２制御素子１４及び第１セル選択素子１５は、公知のスイッチング素子を用いることができる。例えば、電界効果トランジスタ等に代表されるトランジスタ素子等を用いることができる。
　第２配線１６及び第３配線１７は、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
　図４に示すように、第１接続点２０Ａと第２接続点２０Ｂは、磁気抵抗効果素子１０の積層方向から見て磁気抵抗効果素子１０を挟む位置にそれぞれ設けられていることが好ましい。換言すると、磁気抵抗効果素子１０は、積層方向から見て、第１接続点２０Ａと第２接続点２０Ｂに挟まれている。
　第２配線１６から供給された電流は、第１接続点２０Ａを介してスピン軌道トルク配線２０に流れる。スピン軌道トルク配線２０を流れた電流は、第２接続点２０Ｂを介して、第３配線１７に流れる。すなわち、スピン軌道トルク配線２０に流れる電流の主方向は、第１接続点２０Ａから第２接続点２０Ｂに向けた方向となる。第１接続点２０Ａと第２接続点２０Ｂの間に磁気抵抗効果素子１０を配設すると、電流の主方向と直交する位置に磁気抵抗効果素子１０が存在することになり、純スピン流によりスピンを磁気抵抗効果素子１０へ効率的に供給できる。
　ここまで本実施形態に係る磁気メモリの構成について説明した。以下、図３を例に、磁気メモリ２００による書込み動作及び読出し動作について説明する。
＜書込み動作＞
　書き込み動作は、２種類の方式がある。
　第１の方式は、純スピン流が誘起したスピン軌道トルク（ＳＯＴ）のみを利用して書込み（磁化反転）を行う方式である。第２の方式は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）又は磁気抵抗効果素子１０にかかる電圧による書込みをスピン軌道トルク（ＳＯＴ）でアシストする方式である。
　まず、第１の方式について説明する。
　第１の方式は、第２制御素子１４と第１セル選択素子１５によって書込みを制御する。
　第２制御素子１４を開放（接続）し、開放する第１セル選択素子１５を選択する。第２制御素子１４は外部電源に接続され、第１セル選択素子１５は接地されている。そのため、第２制御素子１４、第２配線１６、スピン軌道トルク配線２０、第３配線１７、選択された第１セル選択素子１５の順に流れる第１の電流経路が形成される。
　第１の電流経路において、スピン軌道トルク配線２０内を流れる電流は、スピン流を誘起する。スピン軌道トルク配線２０内に誘起されたスピン流は、第２強磁性金属層３（図４参照）に浸みだし、第２強磁性金属層３内のスピンにスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。その結果、データを書き込む磁気抵抗効果素子１０（以下、「選択セル」ということがある。）の第２強磁性金属層３の磁化の向きが反転する。すなわち、第１の電流経路に電流が流れることで、選択セルの書き込み動作が行われる。
　次いで、第２の方式について説明する。
　第２の方式は、第１制御素子１３と、第２制御素子１４と第１セル選択素子１５によって書込みを制御する。
　第１制御素子１３及び第２制御素子１４を開放（接続）し、開放する第１セル選択素子１５を選択する。第１制御素子１３及び第２制御素子１４は外部電源に接続され、第１セル選択素子１５は接地されている。そのため、二つの電流経路が形成される。
　第１の電流経路は、第１の方式と同様に、第２制御素子１４、第２配線１６、スピン軌道トルク配線２０、第３配線１７、選択された第１セル選択素子１５の順に流れる経路である。
　第２の電流経路は、第１制御素子１３、第１配線１１、磁気抵抗効果素子１０、スピン軌道トルク配線２０、第３配線１７、選択された第１セル選択素子１５の順に流れる経路である。
　第１の方式と同様に、第１の電流経路に流れる電流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起する。第２の電流経路に流れる電流は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に流れるため、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）を誘起する。その結果、選択セルの第２強磁性金属層３の磁化の向きは、スピン軌道トルク及びスピントランスファートルクを受け、反転する。すなわち、ＳＴＴ及びＳＯＴにより選択セルの書き込み動作が行われる。
　ここで磁気抵抗効果素子１０の抵抗が高い場合、第２の電流経路に流れる電流量は少なくなる。例えば、磁気抵抗効果素子１０を構成する非磁性層２の面積抵抗が１０００Ω／μｍ２よりも大きい場合、第２の電流経路に流れる電流量は非常に少なくなる。この場合でも、磁気抵抗効果素子１０の積層方向には電位差があり、磁気抵抗効果素子１０には電圧がかかる。磁化反転は、電圧差によっても生じると言われており、磁気抵抗効果素子１０に加わる電圧差を利用してもよい。
＜読出し動作＞
　読出し動作は、上述の第２の電流経路に電流を流すことで行う。流す電流は、第２強磁性金属層３の磁化の向きが反転しない程度の電流である。
　磁気抵抗効果素子は、書込みが行われた選択セルと、書込みが行われていない非選択セルとで抵抗値が異なる。第１強磁性金属層１と第２強磁性金属層３の磁化の向きが反対の向き（反平行）の場合と、同じ向き（平行）の場合とで、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の抵抗値が異なるためである。
　それぞれの磁気抵抗効果素子１０の抵抗値の違いを、第１制御素子１３とそれぞれの第１セル選択素子１５と間の電位差として読み出すことで、読み出し動作が行われる。
＜磁気メモリの製造方法＞
　本実施形態に係る磁気メモリは公知の方法を用いて製造することができる。以下、磁気メモリの製造方法について説明する。
　磁気メモリを作製する基板を準備する。基板は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。
　次いで、基板上に第１配線１１をパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィー等の手段によって行う。第１配線１１がパターニングされた基板上に、第１強磁性金属層１、非磁性層２、第２強磁性金属層３を順に積層する。基板と第１強磁性金属層の間に下地層を設けてもよい。下地層は、基板上に積層される第１強磁性金属層１を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御することができる。
　これらの層は、例えば、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成できる。磁気抵抗効果素子がＴＭＲ素子の場合、トンネルバリア層は、例えば第１強磁性金属層１上にスパッタした０．４～２．０ｎｍ程度のアルミニウム及び複数の非磁性元素の二価の陽イオンを含む金属薄膜を、プラズマ酸化あるいは酸素導入により酸化し、さらに熱処理を加えることによって形成できる。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の薄膜作成法を用いることができる。
　次いで、磁気抵抗効果素子１０を作製したい部分に、レジスト等の保護膜を設置し、イオンミリング法または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて不要部を除去する。除去した不要部をレジスト等の絶縁部５で埋めた後、上面を平坦化する。平坦化により、次に成膜するスピン軌道トルク配線２０と磁気抵抗効果素子１０の界面におけるスピン散乱を抑制できる。
　次に、平坦化した磁気抵抗効果素子１０の上面に、スピン軌道トルク配線２０を構成する材料を成膜する。成膜はスパッタ等を用いることができる。
　最後に、第２配線１６、第３配線１７、第１制御素子１３、第２制御素子１４、第１セル選択素子１５をそれぞれ作製する。
　第２配線１６及び第３配線１７は、パターニング等により所望の部分にのみ作製する。第１制御素子１３、第２制御素子１４及び第１セル選択素子１５は、トランジスタ等のスイッチング素子を公知の方法で作製する。作製する基板が、シリコン等の半導体の場合、同一基板上に、第１制御素子１３、第２制御素子１４及び第１セル選択素子１５を作製できる。
　上述のように、本実施形態にかかる磁気メモリによれば、磁気抵抗効果素子１０を選択するための第１制御素子１３、第２制御素子１４及び第１セル選択素子１５の数を少なくできる。すなわち、スピン軌道相互作用した純スピン流を利用した磁気抵抗効果素子を効率的に集積できる。
　ここまで、磁化方向が変化する第２強磁性金属層３が基板側であるトップピン構造について説明した。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、トップピン構造に限られず、固定層である第１強磁性金属層１が基板側に来るボトムピン構造でもよい。
（第２実施形態）
　図９は、第２実施形態に係る磁気メモリの回路構造の模式図であり、図１０は、第２実施形態に係る磁気メモリの回路構造の斜視模式図である。また図１１は、第２実施形態に係る磁気メモリの磁気抵抗効果素子近傍の要部の断面模式図である。第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付している。
　第２実施形態に係る磁気メモリ２０４は、第４配線４０及び第２セル選択素子４１を備える点が、第１実施形態に係る磁気メモリ２００と異なる。
＜第４配線及び第２セル選択素子＞
　第４配線４０は、各磁気抵抗効果素子１０と、第２セル選択素子４１とを繋ぐ。第４配線４０の磁気抵抗効果素子１０の一端は、第３接続点２０Ｃに接続されている。第３接続点２０Ｃは、磁気抵抗効果素子１０の積層方向から平面視した際に磁気抵抗効果素子１０と重なる位置に設けられている（図１１参照）。第３接続点２０Ｃは、スピン軌道トルク配線２０の磁気抵抗効果素子１０と反対側の面に設けられている。
　第４配線４０は、第２配線１６及び第３配線１７と同様に、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。
　第２セル選択素子４１は、公知のスイッチング素子を用いることができる。例えば、電界効果トランジスタ等に代表されるトランジスタ素子等を用いることができる。
＜書込み動作及び読み出し動作＞
　第２実施形態に係る磁気メモリ２０４は、読出し動作時の経路が異なる。書込み動作は、第１実施形態に係る磁気メモリ２００と同一の方式で行われる。
　第２実施形態に係る磁気メモリ２０４の読出しは、以下の第３の電流経路となる。
　第３の電流経路は、第１制御素子１３、第１配線１１、磁気抵抗効果素子１０、スピン軌道トルク配線２０、第４配線４０、第２セル選択素子４１の順に流れる経路である。
　第３の電流経路は、第１実施形態に係る磁気メモリ２００における読出し経路である第２の電流経路と、スピン軌道トルク配線２０を流れる電流の方向が異なる。第２の電流経路においては、磁気抵抗効果素子１０と第３配線１７の間で、スピン軌道トルク配線２０の延在方向に沿って電流は流れる。これに対し、第３の電流経路においては、スピン軌道トルク配線２０の延在方向に対して交差する向きに電流は流れる。磁気抵抗効果素子１０と第４配線４０は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向重なる位置に設けられているためである。
　スピン軌道トルク配線２０は、第４配線４０等の通常の配線よりも抵抗率が高い。スピン軌道トルク配線２０の配線抵抗は、磁気メモリ２００全体の回路抵抗の一要因である。読出し時の読出し電流をスピン軌道トルク配線２０と交差する方向に流すことで、全体の回路抵抗に占める配線抵抗の割合を小さくすることができる。
　全体の回路に占める配線抵抗の割合が小さくなると、磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗比の違いが判断しやすくなる。磁気メモリ２０４は、磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗比の違いによってデータを読み出すため、データの信頼性が高まる。
（第３実施形態）
　図１２は、第３実施形態に係る磁気メモリの回路構造の模式図であり、図１３は、第３実施形態に係る磁気メモリの回路構造の斜視模式図である。図では、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付している。
　第３実施形態に係る磁気メモリ２０５は、データ消去用素子５０と、第５配線５１とを有する点が、第１実施形態に係る磁気メモリ２００と異なる。
＜第５配線及びデータ消去用素子＞
　図１２及び図１３に示すように、データ消去用素子５０は、各スピン軌道トルク配線２０に接続される第３配線１７のそれぞれに接続されている。データ消去用素子５０は、第５配線５１と各第３配線１７を介して、スピン軌道トルク配線２０の第２接続点２０Ｂに接続されている。
　データ消去用素子５０は、公知のスイッチング素子を用いることができる。例えば、電界効果トランジスタ等に代表されるトランジスタ素子等を用いることができる。
　第５配線５１は、第２配線１６及び第３配線１７と同様に、通常の配線として用いられる材料を用いることができる。
　第３実施形態に係る磁気メモリ２０５の書込み動作及び読出し動作は、第１実施形態にかかる磁気メモリ２００と同様である。
　第３実施形態に係る磁気メモリ２０５は、データを消去する動作が可能である。
　消去動作は、第２制御素子１４とデータ消去用素子５０とによって行う。第２制御素子１４とデータ消去用素子５０が開放されると、以下の第４の電流経路が形成される。
　第４の電流経路は、第２制御素子１４、第２配線１６、各スピン軌道トルク配線２０、各第３配線１７、第５配線５１、データ消去用素子５０の順に流れる経路である。この際、ノイズを生み出す不適切な電流経路が形成されないように、データ消去用素子５０の電位は第２制御素子１４の電位より低くすることが好ましい。
　第４の電流経路に電流が流れると、各スピン軌道トルク配線２０からスピン流が各磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層３に浸みだす。その結果、各磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層３の磁化の向きは反転する。第４の電流経路では、全てのスピン軌道トルク配線２０に電流が供給される。そのため、第４の電流経路に電流が流れた後において、第１強磁性金属層１の磁化の向きに対する第２強磁性金属層３の磁化の向きは、全ての磁気抵抗効果素子１０で同一となる。すなわち、一括書込みが行われることで全ての磁気抵抗効果素子１０が有するデータが「１」又は「０」となり、実質的にデータが消去さる。
　一般に、磁気メモリはデータを保持できるという特徴を有する。そのため、それぞれのデータを確実に書き換えることが重要であり、データを一括で制御することは少ない。一方で、データ媒体を廃棄する際に、データを一括で制御（消去）したいというニーズは強い。
　例えば、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）効果を利用して磁化反転を行う磁気メモリの場合、全ての磁気抵抗効果素子を磁化反転させようとすると、各磁気抵抗効果素子の積層方向に並列に電流を流す必要がある。磁気抵抗効果素子の数が少なければ可能であるが、磁気抵抗効果素子の数が増えると、非常に大きな容量の電流源が必要である。また磁気抵抗効果素子毎に電流を流すこともできるが、全てのデータを消去するためには長い時間が必要となる。これに対し、本実施形態に係る磁気メモリ２０５は、データの一括制御が可能である。
（第４実施形態）
　図１４は、第４実施形態に係る磁気メモリの回路構造の模式図である。図では、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付している。
第４実施形態に係る磁気メモリ２０６は、磁場印加手段を有する点が、第１実施形態に係る磁気メモリ２０２と異なる。図１４では、外部磁場印加手段として配線６０を強磁性金属層１０上に配設した。配線６０の延在方向は、図１４の方向には限られず、図１４に示す配線６０の延在方向に対して交差していてもよい。
配線６０に電流を流すことにより、配線６０を中心とした磁界が生じる。この磁界は磁気抵抗効果素子１０にとっては外部磁場となる。磁気抵抗効果素子１０の第２強磁性金属層３は外部磁場の影響を受ける。配線６０に電流を流し外部磁場を磁気抵抗効果素子１０に加えることで、第１の電流経路に電流を流すことによって生じるＳＯＴ及び第２の電流経路に電流を流すことによって生じるＳＴＴによる磁化反転をアシストできる。
　配線６０は、図１４に示すように磁気抵抗効果素子１０等を含む駆動素子と異なる高さ位置に形成される。そのため、配線６０が磁気メモリの集積性を低下させることはない。配線６０は導電性の高い材料に構成されていればよい。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
外部磁場印加手段は、図１４に示すような配線６０に限られない。コイル等を用いた磁場発生装置を用いてもよい。
１…第１強磁性金属層、２…非磁性層、３…第２強磁性金属層、５…絶縁部、１０…磁気抵抗効果素子、１１…第１配線、２０…スピン軌道トルク配線、２１，２２…抵抗、１３…第１制御素子、１４…第２制御素子、１５…第１セル選択素子、１６…第２配線、１７…第３配線、４０…第４配線、４１…第２セル選択素子、５０…データ消去用素子、５１…第５配線、６０…配線、１００…駆動素子、２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６…磁気メモリ

Claims (10)

  1. 　磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化するように構成された第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層の間に設けられた非磁性層とを有する複数の磁気抵抗効果素子と、
    　前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの前記磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性金属層に接続された第１配線と、
    　前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれの前記第２強磁性金属層に接続され、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在する複数のスピン軌道トルク配線と、
    　前記第１配線に接続され、前記磁気抵抗効果素子に流れる電流を制御する少なくとも一つ第１制御素子と、
    　前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第１接続点に接続され、前記スピン軌道トルク配線に流れる電流を制御する少なくとも一つ第２制御素子と、
    　前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第２接続点に、それぞれ接続された複数の第１セル選択素子と、を備える磁気メモリ。
  2. 　前記磁気抵抗効果素子は、前記積層方向から見て、前記第１接続点と前記第２接続点に挟まれている請求項１に記載の磁気メモリ。
  3. 　前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第３接続点に接続された複数の第２セル選択素子をさらに有し、
    　前記第３接続点は、前記積層方向から見て、前記磁気抵抗効果素子と重なる位置に設けられている請求項１又は２のいずれかに記載の磁気メモリ。
  4. 　前記複数のスピン軌道トルク配線のそれぞれの第２接続点に接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれの第２強磁性金属層の磁化の向きを一括で制御するデータ消去用素子をさらに備える請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
  5. 　前記スピン軌道トルク配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性金属を含む請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
  6. 　前記第１配線が複数の磁気抵抗効果素子に接続される場合において、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれと前記第１制御素子との間に整流素子が設けられている、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
  7. 　前記第１制御素子の電位が前記第２制御素子の電位よりも高い、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
  8. 　前記非磁性層の面積抵抗が１０００Ω／μｍ２よりも大きい、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気メモリ。
  9. 　磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化するように構成された第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層の間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、
    　磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層に接続され、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を有する複数の駆動素子と、
    　前記複数の駆動素子のそれぞれの前記第１強磁性金属層に接続された複数の第１制御素子と、
    　前記複数の駆動素子のうち少なくとも二つの駆動素子のスピン軌道トルク配線の第１接続点に接続された少なくとも一つの第２制御素子と、
    　前記複数の駆動素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線の第２接続点に接続された複数の第１セル選択素子と、
    を有する磁気メモリ。
  10. 　磁化方向が固定された第１強磁性金属層と、磁化方向が変化するように構成された第２強磁性金属層と、第１強磁性金属層及び第２強磁性金属層の間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、
    　磁気抵抗効果素子の前記第２強磁性金属層に接続され、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して交差する方向に延在するスピン軌道トルク配線と、を有する複数の駆動素子と、
    　前記複数の駆動素子のうち少なくとも二つの駆動素子の前記第１強磁性金属層に接続された少なくとも一つの第１制御素子と、
    　前記複数の駆動素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線の第１接続点に接続された複数の第２制御素子と、
    　前記複数の駆動素子のそれぞれの前記スピン軌道トルク配線の第２接続点に接続された複数の第１セル選択素子と、
    を有する磁気メモリ。
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